所謂“納米”是一米的10億分之一，在這個(gè)微觀世界里，許多材料在光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)等方面的性質(zhì)會(huì)發(fā)生意想不到的變化。例如：在1991年被發(fā)現(xiàn)的納米碳管，它的質(zhì)量是相同體積鋼的六分之一，強(qiáng)度卻是鋼的100倍。隨著納米碳管的發(fā)現(xiàn)，一維納米半導(dǎo)體材料在信息、能源等領(lǐng)域的重大應(yīng)用前景引起了廣泛關(guān)注。自上世紀(jì)90年代，國(guó)際上掀起了納米科技的研究熱潮。
“管狀結(jié)構(gòu)比絲狀結(jié)構(gòu)多了一層內(nèi)表面，增加了比表面積，提高了材料的活性，因而在很多方面具備了更好的性能。其它材料是不是也能做成納米管呢？”楊德仁教授長(zhǎng)期從事半導(dǎo)體硅材料的研究，他敏銳地意識(shí)到可以把前沿的納米科技與硅材料結(jié)合起來(lái)。
從2000年起，楊德仁團(tuán)隊(duì)就開(kāi)始了以硅為核心的納米半導(dǎo)體材料的研究。經(jīng)過(guò)十余年的研究，團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首先制備出了納米硅管和納米硒管，并提出了兩種新的制備氧化物和硫化物一維納米半導(dǎo)體材料的普適方法及其機(jī)理。
相比于納米碳管，納米硅管不易形成。因?yàn)樵谖锢韺傩陨希允问酱嬖诘奶汲尸F(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)，在一定條件下可自發(fā)形成管狀結(jié)構(gòu)；而硅晶體呈現(xiàn)出金剛石結(jié)構(gòu)，是非層狀的，難以自發(fā)成管。因此，把非層狀結(jié)構(gòu)的硅材料制備成納米管一直是一個(gè)國(guó)際難題。
研究之初，楊德仁團(tuán)隊(duì)從制備納米硅絲入手，沒(méi)想到在一次實(shí)驗(yàn)中得到了意外的收獲。“在納米材料界，制備納米硅絲的一種做法是在底部被金屬催化劑封閉的納米柱狀空心模板中沉積硅原子，就像是把硅原子逐漸倒入一個(gè)直徑為納米尺度的細(xì)長(zhǎng)圓柱體空‘杯子’中，等‘杯子’被填滿(mǎn)時(shí)，這些硅原子就‘壘積’成硅絲了。但在一次實(shí)驗(yàn)中，我們不經(jīng)意間沒(méi)有把模板的底部完全封住，中間留了個(gè)小孔，這樣一部分硅原子就可‘穿過(guò)’小孔，而一部分硅原子則沉積在‘杯子’的壁上，結(jié)果就形成了管狀結(jié)構(gòu)。”受此意外結(jié)果的啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)發(fā)展出半封閉金屬環(huán)催化的方法，在國(guó)際上首次制備出納米硅管，團(tuán)隊(duì)并不僅僅滿(mǎn)足于材料的制備，還對(duì)制備出的納米硅管的性能進(jìn)行了表征和測(cè)試。現(xiàn)在被廣泛使用的鋰離子電池就是納米硅管的用武之地之一，用納米硅管制成的鋰離子電池負(fù)極材料在理論上可以把電極容量提高到目前商用碳材料電極的5-10倍。“我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室環(huán)境下，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了比商用碳材料電極提高5倍的容量。”楊德仁介紹說(shuō)。
在元素半導(dǎo)體中，目前只有硅、鍺、硒三種得到廣泛應(yīng)用。在制備出納米硅管后，楊德仁團(tuán)隊(duì)也希望在另外兩種元素半導(dǎo)體材料的納米管上有所突破。鍺的結(jié)構(gòu)與硅相似，制備納米硅管的方法可以應(yīng)用在鍺上。但想要制備出納米硒管還需要另辟蹊徑，國(guó)際上的同行當(dāng)時(shí)也在想方設(shè)法制備納米硒管。
最終，楊德仁團(tuán)隊(duì)提出了超聲波誘導(dǎo)自組裝的新策略，在國(guó)際上首次制備出納米硒管。“我們先用水熱法制備出納米硒球，再用超聲波的高密度能量使納米硒球在特定位置處開(kāi)裂，由于硒所具有的特殊三方螺旋結(jié)構(gòu)，硒原子就沿著斷裂面自組裝生長(zhǎng)成管狀結(jié)構(gòu)。”這種制備納米硒管的方法也引導(dǎo)了國(guó)際上的同行對(duì)納米硒管的研究，有研究者報(bào)道納米硒管的光電導(dǎo)比相應(yīng)的體硒材料提高了10倍左右。
除了首創(chuàng)兩種元素半導(dǎo)體的納米管的制備方法，楊德仁團(tuán)隊(duì)還提出了新的制備氧化物和硫化物一維納米半導(dǎo)體材料的普適方法。
一維金屬氧化物半導(dǎo)體納米管的制備是以碳納米管為模板的靜電誘導(dǎo)自組裝策略來(lái)實(shí)現(xiàn)的。首先設(shè)法使碳納米管表面帶上靜電，接著放入含有特定金屬離子的化學(xué)溶液中，由于靜電吸引作用，金屬離子就沉積在碳納米管的表面；然后通過(guò)在空氣中加熱，使碳納米管表面的金屬層與氧氣發(fā)生反應(yīng)形成金屬氧化物，而碳管模板則轉(zhuǎn)換為一氧化碳或者二氧化碳?xì)怏w而消失，一維金屬氧化物半導(dǎo)體納米管就制備成功了。“用這種方法制備的金屬氧化物半導(dǎo)體納米管的管壁是多孔狀的，增大了比表面積，因此具有更好的性能，比如說(shuō)氣敏性能。”楊德仁團(tuán)隊(duì)運(yùn)用這種方法制備了一系列的金屬氧化物半導(dǎo)體納米管，驗(yàn)證了該方法的普適性。更有意義的是，這種方法可以把金屬氧化物半導(dǎo)體納米管的制備規(guī)模從克的級(jí)別提高到百克甚至千克的級(jí)別，這為今后工業(yè)化生產(chǎn)打下了基礎(chǔ)。
項(xiàng)目的研究成果在Adv.Mater.等國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表SCI論文110篇；至2013年1月，20篇核心論文被SCI他引1338次；8篇代表論文被SCI他引815次，篇均101次，最高單篇SCI他引234次，平均SCI影響因子達(dá)7.781.另外，項(xiàng)目獲授權(quán)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利14項(xiàng)，參著英文專(zhuān)著3本。
（文 石琳 吳雅蘭/攝影 張鴦）
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“管狀結(jié)構(gòu)比絲狀結(jié)構(gòu)多了一層內(nèi)表面，增加了比表面積，提高了材料的活性，因而在很多方面具備了更好的性能。其它材料是不是也能做成納米管呢？”楊德仁教授長(zhǎng)期從事半導(dǎo)體硅材料的研究，他敏銳地意識(shí)到可以把前沿的納米科技與硅材料結(jié)合起來(lái)。
從2000年起，楊德仁團(tuán)隊(duì)就開(kāi)始了以硅為核心的納米半導(dǎo)體材料的研究。經(jīng)過(guò)十余年的研究，團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首先制備出了納米硅管和納米硒管，并提出了兩種新的制備氧化物和硫化物一維納米半導(dǎo)體材料的普適方法及其機(jī)理。
相比于納米碳管，納米硅管不易形成。因?yàn)樵谖锢韺傩陨希允问酱嬖诘奶汲尸F(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)，在一定條件下可自發(fā)形成管狀結(jié)構(gòu)；而硅晶體呈現(xiàn)出金剛石結(jié)構(gòu)，是非層狀的，難以自發(fā)成管。因此，把非層狀結(jié)構(gòu)的硅材料制備成納米管一直是一個(gè)國(guó)際難題。
研究之初，楊德仁團(tuán)隊(duì)從制備納米硅絲入手，沒(méi)想到在一次實(shí)驗(yàn)中得到了意外的收獲。“在納米材料界，制備納米硅絲的一種做法是在底部被金屬催化劑封閉的納米柱狀空心模板中沉積硅原子，就像是把硅原子逐漸倒入一個(gè)直徑為納米尺度的細(xì)長(zhǎng)圓柱體空‘杯子’中，等‘杯子’被填滿(mǎn)時(shí)，這些硅原子就‘壘積’成硅絲了。但在一次實(shí)驗(yàn)中，我們不經(jīng)意間沒(méi)有把模板的底部完全封住，中間留了個(gè)小孔，這樣一部分硅原子就可‘穿過(guò)’小孔，而一部分硅原子則沉積在‘杯子’的壁上，結(jié)果就形成了管狀結(jié)構(gòu)。”受此意外結(jié)果的啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)發(fā)展出半封閉金屬環(huán)催化的方法，在國(guó)際上首次制備出納米硅管，團(tuán)隊(duì)并不僅僅滿(mǎn)足于材料的制備，還對(duì)制備出的納米硅管的性能進(jìn)行了表征和測(cè)試。現(xiàn)在被廣泛使用的鋰離子電池就是納米硅管的用武之地之一，用納米硅管制成的鋰離子電池負(fù)極材料在理論上可以把電極容量提高到目前商用碳材料電極的5-10倍。“我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室環(huán)境下，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了比商用碳材料電極提高5倍的容量。”楊德仁介紹說(shuō)。
在元素半導(dǎo)體中，目前只有硅、鍺、硒三種得到廣泛應(yīng)用。在制備出納米硅管后，楊德仁團(tuán)隊(duì)也希望在另外兩種元素半導(dǎo)體材料的納米管上有所突破。鍺的結(jié)構(gòu)與硅相似，制備納米硅管的方法可以應(yīng)用在鍺上。但想要制備出納米硒管還需要另辟蹊徑，國(guó)際上的同行當(dāng)時(shí)也在想方設(shè)法制備納米硒管。
最終，楊德仁團(tuán)隊(duì)提出了超聲波誘導(dǎo)自組裝的新策略，在國(guó)際上首次制備出納米硒管。“我們先用水熱法制備出納米硒球，再用超聲波的高密度能量使納米硒球在特定位置處開(kāi)裂，由于硒所具有的特殊三方螺旋結(jié)構(gòu)，硒原子就沿著斷裂面自組裝生長(zhǎng)成管狀結(jié)構(gòu)。”這種制備納米硒管的方法也引導(dǎo)了國(guó)際上的同行對(duì)納米硒管的研究，有研究者報(bào)道納米硒管的光電導(dǎo)比相應(yīng)的體硒材料提高了10倍左右。
除了首創(chuàng)兩種元素半導(dǎo)體的納米管的制備方法，楊德仁團(tuán)隊(duì)還提出了新的制備氧化物和硫化物一維納米半導(dǎo)體材料的普適方法。
一維金屬氧化物半導(dǎo)體納米管的制備是以碳納米管為模板的靜電誘導(dǎo)自組裝策略來(lái)實(shí)現(xiàn)的。首先設(shè)法使碳納米管表面帶上靜電，接著放入含有特定金屬離子的化學(xué)溶液中，由于靜電吸引作用，金屬離子就沉積在碳納米管的表面；然后通過(guò)在空氣中加熱，使碳納米管表面的金屬層與氧氣發(fā)生反應(yīng)形成金屬氧化物，而碳管模板則轉(zhuǎn)換為一氧化碳或者二氧化碳?xì)怏w而消失，一維金屬氧化物半導(dǎo)體納米管就制備成功了。“用這種方法制備的金屬氧化物半導(dǎo)體納米管的管壁是多孔狀的，增大了比表面積，因此具有更好的性能，比如說(shuō)氣敏性能。”楊德仁團(tuán)隊(duì)運(yùn)用這種方法制備了一系列的金屬氧化物半導(dǎo)體納米管，驗(yàn)證了該方法的普適性。更有意義的是，這種方法可以把金屬氧化物半導(dǎo)體納米管的制備規(guī)模從克的級(jí)別提高到百克甚至千克的級(jí)別，這為今后工業(yè)化生產(chǎn)打下了基礎(chǔ)。
項(xiàng)目的研究成果在Adv.Mater.等國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表SCI論文110篇；至2013年1月，20篇核心論文被SCI他引1338次；8篇代表論文被SCI他引815次，篇均101次，最高單篇SCI他引234次，平均SCI影響因子達(dá)7.781.另外，項(xiàng)目獲授權(quán)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利14項(xiàng)，參著英文專(zhuān)著3本。
（文 石琳 吳雅蘭/攝影 張鴦）
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