谢杨苏课题组报道碳纳米管气凝胶薄膜应用于快速灵敏测辐射热计

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在室温下工作的快速灵敏红外探测器在各种应用领域有很大的需求，如安全、环境监测、远程控制、生物医学应用、光通信和热成像，以及智能汽车和机器人导航等尖端技术。近年来，新型纳米材料如ZnS、MoS2和WS2已被开发用于实现快速、灵敏和灵活的光电探测器。碳基材料具有宽带吸收、响应快、导电性好、成本低、稳定性好等优点，是最具发展前景的柔性红外探测器材料之一，受到广泛关注。
        然而，在保持快速响应速度的同时提高灵敏度仍然是一个巨大的挑战。在测辐射热传感过程中，测辐射热计的热响应可以简化为，其C为热容，ε为吸收系数，P为辐射功率，G为热导，T和Ts为测热仪的温度和周围的温度。这个方程表明，为了达到高灵敏度，最小化与环境（G）的热连接是必要的。此外，低比热容（G）对于快速检测是必不可少的。通过降低测辐射热材料的密度，可以同时满足最小化G和C的要求。因此，降低碳纳米管密度可以有效地提高碳纳米管辐射热计的响应率和响应速度。
碳纳米管气凝胶（CAs）由于其超低密度和高比表面积的特性，近年来得到了广泛的应用。碳纳米管气凝胶的主要制备方法是溶胶-凝胶法，其干燥方法有常压干燥、超临界干燥和冷冻干燥，然后通过热解得到气凝胶。利用两级孔洞结构（管间孔和CNTs中空结构)在CAs中实现了超低密度。此外，由于CA的超低密度和相邻CNTs之间的高热接触电阻，使其具有超低导热性。这一特性对于减少测辐射热传感过程中的能量损失至关重要。然而，以往的工作主要集中在力学性能和保温性能方面。CA中温度依赖性电输运尚未见报道，此外，CA的测辐射热性能仍然未知。
        近期，深圳大学化学与环境工程学院谢杨苏特聘副研究员课题组在《ACS Applied Materials Interfaces》（影响因子10.383，中科院JCR工程技术一区，TOP期刊）上发表最新研究进展，题目为《Ultra-Low Density Carbon Nanotubes Aerogel Film for Fast and Sensitive Bolometric Sensing》。该论文第一作者为硕士研究生黄源泓，通讯作者为谢杨苏特聘副研究员，共同作者包括硕士生韦露洁、陈婷婷、胥天航，本科生蔡亦菲、郭雅仪。深圳大学化学与环境工程学院为第一完成单位和通讯单位。
         本工作合成了具有超低密度（1.33 mg·cm-3）的碳纳米管气凝胶薄膜(CAF)。采用瞬态电热(TET)技术对CAF在320 K~10 K温度范围内的热电输运进行了表征。CAF在真空中具有极低的热导率(320 K时为2.5 mW·m-1·K-1)和热扩散系数(320 K时为2.24×10-6 m2·s-1)。在295 K时，CAF的TCR为-0.11 %/K，比MWCNTs高57%。此外，对碳纳米管气凝胶的综合测辐射热性能进行了测试和分析，包括光热响应、电阻率响应以及对从紫外到近红外的广谱激光的响应时间。结果表明，CAF对不同波长激光的相对响应是一致的。悬浮长度为200 μm的CAF响应时间短至2.95~3.03 ms(对应帧数为330~339/s)。此外，CAF样品对黑体辐射源和人手辐射的电阻响应也表现出良好的灵敏度和重复性。这些结果表明CAF作为一种灵敏、快速响应的非冷却辐射热计具有广阔的应用前景。

图1. (a) CAF的制备过程示意图。(b-c)显示制备得到的CAF数码照片，CAF不仅可以轻易被切割并且具有超低密度。

        该研究得到了中国国家自然科学基金委、广东省自然科学基金项目支持。
       全文链接见： https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c20099
        文章来源：深圳大学
        谢杨苏，博士，深圳大学化学与环境工程学院助理教授，硕士生导师。博士毕业于美国爱荷华州立大学机械工程系。一直从事微纳米尺度的热测量与声子、电子传输机理的研究，获得了2017年美国爱荷华州立大学“博士生卓越研究奖”。于2017年11月通过深圳市海外高层次人才计划引入深圳大学。至今在ACS Nano、Nanoscale、Carbon、International Journal of Heat & Mass Transfer、Nanotechnology、Physical Chemistry Chemical Physics等国际权威期刊上发表SCI收录论文13篇，其中第一/通讯作者论文8篇。