纳米材料功能化宏观体系的构筑和性能研究

项目名称： 纳米材料功能化宏观体系的构筑和性能研究首席科学家： 姜开利 清华大学起止年限： 2012.1 至 2016.8依托部门： 教育部一、关键科学问题及研究内容本项目拟解决的关键科学问题是：1、纳 米材料 单 元构筑宏观尺度纳米材料体系的界面结构控制(1)不同材质纳米结构单元界面 结构的设计和构筑方法(2)不同尺寸和维度纳米结 构单元组合的原理2、不同纳米材料 单元组装后性能演变和调控(1)纳 米材料单元组装后性能 变化的机理和优化的方法(2)多尺度单元组合对性能的影响以及 单元耦合所产生的新功能 3、宏 观 尺度纳 米材料体系中电子、光子和能量 传输 的新规律(1)异 质界面电子、光子和能量传输的新规律(2)纳 微尺度下的界面效应对 性能的调控4、宏 观 尺度纳 米结构服役过程中的性能稳定性(1)对 外场的响应(2)结 构稳定性和性能稳定性的关系以解决上述科学问题为核心，本项目的主要研究内容是：1、不同材 质纳 米结构单元界面结构的设计，多元异质宏观尺度纳米结构单元构筑的新原理和新方法，包括从纳米结构单元的制备，纳米结构单元组合成微米结构，到由微米结构构筑宏 观尺度的材料体系， 发 展不同尺度、不同 维度纳米单元构筑宏观尺度纳米材料体系的新技术。构筑宏观尺度纳米材料体系的单元材质为：(a) 半导体/金属肖特基结；(b)磁性/非磁性、磁性/ 铁电组合体；(c) 碳管、碳管束和其他碳纳米结构单元。2、纳 米材料 单 元组装后性能变化的机理和优化的方法，宏观尺度纳米材料体系中纳米单元的耦合效应产生的新现象和新性能。主要研究内容为：碳纳米管与金属、高聚物复合体系界面的耦合效应，半 导体量子点和贵金属纳米线异质界面耦合和光传输行为，肖特基 结能量传递(光电) ，磁性/ 非磁性和磁性/铁电性复合纳米单元界面耦合效应及能量传递的新规律(电 磁、磁 光)。通过耦合尺度效应的研究实现纳米单元组成的宏观尺度体系的综合性能的调控和优化。3、宏 观 尺度纳 米材料体系中异质界面对电、光、磁性能 调控和输运性质的影响，能量传递和转化的新规 律，探索其可能的 应用。主要研究内容为：磁性/ 铁电复合纳米单元之间能量传递和转换的新规律(电力、力 磁)，实现增强电控磁效应的最佳条件，探索基于磁性/ 铁电复合纳米单元的电控磁存储技术，以纳微光学器件为导向，研究半导 体量子点、金属 纳米线等 组合单元协同传递光子的行为，通过 尺度效应和耦合效 应的研究，探索能量 传输 、转换的新规律，发展基于纳米材料的红外波段探测器件，研究红外示范探测器件性能的稳定性。4、宏 观 尺度纳 米材料体系的结构性能关系及其在服役过程中的性能稳定性，主要研究内容为：研究复合纳米材料体系中，界面结构和特性对宏观性质的影响，探索提高材料综合性能的途径，研究碳纳米结构复合材料在外场作用下材料性能的变化与纳微结构的关系，能量和物质转化和传输的规律，服役条件下材料和结构的稳定性，探讨在高性能储能器件中的应用。二、预期目标总体目标：本项目的总目标是：在过去研究的基础上，优选和发展具有应用前景的纳米结构单元， 发展宏观尺度纳 米材料体系的制备方法，揭示纳米单元之间的界面效应和多尺度耦合效应，发现 宏观尺度纳米材料体系中的新现象、新特性和新原理。以此为基础，设计和制作有明确应用目标、 拥有自主知 识产权的宏观尺度纳米材料体系，以满足新兴战略产业 (IT、新能源和新材料等)的需求。五年预期目标：1、构筑出 3-4 种有独特性能的宏观尺度纳米材料体系发展不同材质纳米结构单元界面结构的设计方法，从纳米结构单元的制备纳米结构单元组合的微米结构由微米结构构筑宏观 尺度的纳米材料体系的技术路线，建立几种不同尺度、不同维度、不同材 质的宏 观尺度纳米材料体系构筑的新方法，进而发展几种实用的构筑新技术。制 备出 3-4 种有独特性能的宏观尺度纳米材料体系，包括：异质纳米单元构筑的宏观尺度纳米材料体系，磁性/非磁性纳米单元构筑的宏观尺度纳米阵列，不同维度的碳纳米单元构筑的宏观尺度碳纳米管束、碳纳米阵列、有序网络结构。2、在基本科学问题上有所突破宏观尺度纳米材料体系中存在着性质不同的界面和多尺度的耦合效应，因此结构单元间的界面对体系光、电、磁性能的影响是重要的科学问题之一。通 过本项目的研究将揭示不同尺度、不同材质的界面特性及其统计规律。揭示不同类型界面结构对性能的影响规律，耦合效应产生的新性能，物质和能量传输的新规律，对外场的响应特性，在服役条件下的性能变化规律及其稳定性。3、实现 3-4 种重要应用(1) 5 种宏观尺度碳纳米复合材料。(2) 基于不同半导体异质结 的近红外探测器的原型器件。(3) 基于碳纳米薄膜的红外探 测器、薄膜晶体管的原型器件。(4) 设计和制备示范的电控磁原型器件。4、通 过项 目的 实施，培养一支在宏观尺度纳米材料体系制 备、性能和 应用方面在国内外有影响的创新团队，成就 1-2 位在本领域的中青年领军人物，撰写 1-2 本专著，申请发明专利 50 项， 发表 SCI 论文 200 篇，争取获得 1-2 项省部级以上奖励。三、研究方案本项目的学术思路：本项目承担单位是上一个 973 项目“纳米材料和纳米结构的性能和应用基础”(2005-2010 年)团队中的主要研究群体。本项目在以往研究成果、技术积累的基础上，以国家重大需求为牵引，从纳米材料和纳米结构合成、表征及性能研究的成果中，优选 和发展具有应用前景的纳米结构单元， 发 展宏观尺度纳米材料体系的制备方法， 实现从纳米结构 单元合成的研究转到利用纳米结构单元组装成宏观尺度纳米材料体系的研究。重点揭示纳米单元之间的界面效应和耦合效应，发现宏观尺度纳米材料体系中的新现象、新特性和新原理，争取在科学上有所突破，并发展出几种具有特定功能的、拥有自主知识产权的宏观尺度纳米材料体系，为新兴战略产业快速发展做出贡献。本项目将集中研究有重要应用背景或重大科学价值的宏观尺度纳米材料体系。根据国内外发展趋势和国家“ 十二五”关于纳米科技领域研究的总体规划， 对项目的目标、研究的主要内容和拟解决的关键问题进行了认真的凝练，研究的路线图是：从合成纳米单元转变成由纳米结构单元构筑微米尺度的纳微结构，再由纳微结构构筑宏观尺度的纳米材料体系。以应用需求为导向，制定研究目标，有针对性地制备具有特定功能的宏观尺度纳米材料体系。在对该体系系统研究的基础上， 总结出实验条件与 该纳米体系的经验关系，建立相关的模型。通 过性能优化，为 按需设计和制作具有先进功能的宏观尺度纳米材料体系奠定基础。本项目的研究特点是：1、需求目标牵引明确；2、由单元性能研究为主转向以宏观尺度纳米材料体系的构筑和性能优化为主；3、把不同维度、不同性能、不同材质的纳米单元组合在一起，构筑满足新器件需要的宏观尺度纳米材料体系；4、重点研究宏观尺度纳米材料体系中以界面效应和耦合效应为特征的基础科学问题，为新 颖器件设计提供设计 思路和科学原理的支持。本项目的指导思想是，坚持实验和理论并举、基 础研究和应用研究并重。 针对宏观尺度纳米材料体系中界面效应和多尺度耦合效应产生的新性能，物质、能量传递的新规律，阐明纳米 结构单元在构筑宏观尺度纳米材料体系过程中的性能演化规律，阐明体系性能与制备条件之间的内在联系，实现对该体系的性能调控和优化。 发展研究宏观尺度 纳米材料体系的实验方法，总结新原理。在 实际应用方面，发展出基于宏观尺度 纳米材料体系的储能器件、红外探测器件、碳 纳米网络功能复合材料和新型电控磁效应的原型器件。本项目的技术路线：以通过深入研究纳米材料与结构的形成机理为基础，揭示材料的结构与制备条件之间的内在联系。本 项目的技术路线为：1、利用制备的纳米材料构成微米尺度的结构(纳微化)，形成具有 纳米结构的微米尺度的 单元，再由微米尺度的单元构筑成宏观尺度的体系( 微宏化) ；2、利用自 组织生 长的宏观尺度纳米阵列或二维网络， 结合微加工技术，发展出几种制备宏观尺度 纳米材料体系的技术；3、利用构筑的宏观尺度纳米材料所提供的纳-纳、 纳-微、微 -微结构单元之间不同的界面结构研究它们对性能的影响。采用多尺度耦合的方法，研究宏观尺度纳米材料体系中的界面和耦合效应；4、从宏观尺度纳米材料体系的构筑，到实际应用中先进器件的制作的过程中，将“ 自下而上”技术与“自上而下 ”技术相结合，制备出满足先进器件需求的关键的宏观尺度纳米材料体系，在性能优化的基础上，设计和制作实用化、功能化的示范器件。与国内外同类研究相比的创新点与特色：本项目研究组认真总结了上一个 973 项目的研究成果，分析了当前全球纳米科技的发展动向，凝练了关 键科学问题和研究内容，确定了总体研究目标，代表了当今纳米材料研究进一步深化的趋势，实现从单元纳米效应和应用研究为主逐渐向宏观尺度纳米材料体系结构、性能和应用研究转移，为推进纳米材料的应用提供了一个新的途径。本项目研究的创新之处是，在总结过去研究的基础上，优选了拥有自主知识产权的纳米结构单元材料，根据对制备技术和基础科学问题的理解，提出了切实可行的“自上而下 ”和“自下而上”相结合的技术路线 ：利用制备的纳米材料构筑微米尺度的纳微结构，进而制 备成宏观尺度的纳米材料体系，以实现性能的调控和稳定化。利用自组织生长的宏 观尺度纳米阵列或二维网络，结合微加工技术，制备出具有特定功能的宏观尺度纳米材料体系。在过去十几年的发展与探索中，国际纳米科技的研究已开始从材料合成制备向相关的性能测试及纳米器件的设计应用上发展。在这一方面，本项目承担单位在上一个 973 研究的基础上，提出了具有自己特色的从纳米材料单元纳微结构 宏观尺度 纳米材料体系 器件设计和制作的研究路 线， 这一研究路线图能很好地实现基础和应用的衔接，对推动从材料到器件的跨越式发展能起到积极的作用。特别是，本项目把研究宏观尺度纳米材料体系中界面效应和多尺度耦合效应作为研究重点，通过 研究纳- 纳、纳-微、微 -微 结构单元之间界面的结构和耦合性质， 实现纳米结构单 元性能的保持、 调控和优 化， 获得具有优异性能的宏观尺度纳米材料体系。课题设置：依据本项目拟研究的关键问题和主要研究内容，考虑到项目承担单位研究的基础与特点，设置 4 个 课题。01 课题：碳纳米薄膜器件的构筑技术和性能优化承担单位：清华大学 负责人：姜开利 主要研究内容：1、利用可控、批量制 备的超 顺排碳纳米管薄膜和大面 积 CVD 生长的其他碳纳米材料构筑功能化宏观碳纳米材料体系，发展与微电子器件工艺兼容的集成技术以及柔性电子学、光电 子学的相关技术。2、研究功能化宏观碳纳米材料体系构筑和集成过程中出现的碳纳米薄膜与高分子、金属之间以及碳纳 米材料之间的界面问题，界面之间的热、光、 电耦合效应。研究由于纳微米界面的出现带来的性能演变和稳定性问题。3、探索碳 纳米薄膜在 红外探测器、薄膜晶体管、纳米储能器件中的应用。预期目标：1、发 展出与微电子器件工艺兼容的碳纳米薄膜器件集成技术；发展出碳纳米薄膜器件向柔性基底的转移技术。2、揭示出碳 纳 米薄膜与高分子、金属、其他碳 纳米材料之间的界面热、光、电传输、 转换规律，揭示出这一宏观尺度纳米材料体系的新性能。3、开 发 出基于碳 纳米薄膜的红外探测器、薄膜晶体管的原型器件。4、发 表 SCI 论文 40 篇，申请发明专利 20 项，培养博士硕士研究生 20 人。经费比例：28%02 课题：碳纳米结构复合材料的设计和功能特性承担单位：中国科学院物理研究所、山东大学 负责人：周维亚主要研究内容：1、利用已掌握的碳纳米结构(如单壁碳纳米管、连续单壁碳纳米管网络)为基本单元， 发展由基本结构单 元构筑纳微结构和进一步设计宏观尺度碳纳米复合材料体系(碳纳米结构单元 /聚合物或碳纳米结构单 元/ 金属)的新方法；探索不同维度(一维纤维、二维薄膜) 、不同材质( 碳纳米结构单 元/ 聚合物、碳 纳米结构单元/金属、碳 纳米 结构单元/氧化物) 、不同类型界面结 构(纳-纳、纳-微、微-宏) 的可控制备方法。2、研究宏 观尺度 纳米材料复合体系不同界面(纳-纳、纳- 微、微 -宏)多尺度耦合效应产生的新功能和新效应。通过调控碳纳米结构单元的含量和质量、表面化学修饰与改性、缺陷密度等因素，探索这些因素对新型碳纳米结构单元的功能特性以及对由其构筑的碳纳米复合体系中的界面结构、单元间耦合和综合性能的影响。探索通过调控界面结 构和类型，研究 纳米尺度力学性能、优异性质在宏观尺度碳纳米复合体系上的保持、传递及其演变等基本科学问题，研究宏观尺度纳米复合体系性能调控和优化的途径。研究不同环境和极端条件下新型碳纳米复合体系的结构与性能的关系及其稳定性。3、以柔性透明导电薄膜和轻质高性能复合材料的需求为导向，探索宏观尺度碳纳米复合材料的功能特性尤其是纳米尺度结构单元耦合所产生的新性能和潜在应用价值，为相关材料和器件的应用奠定基础。预期目标：1、发 展 1-2 种由碳纳米结构单元构筑宏观尺度碳纳米复合体系的技术。获得 5 种宏观尺度碳纳米复合材料。2、揭示宏 观尺度复合 纳米材料体系中界面多尺度耦合效应产生的新性能和机制。3、设计出新型碳基 纳米复合结构，探索宏 观尺度纳 米复合材料在柔性透明导电薄膜、 轻质高强关键部件、超级电容器等方面的 应用。4、通 过 本项目 实施，培养研究生 20 名。发表 SCI 文章 50 篇，申请专利 2 项。经费比例：24%03 课题：异质纳米结构单元构筑宏观尺度纳米材料体系的技术和光学性能承担单位：中国科学院合肥物质科学研究院、中国科学院上海硅酸盐研究所负责人：费广涛主要研究内容：1、多元异 质宏 观尺度纳米材料体系的构筑。基于已掌握的制备同质纳米阵列的模板法、微模具法和介孔组装技术的基础上， 设计 、制 备半导体/ 金属、半导体/氧化物异质纳米结构单 元或纳微结构。以此为基础，发展宏观尺度纳米材料体系构筑的新方法，这包括：零维、一 维异质复合纳 米单元的宏观尺度纳米结构阵列、肖特基结纳米结构阵 列、半 导体/氧化物宏观尺度纳米结构阵列和宏观尺度碳基/ 纳米氧化物多孔复合材料。2、研究宏 观尺度 纳米材料体系中界面和耦合效应所产生的不同于纳米单元的新光学特性，光子、电子传输的新规律，能量 传递 、转化的新规律。寻找多元异质宏观尺度纳米材料体系光学性能优化的途径。重点研究肖特基界面对光子传输和光电转化的影响。II-VI 族量子点和一维金属纳米线界面光子传输的规律，研究贵金属表面 SPR 光子传输规律。3、设计以肖特基 结宏观尺度阵列为核心材料的近红外探测器原型器件，研究在线服役的稳定性。研究目标：1、发 展 2-3 种构筑宏观尺度纳米材料体系的方法，构筑零维和一维组合单元及其阵列、纳米棒阵列和半 导体/ 金属肖特基结阵列。2、揭示异 质纳 米界面能量传输的规律(光能 电能 )。揭示 电子在耦合体系中的界面传递、迁移与复合规 律， 发展以纳微结构为核心材料的超级电容器。3、设计以肖特基 结宏观尺度阵列为核心材料的近红外探测器原型器件。4、通 过 本项目 实施，培养研究生 20 名。撰写一本 专著，发表 SCI 论文 70 篇，申请发明专利 20 项。争取 获得 1-2 项省部级奖。经费比例：31%04 课题：宏观尺度复合磁纳米结构的构筑和磁性能的优化承担单位：南京大学、中国科学院合肥物质科学研究院负责人：唐少龙主要研究内容：1、以 电 控磁材料和磁光材料及器件为导向， 发展宏 观尺度复合磁纳米结构的构筑技术。在以往掌握的 纳米阵列制备技术的基础上，结合光刻技术和化学方法构筑高密度大面积有序磁性/非磁性宏观尺度纳 米阵列，发展磁性和铁电复合纳米单元构筑复合薄膜体系的方法。2、研究纳米材料 单元组装后宏观尺度体系中纳米单元的耦合效应和新规律。研究铁磁(磁性金属和合金 )/非磁性(氧化物、 贵金属 )，磁性(金属和合金)/铁电( 氧化物)复合纳米单元界面耦合效应及能量传递的新规律。通过耦合尺度效应的研究，实现纳 米单元组成的宏 观尺度体系电对磁、光 对 磁的调控和性能优化。3、以磁性 /铁电 复合纳米材料体系为研究核心，研究电控磁的规律，探索其应用的途径。研究目标：1、发 展磁性 /铁电异质复合纳米单元构筑薄膜的技术，发展有序磁性/非磁性宏观尺度纳米阵列的制备技术。2、揭示磁 电耦合 规律， 发 展具有大的电控磁效应的 纳米材料；揭示磁性/非磁性纳米复合材料磁光效应的规律，发展具有高性能磁光效应的新型磁光材料。3、设计和制备 示范的电控磁原型器件。4、发 表 SCI 论文 40 篇，申请发明专利 8 项，培养博士研究生 15 人。经费比例：17%课题之间的关系：为了推动项目顺利地实施，我们全盘考虑了项目的实施方案，把前面提到的4 项 主要研究内容划分为 3 个层面，组织 4 个课题进行分工研究。3 个层面是：1)有明确应用目标的宏观尺度纳米材料体系构筑的新方法和新原理；2)宏观尺度纳米结构单元之间的界面效应和耦合效应产生的新现象、新性能和性能优化研究；3)以 应用出口为导向，利用宏观尺度纳米材料体系优异性能设计并制作下一代纳米材料和器件，研究宏观尺度 纳米材料体系在线服役的稳定性。3 个层面的研究始终围绕着解决本项目的关键问题和应用需求来展开，其中，宏观尺度纳米材料体系构筑的新方法和新原理、单元之间的界面耦合效应是 4 个课题共同要解决的关键问题，虽然每个课题 研究的重点各有侧重，但都必须围绕项目的拟解决的关键问题从一个角度、一个 侧面进行研究，都是 项目研究的不可缺少的组成部分，研究结果的集成有利于对宏观尺度纳米材料体系制备科学的全面认识和新原理、新方法的创新，有利于揭示 该体系的界面效应、多尺度耦合效应和由此产生的新性能。项 目中的关键问题的研究是联系 4 个课题的纽带，自始至终贯穿 4 个课题研究的始终，各课题将共享制 备方法取得的成果。同时，每个 课题都有自己的特色，01 课题重点研究碳 纳 米结构单元构筑的宏观尺度纳米材料体系，以电性能为主，向交叉性能拓展，发展与微电子技术兼容的集成技 术。 02 课题重点研究碳纳米结构单元构筑微米尺度纳微结构和宏观尺度复合纳米材料体系，以该体系的优异力学性能的研究为主，向具有实用性的综合性能拓展。03 课题以异质纳米结构单元构筑宏观尺度纳米材料体系为研究的主旋律，重点研究光学和光电性能。04 课题 重点研究不同性质的纳米单元构筑的宏观尺度纳米材料体系的构筑方法，以磁性能研究为主向电控磁效应和优异的磁光性能拓展。4 个课题共同的特点是均以应用需求为导向围