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(guò)程的TEM照片納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用5納米線熔點(diǎn)顯著降低這一特性有著很重要的應(yīng)用。首先，合成無(wú)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(duì)純納米線進(jìn)行區(qū)域精制。其次，納米線的低熔點(diǎn)使其可以在相對(duì)較低的溫度下進(jìn)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(zhǎng)度尺寸越來(lái)越小時(shí)，其一些性質(zhì)會(huì)變得敏感于溫度的波動(dòng)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(huì)變得柔軟。研究發(fā)現(xiàn)，多晶材料的強(qiáng)度隨著晶粒尺寸減小先增大再減小，達(dá)最高強(qiáng)度時(shí)，材料在此有一定的特征長(zhǎng)度。納米銅和納米鈀材料的特征長(zhǎng)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(gè)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(huì)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(wú)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(shí)，聲子色散的關(guān)系可能會(huì)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(dòng)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(gè)等級(jí)。

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(cè)的示意圖；（B）SEM照片二維ZnO納米線陣列生長(zhǎng)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(diǎn)一樣,當(dāng)納米線的直徑減小到一定值(玻爾半徑)以下時(shí),量子尺寸效應(yīng)對(duì)其能級(jí)的影響就顯得非常重要。

與量子點(diǎn)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(zhǎng)軸方向的光譜強(qiáng)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(duì)比來(lái)定量地進(jìn)行分析。Lieber等進(jìn)一步利用這種偏振特性制造對(duì)偏振靈敏的納米級(jí)光電探測(cè)器,該儀器可應(yīng)用于光學(xué)開(kāi)關(guān)，近場(chǎng)成像以及高分辨探測(cè)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(kāi)關(guān)特性

（A）ZnO納米線暴露在532和365nm光波長(zhǎng)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(guò)程一般由兩部分組成：一個(gè)產(chǎn)生電子和電子穴的固態(tài)過(guò)程（hν→h++e-）和一個(gè)包括氧化物表面吸附在內(nèi)的兩步過(guò)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(gè)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(guò)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(shí)，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(yùn)性能隨其所處環(huán)境、吸附物質(zhì)的變化而變。通過(guò)對(duì)其電學(xué)輸運(yùn)性能的檢測(cè)，就可能對(duì)其所處的化學(xué)環(huán)境作出檢測(cè)，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(duì)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(guò)改進(jìn)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(shí)時(shí)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(gè)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(chǎng)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(chǎng)發(fā)射的優(yōu)良材料。Lee等通過(guò)電流-電壓測(cè)量，研究了Si和SiC納米棒的場(chǎng)發(fā)射特性。這兩種納米棒都表現(xiàn)出良好和很強(qiáng)的發(fā)射場(chǎng)性能。Si和SiC納米棒的啟動(dòng)場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)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(qiáng)的電子場(chǎng)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(jī)理（A）在VLS法中一維納米線的生長(zhǎng)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(tuán)簇催化劑作為氣相反應(yīng)物的活性點(diǎn)，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(kuò)散到液態(tài)金屬團(tuán)簇催化劑表面形成過(guò)飽和團(tuán)簇后，在催化劑表面生長(zhǎng)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(zhǎng)出ZnO納米線陣列。其具體生長(zhǎng)方法是：首先在有掩膜(方格)藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)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(hù)下將混合物粉末加熱到880℃~905℃，生成的Zn蒸氣被流動(dòng)Ar氣體輸送到遠(yuǎn)離混合粉末的納米線“生長(zhǎng)區(qū)”，在生長(zhǎng)區(qū)放置了提供納米線生長(zhǎng)的藍(lán)寶石(110)基底材料。ZnO只能在Au膜區(qū)外延生長(zhǎng)，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(zhǎng)，最終得到直徑20nm~150nm、長(zhǎng)約10mm的ZnO納米線。納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用202.氣相-固相機(jī)理氣相-固相法的機(jī)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(shí)，使氣相分子快速降溫凝聚，達(dá)到臨界尺寸后，形核并生長(zhǎng)。這種制備方法的優(yōu)點(diǎn)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(guò)程中，表面能最小化可能起到很重要的作用。溫度和過(guò)飽和度是兩個(gè)重要因素。高溫和高過(guò)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(guò)飽和度對(duì)一維納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)有促進(jìn)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(cuò)方向上延伸的結(jié)果。在一維納米材料生長(zhǎng)過(guò)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(cuò)。

納米一維材料中螺旋位錯(cuò)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(zhǎng)機(jī)理納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用23美國(guó)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(zhǎng)Ag納米線的機(jī)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(zhǎng)過(guò)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(wú)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(jí)的平行陣列孔道，其孔徑和孔深度可以通過(guò)制備條件方便調(diào)控，而且相對(duì)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(lái)說(shuō)，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