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1、一维纳米材料的 制备、结构与特性,第一讲,1,材料物理学第3章,一、1D 纳米材料结构与特性,1D 纳米材料结构： 管、线、棒、带,1 D 纳米材料特性 一维纳米材料提供最小的维度结构有效地传输载流子，并且非常适合在纳电子集成电路中的输送电荷。 b. 一维纳米材料具有器件功效，在装配纳电子系统中，可用作导线和纳电子器件。,2,材料物理学第3章,结构特性:特有的力学、电学和化学性质以及独特的一维管状分子结构. 物理特性:具有很高的杨氏模量和抗拉强度，并且根据其螺旋性及直径的不同，可以表现出金属性、半导体性和半金属性. 应用：先进的扫描探针、纳米电子器件和场致发射电子源.,一维纳米材料中奇葩: 碳
2、纳米管,3,材料物理学第3章,二、碳纳米管 ( CNT)的制备方法,电弧放电法 激光蒸发法 碳氢化合物的催化分解 CVD AAO模板合成碳纳米管阵列,由单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋度卷曲而成的无缝纳米级管.,碳纳米管形成,4,材料物理学第3章,（1）电弧放电法,石墨电弧法实验装置图,关键工艺参数：电弧电流及电压、惰性气体种类及压力、电极的冷却速度等.,机理：气相碳原子簇不断地加到具有悬空（或不饱和）键地开口端的碳原子上,5,材料物理学第3章,（2） 激光剥蚀法 Laser Ablation,水冷却铜收集器,电炉 1200 oC,氩气,石墨靶,激光器,6,材料物理学第3章,（4）化学气
3、相沉积法,可合成 SWNT、MWNT, 依赖于催化剂颗粒的尺寸、作为碳源的碳氢化合物类型及生长的条件,（催化剂：Fe、Ni、Co）,7,材料物理学第3章,自取向多壁碳纳米管阵列：,机理：碳纳米管在CVD 生长中可以自组织成规则排列的结构，自我排列的动力是碳纳米管之间的范德华力。,方法：制作催化剂图案、合理设计衬底以增强催化剂衬底间的相互作用，以及控制催化剂颗粒的大小等。,8,材料物理学第3章,连续碳纳米管线：,从一种“超顺排”碳纳米管阵列中拔出一束碳纳米管时，碳纳米管可以自组织成一条连续的长线。,在抽丝的过程中，阵列中的碳纳米管则通过范德耳尔力互相连接起构成连续的纯碳纳米管线。,（范守善，物理
4、系）,9,材料物理学第3章,（5） AAO模板合成碳纳米管阵列,阳极腐蚀法制备的多孔氧化铝模板,10,材料物理学第3章,三、碳纳米管的发展趋势：,Nano-devices: 发光、二极管、纳米导线、纳米器件 结构：取代碳纤维 能源：储氢、电容器 复合材料中：利用CNT的高导热、导电等 作为模板： 合成其他的纳米线 ， 如 GaN,11,材料物理学第3章,四、纳米线 (NW) 的气相法制备,(准) 一维实心的纳米材料 半导体和金属纳米线称为量子线 Si IV簇： C Si,12,材料物理学第3章,1. 激光光源 2. 聚焦 3. 靶(Si 0.9 Fe 0.1) ；Ge:Fe 2:1 4. 管式
5、炉 5. 接收源 6. 气流控制,纳米线生长装置图,(1) 激光烧蚀法,13,材料物理学第3章,（2）液态纳米团簇催化法制备 纳米线 (C. M. Lieber) （LCG 方法）,液态催化剂纳米团簇限制了纳米线的直径，并通过不断吸附反应物使之在催化剂纳米线界面上生长，纳米线一直生长，直到液态催化剂变成固态。 意义：可以通过相图选择催化剂和制备条件（如反应温度和靶材组分等）,14,材料物理学第3章,（3）金属催化化学气相沉积法 （CCVD）,硅烷,乙硼烷,磷化氢,15,材料物理学第3章,可以选择控制纳米线尺寸、组分和掺杂水平等 纳米线的尺寸大小控制因素： （1）催化剂团簇 （2）生长温度 （3）压力,CCVD特点：,16,材料物理学第3章,（4）模板限制生长法 (气相),模板限制: CNT 、多孔氧化铝模板 例如： 用CNT作为模板 可以 合成 碳化物NW、NR,MO(g) C (纳米管) MC(纳米棒/线）CO,（MO：具有较大蒸汽压的金属或非金属氧化物）,MO(g) + C(纳米管) + NH3 MN(纳米棒) H2OCOH2,氮化物:,17,材料物理学第3章,