第四章 一维纳米材料.ppt

1、,第四章 一维纳米材料one dimensional nanometer materials,4.1 纳米丝或纳米棒 4.2 纳米管 4.3同轴纳米电缆,定义：在两个维度上为纳米尺度的材料,横截面：,长度：几百纳米至几毫米,结构：,种类：,nanobelt,一维纳米材料的制备策略,A) Dictation by the anisotropic crystallographic structure of a solid,B) Confinement by a liquid droplet as in the vapor-liquid-solid process,C) Direction thro

2、ugh the use of a template,D) Kinetic control provided by a capping reagent,E) self-assembly of 0D nanostructures,F) Size reduction of a 1D microstructure,4.1 纳米丝或纳米棒,纳米棒(nanorod)：纵横比(长度与直径的比率)小，1m,Si纳米线、铁镍合金纳米线 SiC、Si3N4、GaN MgO、ZnO GaAs、InAs、InP、GaP,种类：,(nanowire, nanowhisker,nanofiber),4.1.1 制备方法,

3、(1) 气相生长合成法,Supersaturation factor,低过饱和度：whisker,中过饱和度：bulk crystal,高过饱和度：powder,直接气相法,粉体(如Si3N4、SiC、Ga2O3、ZnO)直接加热气化生成相应的纳米线,间接合成法,在纳米线的形成过程中可能涉及到中间产物,优点：simplicity and accessibility,例 ： MgO纳米线的制备,MgO+C(H2, H2O),Mg(V)+CO,Transport to Growth zone,MgO(Al2O3, ZnO, SnO2),氧化,两步法有助于降低过饱和度,(1) 气相生长合成法,Cu+

4、O2,Cu2O,H2S 室温,Cu2S,Cuair,CuO nanowire,Cu2O,中间产物的生成有助于降低制备纳米线的温度,MgB2,MgO,900,氧化 H2/Ar,MgO,1200 直接蒸发,MgO nanowire,(1) 气相生长合成法,例: Cu2S 纳米线的制备,例: MgO 纳米线的制备,Si+SiO2(S),热蒸发 或激光蒸发,SixO(V),Six-1+SiO,Si+SiO2,SixO液体，起催化剂作用，有助于Si原子吸收、扩散、沉积,SiO2壳层，由SiO分解而来，有助于阻止横向生长,温度梯度的存在是纳米线生长的外部推动力,+SiO,(1) 气相生长合成法,例: Si

5、纳米线的制备,可能生长机理：,T,Adv. Mater. 2000, 12, No. 18, p1343,X1,(1) 气相生长合成法,例: GaAs纳米线的制备,氧化物辅助纳米线生长方法优点： 无需金属催化剂； 消除了金属原子对纳米线的污染,GaAs+Ga2O3,GaAs纳米线,在111生长方向的GaAs结晶核外面包覆了一层Ga2O3,生长机理：,(2) 气-液-固方法(VLS方法）,原理,优点：可用于制备单晶纳米线；产量相对较大 缺点：不能用于制备金属纳米线；金属催化剂的存在会污染纳米线,激光蒸发、热挥发、电弧放电物理法 Chemical vapor transport and depos

6、ition化学法,纳米线的直径由Au团簇或粒子的尺寸决定,应用最广泛的方法，制备的纳米线包括：,Si、Ge、Belemental semiconductor GaN、GaAs 、 GaP 、 InP 、 InAsIII-V semiconductor ZnS、ZnSe、CdS、CdSeII-VI semiconductor ZnO、MgO、SiO2oxides,Vapor来源：,Ge纳米线的生长过程,Au cluster,GeI2,700-900分解,Ge-Au(L)合金(12Ge),在固液界面生长,过饱和,Ge(V),360,(2) 气-液-固方法(VLS方法）,(3) Solution-L

7、iquid-Solid methods(SLS方法),产物为单晶纳米须或线，横向尺寸10150nm，纵向几mm,催化剂：低熔点金属，如In、Sn、Bi等,优点：操作温度可在普通芳香烃的沸点以下,例：tert-Bu2In-P(SiMe3)22,111203 芳香烃溶剂 In催化剂,InP (10100nm, 1000nm),原理,156.6,231.9,271.3,Organometallic precursor,例,烷基硫醇稳定的Au纳米粒子,己烷,加热加压,超临界流体状态,Si纳米线,(Au-Si合金液体组成，18.6mol%, 363),(3) Solution-Liquid-Solid

8、methods(SLS方法),bp: 100oC,bp: 68.7oC,(4) 溶剂化热合成(solvothermal Methods),原理：使溶剂处于高温高压(大于临界点)下，提高固体的溶解度，加速固体之间的反应。,前驱体(结晶生长调节剂(如胺)+溶剂,高温、高压,纳米线,例：,GeCl4 or phenyl-GeCl3,烷烃 275, 100atm,Ge纳米线(730nm,10m),优点：大多数材料在适当的溶剂中提高压力和温度至临界点时可溶，即具有普适性。 缺点：产率低、纯度低，尺寸、形态均匀性差，用到的芳烃溶剂环境不友好，体系复杂，反应机理研究困难。,(5) Solution-Phas

9、e Methods Based on Capping Reagents,例,CdSe前驱体,三辛基氧化膦 己基磷酸,CdSe nanorod,例,AgNO3+乙二醇PVP(聚乙烯基吡咯烷酮),Pt纳米粒子,Ag纳米线,A) Formation of bimodal silver nanoparticles through heterogeneous nucleation on Pt seeds and homogeneous nucleation B) Evolution of rod-shaped Ag nanostructure as directed by the capping rea

10、gent, poly(vinyl pyrrolidone) C) Growth if the Ag nanorods into wires at the expense of small Ag nanoparticles,(6) 各向异性结晶生长法,M2Mo6X6 (M=Li, Na, X=Se, Te),制备的纳米线种类有：,(SN)x (聚硝化硫)-金属及超导特性,K2Pt(CN)4,酞菁金属,Structural model of (Mo3Se3)- molecular wires A TEM image of bundles assembled from (Mo6Se6)- molec

11、ular wires,Triangular planar (Mo3Se3)- 间距0.45nm 分子线直径约2nm,Molybdenum Chalcogenide 硫族化钼,Se、Te,H2SeO3+N2H4(肼),Se+N2+3H2O,2Te(OH)6+3N2H4,2Te+3N2+12H2O,(6) 各向异性结晶生长法,A. An illustration of the crystal structure of t-Se composed of hexagonally packed, helical chains of Se atoms paralled to each other alon

12、g the c-axis,B. SEM images of t-Se nanowires with a mean diameter of 32nm,SEM images of t-Te nanowires and nanorods,(7) 模板法,Templating Against Features on Solid Substrates,Schematic illustrations of procedures that generated 1D nanostructures by (A) shadow evaporation; (B) reconstruction at the bott

13、om of V-grooves; (C) cleaved-edge overgrowth on the cross-section of a multilayer film and (D) templating against step edges on the surface of a solid substrate.,介孔材料模板法,聚合物介孔膜 氧化铝介孔膜 金属介孔膜,分子自组装结构模板法,(7) 模板法,nanowire,nanotube,nanowire,nanotube,一维纳米材料模板法,碳纳米管,先沉积Ti,Au、Pd、Fe、Al、Pb纳米线,生物大分子法,利用大分子侧基与离

14、子的作用先生成纳米粒子，通过纳米粒子的连接，生成纳米线,例：利用DNA分子AgNO3或PtNO3可制备Ag、Pt纳米线,纳米线法,(7) 模板法,例如，AuCl4-、Ag+、PdCl42-、PtCl42-等离子在LiMo3Se3分子纳米线的还原作用下可分别制得Au、Ag、Pd、Pt纳米线,纳米碳管模板法普适反应模式,例：,（8）其它方法,Self-Assembly of Nanoparticles,A,B) Structures that were assembled from 150nm polystyrene beads (A), and 50 nm Au colloids (B), by

15、 templating against 120nm-wide channels patterned in a thin photoresist film. C) An L-shaped chain of AuSiO2 spheres assembled against a template patterned in a thin photoresist film. D) A spiral chain of polystyrene beads that were assembled by templating against a V-groove etched in the surface of

16、 a Si(100) wafer.,Size Reduction,Isotropic deformation of a polycrystalline or amorphous material Anisotropic etching of a single crystal Near-field optical lithography with a phase-shift mask,4.1.2 纳米丝(或棒)的性质和用途,(1)热性能,块状Ge，熔点930,650,848,两头先熔，再向中间延伸，直接越小，熔点越低,退火温度低 有利于无缺陷纳米线的制备(熔融重结晶) 有利于在较低温度下进行纳米

17、线之间的焊接、切割、连接，以制备功能器件及电路 在纳米线的横截面尺寸和长度下降到一定尺寸时，环境温度和残余应力变化对纳米线的稳定性影响很大，易发生断裂,两根Ge纳米线（外包覆碳层）熔融、流动及焊接过程,（2）力学性能,单晶纳米棒，结晶好，无缺陷，力学性能强,例：SiC纳米棒610660GPa, 理论600GPa,可作为高强复合材料的填料,(3)电性能,金属纳米线，尺寸下降后变为半导体,应用：,例：Bi纳米线，52nm时产生金属半导体转变 GaN，17nm时仍为半导体 Si,15nm时变为绝缘体,纳米线组装成阵列，具有储存密度大，材料选择范围宽等优点，如GaN可用于高温器件 金属纳米线填充于聚合

18、物时，与纳米粒子相比，用量可大大降低，从而减少金属的消耗，减轻电子装置重量 用作纳米电极，用于电化学分析和检测 CdSe纳米棒聚噻吩制成杂化材料，用于太阳能电池，性能优于CdSe量子点（因为CdSe纳米棒在较低能量下就可以传输电子,ZnO纳米线的压电效应,美国乔治亚理工学院（Georgia Tech）王中林教授发现了氧化锌纳米线的压电效应，制造了纳米电机；并提出了纳米压电电子学（Nanopiezotronics）概念,(3)电性能,(4) 光学特性,Si纳米线吸收光谱蓝移 纳米线发出的光沿着轴向偏振，具有各向异性，平行于轴向的发射光谱强度大，垂直于轴向的发射光谱强度弱，可制成极化敏感光子检测器

19、，用于光子集成电路，光学开关 半导体纳米线具有激发发射特性突出的光电导性(photoconductivity),例：ZnO纳米线阵列激发发射紫外光；ZnO纳米线在385nm紫外线照射下，电导率从3.5M.cm-1，下降46个数量级，可用于光学开关。,(5) 化学敏感特性,利用表面吸附分子对纳米线电导率的影响，用于医疗、环境监测、安全检查等领域,例：Cu纳米线有机分子 半导体纳米线化学生物传感 单晶SnO2纳米线室温NO2光化学传感器，而SnO2颗粒或薄膜需在300500下操作,(6) 场发射特性,Si纳米棒、SiC纳米棒,4.2 纳米管,种类：碳纳米管、硅纳米管、Pd纳米管、BN纳米管,4.2

20、.1 制备方法,（1） 介孔模板,（2）分子自组装结构模板,4.2.1 制备方法,(3) 一维纳米材料模板,Ag纳米线模板法,利用氧化还原原理,SEM images of Pd nanotubes generatedly by reacting silver nanowires with an aqueous Pd(NO3)2 solution,A TEM image of Au nanotubes prepared by reacting silver nanowires with an aqueous HAuCl4 solution,(4) 各向异性结晶生长法,4.2.1 制备方法,An

21、SEM image of t-Te nanotubes that were synthesized by reducing orthotelluric acid with ethylene glycol at 197,Telluric acid+ethylene glycol,Te nanotubes,Formation mechanism: The reaction seems to begin with the decomposition of orthotelluric acid into tellurium dioxide, followed by the formation of t

22、-Te hexagonally shaped seeds. The subsequent growth along the circumferential edges of these seeds leads to the evolution of a nanotube morphology.,4.2.2 碳纳米管,(1) 碳纳米管的结构,碳纳米管是石墨管状晶体 是单层或多层石墨片围绕中心按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管 两头为五边形组成 种类：,单壁碳纳米管（single wall carbon nanotube, SWNT):直径16nm，长度：几百nm几m，甚至mm 多壁碳纳米管(m

23、ultiwall carbon nanotube, MWNT):230nm，长度0.15 m，片间距0.34nm,长径比1001000，甚至10000，为线状物,(1) 碳纳米管的结构,种类：按手性角()分,单臂纳米管,锯齿纳米管,手性纳米管,30,0,030,（2）碳纳米管制备方法,电弧法,电弧电流70200A，过高形成无定型C和石墨 He压力13332Pa 高气压低电流有利于碳纳米管的生成 在石墨棒上加Fe、Co、Ni后生成SWNT和富勒烯,激光蒸发法,形成SWNTs，产率7090，无MWNTs 催化剂在SWNT的生长过程中，降低弯曲应力，促进原子排列整齐，并阻止富勒烯分子的生成,（2）碳

24、纳米管制备方法,67mm的激光束,惰性气体流,含有金属的石墨靶,水冷铜收集器,(3)等离子体沉积法,苯蒸汽通过等离子体分解后，碳原子团簇沉积于水冷铜板上，形成200m的MWNTs 乙炔和氨气在666通过等离子热流体，在镀镍玻璃表面形成纳米管束,（4）催化裂解法,碳氢化合物催化热分解，催化剂金属有Fe、Co、Ni、Pt、Ru、Cr、V、Mo以及它们的合金，其中用Co作催化剂制得的CNTs石墨化最好，直径最细 优点：产量大，是一种有前途的方法,放在瓷舟中的催化剂,石英管,电炉,气体混合,4.2.3 碳纳米管应用,(1) 储氢材料,(2)电子科学应用,场发射电极平板显示器,尖端具有纳米尺度的曲率，并且存在着空键或五元环和七元环而使化学活性较大，且由于CNTs本身具有刚性大，化学惰性，可以是良好导体，故是较佳的发射极。碳纳米管(激发电压低，发射电流密度高),纳米碳管储氢,原理：吸附,b. 掺碱金属（锂、钾金属） 1atm，200400或室温，储氢20，升高温度，释放H2,大直径有利 单壁有利 掺杂有利于储氢,特点：,氢气的吸附和脱附可在常温进行，只要改变压力即可； 储氢量大，纯净单壁碳纳米管达5.010%(一般7.4%)，符合美国能源部的标准（6.4%质量分数）,储氢量影