纳米材料基础与应用课件：一维纳米材料

纳米材料基础与应用一维纳米材料纳米材料基础与应用2氢原子与单壁纳米碳管的示意图一维纳米材料的代表之一：碳纳米管

纳米材料基础与应用3一维纳米材料可以根据其空心或实心，以及形貌不同，分为以下几类：纳米管、纳米棒或纳米线、纳米带以及纳米同轴电缆等。纳米材料基础与应用4一维纳米材料特性及其应用

热稳定性Ge纳米线熔结过程的TEM照片纳米材料基础与应用5纳米线熔点显著降低这一特性有着很重要的应用。首先，合成无缺陷纳米线所需的退火温度比块状材料所需的温度小得多，因此可以在适中的温度对纯纳米线进行区域精制。其次，纳米线的低熔点使其可以在相对较低的温度下进行切割，连接，熔接。这为一维纳米结构装配到某些功能器件和电路中提供了重要的技术手段。此外，当纳米线长度尺寸越来越小时，其一些性质会变得敏感于温度的波动和残余应力的变化。这种瑞利不稳定性导致纳米线在直径足够小或组成原子的连接太弱的情况下，在室温下经球状化破碎成更短的片段，从而限制它们的应用。纳米材料基础与应用6力学性能

纳米铜和纳米钯材料随着结晶的尺寸的减小，其质地将会变得柔软。研究发现，多晶材料的强度随着晶粒尺寸减小先增大再减小，达最高强度时，材料在此有一定的特征长度。纳米铜和纳米钯材料的特征长度分别在19.3nm和11.2nm左右。

纳米材料基础与应用7电子传送特性

室温下Te掺杂（A）和Zn掺杂（B）的InP纳米线的I－V曲线纳米材料基础与应用8“由下而上”的纳米电子组装方式具有两个吸引力的特征：①纳米线组件尺寸很容易调整在100nm以下甚至更小，这会使得集成电路片上零件的密集度更高。②由纳米线组装结构系统是无限制的，这为研究者提供了很大的多样性，可选择适合的材料装配所需的功能器件。纳米材料基础与应用9声子传送特性

当硅纳米线直径小于20nm时，声子色散的关系可能会改变（由声子局限效应造成），声波速度将大大低于标准值。分子动力学模拟还表明，在200K到500K的温度范围内，硅纳米线的导热性比硅块低2个等级。

纳米材料基础与应用10光学特性

（A）激光激发与检测的示意图；（B）SEM照片二维ZnO纳米线阵列生长在蓝宝石基底；（C）从二维ZnO纳米线阵列记录的能量依赖发射光谱纳米材料基础与应用11和量子点一样,当纳米线的直径减小到一定值(玻尔半径)以下时,量子尺寸效应对其能级的影响就显得非常重要。

与量子点不同,纳米线所发出的光是高度向纵轴方向偏振的。Lieber等发现单一的InP纳米线的荧光光谱中,平行和垂直于其长轴方向的光谱强度明显不同。这种各向异性的偏振程度的大小可以根据纳米线和周围环境的介电性质的对比来定量地进行分析。Lieber等进一步利用这种偏振特性制造对偏振灵敏的纳米级光电探测器,该仪器可应用于光学开关，近场成像以及高分辨探测等方面。纳米材料基础与应用12光电导性和光学开关特性

（A）ZnO纳米线暴露在532和365nm光波长下的电流响应；（B）ZnO纳米线在高低导电态的可逆转变纳米材料基础与应用13ZnO的光电灵敏过程一般由两部分组成：一个产生电子和电子穴的固态过程（hν→h++e-）和一个包括氧化物表面吸附在内的两步过程。在黑暗中，氧分子吸附在氧化物表面以离子形式捕捉n型氧化物半导体的自由电子（O2(g)+e-→O-2(ad)），从而在纳米线表面附近产生了一个电导率低的耗尽层。一旦暴露于紫外线光，光穴迁移到表面，并通过表面电子穴重组释放所吸附的氧离子到表面（hu+O-2(ad)→O2(g)）。同时，光电子破坏了耗尽层，从而大大增加了纳米线的导电性。纳米材料基础与应用14传感应用一维纳米材料的电学输运性能随其所处环境、吸附物质的变化而变。通过对其电学输运性能的检测，就可能对其所处的化学环境作出检测，可用于医疗，环境，或安全检查。非常大的表面积-体积比使得这些纳米材料具有对吸附在表面的物质极为敏感的电学性能。纳米材料基础与应用15Lieber等通过改进半导体纳米线的表面特性，使其具有高灵敏性，用于制造pH值和生命物质的实时传感器。这一原理根据的是加质子作用和减质子作用所引起的表面变化。Yang等以单一单晶氧化物纳米线和纳米带基本元件制造了第一个室温光化学二氧化氮传感器。纳米材料基础与应用16场发射特性具有尖端的纳米管和纳米线是应用于冷极管电子场发射的优良材料。Lee等通过电流-电压测量，研究了Si和SiC纳米棒的场发射特性。这两种纳米棒都表现出良好和很强的发射场性能。Si和SiC纳米棒的启动场强分别为15Vµm-1和20Vµm-1，电流密度为0.01mAcm-2，其性能可与由碳纳米管和金刚石构成的场致发射阴极相比。此外，碳化硅纳米棒不仅表现出相当强的电子场发射性，还有较好的稳定性。纳米材料基础与应用17一维纳米材料的制备方法

气相法气相-液相-固相机理（A）在VLS法中一维纳米线的生长示意图；（B）Au和Ge的相图纳米材料基础与应用18VLS法是以液态金属团簇催化剂作为气相反应物的活性点，将所要制备的一维纳米材料的材料源加热形成蒸气，待蒸气扩散到液态金属团簇催化剂表面形成过饱和团簇后，在催化剂表面生长形成一维纳米结构。纳米材料基础与应用19例:ZnO纳米线制备2001年，杨培东等利用Au催化的化学气相沉积法在管式炉中，在蓝宝石(110)基底上外延生长出ZnO纳米线阵列。其具体生长方法是：首先在有掩膜(方格)蓝宝石衬底上生长一层Au膜，然后以混合的ZnO粉与石墨粉作为原料，放入管式炉中部的氧化铝舟中，在高纯Ar气保护下将混合物粉末加热到880℃~905℃，生成的Zn蒸气被流动Ar气体输送到远离混合粉末的纳米线“生长区”，在生长区放置了提供纳米线生长的蓝宝石(110)基底材料。ZnO只能在Au膜区外延生长，由于衬底(110)和ZnO(0001)面间良好的匹配，ZnO能垂直于衬底向上生长，最终得到直径20nm~150nm、长约10mm的ZnO纳米线。纳米材料基础与应用202.气相-固相机理气相-固相法的机理主要是指一种或几种原料在高温下形成蒸气或者本身就是气态，在低温时，使气相分子快速降温凝聚，达到临界尺寸后，形核并生长。这种制备方法的优点是不需要催化剂，不足之处是所需温度较高。不同晶体结构的材料都可以在一定条件下形成一维纳米结构，而在纳米线和纳米带的形成过程中，表面能最小化可能起到很重要的作用。温度和过饱和度是两个重要因素。高温和高过饱和度利于二维形核，导致形成片状结构，相反，低温和低过饱和度对一维纳米结构的生长有促进作用。纳米材料基础与应用21一维纳米材料本质上是晶体在位错方向上延伸的结果。在一维纳米材料生长过程中，由于各种制备原因，其轴向将存在一定数量的螺旋位错。

纳米一维材料中螺旋位错的形成纳米材料基础与应用22纳米一维材料的螺旋生长机理纳米材料基础与应用23美国佐治亚理工学院的王中林等利用高温固体气相蒸发法成功合成了ZnO、SnO2、In2O3、CdO和Ga2O3等宽禁带半导体的单晶纳米带。ZnO纳米带的TEM照片，中间小图为选区电子衍射图像纳米材料基础与应用24液相法多元醇还原液相法生长Ag纳米线的机制纳米材料基础与应用25PVP包络控制不同形态Ag纳米材料示意图纳米材料基础与应用26溶液-液相-固相(SLS)生长过程的示意图纳米材料基础与应用27模板法模板法制备纳米线可以追溯到1970年。模板法可以分为硬模板法、软模板法和无模板法。

纳米材料基础与应用28按硬模板材料可以分为多孔氧化铝膜模板法、聚合物膜模板法、碳纳米管模板法和生命分子模板法等。

由于氧化铝膜模板一般具有孔径在纳米级的平行阵列孔道，其孔径和孔深度可以通过制备条件方便调控，而且相对于聚合物膜能经受更高的温度、更加稳定、孔分布也更加有序，因此已成为制备一维纳米材料最为有效的模板。纳米材料基础与应用29软模板一般为表面活性剂或聚电解质。利用萘磺酸、樟脑磺酸等表面活性剂或聚丙烯酸、聚苯乙烯磺酸等聚电解质作为软模板合成了具有一维纳米结构的导电聚苯胺。一维纳米结构的聚苯胺的形成依赖于反应条件，比如苯胺单体浓度、氧化剂和软模板的用量等。一般来说，苯胺浓度越低，越有利于生成聚苯胺的纳米管或纳米纤维；而高浓度的苯胺则倾向形成颗粒状的聚苯胺。纳米材料基础与应用