一维纳米结构阵列的生长及其研究发展

一维纳米结构阵列的生长及其研究发展

摘要：随着纳米材料研究的不断深入,对性能的研究愈来愈迫切。但研究无序随机排列的纳米材料性能却非常困难,既便能获得一些结果,却由于试样之间的不统一与不均匀,使不同研究者获得的同类实验结果没有对比性。为此,我们发展了基于有序多孔氧化铝模板的纳米线有序阵列制备技术,实现了纳米线直径可控、密度可调。为纳米材料性能的研究提供了保障,为纳米材料的应用奠定了基础。

关键词：纳米阵列纳米材料纳米线纳米管纳米纤维等

正文部分:

1. 引言：一维纳米阵列是指在一定范围内具有一定排布规律,有序稳定的纳米结构。近十几年来，

一维硅纳米结构（纳米线、纳米管、纳米纤维等）因其与现代半导体技术的兼容性及独特的光学、电学性质引起了人们的广泛研究兴趣。一维硅纳米结构在纳米电子器件（如生物传感器、太阳能电池、红外可见发光、场效应晶体管、热电冷却器、光电探测器及其它光电器件等领域）有着广泛的应用前景。目前，我们的研究主要集中在单晶硅基体上利用化学腐蚀和气相沉积技术原位合成一维硅纳米结构，并探索其在光电器件、传感器和电子发射器件等领域的应用。

1.1 纳米线

1.1.1 纳米线的概念

纳米线是一种纳米尺度(10?9 米)的线。换一种说法，纳米线可以被定义为一种具有在横向上被限制在100纳米以下（纵向没有限制）的一维结构。这种尺度上，量子力学效应很重要,因此也被称作"

量子线"。根据组成材料的不同，纳米线可分为不同的类型，包括金属纳米线（如：Ni，Pt，Au等），半导体纳米线（如：InP，Si，GaN 等）和绝缘体纳米线（如：SiO2，TiO2等）。分子纳米线由重复的分子元组成，可以是有机的（如：DNA）或者是无机的（如：Mo6S9-xIx）。

作为纳米技术的一个重要组成部分，纳米线可以被用来制作超小电路。

典型的纳米线的纵横比在1000以上,因此它们通常被称为一维材料。纳米线具有许多在大块或三维物体中没有发现的有趣的性质。这是因为电子在纳米线中在横向受到量子束缚，能级不连续。

这种量子束缚的特性在一些纳米线中（比如碳纳米管）表现为非连续的电阻值。这种分立值是由纳米尺度下量子效应对通过纳米线电子数的限制引起的。这些孤立值通常被称为电阻的量子化.在电子，光电子和纳电子机械器械中，纳米线有可能起到很重要的作用。它同时还可以作为合成物中的

添加物、量子器械中的连线、场发射器和生物分子纳米感应器。

1.1.2纳米线的物理性质纳米线的制备

当前，纳米线均在实验室中生产，尚未在自然界中发现。纳米线可以被悬置法，沉积法或者由元素合成法制得。悬置纳米线指纳米线在真空条件下末端被固定。悬置纳米线可以通过对粗线的化学刻蚀得来，也可以用高能粒子(原子或分子)轰击粗线产生。沉积纳米线指纳米线被沉积在其他物质的表面上：例如它可以是一条覆盖在绝缘体表面上的金属原子线.

另一种方式产生纳米线是通过STM的尖端来刻处于熔点附近的金属。这种方法可以形象地比作"用叉子在披萨饼上的奶酪上划线"。

源（材料）进入到这些纳米簇中并充盈其中。一旦达到了超饱和，源（材料）将固化，并从纳米簇上向外生长。最终产品的长度可由源材料的供应时间来控制。具有交替原子的超级网格结构的化合物纳米线可以通过在生长过程中交替源（材料）供应来实现。

1.1.3纳米线的导电性

纳米线的导电性预期将大大小于大块材料。这主要是由以下原因引起的。第一，当线宽小于大块材料自由电子平均自由程的时候，载流子在边界上的散射现象将会显现。同时，因为尺度的原因，纳米线还会体现其他特殊性质。在碳纳米管中，电子的运动遵循弹道输运（意味着电子可以自由的从一个电极穿行到另一个）的原则。而在纳米线中，电阻率受到边界效应的严重影响。更进一步，电导率会经历能量的量子化：电导率由此被表示成通过不同量子能级通道的输运量的总和。线越细，能够通过电子的通道数目越少。

把纳米线连在电极之间，我们可以研究纳米线的电导率。通过在拉伸时测量纳米线的电导率，我们发现：当纳米线长度缩短时，它的电导率也以阶梯的形式随之缩短，每阶之间相差一个朗道常数G。

因为低电子浓度和低等效质量，这种电导率的量子化在半导体中比在金属中更加明显。量子化的电导率可以在25nm的硅鳍中观测到(Tilke et. al., 2003)，导致阀电压的升高。

1.1.4纳米线的力学性质

通常情况下，随着尺寸的减小，纳米线会体现出大块材料更好的机械性能。强度变强，韧度变好。

纳米线可以有多种形态。有时它们以非晶体的顺序出现，如五边对称或螺旋态。电子会在五边形管和螺旋管中蜿蜒而行。

这种晶体顺序的缺乏是由于纳米管仅在一个维度（轴向）上体现周期性，而在其它维度上

可以以能量法则产生任何次序。

1.1.5纳米线的用途

纳米线现在仍然处于试验阶段。不过，一些早期的实验显示它们可以被用于下一代的计算设备。为了制造有效电子元素，第一个重要的步骤是用化学的方法对纳米线掺杂。这已经被是现在纳米线上来制作P型和N型半导体。下一步是找出制作PN结这种最简单的电子器械的方法。这可用两种方法来实现。第一种是物理方法：把一条P型线放到一条N型线之上。

第二种方法是化学的：沿一条线掺不同的杂质。再下一步是建逻辑门。依靠简单的把几个PN 节连到一起，研究者创造出了所有基础逻辑电路：与、或、非门都已经可以由纳米线交叉来实现。纳米线交叉可能对数字计算的将来很重要。虽然纳米线还有其他用途，电子用途是唯一利用到了其物理性质优势的。

纳米管正在被研究用来做弹道波导，运用于量子点/量子井效应光子逻辑阵列的连线。光子在管中穿行，电子则在外壁上输运。

2.1纳米管

2.1.1 概念

纳米管比人的头发丝还要细1万倍，而它的硬度要比钢材坚硬100倍。它可以耐受6500°F（3593℃）的高温，并且具有卓越的导热性能。纳米管既可以用作金属导电体，比金的电高多得多，也可以用作制造电脑芯片所必须的半导体。纳米管在极低的温度下还具有超导性。

2.1.2分类

纳米管的类别有：硅纳米管、单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管、功能化多壁碳纳米管、短多壁碳纳米管、工业化多壁碳纳米管、石墨化多壁碳纳米管、大内径薄壁碳纳米管、镀镍碳纳米管。

2.1.3功用

在纳米管应用于电脑运算的发展进程中，一个重要的里程碑就是把纳米管制造成电脑中所用的开关或晶体管。然而，应用于电脑运算也只是纳米管展露其优越性的一个方面。人们可以把这些微型管粘合在一起，制成纤维或绳索，用作超导线缆，或者塑料及其他高级材料的超强加固剂。如果纳米管具备极强的挠性、强度和恢复力，它们将可合成高性能的体育和航

空材料。由于其强大的张力，它们具有弯而不折且能恢复原来形状的特殊性能。

此外，纳米管还可应用于最需要导热性能的地方。纳米管可以用来制造更小、更轻、效能更高的燃料电池，它还能够用于贮存用作能源的氢气。

3.1纳米纤维

3.1.1概念及其

纳米纤维是指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料，广义上讲包括纤维直径为纳米量级的超细纤维，还包括将纳米颗粒填充到普通纤维中对其进行改性的纤维。

纳米纤维主要包括两个概念：一是严格意义上的纳米纤维，是指纤维直径小于100nm的超细纤维。另一概念是将纳米粒子填充到纤维中，对纤维进行改性。

制造纳米纤维的方法有很多，如拉伸法、模板合成、自组装、微相分离、静电纺丝等。其中静电纺丝法以操作简单、适用范围广、生产效率相对较高等优点而被广泛应用。

纳米纤维是指纤维直径小于100纳米的超微细纤维。现在很多企业为了商品的宣传效果，把填加了纳米级（即小于100 nm）粉末填充物的纤维也称为纳米纤维。

3.1.2纳米纤维的主要特点

1、表面效应粒子尺寸越小，表面积越大，由于表面粒子缺少相邻原子的配位，因而表面

能增大极不稳定，易于其他原子结合，显出较强的活性。

2、小尺寸效应当微粒的尺寸小到与光波的波长、传导电子的德布罗意波长和超导态的相

干长度透射深度近似或更小时，其周期性的边界条件将被破坏，粒子的声、光、电磁、热力学性质将会改变，如熔点降低、分色变色、吸收紫外线、屏蔽电磁波等。

3、量子尺寸效应当粒子尺寸小到一定时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能

级，此时，原为导体的物质有可能变为绝缘体，反之，绝缘体有可能变为超导体。

4、宏观量子的阳隧道效应隧道效应是指微小粒子在一定情况下能穿过物体，就像里面有

了隧道一样可以通过。

3.1.3纳米纤维的制造

纳米纤维的制造，大体可分为3大类。

1、分子技术制备法目前报导较多的是单管或多管纳米碳管束的制备，其制备方法主要有3

种：电弧放电法、激光烧蚀法和固定床催化裂解法。前两种方法因有多种形态碳产物共存，分离、纯化困难。电弧放电法将石墨棒置于充满氢气的容器内，用高压电弧放电，在阴极沉积成纳米碳管。固定床催化裂解法由天然气制备纳米碳管，将气体在分布板上有用活化了的

催化剂吹成沸腾状态，在催化剂表面生长出纳米碳管。这种方法工艺简便，成本低，纳米碳管规模易控制，长度大，收率较高，但该方法中催化剂只能以薄膜的形式展开。

2、纺丝法制备法这种方法又可分为聚合物喷射静电拉伸纺丝法、海岛型多组分纺丝法和

单螺杆混抽法。用单螺杆混抽法可制得0.001dtex（约10nm）的纤维。

3、生物制备法这种方法是利用细菌培养出更加细小的纤维素。我国科学家由木醋杆菌合

成的纳米级纤维素不含木质素，结晶度高，聚合度高，分子取向好，具有优良的机械性能。

3.1.4纳米纤维的用途

纳米纤维的用途很广，如将纳米纤维植入织物表面，可形成一层稳定的气体薄膜，制成双疏性界面织物，既可防水，又可防油、防污；用纳米纤维制成的高级防护服，其织物多孔且有膜，不仅能使空气透过，具可呼吸性，还能挡风和过滤微细粒子，对气溶胶有阻挡性，可防生化武器及有毒物质。此外，纳米纤维还可用于化工、医药等产品的提纯、过滤等。

参考文献：

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