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1、准一维纳米材料准一维纳米结构是指在三维空间内有两维尺寸处于纳米量级的纳米结构,长度上为宏观尺度的新型材料,是纳米科学研究中较为活跃的前沿领域之一。一维纳米材料包括纳米管、纳米棒、金属及半导体纳米线、同轴纳米电缆、纳米带等。下面简单介绍一下概念[1]:纳米纤维(nanofiber):细长形状,其长径比≥10,包括纳米丝(nanofilament),纳米线(nanowire)和纳米晶须(nanowhisker);纳米晶须(nanowhisker):特指单晶纳米纤维;纳米线(nanowire):意义及
2、用法类似于纳米纤维,但实际上有指电输运的意味;纳米电缆(nanocable)以及同轴纳米线(coaxialnanowirePcore2shellnanowire):纳米线外包覆有一层或多层不同结构物质的纳米结构;纳米棒(nanorod):细棒状结构,一般长径比≤10;纳米管(nanotube):细长形状并具有空心结构,即细管状结构;纳米带(nanobeltPnanoribbon):细长条带状纳米结构,长宽比≥10,一般宽厚比≥3。已兼有两维特征,即在宽度方向已有一定的尺度。[1] H.Hofme
3、ister,Twinningandmultipletwinformationinthegrowthofmetalandsemiconductornanorods[R].Aacademicreport,Hefei,China,Oct.2003.准一维纳米材料是研究电子传输行为、光学特性和力学机械性能等物理性质的尺寸和维度效应的理想系统。它们将在构筑纳米电子和光电子器件等集成电路和功能性元件的进程中充当非常重要的角色。在过去的几年里,有关准一维纳米结构合成方面的论文在纳米结构合成中占据了绝对的多数,
4、人们正在努力将大多数固态物质都生长成准一维纳米结构。早在1970年法国科学家就首次研制出直径为7nm的碳纤维。1991年日本用高分辨电子显微镜发现了碳纳米管[2][2]IijimaS.Helicalmicrotubesofgraphiticcarbon[J].Nature.1991,354:56.。2001年,由于准一维纳米材料研究的杰出成就,特别是将其组装成了电路,这使得人们看到了一个崭新的世界———纳米电子学正在诞生《Science》杂志将其列为当年的重大科学突破[3][3] R.F.Ser
5、vice[J].Science,2001,294:2442～2443.。2002年,Appell在《Nature》杂志上撰文写道[4]:“纳米线、纳米棒亦或称之为纳米晶须,不管人们怎么称呼它们,它们都是纳米技术中最热门的研究对象。”由于准一维纳米结构在微电子等领域的特殊地位,毫不夸张地说,当今准一维纳米材料已经成为了纳米材料研究中最热门的领域。[4] D.Appell.[J].Nature,2002,419:553～555.1 准一维纳米材料的制备策略 一般来说,准一维纳米结构的合成要通过促进
6、固态结构沿着一维方向的结晶凝固。准一维纳米材料的制备方法按照其策略归纳起来大致有下列六个方面(见图1[5]):(a)固体各向异性的晶体学结构所决定的定向生长;(b)引入一个液-固界面来减少籽晶的对称性,如在VLS生长机制中的液滴所产生的限域;(c)应用各种具有一维形貌的模板来引导一维纳米结构的形成;(d)应用合适的包敷剂来动力学地控制籽晶的不同小平面的生长速率;(e)零维纳米结构的自组装;(f)减小一维微结构的尺寸。最常用的是前五种。[5] Y.Xia,P.etal.[J].Adv.Mater,
7、2003,15:353～389.图1 能够获得一维生长的六种不同策略的示意图:(a)固体各向异性的晶体学结构所决定的定向生长,(b)象在VLS生长机制中的液滴所产生的限域,(c)通过使用模板产生的导向作用,(d)由某种包敷剂所提供的动力学控制,(e)零维纳米结构的自组装,(f)减小一维微结构的尺寸。 2准一维纳米材料的制备方法 气相法在合成一维纳米结构(如纳米晶须、纳米棒和纳米线等)时,气相合成可能是用得最多的方法。气相法中的主要机制有:气2液2固(Vapor2Liqiud2Solid,简称V
8、LS)生长机制、气2固(Vapor2Solid,简称VS)生长机制。3.1.1 VLS机制 在所有的气相方法中,应用VLS机制的许多方法在制备大量单晶准一维纳米结构中应该说是最成功的。VLS机制要求必须有催化剂的存在,在适宜的温度下,催化剂能与生长材料的组元互熔形成液态的共熔物,生长材料的组元不断地从气相中获得,当液态中溶质组元达到过饱和后,晶须将沿着固-液界面的择优方向析出。 这一生长机制的一个显著特点是在生成纳米线的顶端附着有一个催化剂颗粒,并且,催化剂的尺寸很大程度上决定了所生长纳米线
