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高压下准一维纳米结构的研究?

董家君姚明光2)?刘世杰刘冰冰2)

1)(吉林大学,超硬材料国家重点实验室,长春130012)2)(吉林大学物理学院,长春130012)(2016年10月9日收到;2016年11月8日收到修改稿)

专题:高压下物质的新结构与新性质研究进展高压下准一维纳米结构的研究?

董家君1)姚明光1)2)?刘世杰1)刘冰冰1)2)

1)(吉林大学,超硬材料国家重点实验室,长春130012)2)(吉林大学物理学院,长春130012)(2016年10月9日收到;2016年11月8日收到修改稿)

准一维原子、分子链是一维纳米材料研究的终极目标,其独特的一维结构可能具有强的量子效应,新奇的光、电、磁等物理性质.如何合成原子/分子一维结构、以及在原子/分子尺度对其进行调控和操纵是目前人们极为关注的前沿课题.通过使用限域模板,如碳纳米管和分子筛等,已经成功地合成了可稳定限域在一维纳米孔道中的原子/分子链状结构.本文简要介绍了高压下一维纳米结构研究所取得的实验结果,以及文献报道的相关实验与理论研究工作,包括压力导致的原

子/分子一维链增长及其转变机理,一维纳米孔道中压致分子旋转,碘分子链特有的光致发光现象以及压致发光增强、碳纳米管的压致转变引起的偏振拉曼退偏效应消失等.

高压,偏振拉曼光谱,碘分子链,碳纳米管

引言

由于量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等,具有一维纳米结构的材料通常会表现出与零维、二维纳米材料不同的光、电、磁、热等物理性质.例如就石墨烯材料而言,二维石墨烯为零带隙半导体,而一维的石墨烯带和零维的石墨烯量子点在量子限域和边界效应的影响下表现出非零带隙的半导体特性,通过调节石墨烯带的边界形状和宽度可以调节其带隙大小,使其表现出丰富的电学特性[1,2].一维纳米材料独特的结构与性质使其在功能器件等诸多应用领域有着广泛、重要的应用价值[1?5].准一维原子、分子链是一维纳米材料研究方向的终极目标,是研究的重点领域.早在1998年,Yanson和Ohnishi两个研究小组几乎同时通过扫描隧道显微镜成功地制备出了悬空在两电极之间的金原子链,发现了显著的量子效应,引起了实验和理论研究者的极大关注[3,4].然而原子链只能稳定存在几分钟,长度也仅为几个原子数,且在外界干扰下易解离或者团聚,稳定性低.可见,虽然扫描隧道显微镜中获得的原子链已展现出新的物理性质,但其原子量级的长度以及不稳定性限制了进一步的基础研究和实际应用.获得更长和更稳定的原子/分子链,以及如何在原子/分子尺度对原子分子链进行调控和操纵是目前人们极为关注的前沿课题.

研究发现,通过使用限域模板,如碳纳米管(CNTs)和分子筛等,原子/分子可以在其一维纳米孔道中稳定存在,并且能形成一维链状结构.例如,人们已成功地将C60[6],K[7],I2[8],Br2[9]等原子或分子限域在碳纳米管中,形成稳定的复合纳米结构.Guan等[10]成功地在碳纳米管中合成出一维碘分子链,如图1所示,通过选取适当直径的碳纳米管可在管内形成碘分子的单链、螺旋双链、螺旋三链结构.当Se,Te等原子填充到分子筛里时,Se,Te原子在分子筛的一维平行孔道中能形成一维原子链结构[11,12].Ye等[13]发现,I2限域于磷酸铝分子筛AlPO4-5(AFI)圆形孔道中时,会在平行于孔道轴向形成I离子链和(I2)n分子链.此外,受限的一维纳米结构具有不同于自由空间晶格系统的独特性质,人们预测在这一纳米级的限域空间还可以发生很多极限物理化学过程,是小尺寸凝聚态物理研究中最受关注的方向之一.Ye等[14]通过变温实验,发现在高温或激光加热条件下,限域在分子筛一维孔道内的碘分子链会发生断裂,转化成单个碘分子;通过引入水分子到AlPO4-11(AEL)分子筛椭圆孔道中,可调控碘分子的取向、排列,使平行孔道轴向的分子转变成垂直孔道轴向的分子[15].然而这些方法会破坏分子链状结构或引入杂质.

高压作为一种极端条件,能调节原子/分子之间的距离及相互作用,改变物质的结构与性质,在深入理解材料物性、发现新效应、合成新材料中发挥着重要的作用[16,17].研究发现,高压可以调节操纵一维纳米结构,获得新的结构.例如,Zou等[18]在对碳纳米管限域C60体系的高压研究中,发现C60分子在压力的作用下可以进行分子转动,并出现从C60二聚体到链状聚合结构的转变.Venkateswaran等[19]在碳纳米管限域碘体系的研究中,发现压力可以促使I离子链转变为I离子链.但是由于研究体系的复杂性,比如碳管的取向无序、尺寸不均、与限域材

料间存在电荷转移作用等,高压下研究限域其中的一维纳