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清华柳鹏/李群庆课题组 AFM:超顺排碳纳米管薄膜快速电调制红外光源及其气体监测应用

2022-11-26 23:47510admin
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温室气体排放导致的全球变暖问题是当前人类面临的一个共同挑战。 对于整个减排过程而言,相关温室气体的监测是非常关键的。 非色散红外( Non-dispersive infrared NDIR )气体检测方法具有原理简单、高精度、响应迅速、稳定性好以及检测浓度范围大的优点,具有广阔的应用前景。

非色散红外气体检测系统通常 由红外光源、气室、窄带滤光片和探测器构成,由于探测灵敏度的要求,光源通常被周期性调制,通过解调探测器的相关信号得到气体的信息。 传统的调制方法如斩波器会导致设备变得复杂,而直接电调制则具有简便易操作等优点,同时还可以避免机械部件引起的干扰。 传统的红外光源如小灯泡、超薄金属膜、红外 LED 以及 MEMS 光源,都可以采用电调制的方法,然而这些传统光源存在调制频率低、光谱范围窄、发射率低等问题。 前期的研究揭示了超顺排碳纳米管 (Superaligned Carbon Nanotube SACNT )薄膜具有非常快的热响应特性,可以调制到很高频率。 本研究发现, SACNT 薄膜同时还具有超宽的辐射光谱范围以及较高的发射率,非常适宜于用作快速可调制的红外光源。

图1 超顺排碳纳米管薄膜用于气体监测示意图
本研究将SACNT薄膜红外光源用作对两种主要温室气体CO 2 和CH 4 的监测中。实验发现,十层交叉铺设的SACNT薄膜的平均发射率在0.2-2.0μm、2.0-25.0μm和25.0-334.6μm分别达到了0.864、0.836和0.745,其加热过程中的上升时间和下降时间仅为毫秒量级。在气室长度不到10mm的情况下,对CO 2 和CH 4 的监测浓度范围分别达到了0.0195%–20.10% (v/v)和0.10%–17.11% (v/v),其中,CO 2 的最小浓度已经小于空气中的浓度。研究同时制备了微型化的便携式红外气体测量装置,并演示了对于呼吸气体中CO 2 含量的监测。同时,SACNT薄膜也可做成单元尺寸仅为几百微米的光源阵列,具有明显的微型化集成优势。
这项研究成果以 “Rapidly modulated wide-spectrum infrared source made of Super Aligned Carbon Nanotube film for greenhouse gas monitoring” 为题发表在国际著名学术期刊Advanced Functional Materials上。清华大学物理系博士生赖丽文为文章的第一作者,清华大学物理系柳鹏副研究员和李群庆教授为该文的通讯作者,中科院上海技术物理研究所陆卫教授也参与了相关研究。该项工作得到科技部重点研发计划(2017YFA0205800, 2018YFA0208400)、国家自然科学基金(51788104,51727805,51532008)的支持。

作者简介

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李群庆研究员,现任清华大学低维量子物理国家重点实验室和清华-富士康纳米科技研究中心研究员,博士生导师。多年来主要从事微米结构与纳米结构的集成制备技术研究、碳纳米管晶体管器件的结构和工艺以及性质研究、二维材料的生长和光电器件制备与研究。承担了多项国家重点研发计划、国家自然科学基金等。

柳鹏副研究员,现任清华大学低维量子物理国家重点实验室和清华-富士康纳米科技研究中心副研究员,在Nat. Catal.、 Nat. Comm.、 Sci. Adv.、PNAS、Adv. Mater.、ACS Nano、Nano Lett.等发表60篇文章。

原文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202208891

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