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【学术讲坛】纳米线的研究与应用
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纳米线（包括纳米管）是目前纳米科技和凝聚态物理研究中最为前沿的课题之一。它们具有优越的物理性能，是构造纳米尺度元器件如激光器、传感器、场效应晶体管、发光二极管、逻辑线路、自旋电子器件以及量子计算机等的结构单元。尤其是半导体纳米线，它不仅能用于基本构件，还可以用来连接各种纳米器件。通过对半导体纳米线的深入研究，可望在单一纳米线上制备具有复杂功能的电子、光子和自旋信息处理器件。另外，从纳米线和纳米颗粒出发可合成丰富多彩的各种复合纳米材料。通过原子尺度上的性能设计和结构控制，这些复合纳米材料将具有优异的物理和化学性能，在电子材料、磁性材料、光学材料、催化剂材料等方面有广阔的应用前景。 （1）光、电自旋纳米器件：纳米线和纳米颗粒具有独特的光吸收、光发射、光致非线性响应和电致非线性响应，使其在非线性光学器件 、分子器件 、光电器件 、新型电子器件及半导体技术等方面有广泛的应用前景。例如，非晶硅纳米线的稳定强蓝光发射有望在近场光学扫描显微镜的高分辨光学镜头和光学器件的连接上有直接的应用。通过掺杂和原子沉积技术可在单一半导体纳米线中实现成千上万个场效应管并使其形成具有复杂功能的网络结构。这在光电子器件的小型化和节能化方面具有重要应用价值。对半导体纳米线磁掺杂的研究可望发现自旋电子学的新器件。 （2）功能纳米复合材料： 纳米线与其他纳米材料复合而成的人工超结构具有独特的物理性质。如将纳米线掺入有机高分子中，该体系的电导可提高多个数量级。 将碳化物或氧化镁等纳米线引入超导基体中，可大大提高材料的载流能力。研究纳米线／超导基体复合材料的结构将有助于找到新的能源材料。对碳纳米管（纳米线）和纳米颗粒的复合材料的研究将有可能开发出性能优异的高强度高效率催化剂复合材料。对碳纳米管和半导体纳米颗粒复合体系的研究将开发出新型的光电材料。 （3）传感器方面的应用：纳米材料巨大的表面积、高的表面活性和对周围环境的敏感性等使其在催化和传感器方面具有重要应用。纳米线和纳米颗粒对温度、光、湿度等环境因素相当敏感。外界环境的改变会迅速引起表面或界面离子价态电子输运的变化。其电阻的显著变化可作成传感器的依据，其特点是响应速度快、灵敏度高、选择性优良。 （4）磁电阻效应的应用：磁性纳米材料通常具有磁电阻效应．控制纳米材料中磁性体的磁化状态．可以改变材料的电阻率，从而为磁传感器、随机存贮器、高密度读出磁头等应用开拓一类新颖的人工功能材料。此外，对磁电阻的研究导致了电子自旋极化器的诞生。类似于偏振片使自然光变成偏振光．自旋混乱取向的电子通过巨磁电阻材料后将保留与磁化状态有关的某一特定自旋取向的电子，这为人们叩开了自旋电子学这一门新兴学科领域，其意义是深远的。 （5）能源材料方面的应用：用碳纳米管 、氧化锰纳米线和纳米管作锂电池电极材料的实验研究表明，它们有可能具有可逆性好和大容量的优点。在氢能源应用方面，催化纳米颗粒和碳纳米管形成的复合材料有望成为最有效率的电极材料。碳纳米管被认为是最有应用前景的储氢材料之一。 利用量子力学原理在原子尺度上设计纳米材料的性能和控制纳米材料的生长是凝聚态物理学的重点研究领域之一。我们自1998年以来一直从事表面纳米结构物性和形态控制的研究，最近又开展了对纳米线掺杂的研究，取得了多项创新成果。 代表性论文包括Physical Review Letters论文3篇, Nano Letters 论文1篇, Applied Physics Letters 论文2篇。主要研究成果包括（1）发现了量子扩散的两个普适规律；（2）发现沉积原子凝聚热对表面纳米结构形态演化的重要影响；（3）发现表面纳米结构从非规则形状到规则形状转变的一个重要判据；（4） 发展了控制半导体纳米点局部形态和晶格生长的应力理论；（5）提出了一个控制金属纳米颗粒在碳纳米管表面形态演化的理论模型；（6）提出了半导体纳米线定位掺杂的新概念，并发现壳层掺杂可极大地提高载流子的迁移率和在能带中形成迁移率边。 对半导体纳米线（包括多管壁碳纳米管）掺杂机制和性能的清楚认识是纳米线应用的基础。无序固体电子理论告诉我们，一维系统中的任何无序都会导致载流子的严重局域化。因而，使用传统方法对整个纳米线掺杂会严重破坏载流子的迁移率，难以实现对纳米线输运性质的调控。我们在纳米线定位掺杂方面的最新成果为纳米线研究开辟了一个新领域, 将为纳米线在纳米电子学，光电子学和自旋电子学的应用指明道路。 [ Last edited by csfn on 2007-12-7 at 21:34 ] |
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