一维纳米材料制备
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为高强复合材料的填料（与碳纳米管类似）。
导热性能（声子传送特性） 当硅纳米线直径小于20 nm时，声子色散的关系可能会改
变（由声子局限效应造成），导致声波速度和热导率大大 低于标准值。分子动力学模拟还表明，在200K到500K的温 度范围内，硅纳米线的热导率比硅块低2个等级。
纳米线的特性及其应用
导电性能 尺寸下降导致导电性能的转变。如Bi纳米线在52nm时由金 属转变为半导体；Si纳米线在15nm时由半导体转变为绝缘 体
光学性能 Si纳米线吸收光谱蓝移； 纳米线发光强度各向异性。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。
纳米线的特性及其应用
半导体纳米线突出的激发发光特性： ZnO纳米线阵列激发发射紫外光
（A）激光激发与检测的示意图；（B）SEM照片二维ZnO纳米线阵列生长在蓝宝石基 底；（C）从二维ZnO纳米线阵列记录的能量依赖发射光谱
• 液相自发组装
• 基于模板合成（模板法）
• 静电纺丝
纳米线的自发生长
• 气相法 - 气-固（VS）生长机理 - 气-液-固（VLS）生长机理
• 液相法 - 溶液－液相－固相机理 (SLS) - “毒化”晶面控制生长的机理（包覆法）； - 溶剂热合成方法。
气相法
在合成纳米线时, 气相合成可能是用得最多的方法。
将纳米线和纳米棒统称为“纳米线”
nanorods
AlN nanoneedles
Bi2S3 nanowires 化学方法
ZnO
In2O3 nanobelts
SnO2
Nanocables
multi-quantum well (MQW) laser
纳米线的特性及其应用
力学性能 氧化物单晶纳米棒，结晶好，无缺陷，力学性能强，可作
– 低的过饱和度——晶须 （纳米线、纳米管、纳米带）
– 中等的过饱和度——块状晶体
– 很高的过饱和度——导致均匀形核，生成粉末
对于各向异性生长，气相内生长物质的浓度必须具有低过饱 和度：
• 在生长表面过饱和，即生长物质的浓度需要高于生长 表面的平衡浓度；
• 在非生长表面（晶须侧面）欠饱和，即生长物质的浓 度等于或低于非生长表面的平衡浓度。
通过对一些氧化物纳米线（如SnO2) 电学输运性能（如 电导率）的检测，就可能对其所处的化学环境作出检测，可 用于医疗，环境，或安全检查。
纳米线的制备策略
问题：如何控制晶核（纳米颗粒）的尺寸和生长方向？
局限于特殊结 构的材料
VLS 机制
晶体结构的各项异性导致定向生 长。生长速率 Si {111}< Si{110}
模板法
利用一维形貌的模板来引 导一维纳米结构的形成
引入液固界面导致垂直于 界面方向的优先生长。
包覆机制
利用包敷剂控制不同晶 面的生长速率
纳米线的制备策略
其它策略
零维纳米结构的自组装
自组装法
减小一维微结构的尺寸
刻蚀法（自上而下）
纳米线的制备方法
比较成熟的制备方法，按照生长机制的特点分类：
• 自发生长 - 气相法 - 液相法
纳米线的特性及其应用
光学开关特性： ZnO纳米线的电导率受所照射的光波波长的影响
在532nm可见光 和365 nm紫外光 照射下的电流响 应
在高低导电态的 可逆转变
应用： •高灵敏度紫外线探测器； •快速光控开关。
纳米线的特性及其应用
传感特性
一维纳米材料的电学输运性能随其所处环境、吸附物质的 变化而变。非常大的表面积-体积比使得这些纳米材料具有对 吸附在表面的物质极为敏感的电学性能。
气-固生长机理又称为位错机理，是通过气-固反应形核并长成纳米线的过程。 是一种经常采用的晶须生长机理。 气固机理的发生过程： • 通过热蒸发或气相反应等方法产生气相； • 气相分子或原子被传输到低温区并沉积在基底上； • 在基底表面反应、形核与生长，通常是以气固界面上微观缺陷 (位错、
孪晶等) 为形核中心生长出一维材料。
• 主要生长机理： 气－固 (Vapor-Solid ,VS) 气－液－固 (Vapor-Liquid-Solid ,VLS) • 主要制备方法： 物理气相沉积（热蒸发，脉冲激光烧蚀） 化学气相沉积
对同一种生长机理，可能存在着几种制备方法，对同一种制备方法也可能 存在着几种生长机理。
气-固（VS）机理
一维纳米材料制备
概要
• 一维纳米材料简介（定义、分类、特性、 应用）
• 纳米线的制备策略
• 纳米线的制备方法（自发生长）
一维纳米材料简介 定义
一维纳米材料是指在三维空间内有两维尺寸 处于纳米量级的材料体系
纳米材料的分类
一维纳米材料简介
一维纳米材料的种类
• 纳米棒：细棒状结构，一般长径比<10; • 纳米线：一般长径比>10 • 纳米带：长宽比>10，一般宽厚比>3 • 纳米管：细长形状并具有空心管状结构 • 纳米电缆以及同轴纳米线：
碳纳米管制造人造卫星的拖绳
纳米棒
纳米线、纳米棒亦或称之为纳米晶须, 不管 人们怎么称呼它们, 它们都是纳米技术中最热 门的研究对象。由于一维纳米结构在微电子等 领域的特殊地位, 毫不夸张地说, 当今一维纳米 材料已经成为了纳米材料研究中最热门的领域。
[Appell et al. Nature (2002)]
②防止晶须侧面成核：首先晶须的侧面应 该是低能面，这样，从其周围气相中吸附 在低能面上的气相原子其结合能低、解析 率高，生长会非常缓慢。此外，晶须侧面 附近气相的过饱和度必须足够低，以防止 造成侧面上形成二维晶核，引起径向（横 向） 生长。
纳米线在晶体表 面的生长方向
气-固（VS）机理
气相的过饱和度决定着晶体生长的主要形貌：
Leabharlann Baidu
气-固（VS）机理
VS 机理对应的具体气相方法
① 直接气相法 粉体(如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3)直接加热气化
固体表面气相沉积 的物理过程
气-固（VS）机理
“气 －固” 生长机理是人们研究晶须 (whisker) 生长提出的一种生长机理。该生 长机理认为晶须的生长需要满足两个条件：
①固体表面存在轴向螺旋位错：位错的柏 氏矢量需与晶须的轴向平行；晶须的形成 是晶核内含有的螺旋位错延伸的结果，它 决定了晶须快速生长的方向；晶核受到应 力的作用而稳定地沿着位错的柏氏矢量方 向生长成晶须
导热性能（声子传送特性） 当硅纳米线直径小于20 nm时，声子色散的关系可能会改
变（由声子局限效应造成），导致声波速度和热导率大大 低于标准值。分子动力学模拟还表明，在200K到500K的温 度范围内，硅纳米线的热导率比硅块低2个等级。
纳米线的特性及其应用
导电性能 尺寸下降导致导电性能的转变。如Bi纳米线在52nm时由金 属转变为半导体；Si纳米线在15nm时由半导体转变为绝缘 体
光学性能 Si纳米线吸收光谱蓝移； 纳米线发光强度各向异性。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。
纳米线的特性及其应用
半导体纳米线突出的激发发光特性： ZnO纳米线阵列激发发射紫外光
（A）激光激发与检测的示意图；（B）SEM照片二维ZnO纳米线阵列生长在蓝宝石基 底；（C）从二维ZnO纳米线阵列记录的能量依赖发射光谱
• 液相自发组装
• 基于模板合成（模板法）
• 静电纺丝
纳米线的自发生长
• 气相法 - 气-固（VS）生长机理 - 气-液-固（VLS）生长机理
• 液相法 - 溶液－液相－固相机理 (SLS) - “毒化”晶面控制生长的机理（包覆法）； - 溶剂热合成方法。
气相法
在合成纳米线时, 气相合成可能是用得最多的方法。
将纳米线和纳米棒统称为“纳米线”
nanorods
AlN nanoneedles
Bi2S3 nanowires 化学方法
ZnO
In2O3 nanobelts
SnO2
Nanocables
multi-quantum well (MQW) laser
纳米线的特性及其应用
力学性能 氧化物单晶纳米棒，结晶好，无缺陷，力学性能强，可作
– 低的过饱和度——晶须 （纳米线、纳米管、纳米带）
– 中等的过饱和度——块状晶体
– 很高的过饱和度——导致均匀形核，生成粉末
对于各向异性生长，气相内生长物质的浓度必须具有低过饱 和度：
• 在生长表面过饱和，即生长物质的浓度需要高于生长 表面的平衡浓度；
• 在非生长表面（晶须侧面）欠饱和，即生长物质的浓 度等于或低于非生长表面的平衡浓度。
通过对一些氧化物纳米线（如SnO2) 电学输运性能（如 电导率）的检测，就可能对其所处的化学环境作出检测，可 用于医疗，环境，或安全检查。
纳米线的制备策略
问题：如何控制晶核（纳米颗粒）的尺寸和生长方向？
局限于特殊结 构的材料
VLS 机制
晶体结构的各项异性导致定向生 长。生长速率 Si {111}< Si{110}
模板法
利用一维形貌的模板来引 导一维纳米结构的形成
引入液固界面导致垂直于 界面方向的优先生长。
包覆机制
利用包敷剂控制不同晶 面的生长速率
纳米线的制备策略
其它策略
零维纳米结构的自组装
自组装法
减小一维微结构的尺寸
刻蚀法（自上而下）
纳米线的制备方法
比较成熟的制备方法，按照生长机制的特点分类：
• 自发生长 - 气相法 - 液相法
纳米线的特性及其应用
光学开关特性： ZnO纳米线的电导率受所照射的光波波长的影响
在532nm可见光 和365 nm紫外光 照射下的电流响 应
在高低导电态的 可逆转变
应用： •高灵敏度紫外线探测器； •快速光控开关。
纳米线的特性及其应用
传感特性
一维纳米材料的电学输运性能随其所处环境、吸附物质的 变化而变。非常大的表面积-体积比使得这些纳米材料具有对 吸附在表面的物质极为敏感的电学性能。
气-固生长机理又称为位错机理，是通过气-固反应形核并长成纳米线的过程。 是一种经常采用的晶须生长机理。 气固机理的发生过程： • 通过热蒸发或气相反应等方法产生气相； • 气相分子或原子被传输到低温区并沉积在基底上； • 在基底表面反应、形核与生长，通常是以气固界面上微观缺陷 (位错、
孪晶等) 为形核中心生长出一维材料。
• 主要生长机理： 气－固 (Vapor-Solid ,VS) 气－液－固 (Vapor-Liquid-Solid ,VLS) • 主要制备方法： 物理气相沉积（热蒸发，脉冲激光烧蚀） 化学气相沉积
对同一种生长机理，可能存在着几种制备方法，对同一种制备方法也可能 存在着几种生长机理。
气-固（VS）机理
一维纳米材料制备
概要
• 一维纳米材料简介（定义、分类、特性、 应用）
• 纳米线的制备策略
• 纳米线的制备方法（自发生长）
一维纳米材料简介 定义
一维纳米材料是指在三维空间内有两维尺寸 处于纳米量级的材料体系
纳米材料的分类
一维纳米材料简介
一维纳米材料的种类
• 纳米棒：细棒状结构，一般长径比<10; • 纳米线：一般长径比>10 • 纳米带：长宽比>10，一般宽厚比>3 • 纳米管：细长形状并具有空心管状结构 • 纳米电缆以及同轴纳米线：
碳纳米管制造人造卫星的拖绳
纳米棒
纳米线、纳米棒亦或称之为纳米晶须, 不管 人们怎么称呼它们, 它们都是纳米技术中最热 门的研究对象。由于一维纳米结构在微电子等 领域的特殊地位, 毫不夸张地说, 当今一维纳米 材料已经成为了纳米材料研究中最热门的领域。
[Appell et al. Nature (2002)]
②防止晶须侧面成核：首先晶须的侧面应 该是低能面，这样，从其周围气相中吸附 在低能面上的气相原子其结合能低、解析 率高，生长会非常缓慢。此外，晶须侧面 附近气相的过饱和度必须足够低，以防止 造成侧面上形成二维晶核，引起径向（横 向） 生长。
纳米线在晶体表 面的生长方向
气-固（VS）机理
气相的过饱和度决定着晶体生长的主要形貌：
Leabharlann Baidu
气-固（VS）机理
VS 机理对应的具体气相方法
① 直接气相法 粉体(如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3)直接加热气化
固体表面气相沉积 的物理过程
气-固（VS）机理
“气 －固” 生长机理是人们研究晶须 (whisker) 生长提出的一种生长机理。该生 长机理认为晶须的生长需要满足两个条件：
①固体表面存在轴向螺旋位错：位错的柏 氏矢量需与晶须的轴向平行；晶须的形成 是晶核内含有的螺旋位错延伸的结果，它 决定了晶须快速生长的方向；晶核受到应 力的作用而稳定地沿着位错的柏氏矢量方 向生长成晶须