受限空間內(nèi)一維納米材料的制備與生長機(jī)理研究.pdf

1、對(duì)能滿足21世紀(jì)要求且具有分子級(jí)性能材料的探索，引導(dǎo)了一維納米結(jié)構(gòu)的發(fā)展。幾乎每種傳統(tǒng)材料都有一種一維納米材料的匹配物。一維納米材料在納米電子學(xué)、設(shè)備和系統(tǒng)、納米復(fù)合材料、可替代能源和國家安全上都具有深遠(yuǎn)的影響。本論文緊跟時(shí)代要求，成功制備了具有集成圖案的一維納米材料陣列，如一維聚合物納米材料、一維金屬納米材料，開拓了同軸金屬納米電纜和多層金屬納米材料體系，研究了這些一維納米材料的制備，并探討了在受限空間內(nèi)一維納米材料的生長機(jī)理，這一領(lǐng)

2、域的系統(tǒng)性研究尚未見報(bào)道。
　　 本論文掌握了采用紫外光刻蝕技術(shù)制備納米或微米圖案的工藝。在眾多的圖案化制備技術(shù)中，紫外光刻技術(shù)被認(rèn)為是一種制備大面圖案、經(jīng)濟(jì)、易操作的技術(shù)。在紫外光刻技術(shù)中有五個(gè)主要步驟：涂膠、前烘、曝光、后烘和顯影。對(duì)每一個(gè)步驟都做了詳盡的分析和實(shí)驗(yàn)，最終找到了一個(gè)最適宜的工藝條件，在多孔氧化鋁(AAO)模板的表面上成功制備了不同圖案、不同尺寸的大面積、規(guī)整圖案。
　　 首次以圖案化模板為二次模板，通

3、過物理浸潤的方法，如溶液浸潤法和熔體浸潤法，成功制備了多種圖案化的聚合物納米管和納米線陣列結(jié)構(gòu)，如常規(guī)分子量的PS、PA6、PA66、PA11、ABS、PMMA等六種聚合物。微觀形貌測試結(jié)果表明，兩種方法都能獲得結(jié)構(gòu)完整的納米管和納米線結(jié)構(gòu)，其直徑與模板孔徑相吻合。在溶液法中，納米管壁厚隨著溶液濃度的增加而增厚，當(dāng)溶液濃度達(dá)到一定值時(shí)，制得納米線結(jié)構(gòu)，溶劑不同則溶液濃度不同，如以三氯甲烷為溶劑配制聚苯乙烯(PS)溶液，溶液濃度為10.0

4、wt％，則得到PS納米線；以甲酸為溶劑配制聚酰胺6(PA6)溶液，溶液濃度為8.0wt％，則可制得PA66納米線。熔體法制備時(shí)，納米管的壁厚與熔融溫度有關(guān)，一般地，熔融溫度越高，納米管的壁厚越薄，反之，越厚。
　　 首次用高分辨電子透射電鏡觀察到了低結(jié)晶度聚合物(PS)和高結(jié)晶聚合物(PA6)納米管的結(jié)晶現(xiàn)象，突破了以模型研究聚合物納米管結(jié)晶的范疇。在納米管外壁的部分區(qū)域觀察到結(jié)晶條紋，其它區(qū)域?yàn)闊o定形區(qū)。通過與本體聚合物的X射

5、線衍射對(duì)比，發(fā)現(xiàn)聚合物納米管的X射線衍射圖譜有較大的改變，這表明在受限空間內(nèi)納米管在形成過程中，有晶相轉(zhuǎn)變現(xiàn)象發(fā)生，而PA6則發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)變，在本體中主要存在α晶相，而在納米管中則轉(zhuǎn)變成γ晶相。
　　 研究了金屬納米材料的制備及其性質(zhì)。采用電化學(xué)沉積方法制備了非磁性金屬納米線體系（以Cu為代表），研究發(fā)現(xiàn)，納米線隨著沉積時(shí)間的延長而增長，但不成正比關(guān)系。高分辨與電子衍射花樣顯示Cu納米線具有單晶結(jié)構(gòu)；生長方向沿[220]，首次

6、觀察到納米線的斷裂方向，分別沿著(202)和(022)兩個(gè)晶面的方向斷裂，斷裂端呈規(guī)則的圓錐型；在外力作用下，Cu納米線還顯示出與塊體材料相似的性質(zhì)：柔韌性。
　　 同時(shí)，研究了磁性金屬納米材料（以Ni，Co，F(xiàn)e為代表）的制備及磁性能。經(jīng)過一系列的實(shí)驗(yàn)，通過高分辨透射電鏡表征，首次觀察到磁性納米管的形成過程，發(fā)現(xiàn)在沉積時(shí)間低于15min，得到的全部是納米管，高于40min得到的全部是納米線，由此可知先生成納米管，再形成納米線。

7、通過磁性測試發(fā)現(xiàn)磁性金屬納米管具有一定的磁性，在軸方向上易被磁化，卻擁有較低的矯頑力。
　　 研究了Cu/Ni核/殼結(jié)構(gòu)的同軸納米電纜的制備方法和磁性。通過兩步電沉積方法（先沉積Ni納米管，再在Ni納米管中沉積Cu納米線）和一步共沉積方法（電解質(zhì)溶液中既含有Ni離子也含有Cu離子），均能制備Cu/Ni核/殼結(jié)構(gòu)的同軸納米電纜結(jié)構(gòu)。與Ni納米管磁性能相比，Cu/Ni核/殼結(jié)構(gòu)的同軸納米電纜剩余磁化強(qiáng)度明顯大于Ni納米管的剩余磁化強(qiáng)

8、度。
　　 開拓了Cu-Ni嵌段納米線新體系。透射電鏡照片顯示了嵌段納米線的竹節(jié)狀結(jié)構(gòu)，電子衍射花樣顯示界面處的物質(zhì)具有單晶結(jié)構(gòu)，與Ni納米層的多晶結(jié)構(gòu)不相符，對(duì)此，解釋了可能的形成原因，是由于原子摻雜所致。
　　 首次提出了聚合物在受限空間內(nèi)形成機(jī)理：bamboo-like和cylinder-shaped兩種形成方式，并給予了充分的解釋。根據(jù)此現(xiàn)象，首次提出了AAO模板對(duì)聚合物納米管的形成具有誘導(dǎo)效應(yīng)，可以導(dǎo)致聚合物在