纳米材料与技术-纳米结构与器件

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1、第八章纳米结构与器件一、纳米结构概述二、人工纳米结构组装体系三、纳米结构和分子自组装体系四、厚膜模板合成纳米阵列五、介孔固体和介孔复合体六、MCM—41介孔分子筛七、单电子晶体管八、碳纳米管有序阵列体系的CVD合成一、纳米结构概述1.定义纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造的一种新的体系。该体系是当前从纳米材料领域派生出来的含有丰富科学内涵的一个重要分支科学。2.学科特点以原子为单元的有序排列，相对独立，有其自身的特点：①有许多奇特的理化现象和性质②与下一代量子结构器件密切相关3.主要内容①纳米级物

2、质单元：纳米微粒、团簇、人造超原子；纳米管、棒、丝、线、缆线、带状结构；纳米尺寸的空位、孔洞等②构筑过程中的驱动力：外因—人工纳米结构组装体系内因—纳米结构自组装体系；分子自组装体系。4.研究意义将对于纳米材料中的基本物理效应的认识不断引向深入①可研究单个纳米结构单元的行为、特性②可对纳米材料基元的表面进行控制，认识其间的耦合、协同效应可建立新原理，构筑纳米材料体系的理论框架，为自由利用纳米材料的理化特性、创造新的物质体系和量子器件打下基础。二、人工纳米结构组装体系按人类的意志，利用物理、化学的方法，人为地将纳米尺度的物

3、质单元按一定的规律组装、排列，构成一维、二维和三维的纳米阵列结构体系。Ø体系的特性①纳米微粒的特性：小尺寸、量子尺寸、表面效应等②组合后的新特性：量子耦合效应、协同效应等③可通过外场控制光、电、磁场操控体系的性能Þ纳米超微型器件Ø创造出新的物质体系：纳米结构、量子效应原理性器件等。通过对纳米材料基本单元的行为、特性的研究、控制，可建立新的原理。O是纳米材料研究的前沿。三、纳米结构和分子自组装体系1.定义①纳米结构自组装体系是指通过弱的和较小方向性的非共价键（氢键、VanderWaals键和弱离子键）的协同作用把原子、离子

4、或分子连接在一起，构筑成一个纳米结构或纳米结构的花样。?该过程是一种整体的、复杂的协同作用。两个条件：足够数量的弱键；体系能量较低。②分子自组装（MolecularSelf-assembly）体系　　是指分子与分子之间在平衡条件下，依赖分子间的非共价键力自发地结合成稳定的、结构上确定的分子聚集体。?分三个层次：³有序的共价键形成复杂、完整的中间分子体；³非共价弱键协同形成大的分子聚集体；³作为结构单元，重复自组织、排成纳米结构体系。2.内容①胶体晶体的自组织合成包含表面活性剂的量子点（纳米微粒）与溶剂通过协同作用形成自组

5、装纳米结构的平面胶体晶体（量子点超点阵）。?PtFe合金纳米粒子（尺寸3-10nm），在表面活性剂的作用下自组织成三维的超晶格结构，这种自组织结构在力学、化学上都很稳定，有可能用于高密度可逆磁存储。②半导体量子点阵体系的自组织合成量子点表面包敷层与辛醇协同作用，可在固体表面形成CdSe量子点有序阵列。J（相比于MBE、电子束刻蚀）工艺简单，价格便宜③金属胶体自组装纳米结构金属微粒表面经处理连有官能团，可在有机环境下形成自组装纳米结构。Ø石墨、MoS2等光滑衬底上，Au的胶体纳米粒子间通过有机分子链形成自组装体。Ø有机膜覆

6、盖的衬底上，Au胶体粒子与有机膜中官能团协同作用，形成纳米单层膜结构。Ø在共聚物衬底上，Au纳米粒子在退火后经定向运动形成Au颗粒自组装体，得到Au颗粒镶嵌的共聚物纳米结构膜。④多孔的纳米结构自组织合成利用微乳液滴中的自组织过程，可得到具有纳米空心结构的文石。⑤分子自组织合成纳米结构分子在一定条件下自组装，自发产生复杂有序且具有特定功能的聚集体（超分子）组织的过程为分子自组织。普遍存在于生物系统中，由其构成千姿百态、结构复杂的生命体。?用于材料合成，其主要原理是分子间力的协同作用和空间互补。组成自组装体系的分子之间应具有

7、弱相互作用力（静电相互作用、氢键及范德华力等）才能保持稳定，且在组装的结构中具有内在的自我纠错过程。当一个自组装体系达到热力学平衡状态时，它会自动驱除组装结构中任何错误的分子或错误的位置，这样就使自组装过程可以创造十分相似的结构拷贝，并且使体系相当稳定。分子自组装技术不仅可用于有机纳米材料的合成，而且可用于复杂形态无机纳米材料的制备：如纳米微粒、纳米棒、纳米管、多层膜、纳米网、孔洞材料等。四、厚膜模板合成纳米阵列ø阵列纳米结构高度取向的纳米阵列是以纳米颗粒、纳米线、纳米管为基本单元，采用物理和化学的方法在两维或三维空间内

8、构筑的纳米体系。涉及到的几种类型（按照单元的维度，及放置情况分类）：Ø零维的纳米点单元阵列Ø平面结构单元阵列，如纳米盘、纳米环Ø平行排列的一维的纳米阵列，如纳米管、纳米线Ø纳米孔阵列，介质较薄时，也称为纳米反点或纳米网络结构　　用模板合成纳米结构单元（纳米粒子，纳米棒、管）和纳米结构阵列体系，可提供更多的自由度来控制