納米材料與技術(shù)-納米結(jié)構(gòu)與器件

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1、第八章納米結(jié)構(gòu)與器件一、納米結(jié)構(gòu)概述二、人工納米結(jié)構(gòu)組裝體系三、納米結(jié)構(gòu)和分子自組裝體系四、厚膜模板合成納米陣列五、介孔固體和介孔復(fù)合體六、MCM—41介孔分子篩七、單電子晶體管八、碳納米管有序陣列體系的CVD合成一、納米結(jié)構(gòu)概述1.定義納米結(jié)構(gòu)是以納米尺度的物質(zhì)單元為基礎(chǔ)，按一定規(guī)律構(gòu)筑或營(yíng)造的一種新的體系。該體系是當(dāng)前從納米材料領(lǐng)域派生出來的含有豐富科學(xué)內(nèi)涵的一個(gè)重要分支科學(xué)。2.學(xué)科特點(diǎn)以原子為單元的有序排列，相對(duì)獨(dú)立，有其自身的特點(diǎn)：①有許多奇特的理化現(xiàn)象和性質(zhì)②與下一代量子結(jié)構(gòu)器件密切相關(guān)3.主要內(nèi)容①納米級(jí)物質(zhì)單元：納米微粒、團(tuán)簇、人造超原

2、子；納米管、棒、絲、線、纜線、帶狀結(jié)構(gòu)；納米尺寸的空位、孔洞等②構(gòu)筑過程中的驅(qū)動(dòng)力：外因—人工納米結(jié)構(gòu)組裝體系內(nèi)因—納米結(jié)構(gòu)自組裝體系；分子自組裝體系。4.研究意義將對(duì)于納米材料中的基本物理效應(yīng)的認(rèn)識(shí)不斷引向深入①可研究單個(gè)納米結(jié)構(gòu)單元的行為、特性②可對(duì)納米材料基元的表面進(jìn)行控制，認(rèn)識(shí)其間的耦合、協(xié)同效應(yīng)可建立新原理，構(gòu)筑納米材料體系的理論框架，為自由利用納米材料的理化特性、創(chuàng)造新的物質(zhì)體系和量子器件打下基礎(chǔ)。二、人工納米結(jié)構(gòu)組裝體系按人類的意志，利用物理、化學(xué)的方法，人為地將納米尺度的物質(zhì)單元按一定的規(guī)律組裝、排列，構(gòu)成一維、二維和三維的納米陣列結(jié)構(gòu)

3、體系。?體系的特性①納米微粒的特性：小尺寸、量子尺寸、表面效應(yīng)等②組合后的新特性：量子耦合效應(yīng)、協(xié)同效應(yīng)等③可通過外場(chǎng)控制光、電、磁場(chǎng)操控體系的性能T納米超微型器件?創(chuàng)造出新的物質(zhì)體系：納米結(jié)構(gòu)、量子效應(yīng)原理性器件等。通過對(duì)納米材料基本單元的行為、特性的研究、控制，可建立新的原理。O是納米材料研究的前沿。三、納米結(jié)構(gòu)和分子自組裝體系1.定義①納米結(jié)構(gòu)自組裝體系是指通過弱的和較小方向性的非共價(jià)鍵（氫鍵、VanderWaals鍵和弱離子鍵）的協(xié)同作用把原子、離子或分子連接在一起，構(gòu)筑成一個(gè)納米結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)的花樣。?該過程是一種整體的、復(fù)雜的協(xié)同作用。兩個(gè)

4、條件：足夠數(shù)量的弱鍵；體系能量較低。②分子自組裝（MolecularSelf-assembly）體系　　是指分子與分子之間在平衡條件下，依賴分子間的非共價(jià)鍵力自發(fā)地結(jié)合成穩(wěn)定的、結(jié)構(gòu)上確定的分子聚集體。?分三個(gè)層次：3有序的共價(jià)鍵形成復(fù)雜、完整的中間分子體；3非共價(jià)弱鍵協(xié)同形成大的分子聚集體；3作為結(jié)構(gòu)單元，重復(fù)自組織、排成納米結(jié)構(gòu)體系。2.內(nèi)容①膠體晶體的自組織合成包含表面活性劑的量子點(diǎn)（納米微粒）與溶劑通過協(xié)同作用形成自組裝納米結(jié)構(gòu)的平面膠體晶體（量子點(diǎn)超點(diǎn)陣）。?PtFe合金納米粒子（尺寸3-10nm），在表面活性劑的作用下自組織成三維的超晶格結(jié)

5、構(gòu)，這種自組織結(jié)構(gòu)在力學(xué)、化學(xué)上都很穩(wěn)定，有可能用于高密度可逆磁存儲(chǔ)。②半導(dǎo)體量子點(diǎn)陣體系的自組織合成量子點(diǎn)表面包敷層與辛醇協(xié)同作用，可在固體表面形成CdSe量子點(diǎn)有序陣列。J（相比于MBE、電子束刻蝕）工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜③金屬膠體自組裝納米結(jié)構(gòu)金屬微粒表面經(jīng)處理連有官能團(tuán)，可在有機(jī)環(huán)境下形成自組裝納米結(jié)構(gòu)。?石墨、MoS2等光滑襯底上，Au的膠體納米粒子間通過有機(jī)分子鏈形成自組裝體。?有機(jī)膜覆蓋的襯底上，Au膠體粒子與有機(jī)膜中官能團(tuán)協(xié)同作用，形成納米單層膜結(jié)構(gòu)。?在共聚物襯底上，Au納米粒子在退火后經(jīng)定向運(yùn)動(dòng)形成Au顆粒自組裝體，得到Au顆粒鑲嵌的共

6、聚物納米結(jié)構(gòu)膜。④多孔的納米結(jié)構(gòu)自組織合成利用微乳液滴中的自組織過程，可得到具有納米空心結(jié)構(gòu)的文石。⑤分子自組織合成納米結(jié)構(gòu)分子在一定條件下自組裝，自發(fā)產(chǎn)生復(fù)雜有序且具有特定功能的聚集體（超分子）組織的過程為分子自組織。普遍存在于生物系統(tǒng)中，由其構(gòu)成千姿百態(tài)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的生命體。?用于材料合成，其主要原理是分子間力的協(xié)同作用和空間互補(bǔ)。組成自組裝體系的分子之間應(yīng)具有弱相互作用力（靜電相互作用、氫鍵及范德華力等）才能保持穩(wěn)定，且在組裝的結(jié)構(gòu)中具有內(nèi)在的自我糾錯(cuò)過程。當(dāng)一個(gè)自組裝體系達(dá)到熱力學(xué)平衡狀態(tài)時(shí)，它會(huì)自動(dòng)驅(qū)除組裝結(jié)構(gòu)中任何錯(cuò)誤的分子或錯(cuò)誤的位置，這樣

7、就使自組裝過程可以創(chuàng)造十分相似的結(jié)構(gòu)拷貝，并且使體系相當(dāng)穩(wěn)定。分子自組裝技術(shù)不僅可用于有機(jī)納米材料的合成，而且可用于復(fù)雜形態(tài)無機(jī)納米材料的制備：如納米微粒、納米棒、納米管、多層膜、納米網(wǎng)、孔洞材料等。四、厚膜模板合成納米陣列?陣列納米結(jié)構(gòu)高度取向的納米陣列是以納米顆粒、納米線、納米管為基本單元，采用物理和化學(xué)的方法在兩維或三維空間內(nèi)構(gòu)筑的納米體系。涉及到的幾種類型（按照單元的維度，及放置情況分類）：?零維的納米點(diǎn)單元陣列?平面結(jié)構(gòu)單元陣列，如納米盤、納米環(huán)?平行排列的一維的納米陣列，如納米管、納米線?納米孔陣列，介質(zhì)較薄時(shí)，也稱為納米反點(diǎn)或納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

8、　　用模板合成納米結(jié)構(gòu)單元（納米粒子，納米棒、管）和納米結(jié)構(gòu)陣列體系，可提供更多的自由度來控制