納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用課件：一維納米材料

納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用一維納米材料納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用2氫原子與單壁納米碳管的示意圖一維納米材料的代表之一：碳納米管

納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用3一維納米材料可以根據(jù)其空心或?qū)嵭?，以及形貌不同，分為以下幾類：納米管、納米棒或納米線、納米帶以及納米同軸電纜等。納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用4一維納米材料特性及其應(yīng)用

熱穩(wěn)定性Ge納米線熔結(jié)過程的TEM照片納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用5納米線熔點顯著降低這一特性有著很重要的應(yīng)用。首先，合成無缺陷納米線所需的退火溫度比塊狀材料所需的溫度小得多，因此可以在適中的溫度對純納米線進行區(qū)域精制。其次，納米線的低熔點使其可以在相對較低的溫度下進行切割，連接，熔接。這為一維納米結(jié)構(gòu)裝配到某些功能器件和電路中提供了重要的技術(shù)手段。此外，當(dāng)納米線長度尺寸越來越小時，其一些性質(zhì)會變得敏感于溫度的波動和殘余應(yīng)力的變化。這種瑞利不穩(wěn)定性導(dǎo)致納米線在直徑足夠小或組成原子的連接太弱的情況下，在室溫下經(jīng)球狀化破碎成更短的片段，從而限制它們的應(yīng)用。納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用6力學(xué)性能

納米銅和納米鈀材料隨著結(jié)晶的尺寸的減小，其質(zhì)地將會變得柔軟。研究發(fā)現(xiàn)，多晶材料的強度隨著晶粒尺寸減小先增大再減小，達(dá)最高強度時，材料在此有一定的特征長度。納米銅和納米鈀材料的特征長度分別在19.3nm和11.2nm左右。

納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用7電子傳送特性

室溫下Te摻雜（A）和Zn摻雜（B）的InP納米線的I－V曲線納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用8“由下而上”的納米電子組裝方式具有兩個吸引力的特征：①納米線組件尺寸很容易調(diào)整在100nm以下甚至更小，這會使得集成電路片上零件的密集度更高。②由納米線組裝結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是無限制的，這為研究者提供了很大的多樣性，可選擇適合的材料裝配所需的功能器件。納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用9聲子傳送特性

當(dāng)硅納米線直徑小于20nm時，聲子色散的關(guān)系可能會改變（由聲子局限效應(yīng)造成），聲波速度將大大低于標(biāo)準(zhǔn)值。分子動力學(xué)模擬還表明，在200K到500K的溫度范圍內(nèi)，硅納米線的導(dǎo)熱性比硅塊低2個等級。

納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用10光學(xué)特性

（A）激光激發(fā)與檢測的示意圖；（B）SEM照片二維ZnO納米線陣列生長在藍(lán)寶石基底；（C）從二維ZnO納米線陣列記錄的能量依賴發(fā)射光譜納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用11和量子點一樣,當(dāng)納米線的直徑減小到一定值(玻爾半徑)以下時,量子尺寸效應(yīng)對其能級的影響就顯得非常重要。

與量子點不同,納米線所發(fā)出的光是高度向縱軸方向偏振的。Lieber等發(fā)現(xiàn)單一的InP納米線的熒光光譜中,平行和垂直于其長軸方向的光譜強度明顯不同。這種各向異性的偏振程度的大小可以根據(jù)納米線和周圍環(huán)境的介電性質(zhì)的對比來定量地進行分析。Lieber等進一步利用這種偏振特性制造對偏振靈敏的納米級光電探測器,該儀器可應(yīng)用于光學(xué)開關(guān)，近場成像以及高分辨探測等方面。納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用12光電導(dǎo)性和光學(xué)開關(guān)特性

（A）ZnO納米線暴露在532和365nm光波長下的電流響應(yīng)；（B）ZnO納米線在高低導(dǎo)電態(tài)的可逆轉(zhuǎn)變納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用13ZnO的光電靈敏過程一般由兩部分組成：一個產(chǎn)生電子和電子穴的固態(tài)過程（hν→h++e-）和一個包括氧化物表面吸附在內(nèi)的兩步過程。在黑暗中，氧分子吸附在氧化物表面以離子形式捕捉n型氧化物半導(dǎo)體的自由電子（O2(g)+e-→O-2(ad)），從而在納米線表面附近產(chǎn)生了一個電導(dǎo)率低的耗盡層。一旦暴露于紫外線光，光穴遷移到表面，并通過表面電子穴重組釋放所吸附的氧離子到表面（hu+O-2(ad)→O2(g)）。同時，光電子破壞了耗盡層，從而大大增加了納米線的導(dǎo)電性。納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用14傳感應(yīng)用一維納米材料的電學(xué)輸運性能隨其所處環(huán)境、吸附物質(zhì)的變化而變。通過對其電學(xué)輸運性能的檢測，就可能對其所處的化學(xué)環(huán)境作出檢測，可用于醫(yī)療，環(huán)境，或安全檢查。非常大的表面積-體積比使得這些納米材料具有對吸附在表面的物質(zhì)極為敏感的電學(xué)性能。納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用15Lieber等通過改進半導(dǎo)體納米線的表面特性，使其具有高靈敏性，用于制造pH值和生命物質(zhì)的實時傳感器。這一原理根據(jù)的是加質(zhì)子作用和減質(zhì)子作用所引起的表面變化。Yang等以單一單晶氧化物納米線和納米帶基本元件制造了第一個室溫光化學(xué)二氧化氮傳感器。納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用16場發(fā)射特性具有尖端的納米管和納米線是應(yīng)用于冷極管電子場發(fā)射的優(yōu)良材料。Lee等通過電流-電壓測量，研究了Si和SiC納米棒的場發(fā)射特性。這兩種納米棒都表現(xiàn)出良好和很強的發(fā)射場性能。Si和SiC納米棒的啟動場強分別為15Vμm-1和20Vμm-1，電流密度為0.01mAcm-2，其性能可與由碳納米管和金剛石構(gòu)成的場致發(fā)射陰極相比。此外，碳化硅納米棒不僅表現(xiàn)出相當(dāng)強的電子場發(fā)射性，還有較好的穩(wěn)定性。納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用17一維納米材料的制備方法

氣相法氣相-液相-固相機理（A）在VLS法中一維納米線的生長示意圖；（B）Au和Ge的相圖納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用18VLS法是以液態(tài)金屬團簇催化劑作為氣相反應(yīng)物的活性點，將所要制備的一維納米材料的材料源加熱形成蒸氣，待蒸氣擴散到液態(tài)金屬團簇催化劑表面形成過飽和團簇后，在催化劑表面生長形成一維納米結(jié)構(gòu)。納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用19例:ZnO納米線制備2001年，楊培東等利用Au催化的化學(xué)氣相沉積法在管式爐中，在藍(lán)寶石(110)基底上外延生長出ZnO納米線陣列。其具體生長方法是：首先在有掩膜(方格)藍(lán)寶石襯底上生長一層Au膜，然后以混合的ZnO粉與石墨粉作為原料，放入管式爐中部的氧化鋁舟中，在高純Ar氣保護下將混合物粉末加熱到880℃~905℃，生成的Zn蒸氣被流動Ar氣體輸送到遠(yuǎn)離混合粉末的納米線“生長區(qū)”，在生長區(qū)放置了提供納米線生長的藍(lán)寶石(110)基底材料。ZnO只能在Au膜區(qū)外延生長，由于襯底(110)和ZnO(0001)面間良好的匹配，ZnO能垂直于襯底向上生長，最終得到直徑20nm~150nm、長約10mm的ZnO納米線。納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用202.氣相-固相機理氣相-固相法的機理主要是指一種或幾種原料在高溫下形成蒸氣或者本身就是氣態(tài)，在低溫時，使氣相分子快速降溫凝聚，達(dá)到臨界尺寸后，形核并生長。這種制備方法的優(yōu)點是不需要催化劑，不足之處是所需溫度較高。不同晶體結(jié)構(gòu)的材料都可以在一定條件下形成一維納米結(jié)構(gòu)，而在納米線和納米帶的形成過程中，表面能最小化可能起到很重要的作用。溫度和過飽和度是兩個重要因素。高溫和高過飽和度利于二維形核，導(dǎo)致形成片狀結(jié)構(gòu)，相反，低溫和低過飽和度對一維納米結(jié)構(gòu)的生長有促進作用。納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用21一維納米材料本質(zhì)上是晶體在位錯方向上延伸的結(jié)果。在一維納米材料生長過程中，由于各種制備原因，其軸向?qū)⒋嬖谝欢〝?shù)量的螺旋位錯。

納米一維材料中螺旋位錯的形成納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用22納米一維材料的螺旋生長機理納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用23美國佐治亞理工學(xué)院的王中林等利用高溫固體氣相蒸發(fā)法成功合成了ZnO、SnO2、In2O3、CdO和Ga2O3等寬禁帶半導(dǎo)體的單晶納米帶。ZnO納米帶的TEM照片，中間小圖為選區(qū)電子衍射圖像納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用24液相法多元醇還原液相法生長Ag納米線的機制納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用25PVP包絡(luò)控制不同形態(tài)Ag納米材料示意圖納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用26溶液-液相-固相(SLS)生長過程的示意圖納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用27模板法模板法制備納米線可以追溯到1970年。模板法可以分為硬模板法、軟模板法和無模板法。

納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用28按硬模板材料可以分為多孔氧化鋁膜模板法、聚合物膜模板法、碳納米管模板法和生命分子模板法等。

由于氧化鋁膜模板一般具有孔徑在納米級的平行陣列孔道，其孔徑和孔深度可以通過制備條件方便調(diào)控，而且相對于聚合物膜能經(jīng)受更高的溫度、更加穩(wěn)定、孔分布也更加有序，因此已成為制備一維納米材料最為有效的模板。納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用29軟模板一般為表面活性劑或聚電解質(zhì)。利用萘磺酸、樟腦磺酸等表面活性劑或聚丙烯酸、聚苯乙烯磺酸等聚電解質(zhì)作為軟模板合成了具有一維納米結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電聚苯胺。一維納米結(jié)構(gòu)的聚苯胺的形成依賴于反應(yīng)條件，比如苯胺單體濃度、氧化劑和軟模板的用量等。一般來說，苯胺濃度越低，越有利于生成聚苯胺的納米管或納米纖維；而高濃度的苯胺則傾向形成顆粒狀的聚苯胺。納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用