纳米材料技术-纳米结构器件.docVIP

第八章 纳米结构与器件 一、纳米结构概述 二、人工纳米结构组装体系 三、纳米结构和分子自组装体系 四、厚膜模板合成纳米阵列 五、介孔固体和介孔复合体 六、MCM—41介孔分子筛 七、单电子晶体管 八、碳纳米管有序阵列体系的CVD合成 一、纳米结构概述 1. 定义 纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造的一种新的体系。 该体系是当前从纳米材料领域派生出来的含有丰富科学内涵的一个重要分支科学。 2. 学科特点 以原子为单元的有序排列，相对独立，有其自身的特点： ① 有许多奇特的理化现象和性质 ② 与下一代量子结构器件密切相关 3. 主要内容 ① 纳米级物质单元： 纳米微粒、团簇、人造超原子； 纳米管、棒、丝、线、缆线、带状结构； 纳米尺寸的空位、孔洞等 ② 构筑过程中的驱动力： 外因—人工纳米结构组装体系 内因—纳米结构自组装体系；分子自组装体系。 4. 研究意义 将对于纳米材料中的基本物理效应的认识不断引向深入 ① 可研究单个纳米结构单元的行为、特性 ② 可对纳米材料基元的表面进行控制，认识其间的耦合、协同效应 ( 可建立新原理，构筑纳米材料体系的理论框架，为自由利用纳米材料的理化特性、创造新的物质体系和量子器件打下基础。 二、人工纳米结构组装体系 按人类的意志，利用物理、化学的方法，人为地将纳米尺度的物质单元按一定的规律组装、排列，构成一维、二维和三维的纳米阵列结构体系。 ( 体系的特性 ① 纳米微粒的特性：小尺寸、量子尺寸、表面效应等 ② 组合后的新特性：量子耦合效应、协同效应等 ③ 可通过外场控制 光、电、磁场操控体系的性能 ( 纳米超微型器件 ( 创造出新的物质体系：纳米结构、量子效应原理性器件等。通过对纳米材料基本单元的行为、特性的研究、控制，可建立新的原理。 ( 是纳米材料研究的前沿。 三、纳米结构和分子自组装体系 1. 定义 ① 纳米结构自组装体系 是指通过弱的和较小方向性的非共价键（氢键、Van der Waals键和弱离子键）的协同作用把原子、离子或分子连接在一起，构筑成一个纳米结构或纳米结构的花样。 ( 该过程是一种整体的、复杂的协同作用。 两个条件：足够数量的弱键；体系能量较低。 ② 分子自组装（ Molecular Self-assembly）体系 　　是指分子与分子之间在平衡条件下，依赖分子间的非共价键力自发地结合成稳定的、结构上确定的分子聚集体。 ( 分三个层次： ( 有序的共价键形成复杂、完整的中间分子体； ( 非共价弱键协同形成大的分子聚集体； ( 作为结构单元，重复自组织、排成纳米结构体系。 2. 内容 ① 胶体晶体的自组织合成 包含表面活性剂的量子点（纳米微粒）与溶剂通过协同作用形成自组装纳米结构的平面胶体晶体（量子点超点阵）。 ( PtFe合金纳米粒子（尺寸3-10nm），在表面活性剂的作用下自组织成三维的超晶格结构，这种自组织结构在力学、化学上都很稳定，有可能用于高密度可逆磁存储。 ② 半导体量子点阵体系的自组织合成 量子点表面包敷层与辛醇协同作用，可在固体表面形成CdSe量子点有序阵列。 ( （相比于MBE、电子束刻蚀）工艺简单，价格便宜 ③ 金属胶体自组装纳米结构 金属微粒表面经处理连有官能团，可在有机环境下形成自组装纳米结构。 ( 石墨、MoS2等光滑衬底上，Au的胶体纳米粒子间通过有机分子链形成自组装体。 ( 有机膜覆盖的衬底上，Au胶体粒子与有机膜中官能团协同作用，形成纳米单层膜结构。 ( 在共聚物衬底上，Au纳米粒子在退火后经定向运动形成Au颗粒自组装体，得到Au颗粒镶嵌的共聚物纳米结构膜。 ④ 多孔的纳米结构自组织合成 利用微乳液滴中的自组织过程，可得到具有纳米空心结构的文石。 ⑤ 分子自组织合成纳米结构 分子在一定条件下自组装，自发产生复杂有序且具有特定功能的聚集体（超分子）组织的过程为分子自组织。普遍存在于生物系统中，由其构成千姿百态、结构复杂的生命体。 ( 用于材料合成，其主要原理是分子间力的协同作用和空间互补。 ( 组成自组装体系的分子之间应具有弱相互作用力（静电相互作用、氢键及范德华力等）才能保持稳定，且在组装的结构中具有内在的自我纠错过程。当一个自组装体系达到热力学平衡状态时，它会自动驱除组装结构中任何错误的分子或错误的位置，这样就使自组装过程可以创造十分相似的结构拷贝，并且使体系相当稳定。 ( 分子自组装技术不仅可用于有机纳米材料的合成，而且可用于复杂形态无机纳米材料的制备：如纳米微粒、纳米棒、纳米管、多层膜、纳米网、孔洞材料等。 四、厚膜模板合成纳米阵列 ( 阵列纳米结构 高度取向的纳米阵列是以纳米颗粒、纳米线、纳米管为基本单元，采用物理和化