原子尺度金属纳米线的结构和性质

当物质尺度减少到几层原子时，形成超细的纳米结、纳米线、或者纳米团簇，原有凝聚态物质的结构和物理性质将不再保持，而呈现出许多令人惊奇的奇异特性。本文重点讨论直径大约3nm以下，具有足够长度的、原子结构往往不同于体材料的准一维金属纳米结构，我们称之为原子尺度金属纳米线或超细金属纳米线（也称为金属原子线）。近年来实验上已经制备和表征出在超高真空中悬挂在两个顶针尖端的Au、Pt、Cu等金属纳米线和纳米管，金属线直径达到1nm以下而长度为6nm以上。通过高分辩电子显微镜观察，它们是同轴圆管（或壳）组成的、类似纳米碳管的单壳或多壳结构，管由绕着线轴的螺旋原子绳构成。理论工作围绕这种新奇结构形态的形成机制、奇异的物理性质和可能的应用前景而同时展开。这是一个崭新的纳米世界，无论是对基础的低维物理还是未来分子电子设备的应用，都将产生深远的影响，有许多奇妙的现象正等待人们去发现。本文将对最近几年原子尺度金属纳米线研究工作的主要进展和发展趋势作一个概述，并重点介绍本组有关的具有螺旋结构的纳米线的各类新奇结构和物理性质。     

表面纳米结构的自组装生长

无论是对低维基本物理以及其中新奇量子现象的探索与认识,还是微电子工业水平的持续发展,都迫切地需要掌握一种能够精确、可靠地操控表面纳米结构的方法.自组织生长,即粒子聚集时由于介观尺度力场或受限运动作用而导致的自发有序现象,在原子尺度上可以实现对纳米结构的精确控制,而在介观尺度上又可以调节这些微观结构单元的组织构型.文章结合作者近年来在表面纳米结构生长与物理性质研究方面所做过的工作,从自组织生长的原理出发,介绍了对金属纳米线、有序分子薄膜以及合金量子点阵列生长进行人工操控的方法.     

AuPd纳米粒子作为催化剂制备硼纳米线及其场发射性质

利用化学气相沉积法,采用不同组分的金属合金纳米粒子AuPd作为催化剂,在Si(111)基底上成功制备大面积、高密度的硼纳米线薄膜.纳米线的平均长度约为10μm,直径在50—130 nm之间.结构分析表明,纳米线为单晶结构,硼纳米线的直径随着元素Pd在合金催化剂中比例的增加而减少.场发射特性测试结果表明,通过调整催化剂组分可以实现对硼纳米线的尺寸和密度的调控.     

超细Pt纳米线结构和熔化行为的分子动力学模拟研究

基于EAM原子嵌入势, 对临界尺寸下的自由Pt纳米线的奇异结构和熔化行为进行分子动力学模拟. 模拟结果显示, 超细Pt纳米线的熔点随径向尺寸和结构的不同而发生明显改变; 引入林德曼因子, 令其临界值为0.03, 以此得到对应熔点值大小与通过势能-温度变化曲线找出的一致, 又比较了纳米线各层粒子平均林德曼指数的大小, 对各层纳米结构的热稳定性进行定量标度; 综合分析发现螺旋结构纳米线的熔化从内核开始, 而多边形结构的纳米线的熔化从外壳层开始.     

热效应对纳米焊接界面结构的影响（英文）

采用分子动力学方法深入研究热效应对纳米焊接界面结构的影响。具体分析了碳管直径和时间的变化对界面结构的影响规律,并详细给出了1530K下的焊接过程。结果表明,除碳管(5,5)外,碳管(6,6),(7,7),(9,9),(11,11)中纳米线形成的时间分别为13.8,14.6,17.5,19.6ps。纳米线是由单根或多根Ni原子链组成,碳管(6,6),(7,7),(9,9),(11,11)中Ni原子链数分别为1,3,7和16。界面结构包括内部焊接和外部焊接。内部焊接的临界直径由碳管(6,6)决定,其值为0.814nm。在同一时刻,大直径的碳管可获得更大的外部接触长度。外部接触长度的增长速率随碳管直径的增加而增大,接触长度的最大增长速率可达0.013nm/ps。最后确定了界面结构形成临界温度,发现对于相同直径碳管,外部焊接的临界温度高于内部焊接的临界温度,临界温度与碳管直径无关。     

多壳层铜纳米线结构和电子特性的第一性原理研究

基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算,系统地研究了多壳层Cu纳米线的稳定结构和电子特性.得到不同线径多壳层Cu纳米线的平衡态晶格常数相差不大,都表现出金属特性,且其单原子平均结合能和量子电导随着纳米线直径的增加而增加.纳米线中内壳层Cu原子表现出体相结构Cu原子相似的电子特性,而表面壳层由于配位数的减少,其3d态能量范围变窄且整体向费米能级发生移动.电荷密度分析表明,相对于体相Cu晶体中原子间的相互作用,纳米线表面壳层Cu原子与其最近邻原子间的相互作用明显增强.     

热效应对纳米焊接界面结构的影响

采用分子动力学方法深入研究热效应对纳米焊接界面结构的影响。具体分析了碳管直径和时间的变化对界面结构的影响规律,并详细给出了1530 K下的焊接过程。结果表明,除碳管(5,5)外,碳管(6,6),(7,7),(9,9),(11,11)中纳米线形成的时间分别为13.8, 14.6, 17.5, 19.6 ps。纳米线是由单根或多根Ni原子链组成,碳管(6,6),(7,7),(9,9),(11,11)中Ni原子链数分别为1,3,7和16。界面结构包括内部焊接和外部焊接。内部焊接的临界直径由碳管(6,6)决定,其值为0.814 nm。在同一时刻,大直径的碳管可获得更大的外部接触长度。外部接触长度的增长速率随碳管直径的增加而增大,接触长度的最大增长速率可达0.013 nm/ps。最后确定了界面结构形成临界温度,发现对于相同直径碳管,外部焊接的临界温度高于内部焊接的临界温度,临界温度与碳管直径无关。     

AlN纳米线宏观阵列的制备

借助二次模板法成功的合成了AlN纳米线宏观阵列,并进行了表征.主要研究CVD法制备有一定取向,直径均匀的AlN纳米线宏观阵列的过程.通过气相沉积法和利用PS球自组装模板制备了金属纳米颗粒模板;再以模板上的金属纳米颗粒作为催化剂,利用化学气相沉积在模板上合成AlN纳米线宏观阵列.借助SEM,TEM观察所得样品,AlN纳米线阵列面积约为0.3 mm×0.2 mm,直径和长度分布均匀,平均直径约为41 nm,平均长度为1.8 μm左右,分散密度和覆盖率大的六角结构AlN纳米线宏观阵列.得到了可控制备AlN纳米线 关键词： AlN纳米线阵列 模板法 CVD法 SEM     

Cu/C核/壳纳米结构的气相合成、形成机理及其光学性能研究

采用乙酰丙酮铜为原料, 通过化学气相沉积大批量制备出Cu/C核/壳纳米颗粒和纳米线. 研究结果表明, 通过控制沉积温度可对Cu/C核/壳纳米材料的形貌和结构进行很好的控制. 比如, 沉积温度为400 ℃时可获得直径约200 nm的Cu/C核/壳纳米线, 沉积温度为450 ℃ 时可获得直径约200 nm的Cu/C核/壳纳米颗粒和纳米棒的混合产物, 沉积温度为600 ℃时可获得直径约22 nm的Cu/C核/壳纳米颗粒. 获得的Cu/C核/壳纳米结构是由一个新颖的凝聚机理形成的, 而这种机理不同于著名的溶解-析出机理. 紫外-可见光谱和荧光光谱分析结果表明: Cu/C核/壳纳米线和纳米颗粒均在225 nm处出现Cu的吸收峰, 同时在620 和616 nm处分别出现了纳米线和纳米颗粒的表面等离子共振吸收峰. Cu/C核/壳纳米线在312 和348 nm处、 Cu/C核/壳纳米颗粒在304 和345 nm处出现荧光发射谱峰. 关键词： Cu/C核/壳结构 纳米线 纳米颗粒 光学性能     

金属Ni纳米线凝固行为的分子动力学模拟

采用EAM镶嵌原子作用势，通过经典的分子动力学模拟方法研究了不同冷却速度下的金属Ni纳米线的凝固行为，并给出了纳米线在凝固区域的结构演变过程.利用键对分析技术研究了在不同冷却速度下体系中的原子团簇在降温过程中的变化情况.研究表明，纳米线的凝固起始于表面原子，并且随着冷却速度的降低，Ni纳米线的微观结构从非晶态过渡到多壳螺旋结构，最终达到稳定的面心立方结构.多壳螺旋结构同时具有确定的结晶温度和长程无序、短程有序的非晶结构的特征. 关键词： 纳米线 凝固行为 分子动力学 键对分析     

碳纳米管内Ni纳米线的螺旋度与热稳定性研究

本文采用分子动力学模拟方法研究了扶手型碳纳米管包裹Ni纳米线的复合结构, 主要讨论内部Ni纳米线的螺旋度和热稳定性.结果表明, Ni纳米线为多壳层螺旋结构, 各壳层是由多条Ni原子链螺旋而成,不同层的螺旋度不同,内层的螺旋度明显大于外层. 当每层的Ni原子链条数为3的整数倍时,其螺旋度最大. Ni纳米线的螺旋度与碳纳米管的管径相关,各层螺旋度的大小随管径的增加有明显的周期性变化. 碳纳米管对Ni纳米线有很好的保护作用,即使是高温对Ni纳米线的结构及螺旋度也影响很小.     

体超导铟对一维锌超导纳米线超导电性的抑制效应

文章细致研究了超导体铟／一维锌超导纳米线阵列／超导体铟夹心结构的超导电性．实验发现，当锌纳米线的长度在2—6μm、直径等于40nm时，宏观尺寸的超导体铟电极对中间的锌纳米线的超导电性具有反常的抑制作用,即当铟处在超导态时，中间的锌纳米线则停留在正常态．如果施加一个磁场，使超导体铟电极变为正常态，锌纳米线则恢复其超导电性，这种奇异的现象与超导电极材料的类型及锌纳米线的直径和长度有关。     

21世纪纳米技术及其应用展望

 异军突起的纳米技术“纳米”是英文namometer的译名,是一种长度单位,1纳米为百万分之一毫米,即1毫微米,也就是十亿分之一米,约相当于45个原子串起来那么长。纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下的微小结构。科学家们在研究物质构成的过程中,发现在纳米尺度下隔离出来的几个、几十个可数原子或分子,明显表现出许多新的特性,而利用这些特性制造具有特定功能设备的技术,就称为纳米技术。纳米技术其实就是一种用单个原子、分子制造物质的技术。从迄今为止的研究状况看,纳米技术分为三种。     

DNA折纸结构介导的多尺度纳米结构精准制造

原子及近原子尺度制造在近年来一直是物质科学领域被广泛探讨的前沿问题.当制造和加工的尺度从微米、纳米逐渐走向原子级别时,材料在常规尺度下所具备的性质已无法通过经典理论进行解释,相反地,会在这一尺度下展现出一系列新奇的特性.因而对材料极限制造尺度和颠覆性物性的不断追求始终是科学界共同关注的重点领域.作为一种在纳米尺度下对结构制造单元进行精细操控的先进手段,DNA纳米技术的开发和发展为纳米制造甚至原子制造提供了新的观点和思路,而DNA折纸术作为DNA纳米技术的重要组成部分,正在凭借其在结构制造过程当中的高度可编程性成为纳米尺度下进行各类物质精准制造的独特的解决方案,并可能为不同物质不同材料更小尺度和任意形状的精准构筑带来机遇.本文首先简单概述了DNA折纸术的基本原理和发展历程,然后根据制造策略的不同对DNA折纸结构的纳米制造的相关代表性工作做了总结,并在文末提出了对于DNA折纸结构在原子制造中的可行性的思考和未来发展方向的展望.     

氧化锡纳米线的拉曼光谱和光致发光光谱研究

用表面限制剂对水热法生成的前驱物加以限制生长的方法成功制备了氧化锡纳米线结构,TEM和HRTEM的结果表明该纳米线由沿[001]方向生长的氧化锡单晶组成,纳米线直径在5-10纳米、长度100-500纳米。利用拉曼光谱和发光光谱对其生长过程和发光现象进行了详细的研究,结果表明,细长的氧化锡纳米线出现356、515、691 cm-1新的拉曼振动模以及600 nm较强的光致发光。     

尺寸效应对Al纳米线凝固行为的影响

结合EAM镶嵌原子作用势, 通过经典的分子动力学模拟研究了不同截面尺寸Al纳米线在两种冷却速率下的凝固行为, 并采用键对分析技术探讨了相变过程中原子团簇的演化情况. 结果表明:Al纳米线的最终结构不仅与冷却速率有关, 还呈现出明显的尺寸效应. 在较快的冷却速率下, 五种截面尺寸的Al纳米线均得到了多壳螺旋结构; 而当冷却速率降低以后, 除了N₃纳米线发生了断裂以外, 其余纳米线的结构随着截面尺寸的增加, 逐渐从多壳螺旋结构经由类-六边形多壳结构最终过渡到稳定的晶态结构.     

尺寸效应对Al纳米线凝固行为的影响

结合EAM镶嵌原子作用势, 通过经典的分子动力学模拟研究了不同截面尺寸Al纳米线在两种冷却速率下的凝固行为, 并采用键对分析技术探讨了相变过程中原子团簇的演化情况. 结果表明:Al纳米线的最终结构不仅与冷却速率有关, 还呈现出明显的尺寸效应. 在较快的冷却速率下, 五种截面尺寸的Al纳米线均得到了多壳螺旋结构; 而当冷却速率降低以后, 除了N₃纳米线发生了断裂以外, 其余纳米线的结构随着截面尺寸的增加, 逐渐从多壳螺旋结构经由类-六边形多壳结构最终过渡到稳定的晶态结构.     

纳米材料的螺旋生长

因其独特的结构特点,纳米材料的螺旋生长一直备受关注。在本综述中,主要采用分子动力学方法来模拟指定材料间的相互作用。模拟结果证明,石墨烯纳米带能够自发螺旋嵌入碳纳米管,亦能螺旋缠绕在碳纳米管外壁,而这一结果已被实验证实。同时,封闭的石墨烯纳米环可填充到碳纳米管空腔中形成类似DNA的双螺旋结构,亦能螺旋塌陷在碳纳米管外壁形成大螺距双层螺旋结构。模拟发现,石墨烯纳米带与石墨烯纳米环均可螺旋缠绕在金属纳米线外壁形成碳-金属壳核结构,这一机理可用于制备壳核复合结构。另外,我们论述了硅纳米粒子在碳纳米锥与碳纳米管表面的螺旋形核机制。通过相互作用机制和热力学模型的建立来进一步研究纳米材料的螺旋生长。据推断,螺旋结构具有最低的能量且具有最高的空间利用率。同时,实验证明,极性面以及螺旋位错的存在也可驱动晶体结晶过程中的螺旋生长。到目前,尽管涉及纳米材料螺旋生长的研究非常广泛,但还需要更详实的后续研究来解释螺旋生长的作用机制。     

亚波长尺度下混合等离子泄漏模式激光

由于光存在衍射极限,因此传统方法不能实现亚波长尺度下的激光激射。为了打破这一衍射极限,本文设计了金属-介电层-半导体堆叠结构来实现深亚波长尺度下的激光激射,并讨论了相关结构对模式传播的影响。结构设计上,采用低介电常数金属银作为衬底、10 nm厚的LiF作为介电层、具有六边形截面的半导体纳米线ZnO作为高介电常数层,采用有限差分本征模和时域有限差分方法对所设计的结构进行光学仿真模拟。首先,通过改变ZnO纳米线的直径,使用有限本征模方法分析介电层中的光学模式,得到4种模式分布。然后,通过这4种光学模式在不同纳米线直径下的有效折射率和损耗计算了对应的波导传输距离以及激射阈值增益。最后,采用三维时域有限差分方法仿真分析纳米线稳态激光发射过程中各模式的电场分布。结果表明:在纳米线和金属衬底之间的介电层上存在混合等离子体模式和混合电模式,对于直径低于75 nm的ZnO纳米线,没有有效的物理光学模式,即混合等离子体模式和混合电模式都被切断,当ZnO纳米线的直径大于75 nm时,混合等离子体模式可以有效存在,而混合电模式在ZnO纳米线的直径达到120 nm之后才出现。虽然混合等离子体模式可以更好地限制在介电层中,但是它们的模式损耗太大,传播距离相对较小。此外,与混合等离子体模式相比,混合电模式的传播距离更长。在给定微米线的直径(D=240μm)下,混合电模式传播距离超过50μm。综上可知,在深亚波长尺度下利用混合泄漏模式可以打破光学衍射极限并实现激光激射。     

钴纳米结构光学性质的离散偶极近似分析

基于离散偶极近似理论,模拟分析了四种不同钴纳米结构的光学性质,具体讨论了钴单质半径、钴金合金材料的组分、钴金核壳结构中的内核大小及壳厚度、钴空心球的尺寸及空球壳厚度等参数对其消光光谱的影响。结果表明,半径50nm的钴颗粒水溶液消光效率最大,且散射强度优于吸收;中空钴球相比实心颗粒消光谱红移,内半径40nm、壳厚5nm的空心钴纳米结构在可见光区域的消光效率最高;半径50nm、钴金原子成分比值为1的合金颗粒在可见光区域具有较宽的散射光谱;随钴金核壳结构中核壳尺寸的增大,消光谱都由显示有两个峰位的波形演化为一个半高宽较大的波形,颗粒特性受核壳金属的共同作用。这些结果可以为其在太阳能领域等应用中的结构参数选择提供参考和借鉴。