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图7 ?? 外延模板法制备单晶GaN 纳米管的过程示意图 一维纳米材料制备的发展趋势 如上所述, 近10 年来, 人们在一维纳米材料和纳米结构--纳米线( 棒) 、纳米管、纳米带、芯壳结构纳米线及其组装体系等的研究方面已经取得了大量举世瞩目的研究成果, 并在器件化方面作了一些基础性的探索。准一维纳米材料研究的未来发展趋势如何? 是非常值得关注也是十分重要的话题。 简单地说, 可以这么概括: 以性能为牵引, 以器件为目标。也就是说, 未来准一维纳米材料的研究首先应该确立一个思路, 其过程应该是: 以制造实用器件为目标, 从而确立材料应有的结构与性能, 在此基础上进行纳米系统设计, 然后再进行材料设计, 最终确定制备方案。其中有两个重要方面: 材料设计和制备技术, 下面我们就此进行简要论述。 材料设计 在材料设计方面, 包括两方面内容: 成分设计与结构设计。在成分设计上, 一维纳米材料的发展趋势是: 由“简单体系”向“ 复合体系”发展, 包括掺杂、有机与无机的复合及有生命与无生命的复合等。在结构设计上, 由“ 单一结构”向“复合结构”发展, 包括纳米线异质结、超晶格结构纳米线、多层芯壳结构纳米线( 包括纳米线的表面修饰) 及枝晶结构或网络结构纳米线等。 制备技术 制备技术的发展将主要致力于可控技术的发展, 同时将着重发展简单制备技术、实用制备技术以及低成本制备技术。将会由“随机生长”向“可控生长” 发展, 这是一个非常重要的研究方向, 因为只有实现可控生长, 才能获得所需的结构和性能, 才能有的放矢地进行应用。 内容包括: 尺寸可控、形貌可控、生长位置可控、生长方向可控以及结构可控等。由“无序生长” 向“ 有序生长” 发展, 进一步利用和发展模板技术进行各种有序结构的可控生长, 利用自组织生长制备各种理想的花样结构等。由“少量( 小面积) 生长”向“大量( 大面积) 生长”发展, 为实用化、器件化打下基础。 一维纳米材料的合成 2002 年, Appell 在Nature 杂志上撰文写道 : 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, 当今一维纳米材料已经成为了纳米材料研究中最热门的领域。 引言 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。一维纳米结构包括纳米线、纳米棒、纳米管、纳米带,由于其特殊的光、电、磁、电化学等性质,被广泛应用于催化、电极、电子器件等。 定义 近十年来, 已经发展了大量的一维纳米材料的制备方法, 但很多方法的生长机制都是相同的。按照生长机制的特点, 我们粗略地将一维纳米材料的制备分为三大类:气相法、液相法和模板法。 一 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--液--固( Vapor—Liquid--Solid, 简称VLS) 生长机制、气—固(Vapor--Solid, 简称VS) 生长机制。 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。图1所示为哈佛大学的Lieber 研究小组提出的以金属纳米团簇( 以Au 为例) 为催化剂, 以VLS 机制生长半导体纳米线( 以Si 纳米线为例) 的方案示意图 。 图1 金属纳米团簇催化法制备纳米线过程示意图 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的最终直径, 而反应时间则是影响纳米线长径比的重要因素之一。基于催化剂辅助生长的VLS 机制, 人们已经成功地制备了单质、金属氧化物、金属碳化物等众多材料的纳米线体系。这种合成方法为制备具有良好结构可控性的准一维纳米材料提供了极大的便利。 在VLS 机制中, 纳米线生长所需的蒸气既可由物理方法也可由化学方法产生, 由此派生出一些人们所熟知的纳米线制备技术。物理方法有: 激光烧蚀法( Laser Ablation) 、热蒸发( Thermal Evaporation) 等; 化学方法有: 化学气相沉积( Chemical Vapor Deposition, 简称CVD) 、
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