中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）先进材料与结构分析实验室“纳米材料与介观物理”研究小组（A05组），多年来一直致力于碳纳米管的制备、物性与应用研究。在以往工作的基础上，该课题组解思深院士指导的博士生周文斌与该组博士生范庆霞、王艳春博士、周维亚研究员等人发展了一种简捷、便利的热电性质的测量方法及装置（中国发明专利申请号：201510172983.1），能够测量同一个准一维导电样品在同一个方向上的热电性质（热导率、电导率和塞贝克系数），解决了碳纳米管薄膜面内热导率测量困难的问题。
利用自主设计的准一维导电材料热电性质的测量装置，可以在10-4 Pa的高真空下进行热导率的测量，有效排除了碳纳米管薄膜巨大的对流散热的影响，并基于一维稳态热输运方程，在建立理论模型时考虑了辐射散热的影响，根据理论推导得到的公式，可以在高真空环境下通直流电使样品自加热，测量样品电阻与温度的依赖关系用于温度监测，样品本身作为加热器和电阻温度计，无须引入额外加热或测温装置，最终只需测量样品悬空段的电阻，即可计算材料的热导率。此外，还可以利用该热电性质测量装置，采用四电极法和稳态法测量同一个薄膜条带或者纤维的电导率和塞贝克系数，最终实现热电性能的准确评估。通过对浮动催化化学气相沉积法制备的碳纳米管薄膜和纤维热电性质的系统研究，结果表明这些连续网络碳纳米管薄膜和纤维拥有优异的p型热电功率因子（室温下最大值为2482 μW m-1 K-2），是理想的绿色、柔性热电材料。相关研究结果发表在Small（2016, 12, 3407–3414）上。
该工作得到了科技部、国家自然科学基金委和中国科学院等项目的支持。
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| 图1 (a) 热电性质测试样品台的结构示意图。(b) 改变样品悬空长度的样品台示意图。 |
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| 图2 基于直接生长的碳纳米管薄膜的柔性宏观体的形貌表征。直接生长的碳纳米管薄膜的(a)光学照片和(b)SEM图像(Scale bar 100 nm)。(c) 由连续生长的碳纳米管薄膜制备的CNT sheet的光学照片。(d)拧制直接生长的碳纳米管薄膜制备的碳纳米管纤维的SEM图像(Scale bar 20 ?m)，纤维直径为29 μm。 |
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| 图3 直接生长的碳纳米管薄膜的热电性质测量。(a-d) 在6×10-4 Pa的稳态真空下的面内热导率的测量: (a) 悬空薄膜条带在不同加热电流下电阻随时间的变化。 (b) R-1 – I2 曲线。(c) 小温区内测得的R–T曲线。(d) 表观热导率随悬空长度的平方变化曲线。(e-f) 在空气氛围下电导率和塞贝克系数的测量：(e) 测量得到的V–I曲线。(f) 悬空条带两端在不同温差下测得的稳态电压差，斜率为表观塞贝克系数，考虑导线的塞贝克系数后，可得到样品本身的塞贝克系数。 |
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| 图4 碳纳米管薄膜室温下的热电性质。 (a) 测量得到的面内方向的热导率。(b) 面内方向的电导率和塞贝克系数。(c) 计算得到的热电功率因子和优值。(d)不同碳纳米管薄膜的紫外-可见-近红外吸收光谱。插图为扣除π电子等离激元吸收背底后的吸收光谱。 |
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| 图5 碳纳米管纤维室温下的热电性质。(a) 面内热导率测量时纤维在不同加热电流下的电阻随时间的变化。(b) 获得的R-1 – I2 曲线。(c-d) 不同碳纳米管纤维热电性质的比较，其中SWNT fiber 4是拧制硝酸处理过的碳纳米管薄膜制备得到的。(e) 同一块碳纳米管薄膜硝酸处理前后的紫外-可见-近红外吸收光谱。(f)与最近报导的不同p型柔性热电材料功率因子的比较。 |
Ultrahigh-Power-Factor_Carbon_Nanotubes.pdf
