基于纳米线的微纳电子器件技术现状与发展趋势

1、基于纳米线的微纳电子器件技术现状与发展趋势姚亚（杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所，浙江杭州310018）摘要：本文以Cu纳米线和ZnO纳米线为主线，综述了Cu纳米线和ZnO纳米线制备技术的最新进展，系统介绍了制备Cu纳米线和ZnO纳米线的原理和特点，与此同时，仔细介绍了Cu纳米线和ZnO纳米线不同的制备方法，最后探讨并展望了Cu纳米线ZnO纳米线在微纳电子器件技术中的现状与发展趋势。关键字：Cu纳米线；ZnO纳米线；制备；现状；发展趋势ABSTRACT：Inthispaper,theCunanonanowiresandZnOnanowiresasthemainline,reviewth

2、eCunanonanowiresandZnOnanowiresofpreparationtechnologyofthelatestprogresssystematacially.ThispaperintroducedthepreparationofCunanoprincipleandcharacteristicsoftheCunanowiresandZnOnanowires,andintroducedthedifferentpreparationmethodsbetweentheCunanowiresandZnOnanowirescarefully.Finally,thepresentsitu

3、ationanddevelopmenttrendofCunanowiresandZnOnanowiresinmicronanoelectronicdevicesarediscussedandprospected.Keywords:Cunanowires;ZnOnanowires;preparation;status;trendofdevelopment1 引言纳米线是一种在横向上被限制在100纳米以下（纵向没有限制）的一维结构，典型纳米线的纵横比在1000以上，因此它们通常被称为一维材料。根据组成材料的不同，纳米线可分为金属纳米线，半导体纳米线和绝缘体纳米线。半导体纳米线被誉为下一代微纳电子器

4、件的基本结构，在电子，光电子和纳电子机械器械中，纳米线将会起着举足轻重的作用；同时，还可以作为化合物中的添加剂、量子器械中的连线、场发射器和生物分子纳米感应器。Cu纳米线作为金属纳米线中的典型代表，一方面在未来的微纳电子器件中具有极其重要的应用价值，另一方面可为实验研究某些新奇的物理现象，比如可为电导量子化和尺寸效应等提供理想的模型系统。作为第三代半导体材料的ZnO是II-VI族直接宽带隙化合物半导体，具有禁带宽、激子束缚能高、无毒、原料易得、成本低、抗辐射能力强和良好的机电藕合性能,因而被广泛应用于太阳能电池、声表面波器件、液晶显示、气敏器件、压敏器件等。随着纳米科技的发展,ZnO纳米结构与

5、体材料相比具有更优异的性能。目前己经制备出了多种不同形貌的一维纳米材料,并在激光、场发射、光波导、非线性光学等领域上有了新的用途。2 ZnO纳米线2.1 ZnO的晶体结构ZnO晶体有NaCI型、立方闪锌矿型和六方纤锌矿型三种结晶形态，如图3-1所示。在室温和常压下，ZnO晶格一般呈纤锌矿结构，属六方晶系，其理想空间群为p63mc，晶格常数为a=0.325nm，c=0.521nm，d=0.194nm，在c轴方向有极性，如图3-1(c)所示。纤锌矿结构的ZnO晶体中，氧原子按照六方密集堆积排列，锌原子填充半数的四面体间隙，即每个锌原子周围有4个氧原子，构成Zn-O4四面体，四面体的顶角互相连接。四

6、面体的1个面与+c即(0001)面平行，四面体的1个角指向-c面。Kockslt(BPZincMcndc(83)Wunzi.be何筒图3-1ZnO的晶体结构示意图立方岩盐结构(B1)；(b)立方闪锌矿结构(B3)；(c)六方纤锌矿结构(B4)2.2 ZnO的基本性质氧化锌为两性氧化物，溶于酸、碱、氯化铵和氨水，不溶于水和乙醇。常温下为白色粉末，由无定形或针状小颗粒组成，高温下呈黄色，冷却后又恢复白色。表3-1为ZnO在常温压下晶悻结枸81.3S9密垃申wH；P5.67塔讥J)丁M1975也琳J/gKCt导携晟邀a轴0.59；c釉1.2热膨皈搭埶;；L钿Aa/a6.5ic/c3仙粘门数旬.325

7、co0.521E*3.36C汁电基数e.3.6562.3 ZnO纳米线的制备材料的制备是性能研究的基础，目前制备纳米材料的方法有很多种。按制备时的物相可将其分为固相法、液相法和气相法，方法举例见表3-2。表3-2按物相分制备方法举例方法气相法液相法阿相法方法塔例热热发法，脉冲城光沉枳:法、化學m相沉構法，金屈有机化台樹化学气柑沉机法、分于悶外延法、喷鸳鶴解法等水热法敕乳戕袪r洛胶凝胶法、按敬法等字皿品化法.K根据生长和控制方式的不同，ZnONW的制备方法有气相生长法、溶液生长法、模板生长法和自组装生长法。使用不同的制备方法、生长条件和工艺过程，所得到的ZnONW形貌、结构差别很大，对其性能(如

8、光电性能啲影响也很大。2.3.1气相生长法气相法主要是指在制备过程中，源物质是气相或者通过一定的过程转化为气相。气相法制得的产物比较纯、直径较小、单分散性好、易得到超细的均匀线径，产率较高，但是反应条件苛刻，要求高温高能量，工艺技术复杂，能耗高，设备昂贵，成本较高。根据其源物质转化为气相的途径和方式的不同，气相法主要包括气相沉积法、气相传输法、激光烧蚀法(LPA)、直接热蒸发法、分子束外延法(MBE)等。气相沉积法气相沉积法又可分为物理气相沉积法(PVD)、化学气相沉积法(CVD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)、脉冲激光沉积法(PLD)等。PVD是直

9、接将高纯度的ZnO高温加热使其挥发并在预期的基底上沉积，不通过化学反应直接得到NW的方法。此法不使用任何催化剂或添加剂，产物纯净无杂质，但是生长效率和对产物形貌的控制稍差。CVD利用高温物理蒸发或有机金属化合物的气相反应，通过气体传输，可使反应物沉积到低温衬底上并生长为一维结构，生长过程一般遵循Wagner和Ellis提出的气-液-固法(VLS)生长机理，这是传统的生长一维材料的方法。在纳米线生长过程中，先形成催化剂金属(Au、Ag等)与纳米材料的低共熔合金液滴，此液滴吸收气相反应物形成晶核。液滴中反应物饱和时，纳米线开始生长，系统冷却后，合金液滴固化在纳米线的顶端。(2) 气相传输法气相传输

10、法是将位于源区的ZnO原料高温加热变为气体，传输至温度低的生长区实现晶体生长。一般源区须有足够高的温度以产生化学激活、高的气体压力以及保持源区与生长区足够大的温度梯度以增加气体传输效率。此外，生长区要有适当的温度以使沉积的原子具有高的扩散迁移率，实现单晶生长。生长机理主要是VLS和VS(气-固)机理。在710820C制得的是ZnO纳米线，生长机理为VLS。（3）射频溅射法射频溅射法主要是采用射频磁控溅射仪，把基底固定于基片架上，溅射的靶材由Zn的复合物组成，在反应室内调整适当的靶基距、温度、气压、气体比率以及射频功率，在Si基底上沉积了金属Zn复合物基质；然后在高温石英炉内热氧化处理，通过空气

11、的氧化，使Zn复合膜转变成ZnO纳米线。（4）直接热蒸发法直接热蒸发法操作简单，反应过程较安全，不需SiH4、H2等易燃易爆有毒气体，直接在高温下蒸发ZnO就可以合成ZnONW。其缺点是相对于传统的CVD方法来说，CVD法可通过改变催化剂颗粒的径向尺寸方便地控制NW的直径，而直接热蒸发法却由于没有催化剂则较难控制NW直径。232液相生长法液相法具有反应条件相对温和、设备简单、成本低廉的优点，但受溶液环境（如pH值、各组分浓度）的影响，组分比较复杂，产物形貌难控制，极易团聚与相互缠绕。根据生长方式和环境的不同，液相法主要有水热法、微乳液法、电化学沉积法、溶剂热法等。水热法早在上世纪70年代就用来

12、制备晶体。此法主要是以金属盐、金属有机物的水溶液为前驱体液，在密封的压力容器、一定的温度压力下通过进行水溶液反应而制取样品。水热法的特点是制备的粒子纯度高、分散性好、晶型可控制，尤其是粒子的表面能低、团聚少。微乳液法是利用表面活性剂使NW呈各向异性生长。微乳液体系由油相、水相和表面活性剂相组成。反应在水相中进行，在微乳液体系中，首先在水中形成前驱体-nm级水核，分散在连续的油相中构成油包水微乳液；高度分散的水核就是纳米材料的生长点，经后处理可得到NW；表面活性剂作为微反应体，聚集在油水界面上使体系稳定。表面活性剂和前驱体溶液的选择和浓度至关重要，其他一些参数如温度、pH值等也很重要。2.3.3

13、模板生长法模板法通过使用具有固定结构的材料（孔径为nmum级的多孔膜）作为模板，结合电化学沉淀法、溶胶-凝胶法等让生长晶种沉淀在模板的孔壁上，并在模板孔道的限制作用下生长，形成所需的一维纳米结构。模板法具有良好的可控性，可利用其空间限制作用对NW生长的尺寸、形貌、结构和排布等进行控制。模板合成法制备纳米结构材料具有下列特点：所用模板容易制备，合成方法简单；通过改变模板制备条件，如溶液成分、膜材料性质等，可优化模板如孔洞分布、孔径大小等结构，从而可合成形貌可控的一维纳米结构的材料;在模板孔中形成的NW容易分离。模板法也有不足，使用较多的是无机氧化物（如多孔氧化铝）模板，去除困难，会存留一定的杂质

14、。Y.D.Wang等人结合模板和水热法，制备了垂直基体生长、直径约65nm、长度2um、具有良好紫外发光性能的ZnONW。首先在GaN薄膜上沉积一层50nm的SiO2薄膜，再沉积一层lum的Al；用两步法先对Al进行阳离子氧化，然后使用等离子刻蚀成小孔直径约为65nm的模板。ZnO先在SiO2/GaN点上成核，然后生长成排列整齐的ZnONW。234自组装生长法化学反应自组装法是以含有极性基团的高分子长分子链作为自组装网络,利用高分子络合反应在Si衬底上自组装ZnO维纳米结构材料。以极性高分子（如聚丙烯酰胺）长分子链作为自组装网络，利用高分子软模板控制ZnO纳米点成核和ZnONW定向生长，从而使

15、ZnONW在半导体硅衬底上进行自组装生长。2.4基于ZnO纳米线的微纳器件应用现状2.4.1光电器件ZnO具有优异的光电性能，在适当掺杂浓度下，表现出良好的低阻特征，使ZnO成为一种重要的电极材料，如太阳能电池、发光二极管等的电极。M.C.Jeong等人10制备了嵌有ZnONW的n-ZnO/p-GaN异质结发光二极管，在386nm处观察发射峰，将二极管在H2氛围中进行退火后发现，从n-ZnO薄膜中注入ZnONW的电子浓度增加，从而提高了二极管的光发射效率。R.T.Zaera等人36制备出ZnO/CdSe/CuSCN结构的太阳能电池。首先在FTO玻璃上沉积上一层直径100200nm,长度达数微米

16、的ZnO自支撑NW，然后再在ZnONW上沉积一层光吸收剂CdSe，并在ZnO/CdSe的空隙部分填充满p型的CuSCN。ZnO/CdS层具有高的光吸收能力，对波长400800nm光的有效吸收率约为89%,反射率仅约为8%。该太阳能电池内部量子效率为28%,在模拟太阳光下（AM1.5）的光转化率为1.5%2.3%。B.Pradhan等人37用垂直取向的高密度单晶ZnONW代替纳米TiO2薄膜，制备了染料敏化太阳能电池（DSSC）（图3-2）。该电池使用KI-I2电解质，并用RoseBenga（玫瑰红）染料代替传统的钉染料作为光敏剂。该电池在570nm波长光照射下有最大瞬间电流密度，因为RoseB

17、engal染料对于570nm波长的光吸收最强。但是该电池在570nm波长光照射下的光转化效率仅为0.7%，主要因为染料吸光的效率较低、电荷注入ZnONW的效率低、电荷收集效率也低。图3-2染料敏化太阳能电池示意图Fig.2SchematicdiagramoftheDSSCT.Kazuko等人38制备了聚合物/富勒烯/ZnO纳米棒结构的复合光电池。实验研究了电池的性能与ZnO纳米棒的长度、直径以及有机层厚度之间的关系。结果表明，ZnO纳米棒在光生电子的收集和作为ITO玻璃的导电通道中起着重要作用。引入ZnO纳米棒后的复合光电池，填充因子从38%增加到50%,能量转化效率增加到2.7%。ZnO掺A

18、l后禁带宽度明显增大，具有较高的光透过率。在可见光区，光透过率达90%。高的光透过率和大的禁带宽度使其可用作太阳能电池窗口材料、低损耗光波导器件及紫外光探测器等。ZnO的发光性质及电子辐射稳定性使其成为一种很好的单色场发射低压平面显示器材料，并在紫外光二极管、激光器等发光器件领域具有潜在的应用前景。2.4.2压敏器件高密度、定向生长的ZnO薄膜是一种具有良好压电性质的材料，能用来制备高频纤维声光器件及声光调制器等压电转换器材料，还可在大容量、高速率光纤通信的光纤相位调制、反雷达动态测频、电子侦听、卫星移动通信、并行光信息处理等领域得到广泛应用。Z.L.Wang等人11利用ZnO的压电效应和半导

19、体效应的耦合作用制备了基于ZnONW的纳米发电机（图3-3），并通过该发电机将机械能转换为电能。首先，ZnONW与导电原子力显微镜探针接触后发生弯曲。因为ZnONW具有压电和半导体性能，当发生弯曲后便产生应力场，沿着ZnONW有电荷分离，ZnONW和金属探针间形成肖特基势垒而具有整流特性，并产生了电流。该纳米发电机的效率可达17%30%。这种方法在将机械能、震动或水压力转换成电能，在为纳米器件提供动力方面有着潜在的使用价值。J.H.Song等人12研究了ZnONW或纳米带/p型齐聚物结构被AFM探针压弯后的输出电压，与没有P型齐聚物涂层的ZnONW或纳米带相比，该结构与探针接触、伸展时观察到正

20、电势峰，而压缩时为负电势峰。齐聚物和ZnO间的p-n结相当于一个“二极管”。当AFM探针使ZnONW/带发生弯曲时，“二极管”沿相反方向偏转而产生电流并储存在ZnONW/带中，随着AFM探针进一步使ZnONW/带弯曲，积累的电流增加并在达到一极值时穿过“二极管”，与来自外部电路的自由电子中和，从而在输出信号中显示正脉冲。此时，AFM探针继续扫描使ZnONW/带弯曲，“二极管”进一步偏转，中和掉剩余的电荷新产生的电荷使电流从探针流向ZnONW/带，从而显示负电压脉冲。图3-3实验装置图及通过导电的AFM探针弯曲NW及电流产生的过程Fig3Experimentalsetupandprocedure

21、sforgeneratingelectricitybydeformingaPZNWwithaconductiveAFMtip2.4.3气敏器件ZnO的电阻率会随表面吸附气体种类和浓度的不同而变化，因此它也是一种气体敏感材料。未掺杂的ZnO对还原性、氧化性气体具有敏感性，经过某些元素的掺杂之后，对有害气体、可燃气体、有机蒸汽等具有良好的敏感性，可被制成各种气敏传感器。范新会等人13用物理热蒸发方法制备了ZnO基氨气传感器。但该传感器的灵敏度低，响应和恢复时间长。J.F.Zhang等人14制备了葡萄糖生物传感器，通过裁剪ZnONW可控制传感器的性能。Y.S.Zhang等人15制备了基于ZnO纳米棒

22、和NW的湿度传感器，该传感器具有湿度敏感性高、稳定时间长和反应时间快等特点。室温下，当ZnO纳米棒和NW的湿度传感器分别置于相对湿度为97%的环境中时，3s后电流即达到峰值，分别为1.7和1.9mA10s后将传感器放入大气环境中，测得NW和纳米棒传感器的恢复时间分别为20s和30s。2.4.4ZnO纳米线的其他应用ZnONW在化学、物理学、光电学、磁性、敏感性等方面具有一般ZnO产品无法比拟的特殊性能和新用途。在电子工业中，ZnO既是压敏电阻的主原料，也是磁性、光学等材料的主要添加剂。采用纳米ZnO制备压敏电阻，不仅具有较低的烧结温度，而且能够提高压敏电阻的通流能力和非线性系数等性能。纳米Zn

23、O在光学器件中的应用将随着对纳米ZnO光学性能的深入研究而取得更大的突破。在精细陶瓷工业中，利用ZnONW的体积效应和表面效应，可大大降低烧结温度。在低温低压下，就可直接使用纳米ZnO作为陶瓷制品的原料，生产出外观光亮、质地致密、性能优异的陶瓷制品。并且ZnONW具有抗菌作用，可以将其掺入陶瓷中，制成各种高档卫生陶瓷用具。在医疗用品、纺织品、日用化妆品工业中，利用ZnONW的防紫外功能和抗菌作用，将其与天然聚合物结合，可制成抗菌纤维。因此，抗菌纤维具有优良的保健功能，既可屏蔽紫外线的辐射，又具有抗菌、防霉、除臭的奇特功效，拥有较好的工业化前景。此外，ZnONW具有高的表面活性，极大地提高了其光

24、催化效率，可将许多难降解的有机物分解成水和CO2等无机物,是一种环保型材料。2.5ZnO纳米线技术发展趋势一维ZnO纳米线具有奇特的结构与物理性能，其制备成功不仅为探索小尺度量子效应，以及分子水平纳米光电子器件等基础物理研究提供了可贵的研究对象，也预示着巨大的应用前景和经济利益，必将给传统材料、微电子、医药等领域带来革命性的改变，并会影响到人们的日常生活。但是制备一维或准一维ZnO纳米线材料的方法还有待于发展，制备新形态的ZnO纳米结构材料也将会具有特别的意义。同时，氧化锌（ZnO）是一种重要的宽禁带半导体功能材料，室温下能带带隙为3.3eV,激子束缚能高达60meV,在紫外波段具有强的自由激

25、子跃迁发光，加上原材料资源丰富、价格便宜，对环境无毒无害，适合于薄膜的外延生长，在信息光电领域有广泛的应用前景，是近年来继GaN之后国际上又一研究热点。一维ZnO纳米线在可见光和紫外光光电子器件方面的应用前景十分诱人，其合成备受关注。在过去几年里，人们采用各种物理的和化学的方法来合成一维ZnO纳米线，并研究其光电特性。这些为实现ZnO基纳米器件和分子器件的集成带来了曙光。3 Cu纳米线3.1Cu纳米线的制备目前合成Cu纳米线主要有气相沉积法、模板法、自组装法、反向胶束法、液相还原法等。表3-11总结了制备Cu纳米线的几种主要方法及各自的特点。表3-1Cu纳米线的制备方法及主要特点制欝方法i；要

26、特必气相沉枳法拽术廉为脱熟过程易控制.鈍歷较离;成肚较高，产率较低，尺寸廿忙不均形貌可挣，纳术线结构完抿.制备效率沐可釜性.労散性奸：分格樓板较麻烦4馬对制篇的抽来块造成损也.損胶具有-宦的适用范HL尺寸不能随总改变电场驱动II全固态环境无需任何摸扳生长方向蛆装法容M控制.纯度软鬲*产率较低.纳术线粒径分布不均反向族東法单分散性*界丽性好.粒暫少布窄.稳址性好：刑料径大虎村料揑制敦嗣艰裏面捂性刑的适川范用有限袱桶还原法条件较遍和.纯度商.尺寸廿布均匀.生产成木低,产物在脱相中分歌沟匀实现1组装比较容劭+受液相申售向生怅同性限制需用特殊方1法控制形貌后揍处理比较麻烦3.1.1气相沉积法直接利用气

27、体，或者通过各种手段将物质转变为气体，使之在气体状态下发生物理变化或者化学反应，最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米粒子的方法。根据产生气相反应物的不同可以分为物理气相沉积法和化学气相沉积法。(1) 物理气相沉积法物理气相沉积法就是通过加热的办法使Cu源不断蒸发成气态，在流动气体的带动下，运动到气流下游的低温区，沉积到单晶硅片的表面，从而制备出单分散的Cu纳米线。Adelung等通过超高真空气相沉积法在分层晶体VSe2表面沉积形成直径825nm的铜纳米线，实验中发现Cu纳米线形成以后会自组装形成一些网络结构,在纳米线网络结构之间也会形成少数的纳米团簇，不过形成的这些纳米团簇的高度并没有超过纳米线的

28、尺度，所以晶体表面仍然是光滑平整的。Liu等采用真空气相沉积（VVD）步法在815C和1.0X10-4Pa的条件下将铜圈气化以后沉积在覆有C膜的钼网上得到了直径为50100nm,长度达到20m的铜纳米线和纳米棒，实验结果如图3-1所示。此外，通过研究发现，实验中C膜是非常好的Cu气相沉积的基底，因为在C膜孔洞的边界处表面比较粗糙，有利于Cu原子的沉积和重新成核进而生长成Cu纳米线。防g20min的气相沉积.TEM閤显示生成的Cii纳米戟直榄为50-10011ni,氏度远到3屮:n（gCu纳处鏡的EDS能谱圏，哥叩111规的的微册的咋是匕为C膜的存在图3-1VVD法制备的Cu纳米棒和纳米线的透射

29、电镜和EDS能谱图3.1.1化学气相沉积法化学气相沉积法是通过两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内，然后它们相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到晶片表面上，从而得到纳米材料。王中林课题组在真空条件下，以Cu(0H)2纳米带为前体，通过电子束辐射，原位热还原制备得到了包覆有碳层和纳米颗粒的多晶Cu纳米线，实验结果如图3-2所示。实验中首先是Cu(OH)2在电子束的辐射之下分解成为CuO,然后当温度在50200C时，CuO热诱导分解成为Cu2O。最后，对于由C包覆的Cu网制备得到的Cu(OH)2纳米带，Cu2O在200-300C时热还原成C包覆的Cu纳米线，且C层可以保护Cu纳米

30、线被氧化；对于没有C包覆的Cu网制备得到的Cu(OH)2纳米带，Cu2O在200600C时热还原成含有Cu纳米颗粒的Cu纳米线。(a)(b)图3-2不同分辨率下Cu纳米线的透射电镜图3.1.2模板法模板法是合成纳米线和纳米管等一维纳米材料的一项有效技术，具有良好的可控制性，可利用其空间限制作用和模板剂的调试作用对合成材料的大小、形貌、结构和排布等进行控制。模板法根据其模板自身的特点和限域能力的不同又可分为软模板和硬模板两种。(1) 软模板法软模板常常是由表面活性剂分子聚集而成的，主要包括两亲分子形成的各种有序聚合物，如液晶、囊泡、胶团、微乳液、自组装膜以及生物分子和高分子的自组装结构等。(2)

31、 硬模板法硬模板法通常是利用材料的内表面或外表面为模板，通过控制反应时间使填充到模板的单体进行化学或电化学反应，除去模板后得到纳米棒、纳米线或纳米管等。经常使用的硬模板包括分子筛、多孔氧化铝膜、径迹蚀刻聚合物膜、云母片、纳米碳管和聚苯乙烯微球等。3.2Cu纳米线技术应用现状3.2.1光学方面的应用纳米材料由于量子尺寸效应导致其光学性能表现出不同于宏观块体材料的特殊光学性质，在表面等离子体共振（SPR）、荧光吸收、表面增强拉曼光谱吸收（SERS）以及非线性光学等方面具有重要的应用价值。韩亚萍等应用调Q倍频ns/psNd：YAG脉冲激光，在波长为532nm、脉冲宽度为8ns、重复频率为1Hz的条件

32、下，研究了金属铜纳米线悬浮于去离子水中的反饱和吸收和光限幅特性。实验表明，金属铜纳米线具有较好的光限幅性能。莫丹等通过紫外可见光谱分析在云母模板孔道中经过电化学沉积得到的不同直径和形状的Cu纳米线，发现铜纳米线的尺寸和形状影响其光学性质。直径60nm的近似为圆柱状的Cu纳米线有一个明显的表面等离子体共振峰和一个微弱的次峰，随着直径增加，菱柱状的Cu纳米线主峰有明显的红移，次峰逐渐增强。3.2.2电学方面的应用随着科技的不断发展，微电子技术中电路的工艺进入亚微米时代并逐渐成为了研究的热点。金属铜由于电阻值低、抗电迁移性好、价格低廉等优点将逐步取代现在集成电路中一直使用的金属铝作为微电子的互连材料

33、。杜克大学的Wiley等通过水合肼液相还原制备得到了直径约为90nm的铜纳米线，并将Cu纳米线进行了涂覆和电学性能测试，见图3-3。他们报道称铜纳米线生长在水溶液中，同时又具有柔性，将有望以滚涂的工艺在溶液中镀层，如报纸的印刷过程，这样将远远高于生产铟锡氧化物的效率。如果可以解决Cu纳米线的氧化导致的导电性降低的问题，Cu纳米线在未来将可取代银纳米材料和铟锡氧化物，用于薄膜太阳能电池、平板电视、计算机以及柔性显示器中。同时有研究人员通过对气相沉积法制备得到的Cu纳米线的测试表明，Cu纳米线阵列有很低的开启电场（210V/m）和很高的稳定性，在冷场发射源方面也具有很好的应用前景。(a)(c)(d

34、)CuMXvI?10152&25hld-ti(e)图3-3Cu纳米线的喷涂过程图及电学性能测试图3.2.3力学方面的应用研究表明，纳米结构材料的力学性能比本体的材料有显著增强，分析原因可能是因为纳米结构材料中，晶体颗粒边缘有许多杂乱无章的结构存在，当颗粒尺度减小后，颗粒边缘面积增大，从而会对这些无序结构的发展起到有效阻碍作用而提高材料的强度。在1956年，Brenner等便发现金属微米晶须具有很高的强度。Zhong等通过对经电沉积方法合成的Cu孪晶纳米线进行拉伸实验发现，生成的Cu纳米线的强度只有200650MPa,但在断裂前却没有出现明显的塑性形变。Lu等利用脉冲电解沉积技术成功地在纯铜样品

35、中制备出具有高密度的纳米尺度的孪晶结构(孪晶层片厚度100nm)，他们发现随孪晶层片厚度减小，样品的强度和拉伸塑性同步显著提高，当层片厚度为15nm时，拉伸屈服强度接近1.0GPa(是普通粗晶Cu的10倍以上)，拉伸均匀延伸率可达13%。岳永海等利用AAO模板，采用直流电沉积法制备得到了高质量的多晶的Cu纳米线。他们在高分辨透射电镜中利用碳膜卷曲变形的方法对单根Cu纳米线进行弯曲变形实验来研究其力学性能，实验结果发现，孪晶界在变形过程中能作为位错源，发射与孪晶界成70.5。角的位错。因此，有效合成高质量的Cu纳米线并采用有效的力学加载方式来揭示纳米线的力学响应机制，能够为Cu纳米线的在力学方面

36、的应用提供技术基础。3.3 Cu纳米线技术发展趋势Cu纳米线在制备方法上取得了相当大的进步和发展，并且在光学、生物、电子、催化、医药以及信息存储等领域有很大的应用潜力，但是目前尚存在如何低价高产量地制备尺寸均一、形貌可控、稳定性和分散性良好的Cu纳米线以及制备得到的Cu纳米线容易氧化等问题，因此Cu纳米线的工业化生产和产品应用还存在一定的技术瓶颈。Cu纳米线未来的研究和发展趋势主要集中在以下几个方面。(1) 在已有的制备方法的基础上，探索更加低成本、环保、高产量的Cu纳米线的制备方法，并利用其电阻值低和抗电迁移性好的优点，实现Cu纳米线在微电子领域的广泛应用。(2) 由于Cu纳米线表面原子比例

37、大，具有很强的表面活性，所以需对Cu纳米线表面进行不同改性处理，解决分散性和稳定性不良等问题，可望得到良好的光催化应用。（3）利用Cu纳米线的电子输送性能，对Cu纳米线进行适当表面处理，解决Cu纳米线易被氧化的问题，期望实现对化学、生物领域的高灵敏、选择性检测的传感器新技术。（4）通过分子动力学模拟方法及有效的力学加载方式去研究Cu纳米线的力学性能，为其在力学方面的应用提供理论和技术基础。（5）以Cu纳米线为构筑单元，构建、复合和自组装制备得到性能各异的复合纳米材料并积极探索更加广阔的应用领域。4结语作为金属纳米线中的典型代表，研究人员对Cu纳米线的研究投入了极大的热情，并在其合成，结构和性能

38、表征等方面取得了很大的进展。这些研究结果一方面将为Cu纳米线的实际应用打下良好的基础，另一方面，也有益于人们更好地理解低维材料的新奇特性。在将来的研究中，人们将会重点关注以下3个问题：首先，继续探索Cu纳米线的低成本、大批量、可控合成，因为目前所开发的MOCVD法和模板辅助合成法并未能很好地解决这一问题。其次，进一步深入研究Cu纳米线的物理性能，因为目前大部分的相关研究仍然处于初期阶段。第三，改善Cu纳米线的抗氧化性能和热稳定性，这将是Cu纳米线走向实际应用所必须解决的关键问题之一。总之，由于Cu纳米线在未来的微纳电子电路中，以及冷场电子发射源等方面具有巨大的应用前景，在将来相当长的时期内仍将

39、是相关领域内的研究热点。同时，ZnO作为一种新型的第三代半导体材料，自1997年研究热潮兴起至今的11年间取得了稳步进展。ZnO纳米线在光电、压电、气敏、磁学等诸多方面具有的优异性能和与生物的相容性，使其在发光二极管、太阳能电池、气体传感器、激光器等纳米电子器件具有广泛的应用前景。但要实现制备成熟实用的基于ZnONW的纳米器件，还有很多工作要做。例如:制备p型ZnO还比较困难，因为本征ZnO是一种n型半导体，必须通过受主掺杂才能实现p型转变。但在ZnO中存在较多的本征施主缺陷，对受主掺杂产生高度自补偿作用，并且受主杂质固溶度很低，难以实现p型转变。ZnONW发光器件的发光效率仍较低，器件的稳定

40、性和使用寿命也不理想。根据ZnO目前研究现状，笔者认为应着重加强以下方面的研究：（1）深入研究ZnO缺陷形成及作用机理，对ZnONW成功进行p型掺杂，形成系统的ZnO缺陷理论，减少实验的盲目性。（2）制备ZnONW荧光探针，开发其在生物医学方面的应用。（3）研究ZnONW稀磁半导体材料在自旋晶体管、自旋光发射二极管、磁性传感器、存储器、超速开关等器件中的应用。（4）制备不同结构的ZnO超晶格和多量子阱等自发光致发光器件。随着ZnONW研究的深入，对其性质和应用的研究也将更加成熟，相信不久基于ZnONW的纳米器件将得到广泛的应用。参考文献I 张育新，黄明，董萌，郝晓东.Cu纳米线的制备及应用进展

41、D重庆大学材料科学与工程院,2012.王学华,陈归,李承勇，等交流电化学沉积铜纳米线阵列及其机理探讨J.材料工程，2010(8):20-23.莫丹，刘杰，段敬来，等云母模板中Cu纳米线的制备及其光学性质研究J.物理学报，2009,58(4):2599-2604.4 HwangGL,HwangKC,ShiehYT,etal.PreparationofcarbonnanotubeencapsulatedcopperJ.JournalofNanoscienceandNanotechnology,2006,6(7).5 AdelungR,ErnstF,ScottA,etal.Self-assemble

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44、.韩亚萍，叶红安,吴文智，等铜纳米线的制备及其光限幅特性研究J.黑龙江大学自然科学学报,2008,25(3):363-365.10 RathmellAR,BerginSM,HuaYL,etal.Thegrowthmechanismofcoppernanowiresandtheirpropertiesinflexible,transparentconductingfilmsJ.AdvancedMaterials,2010,22(32):3558-3563.11 RathmellAR,WileyBJ.Thesynthesisandcoatingoflong,thincoppernanowirest

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49、3 SauerG,BrehmG,SchneiderS,etal.JApplPhys,2002,91:324324 WangLH,HanXD,LiuP,etal.PhysRevLett,2010,105:13550125 王世良，刘新利,张泉,喻博闻，涂敏，王超，贺跃辉.Cu纳米线的研究进展D中南大学物理科学与技术学院,长沙,410083.26 岳永海，周晓亮，王立华,韩晓东，张泽.Cu纳米线的制备及其力学性能的研究D.北京工业大学固体微结构与性能研究所,北京,100124.27 马良财,张建民.Cu纳米线结构和性质的第一性原理研究D陕西师范大学.28 ShailendraK.Saxena,GayatriSahu,PriyankaYogi.SpectroscopicInvestigationofwellalignedSiliconNanowiresFabricatedbyMetalInducedEtchingJ.MaterialsToday:Proceedings3(2016)1835-183929 唐海平，叶志镇.ZnO纳米材料的制备