（凝聚态物理专业论文）准一维纳米材料可控合成及其物性的研究.pdf

中文摘要 中国科学技术大学研究生院博士学位论文 准一维纳米材料可控合成及其物性的研究 摘要 准一维的纳米材料。包括纳米线( 棒) 、纳米管、纳米带、纳米同轴电缆、 异质结与超晶格纳米线，不仅是研究电、光、磁、热等基本物理性质尺寸与维度 依赖的理想体系。而且可以作为连接与功能组元在“由下至上”设计与构建新一 代电子、光电器件中发挥不可替代的作用。目前有关准一维纳米材料的研究已经 成为纳米材料科学领域的中心课题之一。 虽然准一维纳米材料的研究已经取得长足进步，在短短的十几年的时间内便 完成了由材料制各向原型器件的跨越。但应该注意到，准一维纳米材料的可控合 成依然是个有待解决的问题。实现对准一维纳米材料的生长、成份、结构的人工 控制，是准维纳米材料应用的前提和基础。围绕准一维纳米材料的可控合成及 其物性，我们做了一系列的研究，主要的研究工作及结果如下： 1 氧化锌纳米结构碡硼的气相台我及物性研究 使用气相生长的方法，严格控制反应条件，我们成功地制备出一系列的z n o 阵列，包括在s i ( 1 0 0 ) 衬底上合成双锥结构z n o 阵列，在多孔铝模板和未掺杂 z n o 薄膜上合成高度取向和高密度的z n o 纳米线阵列，在部分镀金宝石( 0 0 0 1 ) 衬底上合成一种新的纳米结构- - z n o 纳米小旗的阵列。并进而深入地研究了这些 不同类型纳米阵列的形貌、结构、物性以及生长机理。这些z n o 阵列的合成， 扩宽了对z n o 阵列体系的认识，加深了对准一维纳米材料可控合成的理解。基 于这些阵列优良的光学特性以及独特的结构，它们在纳米光电器件、场发射、传 感器、以及研究z n o 纳米线的力学特性等方面有潜在的应用前景。 2 氧纯锌准一维纳米材料掺杂及物性研究 准一维纳米材料的掺杂对其实际应用具有重要意义，但这方面的研究还刚 刚起步。我们利用催化剂辅助的气相法，首次合成具有大的( 0 0 0 i ) 极化面、 高掺杂浓度的单晶z n o 纳米带。并提出一种结合v l s 机制和表面生长过程的模 型解释了纳米带的生长。光致发光的测量发现掺杂z n o 纳米带的紫外f u v ) 发 光峰相比未掺杂的样品明显红移并且展宽。我们认为发光峰的红移归结于半导体 中文摘要 中国科学技术大学研究生院博士学位论文 能隙的缩窄，而展宽则归结于非均匀掺杂及掺杂导致的带尾态的影响。根据u v 峰位的位移，估算出z n o 掺杂纳米带中的载流子浓度约为7 1 0 ”c m 一。 3 自组装生长z n o i n o 超晶格纳米线 异质结与超晶格纳米线的成功制各是准一维纳米材料研究中的一个重要突 破。我们利用某些化合物容易生成分层结构的特性，使用c 0 2 0 3 作为催化剂， 以自组装的方式制备出z n o i n o 的超晶格纳米线，这种超晶格纳米线的周期长 度可以精确到单原子层，并且交界面清晰、完整。在产物中观察到纵向与横向两 种超晶格纳米线，结构与成份的研究证明它们都是由i n 掺杂的z n o 层与i n 0 层沿纤锌矿结构的c 轴交替叠加而成，并近似有i n 2 0 3 ( z n 0 ) 小沏为整数) 的成 份。在纳米线中还观察到折线状与网格状的调制结构，这些调制结构由i n 原子 在z n o 层中有序排列而构成。这种自组装的合成方法可以推广到一系列氧化物 体系，如z n - g a - o 、z n f e 一0 、i n m z n - o ( m = f e g a 或a d 、r - f e z n o 、r 。g a z n o 、 r a l z n - o ( r = l u ，y b 或者t m ) 。的超晶格纳米线的合成。自组装超晶格纳米线的 合成是对现有的准一维超晶格纳米结构合成技术以及合成思路的突破，将在成份 或结构调制纳米线的合成中发挥作用。 4 多元氧化物z n z s n 0 4 的气糨合成及其结构、生长枫翻的研究 多元氧化物准一维纳米材料的气相合成极少有报道，其研究还有待开展。我 们采用催化剂辅助的气相法，成功地制各出尖晶石矿( 立方) 结构的三元氧化物 z n 2 s n 0 4 的纳米线。在产物中发现两种结构的单晶z n 2 s n 0 4 的纳米线，种直径 较为均匀，沿 3 0 2 方向生长，且e d s 的测量表明纳米线中z n 、0 含量偏低； 另一种为直径调制( d m ) 的z n 2 s n 0 4 纳米线，生长取向为( 1 1 1 】纳米线的直径 沿轴向周期性地改变，e d s 的测量表明纳米线中o 含量明显偏高。高分辨电镜 的观察证明d m z n 2 s n 0 4 纳米线纳米线的直径变化对晶格的连续性没有影响，在 直径变化区域并没有孪晶或其他缺陷结构的产生。除z n 2 s n 0 4 的纳米线外，还观 察到z n o 的纳米线，但纳米线的生长取向为【0 1 t 0 】，而不是常见的 0 0 0 l 】取向， z n o 纳米线生长取向的改变归因于气氛中的含s n 成份对其生长的调制作用。 通过对d m z n 2 s n 0 4 纳米线生长机理的深入研究，我们提出由于气氛浓度 的扰动而导致的催化液滴尺寸的变化是使纳米线直径发生周期变化的主要原因。 我们的研究证明z n 2 s n 0 4 纳米线是一种对制备条件非常敏感的材料，因此有可 中文摘要 中国科学技术大学研究生院博士学位论文 能通过认为控制反应气氛的变化，按照预先设计制备出各种类型的d mz n 2 s n 0 4 纳米线。这种纳米线无论在研究基本物理过程，如低维电子输运、量子束缚效应 等方面，还是在纳米光电器件方面都存在一些潜在的用途。类似的合成三元氧化 物纳米线的方法还可以拓展到其他多元氧化物纳米线的合成中，我们的研究为多 元氧化物准维纳米结构的合成开辟了一条可行的途径。 5 有净非晶二氧化硅纳米线的翩备及其光学性质 金属g a 催化氧化硅纳米线的生长展现出许多新奇的现象。在对已有报道 进行深入分析的基础上，我们使用g a 2 0 3 作为g a 源，通过严格控制反应条件， 使得金属g a 催化荆的尺寸在数十纳米至微米之间分布，最终成功地制备出大 量有序的非晶s i 0 2 纳米线。这些非晶s i 0 2 纳米线不仅微观有序，并且在宏观 上也高度有序，以它们为单元，构成了大量形貌奇特、结构复杂的纳米产物，如 纳米缆绳、辣椒状、水母状结构等。这些产物很多是第一次观察到。 我们的研究证明：( i ) 产物的形貌与结构直接与g a 催化颗粒的尺寸相关， 通过控制g a 颗粒的大小，产物展现了丰富的形貌；( i i ) 金属g a 具有很强的 催化s i o z 纳米线生长的能力，即使当g a 颗粒的直径小至与纳米线的直径相 若，它依然可以同时催化多根纳米线的生长，并且在生长过程中不断产生新的成 核：( i i i ) s i 0 2 纳米线具有强烈劈裂生长特性；( i v ) s i 0 2 纳米线趋向成批生长， 并且无论是微观还是宏观都高度有序。这些现象极大地区别于传统的v l s 机 制，是对v l s 机制的丰富和发展。 通过研究s i o z 纳米线的低温发光，发现3 1 4 3e v 、3 1 8 4e v 、3 2 2 1e v 、 3 2 7 0e v 以及3 3 18e v 这几个新的紫外发光峰，我们对其各种可能的来源进行 了分析。新的发光现象的发现丰富了对s i 0 2 纳米线光学性质的认识，而且这些 具有强烈的紫外发射的s i 0 2 纳米线在纳米光学器件上具有潜在的应用前景。 些! ! 坠! ! 主堕型兰茎查盔堂型塞生堕丝主兰望! ! i l c o n t r o l l e ds y n t h e s i sa n dp h y s i c a lp r o p e r t i e so f q u a s i - o n e d i m e n s i o n a ln a n o m a t e r i a l s a b s t r a c t q u a s i o d e d i m e n s i o n a l o d ) n a n o m a t e r i a l s ，i n c l u d i n gn a n o w i r e s ( r o d s ) ， n a n o t u b e s ，n a n o b e l t s ，n a n o c a b l e s ，b e t e r o j u n c t i o na n ds u p e r l a t t i c en a n o w i r e s ，a r ei d e a l s y s t e m sf o ri n v e s t i g a t i n gt h ed e p e n d e n c eo fe l e c t r i c a lt r a n s p o r t ，o p t i c a lp r o p e r t i e s ， m a g n e t i cp r o p e r t i e s ，a n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o ns i z ea n d d i m e n s i o n a l i t y i n a d d i t i o n ，t h e ya r ee x p e c t e dt op l a ya ni m p o r t a n tr o l ea si n t e r c o n n e c t sa n df u n c t i o n a l c o m p o n e n t s i nt h e b o t t o m u p ”d e s i g n a n df a b r i c a t i o no fn e we l e c t r o n i ca n d o p t o e l e c t r o n i cd e v i c e s n o wt h er e s e a r c ho f t h e1 d n a n o m a t e r i a l sh a sa l r e a d yb e c o m e o n eo f t h ec e n t r es u b j e c t so f n a n o m a t e r i a ls c i e n c e t h o u g ht h er e s e a r c ho f1 dn a n o m a t e r i a l sa l r e a d yh a sb e e ng o tc o n s i d e r a b l e p r o g r e s s e s ，i ts t i l lr e m a i n sas i g n i f i c a n tc h a l l e n g et oa c h i e v ec o n t r o l l e ds y n t h e s i so f 1 dn a n o m a t e r i a l sw i t hd e s i r e dm o r p h o l o g i e s ，c o m p o n e n t s ，a n ds t r u c t u r e s ，w h i c hi sa f o u n d a t i o na n dp r e r e q u i s i t ef o rt h ea p p l i c a t i o n so fn a n o m a t e r i a l s f o c u s i n go nt h e r e s e a r c ho fc o n t r o l l e ds y n t h e s i so f1 dn a n o m a t e r i a l sa n dr e l a t i v ep h y s i c a lp r o p e r t i e s ， w eh a v ed o n eas e r i e so fw o r k a n dt h em a i nc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o nc a nb e s u m m a r i z e d 船f o l l o w i n g ： 1 s y n t h e s i sa n dp r o p e r t i e so fw e l l - a l i g n e dz n on a n o s t r u c t u r ea r r a y su s i n ga v a p o r - p h a s e m e t h o d u s i n gv a p o r - p h a s eg r o w t hm e t h o da n ds t r i c t l yc o n t r o l l i n gt h eg r o w t hc o n d i t i o n s ， v a r i o u s w e l l - a l i g n e d z n o a r r a y s w e r e s u c c e s s f u l l ys y n t h e s i z e d ，i n c l u d i n g w e l l a l i g n e d d o u b l e c o n ea r r a yo ns is u b s t r a t e ，u n i f o r ma n dh i g h d e n s i t y z n o n a n w i r ea r r a yo np o r o u sa l u m i n at e m p l a t ea n du n d o p e dz n of i l m ，a n dw e l l a l i g n e d z n on a l l o n a g so na uc o a t e d s a p p h i r e t h e i rm o r p h o l o g i e s ，s t r u c t u r e s ，p h y s i c a l p r o p e r t i e sa n dg r o w t hm e c h a n i s m sw e r ei n v e s t i g a t e d t h es u c c e s s f u ls y n t h e s i so f t h e w e l l a l i g n e dz n oa r r a y sh a sw i d e n e dt h eu n d e r s t a n d i n go f z n o a r r a ys y s t e m ，a n d 竺! ! ：坠! ! ! 垦! ! 兰垫查查兰型塑笙堕塑兰! 些! 鱼生 e n r i c h e dt h ek n o w l e d g eo fc o n t r o l l e ds y n t h e s i so f1 dn a n o m a t e r i a l s b a s e do nt h e h i g ho p t i c a lp r o p e r t i e s a n du n i q u es t r u c t u r ec h a r a c t e r s ，t h e s ev a r i o u sz n oa r r a y s m i g h th a v ep o t e n t i a la p p l i c a t i o n si no p t o e l e c t r o n i cd e v i c e s ，f i e l de m i s s i o n ，s e n s o r s ， a n dt h es t u d y i n go fz n om e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 2 s y n t h e s i sa n d p r o p e r t i e so f d o p e d z n o1 dn a n o m a t e r i a i s t h e r ea r ef e wa t t e n t i o n so nt h er e s e a r c ho fd o p i n gi nt h e1 dn a n o m a t e r i a l sw i t h s e l e c t e de l e m e n t s ，h o w e v e r , w h i c hi s s i g n i f i c a n tt o i t s p r a c t i c a la p p l i c a t i o n s w e f i r s t l yr e p o r t e dt h a ti n - d o p e dz n o n a n o b e l t sw e r ef a b r i c a t e db yt h e r m a le v a p o r a t i o n w i t ha s s i s t a n c eo fg o l dc a t a l y s t t h en a n o b e l t sh a v eh i g hc r y s t a lq u a l i t ya n dg r o w a l o n g 1 0 1 0 】d i r e c t i o nw i t h ( 0 0 0 1 ) t o ps u r f a c e ，a n dh a v ea na v e r a g ei n ：z nv a l u eo f 1 ：3 0 ag r o w t hm e c h a n i s mb a s e do nv l si sp r o p o s e dt ou n d e r s t a n dt h en a n o b e l t s g r o w t h ，e x p l a i n i n gt h ea up a r t i c l e sa r eo n l yf o u n d a tt h ee n d so fs h o r tn a r r o w p a r to f n a n o b e l t st h a ta r eu n i f o r mb r o a df l a tf o rm o s tp a r t so ft h e m t h ez n ou ve m i s s i o n p e a kr e d s h i f l i n ga b o u t2 0 0 m e v a f t e rd o p i n gg i v e sae s t i m a t i o no f t h ec a r r i e rd e n s i t yi n t h ed o p e dz n on a n o b e l t sc a nb ea sh i g ha s7x1 0 1 9c m 一 3 s e l f - a s s e m b l e d s y n t h e s i s o f z n o i n 0 s u p e r l a t t i c e n a n o w i r e s z n o ：i nn a n o w i r e sw i t hs u p e r l a t t i c es t r u c t u r eh a v eb e e ns u c c e s s f u l l ys y n t h e s i z e d b ye v a p o r a t i n gz n o ，| n 2 0 3 a n d c 0 2 0 3m i x e dp o w d e r s t h e r e a r et w o t y p e s s u p e r l a t t i c en a n o w i r ei nt h ep r o d u c t ，o n ew i t hl o n g i t u d i n a ls u p e r l a t t i c es t r u c t u r ea n d a n o t h e rw i t ht r a n s v e r s e s u p e r l a t t i c e s t r u c t u r e ，s t r u c t u r e sa n dc o m p o n e n t so ft h e s u p e r l a t t i c en a n o w i r e sw e r ei n v e s t i g a t e d i ti s f o u n dt h a tt h e yc o n s i s to fi n oa n d i n z n o 一0l a y e r ss t a c k e da l t e r n a t e l yp e r p e n d i c u l a rt ot h eca x i sa n dh a v ea p p r o x i m a t e i n 2 0 3 ( z n o ) mc o m p o s i t i o n i na d d i t i o n ，z i g - 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r a ys p e c t r o s c o p y ，a n dh i g h - r e s o l u t i o n t r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p y z n o n a n o w i r e sw e r es i n g l e c r y s t a l l i n e 、v i t h a x i s o f 0 1 10 ，w h i c hi s d i f f e r e n tf r o m c o n v e n t i o n a l 0 0 0 1 】o r i e n t a t i o na n dm i g h tb ed e t e r m i n e db y t h ec o m p o n e n t s o f v a p o r i n v o l v e di nt h er e a c t i o n z n 2 s n 0 4n a n o w i r e sa n dz n 2 s n 0 4d m n a n o w i r e sw e r e s i n g l e c r y s t a l l i n ew i t h 3 0 2 】a n d 1 1l 】g r o w t hd i r e c t i o n s r e s p e c t i v e l y a v l sg r o w t h m e c h a n i s mi sp r o p o s e dt oi n t e r p r e tt h eg r o w t ho fn a n o w i r e si nt h e e x p e r i m e n t a sf o r t h ef o r m a t i o no fz n 2 s n 0 4d mn a n o w i r e s ，w es u g g e s tt h ed i s t u r b a n c eo f v a p o r c o n c e n t r a t i o ni sam a j o rf a c t o rt h a tc h a n g e st h es i z eo f c a t a l y s ta l l o yd r o p l e t sa n dt h e g r o w t hv e l o c i t yo fn a n o w i r e s ，a n dr e s u l t si nt h ed i a m e t e rm o d u l a t e df e a t u r ef i n a l l y t h e p r o d u c t i o no f t h ed mz n 2 s n 0 4n a n o w i r e si sa ni n t e r e s t i n gf i n d i n gs i n c et h i sk i n d o fn a n o w i r e sc o u l dp o s s i b l yb em o r es e n s i t i v et os u r f a c ep h o n o nm o d e s ，a n dh a v e p o t e n t i a la p p l i c a t i o n s i nt h er e s e a r c ho f1 de l e c t r i c a l t r a n s p o r t a n d q u a n t u m c o n f i n e m e n te f f e c t t h es y n t h e s i sp r o c e s sb a s e do nt h et e c h n i q u eo f c a t a l y s t a s s i s t a n t v a p o r - p h a s ee v a p o r a t i o nu s e di no u re x p e r i m e n ti se x p e c t e dt ob ea p p l i c a b l et ot h e p r e p a r a t i o n o f o t h e r t e r n a r yo x i d e s i s y n t h e s i s a n d o p t i c a l p r o p e r t i e so f h i # h & o r d e r e da m o r p h o u ss i 0 2n a n o w i r e s t h eg r o w t ho f a m o r p h o u ss i 0 2n a n o w i r e sw i t hm o l t e ng ad r o p l e t sa st h ec a t a l y s t h a ss h o w nal o to fn o v e lp h e n o m e n a u s i n gg a 2 0 3a st h eg as o u r c e ，w es u c c e s s f u l l y s y n t h e s i z e dh i g h l yo r d e r e da m o r p h o u ss i 0 2n a n o w i r e s a st h es i z e so fm o l t e ng a d r o p l e t s w e r ec o n t r o l l e di nt h er a n g eo fs e v e r a lt e n so fn a n o m e t e r st os e v e r a l m i c r o m e t e r s t h es i 0 2n a n o w i r e sw e r e h i g h l ya l i g n e di nb o t hm a r c o a n dm i c r o s c a l e s o m e p r o d u c t s w i t hn o v e l m o r p h o l o g i e s a n d s t r u c t u r e s ，s u c h a s c a b l e - l i k e ， 竺! ! 坠! ! ! 里型堂垫查查堂婴塞生些垫圭堂笪堕生 c a p s i c u m 1 i k e ，a n dj e l l y f i s h - l i k es i 0 2 n a n o s t r u c t u r e s ，w e r ef i r s t l yo b s e r v e d o u rr e s u l th a sd e m o n s t r a t e dt h a t ：( i ) m o r p h o l o g i e sa n ds t r u c t u r e so f t h ep r o d u c t s a r e d i r e c t l y r e l a t i v ew i t ht h es i z e so fg al i q u i dd r o p l e t s p r o d u c t sw i t h r i c h m o r p h o l o g i e sw e r eo b t a i n e dt h r o u g hc o n t r o l l i n gt h e s i z e so fc a t a l y s td r o p l e t s ( i i ) m o l t e ng ad r o p l e t sc o u l db eu s e d 淞a ne f f e c t i v e c a t a l y s t f o r a m o r p h o u ss i 0 2 n a n o w i r e g r o w t h t h e y c o u l d s i m u l t a n e o u s l yc a t a l y z e g r o w t h o fm u l t i - s i 0 2 n a n o w i r e se v e nt h e i rs i z e sa r es i m i l a rt ot h ed i a m e t e r so fs i 0 2n a n o w l r e s ，a n dt h e n u c l e a t i o no c c u r r e dc o n t i n u o u s l yd u r i n gw h o l e g r o w t hp r o c e s s ( 1 1 1 ) t h ei n t e n s es p l i t g r o w t h i sa n i m p o r t a n t c h a r a c t e ri nt h eg r o w t ho ft h ea m o r p h o u ss i 0 2n a n o w i r e s ( i v ) t h es i 0 2n a n o w i r et e n d e dt o g r o wb a t c hb yb a t c h ，a n dh i g h l yo r d e r e di nb o t h m a c r o s c a l ea n dm i c r o s c a t e s e v e r a ln e wu l t r a v i o l e t ( u v ) e m i s s i o np e a k s ，i n c l u d i n g3 1 4 3e v , 3 1 8 4e v , 3 2 2 1 e v , 3 2 7 0e v , a n d3 3 1 8e v , w e r eo b s e r v e di nt h ep h o t o l u m i n e s c e n c e ( p l l s p e c t r u m o r i g i n so ft h e mw e r ei n v e s t i g a t e d t h e s en e wp h e n o m e n ah a v ee n r i c h e d t h ek n o w l e d g eo fo p t i c a lp r o p e r t i e so f a m o r p h o u ss i 0 2n a n o w i r e sa n dt h en a n o w i r e s w i t hi n t e n s eu ve m i s s i o na l s oh a v ep o t e n t i a la p p l i c a t i o ni nn a n o s c a l eo p t o e l e c t i r c d e v i c e s 中国科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章 1 1 引言 第一章绪论 1 9 5 9 年，在加卅i 理工学院的物理年会上，著名物理学家r i c h a r dp f e y n m a n 做了一个富有想象力和前瞻性的报告“t h e r e sp l e n t y o fr o o ma t t h e b o t t o m ”，在 报告中他大胆预言：“毫无疑问，当我们得以对细微尺度的事物加以操纵的话， 将大大扩充我们可能获得物性的范围”，并设想：“如果有朝一日人们能把百科全 书存储在一个针尖大小的空间内并能移动原子，那么这将给科学带来什么! ” f e y n m a n 在当时看似荒诞的奇思妙想，揭开了人类认识和掌握纳米科技的序幕。 而在此后的几十年，由于微观测量和操纵技术的不断进步，f e y n m a n 的预言正 在逐步成为现实( 图1 1 ) 。 图1 1 利用扫描隧道显微镜( s t m ) 构造纳米尺度的结构：( a ) 低温( 4k ) 下将单个的x e 原子在n i 的表面排列出i b m 的标识o ；( b ) f e 原子在c u ( 1 i i ) 表面构成一个量子栅栏， 栅栏内的波纹是由表面态电子的散射引起2 。 纳米科学与技术是指在纳米尺度内研究物质体系的运动规律和相互作用以 及在可能的实际应用中出现的科学和技术问题3 。 在纳米尺度上，由于量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、表面及界面效应等 与材料纳米尺寸相关效应的凸显，使得纳米体系的光、电、磁、热等物理性质和 常规体材料有很大的不同，出现许多新奇特性。对这些新奇的物性的测量和研究， 极大拓宽和加深了人们对基本物理规律的认识和理解。基础研究的进展往往可以 推动实际应用的飞速发展，人们已经在想方设法利用纳米材料所带来的新的物 l 中国科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章 性，各种展现纳米材料优良特性的原型器件已经被制造出来。如果说在1 0 年前纳 米材料的应用前景还不明朗的话。那么现在已经可以大致勾画出其应用的范围， 纳米材料将在微电子学、光电子学、非线性光学、高密度信息存储、催化、储氢、 生物医学、以及传感等方面有着广泛的应用前景。 目前人们对纳米科技发展潜力的认识正如美国总统的科学顾问在2 0 0 0 年 所说的那样：“如果我被问及科学与工程的哪一个领域最有可能在将来产生突破， 我的回答是纳米科学与工程4 。”i b m 的首席科学家a r m s t r o n g 也预言：“正像 2 0 世纪7 0 年代微电子技术产生了信息革命一样。纳米科学技术将成为下一世 纪信息时代的核心。”诺贝尔奖得主r o h r e r 更是指出：“2 0 世纪重视微电子技 术的国家如今已经成为发达国家，而现在重视纳米科技的国家很可能成为2 1 世 纪的先进国家。”越来越多的证据显示，纳米科技将引导下一次工业革命的发生。 因此对于纳米科技的研究，世界各国都是站在国家科技战略的角度对其进行规划 5 ，以期在2 1 世纪的科技竞争中保持领先。美国率先在2 0 0 0 年公布一项名为“国 家纳米技术倡议”( n a t i o n a ln a n o t e c h n o l o g yi m t i m w e ) 6 的报告，将发展纳米技术 放在了科学技术发展的最优先地位，并在2 0 0 1 年以4 9 5 亿美元支持纳米科技计 划。随后，日本和欧洲都制定和实施了相应的计划，而中国也在2 0 0 1 年制定了国 家纳米科技发展纲要，推动纳米科技的研究与发展。 纳米科技主要包括纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学等， 而纳米材料学是纳米科技中研究内容最丰富、研究最活跃的领域，这要归因于材 料对人类文明发展与科技进步的重要性。回顾人类的历史。从石器时代、青铜器 时代、铁器时代以及本世纪由于半导体材料的发现与使用而进入的信息时代，人 类文明的进步史，其实也是新材料的发现与应用的历史。纳米材料由于其与体材 料截然不同的物理、化学性质，被认为是全新的材料体系由纳米材料可能制造 出更小、更快、功能更强、性能更好的器件。而这些纳米器件的应用将会给人们 的生活以及社会的发展带来革命性的改变。 2 中国科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章 1 2 纳米材料的基本内涵和物理性质 1 2 1 纳米材料的基本内涵 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围( c 。利用库仑阻塞和量子隧穿效应可以设计下一代的纳米器件，如单电子 4 中国科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章 晶体管和量子开关等。 1 3 一维( 准一维) 纳米材料的研究概况及发展前景 在过去的十年中，零维( o d ) 和二维( 2 d ) ( 也就是量子点和量子阱) 纳 米材料的研究取得了长足进展，目前已经有大量的方法可以合成量子点和量子 阱，材料的种类几乎不受限制，尺寸的控制也可以做到非常精确”。通过研究量 子点的性质随尺寸的变化，发现了许多有趣的物理、化学现象1 3 j 4 1 5 。过去的十 年也是碳纳米管的研究快速发展的时期1 6 1 7 。利用这些纳米材料作为基本组元， 世界上有不少研究组已经制造出一系列的纳米原型器件，其中较引入注目的有量 子点激光器1 8 、单电子晶体管1 9 ，2 0 、逻辑和存储单元1 6 、以及发光二极管( l e d s ) 。 一维( 1 d ) 纳米材料由于其在基础物理研究以及潜在技术应用方面的重要 性，近年来激发了人们强烈的兴趣2 1 ，2 2 。l d 纳米材料是研究电子输运和力学参 数尺寸与维度依赖的理想研究体系，同时也可作为纳米连接以及功能组元在纳米 电子、光电器件中发挥核心作用。这一类材料有着许多独特的性质，如极高的力 学韧性2 3 、更高的发光效率2 4 、增强的热电性能2 5 以及低的激光发射闽值2 6 。利用 一维半导体材料来组建电子器件，不但能够突破目前在电路小型化上碰到的困 难，而且由于纳米线本身优良特性，其构建的纳米器件也将具有更好的性能。对 一维纳米材料的研究代表了当前纳米材料研究的主流和发展发向，正处于蓬勃发 展的时期。 1 3 1 一