纳米材料和纳米结构的性能与应用

973计划2005-2006年纳米材料和纳米结构的性能与应用

项目名称：纳米材料和纳米结构的性能与应用基础

首席科学家：解思深中国科学院物理研究所

起止年限：2005.12至2010.11

依托部门：中国科学院

一、研究内容

本项目拟解决的关键科学问题是：纳米材料和纳米结构的可控生长是纳米材料与纳米结构研究中的基本问题之一。本项目拟从研究可控生长的条件及生长动力学出发，总结基本实验规律及纳米尺度下物质和能量的输运的规律和理论模型，实现纳米材料生长中尺寸、形状、方向、位置及结构的控制。纳米体系中的尺寸效应、表面与界面、电子相干性是纳米材料与纳米结构研究中的另一基本问题。本项目拟研究纳米材料中的发光行为、电子的量子输运、纳米复合体系的磁性及其它量子相干效应、位错与界面的交互作用、纳米材料在外场中的响应，以及它们与电子、声子等元激发的基态和激发态的关系。得到经验规律，提出理论模型，实现对纳米材料与结构的性能调控，揭示纳米材料的优异性能。在纳米材料可控制备和结构性能关系研究的基础上，探索纳米材料与纳米结构在制造业、信息技术、能源、环境、健康医疗、生物技术和国家安全等领域中的应用。本项目拟探索若干种关键的纳米材料和纳米结构，在场发射平板显示、光电器件、传感器的应用，并发展高强、高导热、高导电等实用纳米材料和纳米结构。具体的科学问题分解为以下三个方面：

（一）纳米材料和纳米结构的生长动力学及可控生长

1、纳米材料的物相、结构和形状的可控生长及机理

2、纳米超结构(核壳、异质、同质异性结构、有序阵列等)的设计与合成

3、金属材料结构纳米化的动力学过程

4、纳米氮化物和碳化物材料的可控制备和应用探索

5、与标准的半导体制备环境相兼容的纳米管/纳米线制备技术

（二）纳米材料和纳米结构中的结构－性能关系的新规律及其演化

1、一维纳米材料中的电输运和热导行为及其器件设计、制备中的基本问题

2、纳米结构对磁熵变、居里温度及磁电阻的调控规律

3、金属及其合金纳米结构的综合力学和电学性能

4、纳米体系的热力学及纳米材料的结构演化规律及稳定性

5、纳米异质结构及阵列的表、界面结构和环境(气氛、外场)对性能的影响

6、研究电极材料与电极结构纳米化对离子、电子传输动力学的影响

（三）纳米材料和纳米结构优异性质的应用

1、一维纳米材料为基的原理型量子器件的探索

2、纳米材料在场发射器件中的应用和性能提高

3、高强、高导热、高导电等纳米材料和纳米结构的应用探索

4、纳米复合磁性材料在磁致冷和磁传感领域中的可能应用

5、通过比表面的调控提升金属-空气电池容量、功率与寿命

本项目的主要研究内容

（一）纳米材料合成方法探索及可控生长研究

1、系统研究纳米材料合成及可控生长的热力学和动力学过程，寻找有利的纳米材料合成与生长的工艺条件。由经验规律导出纳米尺度下影响生长过程的热力学和统计物理的规律，从理论上对热力学和动力学控制纳米材料合成生长进行诠释，发展无机纳米材料制备技术和研究其形成机理，以期实现纳米材料的可控合成与生长。

2、探索“自下而上”制备纳米材料的新途径。以溶剂热和复合溶剂热合成为主要方法，发展γ-射线、超声、微波等外场辅助的纳米材料制备技术。

3、一维纳米材料的催化生长机理及结构控制，研究纳米催化剂的组分、尺寸、形状及外场对一维纳米材料生长的影响，制备物相、形状、尺寸可控的一维纳米线、管、带、线圈、空心球和其它纳米结构。

4、纳米异质结构和二元/赝二元体系的一维纳米材料的轴向结构控制。具有一维准有序结构的纳米材料和纳米芯壳结构的设计与合成。

5、纳米管/纳米线阵列的定位生长与定向生长。通过微纳米光刻技术制备金属催化剂图型，利用CVD方法和外场控制，在衬底上的确定位置生长纳米管/纳米线的阵列的技术。

6、发展与IC-工艺兼容的纳米管/纳米线合成与集成技术。研究纳米管/纳米线的合成条件(如温度、衬底、催化材料等)与器件工艺的兼容性。

（二）纳米材料的性能研究与调控

1、一维纳米材料和纳米异质结构中电子态、声子态和低能元激发的谱学及相互作用性质的研究，重点研究力学性质、电输运性质、发光性质及热学性质，一维纳米材料和纳米异质结构中的结构－性能关系的尺度效应。

2、电介质/贵金属芯壳纳米结构对表面等离子体共振(SPR)吸收峰移动的影响，研究同轴异质纳米棒的荧光现象及变化规律，分别实现对SPR峰和荧光峰位在较大波长范围内的调控。

3、表面状态和环境对一维纳米材料和纳米异质结构性能的影响，研究纳米结构阵列表面化学、生物修饰(包括官能团的接枝)以及纳米异质结构的环境敏感性等。研究环境和表面状态对结构或性能的影响。

4、纳米磁性颗粒的尺度、极化取向和在半导体基体中的分布对磁性金属/半导体复合体系中电子传输规律的影响，探索通过控制磁性金属纳米颗粒尺寸、极化取向和分布优化体系的磁学性质和输运性能的新途径。

5、研究纳米化电极的组成、结构与化学能-电能转变的关系，研究电极与电解质的兼容性及循环稳定性，提升金属-空气电池容量、功率和寿命，探索电极材料纳米化的电池中离子和电子传输的新规律。

（三）金属材料结构纳米化与综合性能研究

1、金属材料结构纳米化过程及稳定性。系统研究不同晶体结构金属材料(如FCC、BCC和HCP)在强烈塑性变形过程中微观结构纳米化动力学及结构演化过程和纳米晶粒形成机理。研究塑性变形导致最小极限尺寸晶粒的微观结构演变及变形行为。研究金属材料的晶体结构、层错能和变形条件的应变量、应变速率等参量与细化机理的相关性，揭示强烈塑性变形诱导的纳米晶粒形成机理。通过优化微观结构大幅度提高这些材料的综合力学性能和电学性能。

2、金属及其合金纳米结构的综合力学性能和电学性能。分别采用强烈塑性变形技术和电化学沉积工艺制备高致密、高纯度可用于宏观力学性能测试的纳米结构Cu和Cu合金样品，研究制备工艺条件对纳米Cu和Cu合金微观结构的影响。研究纳米Cu及合金样品的本征力学性能、塑性变形和强化机制。研究纳米材料中晶界、孪晶界、位错、结构等对材料性能的影响，建立纳米金属材料的结构—性能关系模型，为实现高强度、高导电性功能金属材料奠定基础。