Nature Materials：富勒烯封裝調制單個碳納米管的熱和熱傳輸性能

【引言】

近年來，面對人類對能源日益增長的需求和化石能源的日益枯竭，發展可持續能源迫在眉睫。熱電材料成為了國內外研究的熱點課題。自19世紀初發現半導體材料的Seebeck效應和Peltier效應以來，熱電材料如雨后春筍般在材料研究界大量出現。然而，受限于較低的熱電轉化效率，熱電材料目前的應用僅限于如外太空探測器等一些利基市場。提高熱電轉化效率的核心是提高熱電優值ZT，也就是提高熱電材料的電導特性同時降低材料的熱導率。封裝分子對單個碳納米管(CNTs)熱性能的潛在影響一直是一個重要的開放性問題。在熱傳輸微觀結構中實現CNTs封裝分子對熱性能調制并沒有得到實驗證實。然而，CNTs在能量轉換及熱管理方面的廣泛應用而受到關注。單個CNTs的特性調制是特別有趣的工作，可能會導致材料性能的提高和新應用的發現。CNTs的關鍵特性是納米級的內腔，最新化學工藝使得將各種材料插入到內部空間，例如：不同類型的碳納米材料、有機分子和納米粒子，從而實現材料熱電性能的提高。以前工作中富勒烯封裝可以調制CNTs的熱性能。然而，封裝分子對單個碳納米管的熱傳輸特性的影響還未見報道。

【成果簡介】

近日，斯坦福大學Takashi Kodama和Kenneth E. Goodson（共同通訊）合作研發了以單個CNTs為研究對象，分別利用C₆₀，Gd@C₈₂和Er₂@C₈₂對單個CNTs進行封裝，從而在結構上實現了熱性能的傳輸，并測量三種材料的熱導率（κ）和熱電勢（S）。同時，與空心CNTs熱性能在室溫條件下進行對比，三種不同材料封裝單個CNTs引起熱導率減小35-55％，S增加約40％。κ的峰值隨著溫度從40到320K發生變化且向較低溫度移動。實驗數據與模擬計算富勒烯封裝的CNTs之間的相互作用是一致的。相關成果以題?“Modulation of thermal and thermoelectric transport in individual carbon nanotubes by fullerene encapsulation”?在Nature Materials發表。

【圖文導讀】

圖1：測量裝置和封裝的CNTs的示意圖，SEM和TEM

a 制造的測量裝置的示意圖（左）和用于測量CNT的熱導率（κ）和熱電的懸浮微結構的代表性SEM圖像（右）；

b SEM圖像的懸浮κ測量裝置開發的制造工藝的示意性工藝流程。左邊是研究中使用的五種CNT的TEM圖像。

圖2：室溫下測量的封裝的CNT束的熱導率（κ）和熱電勢（S）

a，b，κ（a）和S（b）作為直徑的函數。虛線表示在不同樣品之間估計的SWNT的平均κ和S。

圖3：封裝的CNT束的熱導率（κ）和電勢（S）與溫度依賴性之間的關系

a封裝的CNT束的κ的溫度依賴性；

b 封裝的CNT束的S的溫度依賴性。

圖4：封裝SWNT樣品模擬

a 作為αint（= dint / dmax，其中dint =（dmax-df）/2）的函數的T = 300K時的C₆₀磷灰石的熱導率（κ）；

b C₆₀ peapod的聲子色散關系與αint的變化；

c 作為αint和溫度的函數的C₆₀ peapod的熱容量；

d 由富勒烯封裝引起的X=σ（實線）和X=S（虛線）的變化比（X_cnt-X_pea）/Xcnt作為化學勢的函數。

【結論】

本文提出了CNTs與封裝材料之間的強相互作用，引起抑制κ和增強S。通過封裝分子的變化可能進一步調制CNT的熱性能。同時基于本征材料的低熱導特性和CNT基熱電材料，CNTs管間結的熱傳遞通常對材料導熱性能產生很大的影響。單個CNT的導電性能將影響體材料性質。隨機取向導致σ降低并限制CNT的密度，這對于進一步提高材料性能是必要的。此外，管間結的S主要由單個CNT的S決定。單個CNT熱電性質的調制對于材料的應用也是重要的。本工作旨在開發富勒烯封裝調制單個CNTs的高性能熱電材料，為以后的熱電材料研究提供新思路。

文獻鏈接： Modulation of thermal and thermoelectric transport in individual carbon nanotubes by fullerene encapsulation（Nature Materials, 2017, DOI: 10.1038/nmat4946）

本文由材料人編輯部納米材料學術組堅毅供稿，材料牛編輯整理。歡迎加入材料人編輯部納米材料學術交流群（228686798）！

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入材料人編輯部。

材料測試，數據分析，上測試谷！