近物所纳米材料结构调控研究获得新进展

2010-9-19 15:31 来源: 中国科学院
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  最近,中科院近代物理研究所材料研究二组的科研人员利用重离子径迹模板和电化学沉积技术,成功实现了铜纳米线晶体学特征的调控。相关结果发表在Nanotechnology 21(2010)365605上,并得到了审稿人的高度评价。文章发表后立即引起了英国物理学会社区网站nanotechweb.org的关注,并在第一时间以Copper nanowires tuned using ion track templates and electrochemical deposition为题对该研究成果进行了报道。

  材料科学的特点之一,就是通过控制材料的结构特征而获得所需的功能响应,纳米材料研究也不例外。实现纳米材料的物理结构可控制备不但对基础研究至关重要,而且还可为纳米材料的实际应用奠定基础。金属纳米线是一种横向尺寸处于纳米尺度的导线。由于具有优异的电、光、磁与热学性能,金属纳米线在微纳电子器件、光电子器件、催化与传感器等领域具有诱人的应用前景。多年来,尽管国际上已发明了多种制备金属纳米线的物理化学方法,但是实现纳米线物理结构的控制依然具有挑战性。

  为了制备金属纳米线,近物所科研人员首先利用高能重离子加速器加速的高能重离子轰击模板材料形成纳米尺度的重离子潜径迹,并对这些潜径迹进行化学蚀刻使其转变成纳米孔道,最后利用电化学沉积技术将不同金属材料填充到纳米孔道里形成纳米线。铜纳米线的研究结果表明,较低的沉积电压和较高的温度可形成单晶纳米线,而相反的条件则可获得多晶铜纳米线,通过综合控制电解液成份、沉积温度和电压等制备条件,分别可获得沿[111]、[100]或[110]方向晶体学择优取向的纳米线。对于多晶纳米线,在实验上验证了理论预测的多晶纳米铜的新奇力学性质:Anti-Hall-Petch效应。这些发现表明,重离子径迹结合电化学沉积技术是一种可控制备金属纳米线的高度灵活的方法,并可实现更多材料如金、银、铂、钴等纳米线的结构调控,进而获得所需的物理化学性质。

  本世纪初以来,近物所材料研究二组一直致力于发展基于重离子径迹的纳米材料可控制备与物理性质研究。利用重离子径迹模板结合电化学沉积技术,先后成功制备了金、银、铜、钯、钴、硫化镉、聚吡咯等金属、半导体和聚合物纳米线,并研究了其电学、磁学、光学、力学和化学性质。通过与德国GSI亥姆霍兹重离子研究中心材料组合作,首次在重离子径迹模板中可控合成了金纳米线,并利用扫描隧道显微镜发现了多晶金纳米线也具有类似于多晶纳米铜的Anti-Hall-Petch效应,发表在Nanotechnology 17(2006)1922上的研究结果得到了国际同行的认可,论文引用已达40余次。

  另外,合作团队还在国际上首次系统研究了金、银、铜、钯、铂和钴纳米线阵列的表面等离子体共振特性。研究结果发现,这些金属纳米线阵列不仅支持表面等离子体共振,而且通过纳米线直径和长度、形状、面密度和入射光角度等参数在很宽的光谱范围内对其实现调控。相关研究结果显示,金属纳米线也许可应用于表面增强光谱学、纳米光学路由器、太阳能电池等应用领域,为拓展金属纳米线的应用范围起到了推进作用。部分研究成果已发表在Journal of Physical Chemistry C 113(2009)13583上。

  上述研究得到了中国科学院“西部之光”人才培养计划、国家自然科学基金、甘肃省自然科学基金和近物所所长基金资助。