0.5维纳米材料——纳米科技的新领域

相对于微观和宏观材料,纳米材料具有迥然不同的特异属性,从而不但使其在科研方面是研究物质在纳米束缚下性质变化规律的理想对象,同时也被广泛应用于人们的生产生活。当材料在三维长度中的一维或者多维在纳米尺度(通常是小于100纳米)具有纳米束缚时,增强的表面能和量子效应会严重改变材料的基本属性。迄今为止,纳米材料按纳米束缚的维度可分为0维材料(材料三维度都在纳米尺寸,纳米束缚存在于三个维度),1维材料(材料两维度在纳米尺寸),和2维材料(材料一个维度在纳米尺度),分别对应于纳米颗粒,纳米线/纳米管,以及纳米薄膜。纳米颗粒被广泛用于生物荧光成像,纳米涂料技术;纳米线/纳米管被用于制作纳米电子器件以及与高分子材料形成高强度的复合材料;纳米薄膜,如石墨烯等,在超级电容,透明电极等等方面都开始了重要应用。

由于纳米束缚的维度不同,相同材料,不同尺度,却具有迥然不同的性质,目前为止,有关于0维,1维,2维纳米材料的研究和应用都限制在同一维度之内,彼此之间在科研和应用领域互相独立。随着微电子技术的发展,原来基于微米薄膜技术的集成电子元件的加工已经到了20纳米以内,为了进一步缩小元件体积,提高集成芯片的性能,近期以Intel 公司为主导,研制成功了三维半导体晶体管,进一步突破了硅基半导体元件的尺寸极限,使半导体集成芯片元件的小型化得以持续。按材料尺度分,每个三维半导体晶体管都是一个介于0维和1维之间的纳米材料。然而,在这一中间维度的相关材料属性规律却从未被研究和掌握。 

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近日,美国阿拉巴马大学宋金会教授带领其博士研究生江诚鸣提出了全新的0.5维纳米材料的概念,并通过合成0.5维氧化锌半导体纳米材料,以基础的光电性质对其在实验和理论上上进行了系统的研究,成功开创了0.5维纳米材料的科研新领域。在保持一维纳米线直径不变的情况下,通过缩短纳米线的长度到纳米尺度,进而在原来没有纳米束缚的第三维引入量子效应。在第三维度纳米束缚从无到有的过程当中,材料的光电性质发生了急剧且不同于经典的变化。这一过程中,材料的尺寸介于1维和0维纳米材料之间,所以被命名为0.5维纳米材料。科研方面,0.5维纳米材料在两维方向具有固定的纳米束缚,第三维作为唯一纳米束缚变量,极大的简化了研究对象和研究参数,从而为发现纳米束缚对材料属性的影响提供了理想研究目标。同时,对于材料在这个维度上的性质研究对于三维纳米电子技术的发展具有巨大的应用意义。

研究组通过控制具有相同半径的竖直氧化锌纳米线的高度来制备0.5维纳材料。为了保证光电性质表征精度,实验中所采用的样品是通过气象沉积发生长的纳米材料,这样制备出来的纳米材料具有相同的生长方向,近完美晶格结构,以及顶部良好电学接触。所采用的主要表征设备是导电原子力显微镜,通过光纤对纳米线定点引入光照,进而测量出特定高度的竖直氧化锌纳纳米材料在光照和非光照下的电流差,进而表征出光电特性。这种测量方法不仅避免了复杂的加工样品过程,而且使实验的具有高度的可重复性。实验表明0.5维氧化锌纳米材料的光电特性与经典的欧姆定律截然相反,这是十分有趣的由于第三维方向出现纳米束缚而引起的基本属性奇异现象。实验组利用半径典半量子理论建模完美解释了这一0.5维材料光电属性奇异的现象和规律。

由于第三维纳米束缚的出现而引起的材料基本属性奇异的现象首次被系统研究。0.5维氧化锌半导体纳米材料的光电特性只是这个新的领域一次开创性的研究,更多关于0.5维材料的研究依旧是空白和有待开发的。0.5维纳米材料的概念和研究适用于所有材料,所有性质,并且对于发展3D纳米电子技术,NEMS,等具有重要意义。