信息纳米技术及其应用CH5 纳米结构材料(2009)

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1、CH5纳米结构材料纳米结构材料：由纳米尺度的物质结构单元按一定规律排列起来的一维、二维和三维阵列，具有纳米粒子的特性，又具有新效应，如：量子耦合效应。这种结构容易通过外场（电、磁、光）实现对其性能控制，是纳米超微型器件设计基础。纳米尺度结构单元：纳米粉、纳米丝、纳米棒、纳米管、原子团族、纳米孔洞等。纳米结构组装体系：人工纳米结构组装体系；纳米结构自组装体系；分子自组装体系。纳米结构自组装在自然界非常普遍，如：闪光的贝壳、坚实的骨骼和精美的岩石等都是纳米结构自组装的产物。5.1纳米结构自组装和分子

2、自组装纳米结构自组装：通过弱的H键、范德华力和弱的离子键等作用，把原子、离子或分子连接成纳米结构。自组装体系形成的条件：一是足够数量的非共价键或H键存在，只有足够数量的弱键存在，才能通过协同作用构筑稳定的纳米体系；二是自组装体系的能量较低。分子自组装：分子间在平衡条件下，依赖分子间非共价键力自发地结合成稳定的分子聚集体。分三个层次：通过有序共价键，形成结构复杂、完整的中间分子体；中间分子通过H键、范德华力及非共价键的协同作用，形成结构稳定的大分子聚集体；由一个或几个大分子聚集体为结构单元，多次重

3、复自组织排成纳米结构体系。5.1纳米结构自组装和分子自组装胶体自组装是常用的组装方法之一。纳米团簇很容易在溶剂中形成胶体溶液，可以进一步组装得到纳米团簇的“超晶格”结构。这一过程的条件是：①硬球排斥；②统一的粒径；③粒子间的范德华力。（1）胶体晶体自组织合成半导体量子点阵列例：CdSe纳米晶三维量子点阵一般可用分子束外延或电子束刻蚀法合成半导体点阵列，但成本高，设备贵。CdSe+TOPO+极性溶剂→悬浮体，自组装→纳米结构的平面胶体晶体。特点:体系的物性可通过晶体的参数进行调制.改变量子点尺寸和

4、距离可改变光吸收带和发光带的位置。粒子直径减小，光吸收带和发光带蓝移；CdSe粒子浓度增加，发光带红移。CdSe纳米晶三维量子点阵随着量子点直径由6.2nm减小到3.85nm，光吸收带和光发光带出现明显蓝移；胶体晶体中量子点浓度增加，量子点间距离缩短，耦合效应增强导致光发射带红移。5.1纳米结构自组装和分子自组装（2）金属胶体自组装纳米结构经处理的金属胶体表面嫁接了官能团，在有机环境下自组装成纳米结构。如：胶体Au形成的自组装超晶格结构。用表面经十二烷基硫醇处理的纳米Au形成悬浮液，把该悬浮液涂

5、在SiO2衬底上，当有机溶剂蒸发掉后，纳米团簇之间的长程力使Au颗粒之间通过有机分子链接起来，在SiO2衬底上自组装成长程有序的单层结构。该体系的性能可通过Au的颗粒尺寸和悬浮液浓度来控制。胶体Au自组装体系表面改性剂：十二烷基硫醇.衬底：石墨片或SiO2.Au自组装体系V-I特性金粒子网络在不同温度下的V-I特性如右图所示。低温下，低偏置电导呈库仑充电行为。低偏置电导满足关系：G0=G∞exp(-EA/kBT)G∞为T→∞时的电导。(3)Au与有机膜中的官能团作用构成纳米单层膜衬底(半导体或绝

6、缘体)上覆盖有机薄膜(含官能团CN,NH2等),有机膜如:3-氨基丙基三甲基硅烷.纳米粒子:12nm的Au在该有机膜上形成的单层自组装体,其吸收光谱如右图,530nm处吸收峰,650nm处新吸收带.5.1纳米结构自组装和分子自组装(4)共聚物衬底上Au纳米阵列制备共聚物:(聚苯乙烯）PS-（聚甲基丙烯酸甲酯）PMMA共聚物溶于甲苯中，浓度1wt%。旋涂法在NaCl晶体上形成共聚物薄膜（50nm厚）→145℃退火8h后将Au真空蒸发到共聚物膜上→145℃真空退火24h→在共聚物膜上形成Au颗粒介观

7、自组装体系→用水溶解掉NaCl→Au颗粒镶嵌的共聚物纳米结构膜。5.1纳米结构自组装和分子自组装（5）分子自组织合成纳米结构分子自组织普遍存在于生物系统中，是复杂生物形成的基础。如:生物中不同蛋白质的聚集体是经过分子自组织形成的。其中，丙酮酸脱氢酶聚合物是由8个三聚单元的硫辛酰胺，12个分子的硫辛酰胺脱氢酶和24个分子的丙酮酸脱羧酶聚合而成，直径为30nm。分子自组织方法可用于合成纳米棒、纳米管和纳米多层膜等。5.2厚膜模板合成纳米阵列技术关键：厚膜模板（几十∽几百um）的合成，纳米结构单元组装

8、到模板中。模板：含高密度柱形孔洞，厚度几十∽几百um的膜。常用模板：Al2O3模板、高分子模板、金属模板。优点：可制备各种纳米结构材料，如：金属、半导体、氧化物等。可制得分散性好的纳米丝、管及它们的复合体系。可获得直径很小的纳米丝、管。可制备纳米结构阵列。可改变模板内被组装物的成份及管的纵横比，调节纳米结构的性能。5.2厚膜模板合成纳米阵列5.2.1模板合成a.Al2O3模板：高纯Al板经酸液中阳极腐蚀→多孔Al板，孔径：5-200nm,密度达1011个/cm2，孔为六角柱形，垂直于膜面。改变电