文丨小志连着说
编辑丨小志连着说
前言碳纳米管的优异性能以其纳米级形式存在。碳纳米管必须在设备中保持对齐，以宏观和块状形式保持这些特性。碳纳米管在基板上生长时同时垂直排列。预合成的碳纳米管可以在电力和磁力等外力的影响下大规模水平对齐。
对准方法根据用于实现对准的力进行分类。每种方法的优点、缺点和潜在应用。发现碳纳米管是科学和工程领域的一项创新。碳纳米管卓越的电子、机械、光学和化学特性使其成为未来工业和应用中有前途的材料。
由于碳纳米管各向异性的性质以及将它们放置在所需位置的困难，碳纳米管应用尚未得到广泛采用。是碳纳米管是在高温环境中合成的，这与目前的制造方法。在生产过程中控制碳纳米管结构存在困难。
在器件中，碳纳米管可以垂直或平行与基板对齐。在第一种情况下，碳纳米管在基板上生长时同时垂直排列，垂直取向的挑战是催化剂去除过程、与器件制造方法的兼容性以及将取向的碳纳米管从基板转移到目标应用的困难。预合成的碳纳米管可以在电场和磁场等外力的影响下垂直排列在基板上。在水平对齐的情况下，碳纳米管与基板表面平行组装。
碳纳米管通过磁力对准的原理是当强磁场在宏观尺度上施加在碳纳米管上时。碳纳米管段与磁力线平行排列，形成长达厘米的长线。磁场的来源可以是永磁体、超导磁体或电阻线圈磁体。碳纳米管对磁场的响应也可用于碳纳米管分离。
碳纳米管的磁性非常弱是众所周知的，很难使用低磁场组装碳纳米管。所需磁场的强度取决于碳纳米管的类型。在未修饰的碳纳米管的情况下，对齐碳纳米管所需的磁场在适合的范围内，而在相同条件下，MW碳纳米管需要的磁场强度低于单壁碳纳米管。使用10T的超导磁体在聚酯基质中排列MW碳纳米管。
碳纳米管涂有磁铁矿纳米颗粒，可有效增强其对低磁场的响应。当碳纳米管涂覆或装饰有磁性纳米颗粒时，对准碳纳米管所需的磁场减少了1到3个数量级2O3。使用弱磁场来排列磁铁矿碳纳米纤维杂化物并在环氧树脂中形成链状结构。显示了使用永磁体对齐用磁铁矿纳米颗粒装饰的碳纳米管的原理。
通过声力对准声电渗疗法是一种使用声波，声辐射力通常从压电表面产生，然后通过碳纳米管悬浮液传播，促进管子运动，声波分为表面声波和体声波。证明了使用SAW的预结构指间电极之间的SW碳纳米管和MW碳纳米管对齐。
站立的体声波用于在聚合物复合树脂内对齐MW碳纳米管。将复合材料放置在连接到电电极的两个压电板之间，电极为压电板提供电信号，以将其转换为体声波。体声波s通过复合基质传播，并将MW碳纳米管s沿波的方向对齐。
通过数值模拟和实验研究了基于SAW的图案化技术的机理。他们发现两个不同的场影响图案化过程，声压场和电场。声辐射引起微流体流动，而沿压电基板的电场引起偶极矩。微流体流动和偶极矩都有助于图案化和对准过程。
化学力的对准不需要任何外部场或力，因为碳纳米管是基于带电分子或碳纳米管与刺激材料之间的化学相互作用自组装的。基于溶液的化学方法用于在大面积上组装碳纳米管。在硅衬底上形成亲水和疏水界面结构以沉积单壁碳纳米管，碳纳米管直接沉积在碳化硅上亲水基质，不被疏水条区域污染。
对准继电器技术是一种新的化学对准方法，该方法基于制备分子功能化表面以同时分类和对齐碳纳米管。取向过程从液晶传递到可以选择性地与碳纳米管相互作用的小分子。碳纳米管沉积在排列的分子上，并按照分子的模式自排列。
机械力的取向在聚合物基质和碳纳米管纤维中最为普遍，可分为三类，纯剪切诱导技术、挤出诱导技术和流动诱导技术。剪切诱导技术使用直接剪切力，可以以各种形式应用，例如切割、摩擦或推动。
垂直合成的碳纳米管在光滑的塑料表面上摩擦以形成高密度薄膜，其中排列在摩擦方向上，除了切割和摩擦外，聚合物基质中的分散碳纳米管还可以通过拉动、摩擦、拉伸、骨折、剥落和单轴压力。方法的选择取决于聚合物硬度、弹性、尺寸和样品稳定性温度。
熔融纤维纺丝、直接纺丝和静电纺丝等挤出技术用于制造长而连续的碳纳米管纱线、线材和纤维。在这些技术中，碳纳米管分散在介质中，然后沿绘图方向自组装。方法之间的区别在于级数和纤维纺丝的碳纳米管源。
直接纺丝的对齐分为湿纺和干法纺。在湿法纺丝方法中，纤维通过凝固纺丝制备，其中均匀的碳纳米管分散体被注入聚合物溶液的同流流中，在第二种方法中，光纤由垂直排列的碳纳米管阵列或碳纳米管气凝胶组装而成，在纺丝过程中，两种方法都引入了扭曲阶段，以在拉伸方向上对齐碳纳米管。
气流诱导技术用于在各种基板上垂直和水平对齐碳纳米管。气流方法简单，易于放大，并且可以在碳纳米管的生长过程中使用以垂直对齐它们。该方法还用作生长后对齐方法，以在基板上水平对齐碳纳米管。生长过程中的对齐意味着碳纳米管在CVD过程生长时对齐。
这些层流是进料气流和对流气流，由于基板与周围环境之间的温差，碳纳米管垂直对齐。温差引起对流气流，使碳纳米管从基板表面向外生长。在高进料气体流速下，进料气流主导对流气流，碳纳米管沿进料气流方向水平对齐。
流动诱导技术还用于将生长后的碳纳米管水平对齐到预制电极结构上。将一滴碳纳米管溶液移液在光滑的表面上并承受气流力。气流产生的剪切力在管子上产生扭矩并导致其对齐，除了对准之外，气流还同时扩散溶液液滴并有助于干燥过程。
通过电力对准电泳和DEP是用于在两个或多个电极之间对齐碳纳米管的电力。当表面充电的碳纳米管受到均匀的电场时，EP的对准就会发生。使用DEP的对准基于碳纳米管介电极化因子，其中非均匀电场用于在碳纳米管本身内感应偶极矩。
直流电泳和交流电泳分别由使用电场定向碳纳米管，在直流电泳对准中，从碳弧放电法获得碳纳米管样品，然后超声分散在异丙醇中。将溶液离心以除去大颗粒，然后滴到间隙宽度为0.4mm的铝制共面电极上。施加到电极上的电场为直流电泳有效值在AC-EP的情况下，频率范围为10Hz至10MHz。异丙基电离有助于碳纳米管响应电场振幅和频率变化而移动和对齐。
DEP首次用于碳纳米管集成，是科学家将SW碳纳米管的金属束从溶液中分离出来并将它们组装成一个装置。通过激光烧蚀生长SW碳纳米管，用硝酸纯化，并悬浮在二甲基甲酰胺中。电极用标准电子束光刻制备，并连接到交流电源。将碳纳米管悬浮液放在芯片上后，发电机被打开以对齐碳纳米管。
碳纳米管对准方法因碳纳米管样品大小而异，从单个管到散装碳纳米管粉末。聚焦离子束方法是控制单个管的方向的一个例子。聚焦离子束方法使用聚焦离子束在用金属纳米颗粒涂覆管后控制单个管的对准角。
LB方法用于在氧化物基板上制造单层排列的单层单壁碳纳米管。在层制造过程中，通过压力循环和热退火改善了对准和保压程度。LS方法适用于制造超过高密度阵列，该方法用于二氯乙烷组装高纯度S-SW碳纳米管，用于高性能晶体管。使用LB和LS方法的对齐，其中使用移动杆施加单轴压缩力，将碳纳米管组装成有序阵列。
过滤方法用于制备高堆积密度良好排列的碳纳米管薄膜。排列程度由溶液中的过滤速率和碳纳米管浓度。过滤方法包括传统的过滤装置和真空泵，以控制通过膜的介质流速。陶瓷过滤器，吹泡泡、粘性剪切应力，受限剪切对准和向列液体排列，是额外的薄膜组装方法，可提供关于碳纳米管类型的大规模对齐。
结论纳米管以特定顺序排列或沉积时，可以观察到碳纳米管的优越性质。与对齐的碳纳米管相比，随机分布的碳纳米管表现出不可预测的行为和较差的电性能。由于这些原因，碳纳米管对准是制造基于碳纳米管的器件和材料的重要步骤。
对准方法及其工作规模、应用、优势和挑战。每种方法在特定规模上都运行良好。在这个规模之外，挑战开始出现，并限制了这些方法成为通用方法。对准方法的选择取决于应用的几何形状及其制造工艺的兼容性。
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