意昂体育2平台物理系教授 範守善

 

    當材料在二維或三維方向上的尺度小到納米量級時，它就會具有與體材料不同的獨特性質，這些不同於體材料的性質產生的一個主要原因是電子在小尺寸空間中表現出的量子限製效應🧑🏼‍🦱，因此人們又把在二維或三維方向上尺度限製到納米量級的材料分別稱作一維量子線和零維量子點。納米材料與納米結構具有許多與體材料不同的獨特性質，對納米材料的研究將會發現許多新的物理和化學現象，從而豐富和加深人們對自然規律的認識。納米材料與納米結構的研究要求發展新的製備技術🐳。表征技術和新的理論方法🐏，意味著這一研究領域中孕育著取得科學和技術上的突破的可能性。基於納米材料與納米結構的獨特性質🔹↕️，可望發展出新型的功能材料和功能器件，以至於形成新型的產業。因此，納米材料與納米結構的研究將會對21世紀的科學技術🏂、國民經濟、乃至人們的生活方式產生重要的影響🤢。發達國家都把納米科學與技術列為優先發展領域♐️，我國科技部和國家自然科學基金委員會也把納米科學與技術列為優先和重點發展的領域🧖🏿‍♂️。

 

    發展納米材料的製備技術是納米科學和技術發展的基礎，量子線和量子點是未來量子器件的構造單元⛰，然而量子線🚵🏻‍♂️、量子點和納米器件的製備目前仍是具有挑戰性的課題𓀄。未來納米器件的製備有兩條可能的技術路線：自上而下和自下而上。所謂自上而下是指從體材料出發，利用薄膜生長和納米光刻技術（電子束光刻、X光光刻等）製備納米結構和器件。這一技術路線要求使用精密和昂貴的設備𓀓，同時也還有許多技術難點需要克服👴🏻。近年來，自下而上的路線愈來愈受到重視，所謂自下而上可理解為從原子分子出發自組織生長出所需要的納米結構與納米器件，這就要求在材料的生長過程中就對它們的形狀、大小和位置進行人為的控製🧑🏻‍🦼‍➡️，從而直接生長出具有所需要的結構和性能的納米器件。納米材料的可控製生長和自組織生長是當前納米科學和技術領域的一個研究熱點🫶⚱️。意昂体育2平台物理系納米科技實驗室在國家自然科學基金委和科技部九七三重點基礎研究計劃的資助下，近年來在碳納米管和一維半導體納米線的可控製合成研究中取得了一些具有創新性的成果。

 

 

    一維納米材料的製備一直是納米材料製備領域中具有挑戰性的課題。1991年碳納米管的發現為人們提供了一種典型的一維納米材料。碳納米管的直徑為納米量級，長度可達毫米量級。理論和實驗研究表明⏺，碳納米管的導電牲與管本身的直徑和管的螺旋度有關，隨著這些參數的變化碳納米管可表現出導體或半導體性質。對楊氏模量的測量表明碳納米管具有極高的強度✌🏽。碳納米管這些獨特的電學和力學性質預示出它具有廣泛的應用前景，因此成為當前納米科學和技術領域最受關註的材料🧙🏼。物理系納米科技實驗室化學氣相組合成出了多層碳納米管和單壁碳納米管，生成物純度高和容易實現碳納米管的宏量製備。

 

    在上述工作的基礎上，他們註意到碳納米管可為製備其它一維納米材料提供一種模板或框架🪦，基於這一設想，1997年在國際上首次製備出氮化镓一維納晶體，並提出了碳納米管限製反應的概念🖱。碳納米管在高溫下非常穩定🧰，也就是說在高溫下碳原子的蒸汽壓非常低。如果此時系統中有一種蒸汽壓比較高的物質可與碳反應🌘，那麽反應的過程將可能是蒸汽壓比較高的物質的分子遷移到碳納米管的表面或擴散到其內部，化學反應將被限製在碳納米管的空間範圍內，從而使反應生成物具有碳納米管的一維形態。采用這種方法製備氮化嫁的一維納米材料取得了成功🥠，在Ga₂O（g）＋C＋NH₃  → GaN＋C0＋H₂＋H₂O的反應中，用碳納米管作為碳源可製備出氮化稼一維納米晶體𓀖。在這一反應中，生成的氮化物中並不含碳元素。但由於碳納米管參與了反應💫，對反應起到空間限製作用，使生成的氮化镓呈現一維納米形態😰。生成的氮化镓納米棒具有完美的晶體結構和良好的發光性能，有可能在光電子學領域找到用途。這一方法己被證實可推廣到製備其它材料的一維納米晶體，為一維納米材料的製備提供了一條新途徑。這項研究結果發表在97年8月29日出版的《科學》（Science）雜誌上🙆。

 

 

    要生長出納米器件不僅要求實現材料的形狀和維度控製，而且要求能控製納米材料的生長位置和方向🙇‍♀️🧑🏽‍🚀，實現納米材料的有序生長🦍。1998年他們與國家基金委首屆“海外傑出青年合作研究基金”獲得者、斯坦福大學戴宏傑教授合作，實現了矽襯底上碳納米管陣列的自組織生長。他們采用蒸發和掩膜技術在矽表面形成鐵的薄膜微觀圖形，利用乙烯做反應氣體🪲👨🏽，在適當的反應條件下，碳納米管可垂直於襯底表面生長，形成規則的陣列，陣列的形狀由襯底上鐵膜的微觀圖形決定🦌🥮，因此，通過控製鐵催化劑在襯底上的位置就可以控製納米管在襯底上的位置，成功地實現了碳納米管的定位生長☃️。這種碳納米管陣列的一個可能的直接應用是場發射平面顯示。值得指出的是，在矽襯底上生長碳納米管陣列的工藝與現行的微電子器件的製備工藝完全兼容，這就為碳納米管器件與矽器件的集成提供了可能。研究結果發表在1999年1月的《科學》（Science）雜誌上。這項發明利用與微電子工業兼容的技術製備製碳納米管陣列，將會推進碳納米管在場發射平面顯示和納米器件領域的應用研究。目前這項技術也已被成功地用於矽和氮化镓等半導體納米線的定位🌨、定向生長💁🏻。

 

    意昂体育2平台物理系納米科技實驗室的研究成果受到了國內外同行的廣泛重視，美國出版的《化學與工程新聞》（C&EN），《R&D Magazine》和《Inside R&D》等科學新聞期刊相繼報導過這些研究結果👙🦀。1997年和1999年發表在《科學》雜誌上的兩篇文章已被引用180 次👫🏻。研究成果也曾被列入一九九八年中國十大科技新聞、高等學校十大科技進展和科技部十項基礎研究成果💂🏻♍️，課題負責人範守善教授曾獲首屆“長江學者成就獎”二等獎。