納米結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用納米材料和納米結(jié)構(gòu)

納米結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用納米材料和納米結(jié)構(gòu)

1國內(nèi)會(huì)議研究張立德，中國科學(xué)院固體物理研究所所長，博士點(diǎn)帶頭人?！熬盼濉迸实怯?jì)劃預(yù)選項(xiàng)目“納米材料科學(xué)”首席科學(xué)家。1939年出生。1964年北京大學(xué)物理系畢業(yè),1967年中國科學(xué)院金屬研究所研究生畢業(yè)。曾多次主持國家、院部級(jí)重大科研項(xiàng)目,取得多項(xiàng)科研成果,曾獲國家、院部級(jí)獎(jiǎng)5項(xiàng),獲發(fā)明專利7項(xiàng),發(fā)表SCI索引的論文130余篇,國際會(huì)議邀請(qǐng)報(bào)告4次,國內(nèi)會(huì)議邀請(qǐng)報(bào)告19次,出版專著和編著多部。解思深中國科學(xué)院物理研究所研究員,博士生導(dǎo)師。1942年出生。1965年北京大學(xué)物理系畢業(yè),1983年獲中國科學(xué)院物理研究所博士學(xué)位。1984—1986年在美國克羅拉多大學(xué)從事博士后研究。1987—1991年從事高溫超導(dǎo)體的合成、相關(guān)系、結(jié)構(gòu)和物性研究;1991年至今從事納米材料和介觀物理研究。與他人共同發(fā)表SCI論文100余篇,專著1部,國際會(huì)議邀請(qǐng)報(bào)告10余次。獲發(fā)明專利1項(xiàng)。曾獲國家、院級(jí)獎(jiǎng)3項(xiàng),中國材料學(xué)會(huì)橋口隆基獎(jiǎng)和何梁何利獎(jiǎng)。2納米結(jié)構(gòu)材料的研究納米科技是21世紀(jì)科技領(lǐng)域的三大熱點(diǎn)之一,是信息和生命科學(xué)進(jìn)一步發(fā)展的共同基礎(chǔ)。當(dāng)前,國際上關(guān)于納米材料和納米結(jié)構(gòu)的研究出現(xiàn)了新的趨勢:(1)準(zhǔn)一維納米材料,包括納米碳管、納米線、納米絲、納米棒和納米電纜等,形成了新的研究熱點(diǎn);(2)納米組裝材料和納米結(jié)構(gòu)微陣列的制備科學(xué)和技術(shù)的研究出現(xiàn)了新的苗頭;(3)對(duì)于納米材料奇特物性起因的研究不斷深入;(4)納米材料和納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究不斷引起人們的重視。納米材料和納米結(jié)構(gòu)的制備技術(shù)與其它技術(shù)相結(jié)合,拓展了人們創(chuàng)新的思路。根據(jù)國際上納米材料和技術(shù)研究的動(dòng)向,結(jié)合我國的實(shí)際情況及研究積累,該項(xiàng)目選擇了準(zhǔn)一維納米材料和納米結(jié)構(gòu)、納米材料和納米結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、納米尺度下物理量的測試和表征方法等作為研究的重點(diǎn)內(nèi)容,其研究成果將為我國在世界納米科技領(lǐng)域保持領(lǐng)先地位打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。3研究該項(xiàng)目于1999年11月正式啟動(dòng),實(shí)施期限5年。經(jīng)兩年多的研究,取得了以下主要進(jìn)展:3.1納米結(jié)構(gòu)材料的合成發(fā)展了超細(xì)納米碳管的制備技術(shù)、電沉積高密度金屬片狀厚膜的制備技術(shù)、有序模板與CVD、電沉積相結(jié)合合成半導(dǎo)體和金屬微陣列的技術(shù)、硅襯底上納米碳管和納米半導(dǎo)體定向生長技術(shù),并成功地制備了各種準(zhǔn)一維納米材料和納米結(jié)構(gòu)材料。(1)用苯熱合成方法合成了多壁碳納米管。(2)光誘導(dǎo)下超雙親二元協(xié)調(diào)納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制備技術(shù)。(3)仿生超雙疏納米結(jié)構(gòu)二元協(xié)調(diào)界面的設(shè)計(jì)與合成技術(shù)。(4)有序納米結(jié)構(gòu)微陣列的制備技術(shù)。(5)納米復(fù)合陶瓷制備和成型技術(shù)。用放電等離子快速燒結(jié)法在550°C得到了高致密化的ZnO納米陶瓷,比用微波燒結(jié)的致密化溫度低300多度。(6)發(fā)展了單根納米碳管和納米線的測量技術(shù)。3.2在納米晶中的生長和表達(dá)(1)利用有序氧化鋁模板與CVD相結(jié)合合成出納米Si、Ni、TiO2和GaN線微陣列,有序面積達(dá)幾百微米,密度為每平方厘米幾百至幾千Gbit,并用高分辨截面像對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。利用模板與電沉積相結(jié)合的方法成功地合成了銀、鎘、銅、鐵鈷鎳納米微陣列,有序面積為幾百微米。對(duì)過渡金屬鐵鈷鎳納米微陣列的微磁學(xué)特性進(jìn)行了初步研究,發(fā)現(xiàn)磁滯洄線變窄,飽和磁化強(qiáng)度增加,居里點(diǎn)溫度顯著降低。這些現(xiàn)象在傳統(tǒng)材料和無序分布的納米晶中均不出現(xiàn)。(2)在硅襯底上實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體量子點(diǎn)、納米管和納米線陣列生長。特別是,利用傳統(tǒng)的磁控濺射和有序花樣相結(jié)合,成功地在硅襯底上生長出高密度III-V族半導(dǎo)體量子點(diǎn)有序陣列。通常只有利用MBE和激光誘導(dǎo)CVD方法才能制備這種高密度量子點(diǎn)陣列,用傳統(tǒng)技術(shù)和納米技術(shù)相結(jié)合制備有序半導(dǎo)體量子點(diǎn)陣列在技術(shù)上是一個(gè)創(chuàng)新。(3)利用氣相輸運(yùn)催化法和有序模板方法制備了III-V族、II-VI族和IIII半導(dǎo)體準(zhǔn)一維納米線和納米微陣列,并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。這些工作在影響因子大于3的雜志上發(fā)表,在國際上產(chǎn)生了影響。3.3天然納米材料的鐵磁電導(dǎo)率(1)利用SiC添加到Al2O3中,其抗彎強(qiáng)度達(dá)到1.0GPa。添加到Al2O3-ZrO2中,抗彎強(qiáng)度達(dá)到1.2GPa。這些與當(dāng)今納米復(fù)合陶瓷國際先進(jìn)水平處于同一擋次。(2)在天然納米材料錳氧化物Pr1/2Sr1/2MnO3和Nd1/2Sr1/2MnO3的一級(jí)相變點(diǎn)溫區(qū)發(fā)現(xiàn)由反鐵磁態(tài)到鐵磁態(tài)轉(zhuǎn)變引起的巨大磁熵變效應(yīng)。在尖晶石鐵氧體中發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng),室溫0.5特斯拉磁場下,巨磁電阻高達(dá)158%。在鈷鐵合金顆粒膜中發(fā)現(xiàn)了反常的巨霍爾效應(yīng)。這些現(xiàn)象當(dāng)前國際上尚未見報(bào)道。3.4碳納米管內(nèi)涵表面小尺度穩(wěn)定性的研究(1)采用等價(jià)單電子網(wǎng)絡(luò)模型,將納米結(jié)構(gòu)中的庫侖阻塞效應(yīng)和量子干涉效應(yīng)納入統(tǒng)一的理論公式,在量子點(diǎn)系統(tǒng)中量子點(diǎn)和基底的相互作用、量子點(diǎn)中的Kondo效應(yīng)和點(diǎn)缺陷對(duì)碳納米管局域態(tài)密度的影響等有重要推進(jìn)。(2)量子點(diǎn)穩(wěn)定性的理論研究取得重要成果,從理論上預(yù)見了量子點(diǎn)表面原子隨時(shí)間的演化行為,指出原子在任意一點(diǎn)下行將導(dǎo)致量子點(diǎn)斜率保持不變,而沿某些特定點(diǎn)下行使量子點(diǎn)的斜率越變?cè)蕉?。這對(duì)量子點(diǎn)的設(shè)計(jì)和后生長處理提供了新的理論依據(jù)。4超塑延伸量和材料的制備方法在我國的應(yīng)用(1)在超長定向生長碳納米管的基礎(chǔ)上,在實(shí)驗(yàn)室成功地制備出直徑只有0.5nm的超細(xì)碳納米管,并對(duì)形成的機(jī)理從理論上進(jìn)行了分析。該成果發(fā)表在Nature上,引起國際同行的關(guān)注和好評(píng)。(2)用改型的SPM測量了碳納米管的徑向壓縮彈性模量,并估算了碳納米管在徑向壓縮下的徑向強(qiáng)度。這是國際上第一次測量單根碳納米管的徑向力學(xué)性質(zhì)。(3)利用電沉積技術(shù)制備納米金屬Cu,在室溫下獲得高達(dá)5100%的超塑延伸量。在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上,指出納米金屬Cu高的晶界體積分?jǐn)?shù)是導(dǎo)致超塑延伸性的重要起因。這項(xiàng)成果發(fā)表在Science上,受到同行的高度評(píng)價(jià)。(4)采用疊層軋制技術(shù)制備了鉛鋁納米多層膜樣品,在研究熔化過程中觀察到具有半共格約束的鉛薄膜熔化溫度比平衡熔點(diǎn)高,表現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定的過熱,首次成功地實(shí)現(xiàn)了金屬納米薄膜的過熱,并對(duì)該種現(xiàn)象進(jìn)行了理論分析。(5)采用有序模板技術(shù)與傳統(tǒng)CVD方法相結(jié)合,成功地合成了GaN單晶納米絲有序陣列。該項(xiàng)工作在Appl.Phys.Lett.上發(fā)表僅一年時(shí)間,就被Adv.Mater.、Appl.Phys.Lett.等重要刊物引用11次,對(duì)合成組裝方法給予了充分肯定。(6)準(zhǔn)一維納米材料合成方法有重要?jiǎng)?chuàng)新,合成了CdS、ZnS花樣材料、CdS空心球及GaP、Mg(OH)2和ZnTe納米棒。利用有序納米通道在催化劑的誘導(dǎo)下,采用氣相法成功地合成了芯部為GaN、外層為BN的同軸納米電纜,