纳米晶体产生各种物体的形状

纳米晶体、纳米管、纳米球的制备及应用

编者按：

纳米技术的发展日新月异。本文编译了在美国加利福尼亚大学的Berkeley 实验室中最新纳米晶体、纳米管、高聚纳米球的研究成果，以供读者参考。

第一章 纳米晶体的制备及应用

第二章 超硬、超强、超级使用的纳米管

第三章 树丛状纳米球的制备及应用

第一章 纳米晶体的制备及应用

因为采纳米技术可能甚至容易制造非常完美

的纳米晶体，因而倍受建造大结构部件的亲昧。 化学家Paul Alivisato 共同负责Berkeley 实验室材料科学部和在Berkeley 的加利福尼亚大学化学系。所以说，Alivisato 在纳米半导体晶体始创领域中，是一位闪烁光芒的科学家之一。

Chemist Paul Alivisatos is a leader in the development of nano-sized crystals that could serve as building blocks for electronic devices a few billionths of a meter in size.

纳米晶体是一种由几百到上万原子结合成晶体，形成物体的聚合。这种聚合常称为“蔟”（cluster）.典型的直径10纳米晶体比分子大但比块状固体要小，因此兼有物理和化学之间的性质。纳米晶体产生全表面的虚拟而内部却没有，它的性质随晶体尺寸的成长而有相当的不同。

“通过精确控制纳米晶体尺寸和表面，能改变它们的性质，”Alivistos说，“你能改变频带隙、你能改变如何传导电荷、你能改变它归属什么样晶体结构、你甚至能改变它的熔点温度”。

生长无裂痕纳米晶体是相对容易些，因为它们的长度是如此小以致于在成长加工成所需之缺陷时简单到不需要足够的时间。然而，对同样小长度的纳米晶体，要设法控制它的体积和表面，那是惊人的挑战。在过去的十年中，Alivisatos和他的研究小组，曾制造出半导体粉末的纳米晶体，并以满足挑战的手段探索改变生长条件的各种方法。

Alivisatos 第一个大的突破之一，是他和他的合作者Shimon Weiss 探索成功了为发射多种色光，而依赖于镉、硒为核，亚硫酸镉为壳的不同体积的球形纳米晶体，这一突破打开了许多潜在应用的大门，包括把这些球形核—壳纳米晶体作为高效荧光标签、标记用于附着特种蛋白的抗体上，当受到光子激发，就发出荧光或激发出色光，这需在共焦点的显微镜下观察。

The images above show the variety of shapes and sizes that nanocrystals can be made to assume. The rod-shaped nanocrystals to the far left can be stacked for possible use in LEDs, while the tetrapod to the far right should be handy for wiring nano-sized

devices.

“有时侯，为了全面刻划生物样品的特征，需用一群细胞作为样品，这时你需要看到标识的结合。”Alivisatos说。这种测试需要复合的色光发射，这是采用常规染料分子难以获得的发射。

Cadmium selenide nanocrystals were used to create this fluorescent microscopic image of living 3T3 fibroblast cells. These and other semiconductor nanocrystals could supplement dye-molecules as fluorescent labels for the study of biological materials.

Alivisatos和他的同事采用把半导体粉末注射进热的、象肥皂薄膜似的表面活性剂中的方法，来制造纳米晶体。在他们最近的工作中，他们曾在TOPO和HPA两种混合表面活性剂中制备晶体，每一种表面活性剂以缓慢而不同的方法和半导体粉末反应。结果使纳米生产出现真正全新的尺寸。

上一年三月，Alivisatos和他的小组发布了一条他们已经制造出两种尺寸的、形状象棒状的镉硒纳米晶体。而在这以前，他们一直全部报道象圆点球形似的纳米晶体。论述制造棒形半导体纳米晶体的能力，不仅为扭转新的潜在应用铺平道路，而且还阐明了控制晶体成长是控制形状和大小的关键。

“就是这第一次，任何人已经真正获得控制半导体纳米晶体成长的手段，”Alivisatos说，“通过控制晶体成长的动力学，我们不仅能选择晶体的大小，而且还可使晶体形状不同。”

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虽然精确的机理还不清楚，Alivisatos认为镉和硒原子与两个不同的表面活性剂之间的内部反应引起每一种分子只能朝一个方向生长，结果，保持与表面活性剂成直角的相对快速生长速率诱导晶体选择向拉长方向发展，象棒状形晶体具有晶体最大表面积。

随后的试验表明，棒型纳米晶体沿着它们的长轴方向发射偏振光，相反，早期的镉、硒球形纳米晶体则发射非偏振的荧光。不同形状的纳米晶体被广泛用于定相标记严格的生物附加标签研究中。其它的试验表明，反射和吸收能之间的间隙，棒形纳米晶体比球形纳米晶体要大。不同形状对光反射和吸收的不同特点有效地用于对光再吸收可能出现疑难的发光二极管中。

“我们还证明复合纳米棒能被包装和排列，它的另一优点是既用于LEDs又可在光电电池中使用纳米棒晶体。”

特别是最近，Alivisatos 和他的研究室已经熟练地掌握形成泪滴形、箭头形、和甚至具四杆的四角豆荚形半导体纳米晶体生长的条件和速率。而这些外来的形状没有立刻使用，它可能用于将来建造纳米晶体块。例如，当四角纳米晶体滴在表面时，它们总是用笔直的第四角着陆于三角晶体上，这对纳米电路电子设备是非常灵巧的特点。