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构筑异质复杂一维纳米结构方法研究获进展

上一篇 / 下一篇  2011-05-05 12:09:28 / 个人分类:实验应用

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  由晶态硅纳米管(黑色)和金纳米线(黄色)组成的异质复杂纳米结构示意图

  与单一材料的一维纳米结构相比,由异质材料组成的复杂形貌一维纳米结构,具有更多的功能与更好的性能。这种异质复杂一维纳米结构在各种纳米器件与多功能复杂系统中具有广泛的应用前景。此前,人们根据高纯铝在阳极氧化过程中所形成孔的直径与阳极氧化电压成正比的关系,采用在阳极氧化过程中降低电压、化学气相沉积等方法,制备了具有多代分支结构的碳纳米管(PNAS 102, 7074 (2005))。

  最近,中科院合肥物质科学研究院固体所孟国文小组在用模板法构筑多代分支形貌的晶态硅纳米管、晶态硅纳米管与金纳米线组成的分支形貌的异质纳米结构、以氧化铝为壳层的纳米电缆等异质复杂一维纳米结构方面取得新进展。

  硅是现代半导体工业的核心材料,硅纳米管与硅基半导体技术完全兼容,在传感器、晶体管、储氢、光电器件等方面有广泛的应用前景。硅原子比碳原子更倾向于形成sp3杂化(碳原子之间通常形成sp、sp2和sp3杂化)。实验中一般容易获得硅纳米线,而很难获得硅纳米管。该组陈本松、许巧玲博士用具有多代分支形貌孔的氧化铝模板法构筑了具有相应几何形貌的硅纳米管。经过大量摸索试验,在不使用任何催化剂的条件下,通过调节化学气相沉积过程中的各种工艺参数,利用氧化铝模板孔道的几何形貌限域作用与自催化作用,获得了与氧化铝模板孔形貌完全一致的多代分支形貌的非晶硅纳米管。为了提高非晶态硅纳米管的结晶性,科研人员采用后续退火处理的方法将非晶硅纳米管转化为晶态硅纳米管,从而获得了具有多代分支形貌的高纯度晶态硅纳米管,相关论文发表在Adv. Funct. Mater. 20, 3791(2010)。在此基础上,该小组采用以前合成由碳管与可电沉积材料纳米线组成的分支形貌异质纳米结构的类似方法(详见Meng, et al. Angew. Chem. Int. Ed. 48,7166(2009)),成功地构筑了由晶态硅纳米管与金纳米线组成的分支形貌异质纳米结构(见图1所示),相关论文发表在ACS NANO 4,7105-7112 (2010)。

  纳米电缆属于一维纳米结构中的径向异质结构,在纳米电子学领域有广泛的应用前景。该小组杨大驰博士此前发明了“一种合成由两种可电沉积材料组成的纳米电缆的通用方法”(详见Appl. Phys. Lett. 92,083109(2008))。如果纳米电缆的壳层为氧化物绝缘体,则壳层可以作为芯部的保护层、绝缘层及场效应晶体管的栅极氧化物等。

  最近,科研人员发明了一种合成以氧化铝绝缘体为壳层的纳米电缆的普适方法。这些纳米电缆“芯部”的纳米线和纳米管的材料可以是金属、金属氧化物、导电聚合物、化合物半导体以及单质碳、硅和锗等。相关论文作为“卷首插画论文”发表在《应用化学》(Angew. Chem.Int. Ed.) 50, 2036-2040 (2011)。此前,人们已经报道了几种合成以氧化硅和氧化铝为绝缘层的纳米电缆的方法,然而,却不能对纳米电缆的芯部材料种类及其结构进行有效调控。而对芯部材料种类和结构的控制,对构筑具有各种功能的纳米器件和系统具有重要的意义。

  相关工作得到中科院、国家基金委和科技部等资助。(来源:中科院合肥物质科学研究院固体所)


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