纳米线材料及其研究进展VIP

纳米线材料及其研究进展,赵治国张政,1纳米线材料概要,1.1纳米线（nanowire）的概念纳米线为准一维纳米材料,是指直径处于纳米尺度10100而长度可达微米量级的线性纳米材料。该定义中的空间维数1是指未被约束的自由度为1纳米线属于一维纳米材料。金属和半导体纳米线是纳米组装技术的关键材料。为器件的微型化提供了材料基础。,1.2纳米线材料的研究一维纳米材料研究起步较纳米粉体和纳米薄膜晚。大约在90年代中期才开始被广泛的研究.。这主要归功于1991年日本Lijima等人对碳纳米管的发现.人们已成功制备出半导体纳米丝(如)、氮化物(如)纳米丝、金属(如、等)纳米丝、金属合金(如-)纳米丝、金属氧化物(如2、2)纳米丝.,2纳米线材料的制备,纳米线的制备总体上可分为物理法、化学法和综合法。物理法有激光烧蚀法、激光沉积法、蒸发冷凝法、电弧放电法等。化学法有化学气相沉积法、溶液反应法、电化学法、聚合法、模板法等。综合法有蒸发悬浮液法、固-液相电弧放电法、自组装法等。,2.1纳米线材料的物理制备方法,2.1.1激光烧蚀法,2.1.2激光沉积法具有产量大、纯度高、直径均匀等优点,具体过程文中将详细介绍。,2.1.3蒸发冷凝法,2.1.4电弧放电法制备材料主要有：Cu,Ge,Ni在氢气氛中,用石墨P金属作阳极,电弧放电可得到金属纳米线包裹在C纳米管中的胶囊式复合体。,2.1.5气相2液相2固相生长法(Vapor2Liquid2Solid,VLS),以液态金属团簇催化剂作为气相反应物的活性点,将所要制备的一维纳米材料的材料源加热形成蒸气,待蒸气扩散到液态金属团簇催化剂表面,形成过饱和团簇后,在催化剂表面生长形成一维纳米结构,2.2纳米线材料的化学制备方法,2.2.1化学气相沉积法化学气相沉积法（CVD）是在高温下，混合气体与基体的表面相互作用，气体中的某些成分化合或分解，生成的气体传输到低温区冷却并在基板上外延定向生长出金属或化合物的一维纳米线。,2.2.2溶液反应法,2.2.3电化学法,2.2.4聚合法聚丁二炔-1-氨基葡糖苷的制备获得的纳米线的直径为620纳米用纳米Cu、粒子催化乙炔聚合,可得NiFe到弹性导电纳米纤维,这些导电纤维在乙醇溶液中可一根根分离开。,2.3.5模板法按模板材料分为：碳纳米管模板多孔阳极氧化铝膜模板聚合物膜模板（聚碳酸酯膜、聚丙烯酸乙酯(PEA)膜）生命分子模板,纳米隧道阳极氧化铝模板SEM正面图和横断面,在Al2O3模板上垂直生长ZnO纳米,3硅纳米线的生长机制,用高温激光蒸发沉积法制备硅纳米线必要条件：1.催化剂(Fe,Ni或Co)2.需有足够高的温度，在铁作为催化剂时，温度不得低于1200,当载气将在区域中形成的FeSi2液滴带入区域时，由于区域中硅原子浓度相对较高，FeSi2液滴吸收的过量硅原子（过饱和状态）将从液滴中析出，形成硅纳米线。,4纳米线的表征,表征是指对纳米线的成分分析、形貌和结构的表征。几乎所有纳米材料的表征方法都可用在纳米线的表征上,另外,有一些相应于其自身特点的表征方法。1.扫描隧道显微镜(STM)2.扫描电子显微镜(SEM)3.透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)和超高真空电镜(UHV-EM)4.磁力显微镜(MFM)5.原子力显微镜(AFM)6.拉曼光谱和共振拉曼光谱7.红外光谱(IR)的傅立叶变换远红外光谱(FT2far2IR)8.能量色散X2射线分析(Energy2dispersiveX2rayanalysis,EDX)9.X射线衍射,1化学成分分析,化学分析法,氧化-还原法,沉淀法,络合法,中和法,X射线光电子能谱法XPS,电子探针微区分析EPMA,X射线荧光分析XRFS,原子吸收光谱AAS,原子发射光谱AES,仪器分析法,分析方法,2纳米颗粒分析颗粒大小、粒度，颗粒形貌、晶体结构,测试纳米颗粒方法,激光散射法,扫描电子显微镜SEM,透射电子显微镜TEM,X射线衍射XRD,3纳米颗粒表面分析,分析方法,谱分析法,热方法,扫描探针显微技术SPM,场离子显微镜,红外及拉曼光谱,穆斯堡尔谱学,紫外-可见光谱,傅立叶变换远红外光谱,广延X射线吸收精细结构光谱,正电子湮没,STMAFMSNOM,晶态分析方法主要有X射线衍射XRD,纳米线样品的射线衍射谱,Cu/Co多层纳米线的低倍放大TEM照片,单根Cu/Co多层纳米线的高倍放大TEM照片,纳米线样品的照片,()衬底为;()衬底为带有氧化层100厚的片;()衬底为石英片,不同衬底上形成的纳米线的图像,纳米线结构的能量损失谱()能谱.,5纳米线材料的性能,5.1电性能,1纳米线的电导量子化金属中,对弹道输运作研究的理想对象是宽度和长度都小于平均自由程的窄区,称为Sharvin点接触。由于电子通过这些窄区是无散射的,电阻由该点接触的几何形状决定。量子点接触(Quantumpointcontact,QPC)在无磁场条件下,当该几何区域的尺度与电子的费米波长相当时,纵向电导随QPC的宽度W变化时呈现2e2Ph的量子台阶跳跃,即G=2e2NPh,N=0,1,2,纳米线的诞生为弹道区电子输运研究提供了一种手段,3纳米线的非线性-行为,2超导现象,()纳米线的-曲线,5.2纳米线的光性能由于纳米线的直径很小,存在着显著的量子尺寸效应，其中纳米线所具有的超快速的光学非线性响应及(室温)光致发光等特性倍受世人瞩目。相应的吸收光谱和荧光光谱发生蓝移,从而在能带中形成一系列分立的能级。一些半导体纳米线(或量子线),如Si、GaAs都发现具有(室温)光致发光现象。,5.3纳米线的磁性能和巨磁电阻现象(1)Bi纳米线的横向电阻和纵向电阻都随磁场强度的增加而增加,表现出正的巨磁电阻,且几乎为线性关系;(2)相同温度、相同磁场强度下的横向电阻大于纵向电阻;(3)Bi纳米线的正巨磁电阻在低温下(32K)可达300%,室温下也有70%。,有序纳米线阵列和标准Ni小球的磁滞回线,(4)有序Ni纳米线阵列的磁单畴特性,6纳米线的应用,6.1功能复合材料将纳米丝掺入有机高分子(PCM-1)中,该体系的电导可提高两个数量级。把碳化物或氧化镁等一维纳米棒引入超导基体中,可大大提高材料的载流能力。研究纳米棒P超导基体复合材料的结构将有助于找到一种开发合理纳米线结构材料的一般策略。,6.2传感器方面的应用纳米材料巨大的表面积、高的表面活性、对周围环境的敏感性等使其在催化和传感器方面前途光明。它对温度、光、湿气等环境因素相当敏感。外界环境的改变会迅速引起表面或界面离子价态电子输运的变化,利用其电阻的显著变化可作成传感器,其特点是响应速度快、灵敏度高、选择性优良。,6.3磁电阻效应的应用控制纳米材料中磁性体的磁化状态,可以改变材料的电阻率,从而为磁传感器、随机存贮器、高密度读出磁头等应用开拓了一类新颖的人工功能材料。类似于偏振片使自然光变成偏振光,自旋混乱取向的电子通过巨磁电阻材料后将保留与磁化状态有关的某一特定自旋取向的电子。,6.4巨磁电阻效应的应用利用巨磁电阻效应，可制成微弱磁场探测器。可以用来探测10-11特斯拉的磁通密度。,在非线性光学器件、分子器件、光电器件、新型电子器件及半导体技术等方面有广泛的应用前景。此外,利用非晶SiO2纳米线的稳定强蓝光发射,有望在近场光学扫描显微镜的高分辨光学镜头和光学器件的连接上有应用。,科学家制造出一种新型的纳米线激光器,它小得可以集成到微芯片里,其开关可由电信号控制。这种激光器是由硫化镉半导体制成的单根线,直径仅为80到200纳米,长度约数十微米.,6.5光、电器件和分子器件,7纳米线的研究进展,采用电化学沉积法以Mn改性的三维体心立方结构的介孔SBA-16膜为模板制备Fe纳米线。沉积Fe后的SBA-16膜以2%HF溶解SiO2骨架，样品于550焙烧4h即得到三维多孔的Fe2O3纳米线。,1.以SBA-16为模板电沉积生长多孔氧化铁纳米线阵列,焙烧后SBA-16膜的TEM图片,多孔Fe2O3纳米线的形貌及电子衍射图,2氮化镓纳米棒的制备，由清华大学范守善教授等完成。他们首次利用碳纳米管制备出直径340纳米、长度达微米量级的半导体氮化镓一维纳米棒，并提出碳纳米管限制反应的概念。并与美国斯坦福大学戴宏杰教授合作，在国际上首次实现硅衬底上碳纳米管阵列的自组织生长。,3准一维纳米丝和纳米电缆，由中国科学院固体物理研究所张立德研究员等完成。他们利用碳热还原、溶胶凝胶软化学法并结合纳米液滴外延等新技术，首次合成了碳化钽纳米丝外包绝缘体SiO2纳米电缆。,4.杨培东领导的小组在月号的美国纳米通讯杂志上报告说，他们已成功地找到一种制造“多层结构”纳米线的方法，能够使硅和锗这两种不同的材料交织组成单根纳米线。用这种方法制造出的单根纳米线，内部直接包含了具有潜在重要功能的半导体界面。在此基础上，不需要多根纳米线的组合，直接用单根纳米线，就可以制造具有完整功能的电子器件。首次成功地实现了二维半导体界面功能向一维的转移。在这一过程中，半导体界面的接触面积得以大大缩小。,5整齐排列的分叉式纳米光缆线试制成功由旅美学者、佐治亚理工学院王中林教授领导的研究小组，利用液态钾做催化剂，首次生长出整齐排列且具有“Y形状”的氧化硅纳米光缆线。这些线的直径为10纳米，长度可达毫米级，线直而均匀并且是透明的。最重要的是该线在生长过程中自动由一根分叉成为两根，两根可以分叉成四根，依次继