博士论文-碳纳米管的X射线近边吸收谱学研究

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题名	博士论文-碳纳米管的X射线近边吸收谱学研究
作者	钟俊
学位类别	博士
答辩日期	2007
授予单位	中国科学院研究生院
授予地点	北京
导师	吴自玉
关键词	碳纳米管 X射线近边吸收谱缺陷化学修饰蛋白气体碰撞尺寸效应巴基球扫描透射X射线显微术
学位专业	凝聚态物理
中文摘要	碳纳米管具有广阔的应用前景，是目前国际上研究的热点，对这种材料的表征是进一步研究和应用的基础。本论文使用X射线近边吸收谱以及第一性原理计算，对碳纳米管的生长、纯化以及各种应用过程进行了结构表征和成键分析, 展示了基于同步辐射的X射线谱学方法作为一种有力的研究手段在纳米材料结构表征和机理研究中的应用。本论文首先阐明了碳纳米管的表面基团和自身缺陷与吸收谱谱峰结构的对应关系。特别是通过对溴化反应的研究拓展了X射线吸收谱在碳纳米管化学修饰过程中的应用。其次，本论文探讨了碳纳米管与生物分子以及气体分子之间的相互作用。文中通过实验和理论计算首次得到了蛋白分子和碳纳米管界面的结构变化信息，阐明了蛋白分子与碳纳米管之间的相互作用机制，弥补了常规实验手段在界面相互作用研究方面的不足。利用自行设计的新实验装置，进行了气体环境下原位X射线近边吸收谱实验，首次得到了碳纳米管在气体环境下的电子结构变化信息，阐明了碳纳米管与气体分子之间的相互作用机制。最后，论文结合X射线发射谱讨论了碳纳米管的尺寸效应，并利用X射线谱学手段表征了两种基于碳纳米管的新体系：纳米巴基球和内包氧化铁纳米颗粒的多壁碳纳米管。本论文的主要内容如下：; 1、系统的分析了碳纳米管的表面基团和自身缺陷与吸收谱谱峰结构的对应关系。我们结合X射线近边吸收谱和光电子能谱给出了石墨和碳纳米管上含氧杂质态存在的直接证据。实验证明，以前报道的石墨和碳纳米管上的介于π峰和σ峰之间的所谓层间类自由电子态其实是由于氧吸附造成的杂质态。我们还用X射线吸收谱研究了碳纳米管由于酸处理和氩离子轰击引起的缺陷态。文中详细讨论了吸收谱峰与碳纳米管结构缺陷之间的对应关系。本文用X射线近边吸收谱研究了单壁碳纳米管的化学修饰过程。实验发现，经过HBr溶液浸泡一段时间之后，单壁碳纳米管的碳K边吸收谱上出现了一个很强的新峰。它的出现以及其高强度说明了溶液中的Br离子与碳纳米管管壁形成了大量的键。本论文详细阐述了X射线吸收谱在研究碳纳米管化学修饰过程中的结构变化和成键信息所具有的独特优势，将X射线吸收谱研究的碳纳米管化学修饰过程从单一的氧化处理拓展到普适的化学处理过程（如溴化反应），从而为碳纳米管的化学修饰提供了一种有力的表征手段。; 2、深入研究了碳纳米管与生物分子以及气体分子之间的相互作用。本文通过X射线近边吸收谱和第一性原理计算对蛋白在单壁碳纳米管上的吸附进行了研究，首次得到了蛋白分子和碳纳米管界面的结构变化信息，探讨了碳纳米管与生物体系之间的相互作用机理。实验发现，碳纳米管与蛋白之间存在着界面相互作用，蛋白中的C=O键会被碳纳米管的环状结构影响，在吸收谱上表现为谱峰位置的移动。这种界面相互作用会引起蛋白的结构形变，而我们的计算结果进一步证实了这种相互作用的存在和形变的发生。吸附过程中的相互作用可能影响蛋白的活性和功能，是碳纳米管用作生物医学器件时必须考虑到的问题。这种生物分子与纳米材料界面间的相互作用是传统实验手段难以解决的问题，我们的实验证明了X射线谱学手段在这方面的优势。; 利用自行设计的新实验装置，本文进行了气体环境下的原位X射线近边吸收谱实验，首次得到了碳纳米管在气体环境下的电子结构变化信息。实验发现，随着气体的压强增加，碳纳米管的吸收谱出现了峰强和峰位的有序变化，这种变化趋势证明碳纳米管在气体分子的作用下发生了形变，从而验证了气体分子与碳纳米管之间的碰撞机制。我们同时在吸收谱上观测到了一个新峰，它可以解释为气体分子碰撞导致碳纳米管π* 轨道的分裂形成的。; 3、结合X射线吸收谱和发射谱讨论了碳纳米管的尺寸效应。X射线吸收谱与其它同步辐射实验手段相结合可以获得纳米体系的本征信息。实验发现，在激发光子能量靠近费米面附近时，发射谱谱峰结构随碳纳米管的管径变化发生了能量位置和谱峰强度的变化。这些变化可以分别归结为碳纳米管能带结构中靠近K点附近的π能带和σ能带的变化。π能带随管径减小而向低能方向移动的现象与以前报道的带隙随管径减小而增大的结论相符合；与此同时，σ能带中两个峰强度对比也发生了明显的变化，这说明由于尺寸（曲率）的影响碳纳米管中的σ键也发生了变化，常规实验手段很难观察到这种变化。; 4、最后，我们还初步研究了两种基于碳纳米管的新体系。我们用同步辐射扫描透射X射线显微术（STXM）研究了以碳纳米管为原料形成的纳米巴基球结构，得到了它的元素分布和不同区域的结构信息。我们还使用X射线吸收谱对内包氧化铁纳米颗粒的多壁碳纳米管进行结构表征，并对多壁碳纳米管与其内包纳米颗粒之间的相互作用进行了初步研究。尽管这些研究只是初步的讨论，但已经展示了X射线谱学手段在新材料体系研究中的强大应用能力。
语种	中文
学科主题	凝聚态物理
公开日期	2016-02-25
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.ihep.ac.cn/handle/311005/210249]
专题	多学科研究中心_学位论文和出站报告
作者单位	中国科学院高能物理研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	钟俊. 博士论文-碳纳米管的X射线近边吸收谱学研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2007.