纳米阵列及器件的制备

1、答辩人：XXX 导 师：XXX 纳米阵列及器件的制备 1纳 米 阵 列以纳米颗粒和人造原子、纳米线、纳米棒、纳米环、纳米管及纳米尺度的通道和孔洞等作为纳米结构的物质单元，把这些物质单元按照一定的规则排列起来就形成纳米阵列。 纳米阵列组装体系的制备方法 1 模板法20世纪90年代开始兴起的模板合成法是一项集成了物理、化学等多种方法的前沿技术，对于制备纳米阵列材料有极其重要的作用，这是由于为了得到常规体系所不具备的新物性，可以设计、组装人们所需要的纳米结构阵列。通过模板合成法制备纳米阵列可以更加自由地调节纳米阵列体系的性质，就为成功设计多功能的纳米器件的元件提供了保证。2非模板法非模板法没有模板法

2、的通用性好，而且在组装成分、结构相对复杂的纳米阵列方面其工艺难度更大，在此主要介绍模板法。模板法合成纳米阵列体系具有以下特点：（1）适用性广，可以利用模板法制备各种材料的纳米阵列；（2）纳米阵列的直径更小，可以获得其它手段难以得 到的直径较小的纳米阵列，而且还可以对纳米阵 列的直径进行微调；（3）所制备的材料具有良好的单分散性，可以制得跟 模板具有相同孔径、单分散好的纳米结构材料；（4）分离纳米线的操作更加简单；（5）制备高度有序的纳米阵列体系更加容易；（6）纳米结构性能易于实现微调，可以根据模板内被组装物质 的成分以及纳米管、纳米丝的长径比对纳米结构性能进行 调节控制。氧化铝模板 1高分子模

3、板 2金属模板 3其它多孔模板材料 4 模 板 的 分 类 和 制 备 气相法无电沉积电沉积化学聚合 溶胶-凝胶 模板组装纳 米阵列方法a. 电化学沉积法用途：组装金属和导电高分子的丝和管步骤：先在模板的一面用溅射或蒸发法涂上一层金属薄膜作为电镀的阴极，选择被组装金属的盐溶液作为电解液，在一定电解条件下组装。Au纳米管：先在孔壁上形成分子锚(氢硅烷与-OH形成)，使金属优先在管壁上形成膜。 模板组装法b. 无电沉积（无电镀法）二要素：敏化剂：Sn2+，还原剂步骤：将模板先在敏化剂溶液中浸泡，孔壁上的胺(H2N)、羰基(-C=O)和OH基与敏化剂复合，再放Ag+离子溶液中，在孔壁上形成不连续分布

4、的纳米Ag粒子，再放入含有还原剂的金属无电镀液中，形成金属管。缺点：只能调节纳米管内径尺寸，不能调节长度 模板组装法经聚乙烯基吡啶表面改性聚碳酸酯膜(孔径1030nm)例：Au纳米线阵列的制备厚膜模板组装法c. 化学聚合通过化学或电化学法使模板孔洞内的单体聚合成高聚物的管或丝化学法步骤：模板在单体和引发剂的混合溶液中浸泡，加温或光引发聚合，聚合物纳米管或丝的阵列体系电化学步骤：在模板一面涂上金属作为阳极，通电使模板孔洞内的单体聚合形成管或丝的阵列例： 导电高分子聚-3-甲基噻吩、聚吡咯丝（比块体电导高一个数 量级）丝越细，电导越大，可用作微电子元件模板组装法例氧化铝模板在丙烯腈饱和水溶液中浸泡

5、水溶液聚合聚丙烯腈纳米管阵列750空气1h、 N2 1h纳米碳管阵列体系溶Al2O3碳管组装丙烯腈管组装Au丝复合丝聚丙烯腈管碳管Au丝 模板组装法d. 溶胶-凝胶法步骤：将氧化铝模板浸泡在溶胶中使溶胶沉积在模板孔洞的壁上，热处理成纳米管（浸泡时间短）或纳米丝（浸泡时间长）用于制备无机半导体：如TiO2、ZnO、WO3等e. 化学气相沉积法（CVD法）例：Al2O3模板700高温炉中乙烯、丙烯气体在模板孔洞内发生热解，在孔洞壁上形成碳膜无电镀法先合成Au的管和丝模板溶去Au丝和管气相沉积法涂TiS2Au/TiS2复合丝和管一般化学气相沉积法的沉积速度太快，将孔洞口堵塞。 模板组装法4 XXXX

6、XX纳米阵列组装体系的应用 （1）量子磁盘与高密度磁存储 （2）高效能量转化器件（3）光吸收过滤器与调制器 （4）高效电容器 （5）纳米电极 （6）超高灵敏度电探测器和高密度电接线头纳米发电机纳米发电机是基于规则的氧化锌纳米线的纳米发电机。(A)在氧化铝衬底上生长的氧化锌纳米线的扫描电子显微镜图像。(B)在导电的原子力显微镜针尖作用下，纳米线利用压电效应发电的示意图。(C)当原子力显微镜探针扫过纳米线阵列时压电电荷释放三维电压/电流信号图。 据英国科学报道，美国佐治亚理工学院教授、中国国家纳米科学中心海外主任王中林等成功地在纳米尺度范围内将机械能转换成电能，研制出世界上最小的发电机纳米发电机。

7、气 相 法气相法制备纳米阵列结构的基本原理是：通过化学气相沉积法、高温热蒸发法、脉冲激光蒸发法、高温热解法等在纳米结构的模板中组装纳米阵列体系。由于气相法首先要使反应物处于气态，再经过气体之间的反应或气体的凝聚得到纳米阵列。由于处于气相中各种物质的温度、气流速度、空间位置等都会影响纳米阵列的结构，因此要控制所制备的纳米阵列的纯度或组分含量比较困难。应该注意的是，若是体系对温度敏感的不能采用这个方法，因为在高温条件下有些物质会发生化学变化。 无电沉积法无电沉积又称化学沉积。跟电沉积相比，无电沉积无需外接电源，它是通过溶液中氧化剂和还原剂之间得失电子实现的，溶液中金属离子的还原是靠溶液中的还原剂提

8、供的电子。在敏化剂和还原剂的作用下，把金属组装到模板孔来制备纳米金属管或金属线的阵列。 化学聚合法化学聚合法是使模板孔洞内的单体聚合形成高聚物的管或线的方法。其具体过程是：先把模板完全浸末到单体和引发剂的反应混合溶液中，在加热或紫外光照射下，进入模板孔洞的溶液经聚合反应形成聚合物的管或线的纳米阵列体系。管或丝的形成取决于聚合时间的长短，聚合时间短就形成纳米管，随聚合时间的增加，管壁厚度也不断增加，最后形成纳米线。 溶胶凝胶法制备纳米材料时，人们普遍采用的方法之一便是溶胶凝胶法。凝胶是物理粉碎或化学方法制得的纳米颗粒的胶体溶液经浓缩形成的。利用溶胶凝胶沉积方法可以用氧化铝模板合成管状或线状无机半

9、导体纳米阵列材料。 电沉积法如果要用阳极氧化铝或高分子模板来组装金属和导电高分子的纳米线阵列，那么电沉积法是一个不错的选择。其具体步骤如下：由于模板不导电，所以先在模板的一面用真空溅射或真空蒸镀的方法覆盖上一层金属Cu、Ag或Au作为电沉积的阴极，以即将组装金的属的盐溶液作为电沉积液，在适当的电沉积条件下进行组装，此方法的优点是通过控制沉积电量可以调节纳米线的长径比。XXXXXXX1 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX纳米存储器，存储密度可达每平方厘米10万亿字节。XXXXXXX2 XXXXXX xxXXXXXXXXXXXXXXX：XXXXXXXXXXXXXX： xx2 XXX

10、XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX2 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX3 XXXXXXXXX访谈结果与析模板内组装纳米阵列的方法 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX:XXXXXXXXXX3 XXXXXXXXXXXXXXXXX4 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX4XXXXXXXXX访谈结果与析XXXXXX：XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX：XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX4 XXXXX