受限空間內(nèi)一維納米材料的制備與生長機理研究

1、摘要對能滿足2 l 世紀(jì)要求且具有分子級性能材料的探索，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理

2、，這一領(lǐng)域的系統(tǒng)性研究尚未見報道。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)中有五個主要步驟：涂膠、前烘、曝光、后烘和顯影。對每一個步驟都做了詳盡的分析和實驗，最終找到了一個最適宜的工藝條件，在多孔氧化鋁∞A O ) 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，通過物理浸潤的方法，如

3、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P S 、P A 6 、P A 6 6 、P A l l 、A B S 、P M M A 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，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( P S

4、)溶液，溶液濃度為1 0 ．0 w t ％，則得到P S 納米線；以甲酸為溶劑配制聚酰胺6 ( P A 6 )溶液，溶液濃度為8 ．0 w t ％，則可制得P A 6 6 納米線。熔體法制備時，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( P S ) 和高結(jié)晶聚合物( P A 6 )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

5、部分區(qū)域觀察到結(jié)晶條紋，其它區(qū)域為無定形區(qū)。通過與本體聚合物的X 射線衍射對比，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P A 6 則發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)變，在本體中主要存在Q 晶相，而在納米管中則轉(zhuǎn)變成7 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C u 為代表) ，研究發(fā)現(xiàn)，納米線隨著沉積時間的延長而增長，但不成正比關(guān)系。高

6、分辨與電子衍射花樣顯示C u 納米線具有單晶結(jié)構(gòu)；生長方向沿[ 2 2 0 ] ，青島大學(xué)博士學(xué)位論文A b s t r a c tT h e q u e s tf o rm a t e r i a l sw i t h m o l e c u l a rs c a l ep r o p e r t i e st h a tc a n s a t i s f y t h ed e m a n d so f t h e2 1s tc e

7、n t u r yh a s l e dt ot h ed e v e l o p m e n t o f o n e d i m e n s i o n a l n a n o s t r u c t u r e s ，O D N S ．N e a r l y , e v e r y c l a s s o ft r a d i t i o n a l m a t e r i a l h a s a n O D N Sc o u n

8、t e r p a r t ．O D N Sh a s ap r o f o u n d i m p a c ti n n a n o e l e c t r o n i c s ，n a n o d e v i c e sa n ds y s t e m s ，n a n o c o m p o s i t em a t e r i a l s ，a l t e r n a t i v e e n e r g y r e s o u

9、r c e s a n d n a t i o n a l s e c u r i t y ．I n t h e t h e s i s ，o n e d i m e n s i o n a ln a n o m a t e r i a l s a r r a y s ，s u c ha s p o l y m e r n a n o m a t e r i a l s a n dm e t a l n a n o m a t e r

10、i a l s ，w i t hi n t e g r a t e d p a t t e r n s h a v eb e e n s u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e d ．M e a n w h i l e ，w e d e v e l o p e dn e wn a n o m a t e r i a l s s y s t e m s i n c l u d i n g m e t

11、a l c o a x i a l n a n o c a b l e a n d m e t a l m u l t i l a y e rn a n o m a t e r i a l s ．H o w e v e r , o n l yf e w s y s t e m i cr e s e a r c hw o r k sc o n c e r n i n gt h ef a b r i c a t i o na n d g r

12、 o w t h m e c h a n i s m i nr e s t r i c t e ds p a c e s h a v eb e e n r e p o r t e d ．F a b r i c a t i o no f n a n o - o rm i c r o —p a t t e r n sw i t hp h o t o l i t h o g r a p h i ct e c h n i q u eh a sb

13、 e e nm a r s t e r e d ．A m o n gt h o s et e c h n i q u e s ，p h o t o l i t h o g r a p h yh a sb e e nr e g a r d e da so n e o f t h em o s ts u c c e s s f u lt e c h n i q u e si nl a r g e —s c a l e m i c r o f

14、 a b r i c a t i o n ，a n dt h em e t h o d i s e f f e c t i v e ,l o w ·c o s ta n d s i m p l ei m p l e m e n t a t i o n ．T h e r e a r e m a i n 5 s t e p s ：c o a t i n g , s o f t b a k e ，e x p o s u r e ,h

15、 a r d b a k ea n d d e v e l o p i n g ．T h e b e s te x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s h a v e b e e n f o u n d b y s y s t e m i ca n a l y s i s a n de x p e r i m e n t ．H i g h - o r d e r e d l a r g e a

16、r e a p a t t e r n s w i t h d i f f e r e n t s c a l e s a n dp a t t e r n s h a v eb e e nf a b r i c a t e d o nt h e s i d eo fp o r o u s a n o ．d i c a l u m i n u mo x i d e ( A A o )t e m p l a t e s ．P a t t

17、e r n e dA A O t e m p l a t e w e r eu s e da sa s e c o n dt e m p l a t ef i r s t l yt o f a b r i c a t e v a r i o u sp a t t e r n e d p o l y m e r ( s u c ha s c o n l m e n m o l e c u l a rw e i g h t P S ，P A

18、 6 ，P A 6 6 ，P A ll ，A B S ，P M M A ) n a n o t u b ea n dn a n o w i r ea r r a y sb yp o l y m e rs o l u t i o nw e t t i n ga n dm e l tw e t t i n gt e m p l a t e s ．T h e d i a m e t e r so f t h ep o l y m e r n

19、a n o t u b e sa n dn a n o w i r e s a r ec o n s i s t e n tw i t l lt h ep o r ed i a m e t e r so f t h et e m p l a t e s ．n ew a l lo ft h en a n o t u b e si n c r e a s e sw i t ht h es o l u t i o nc o n c e n t

20、 r a t i o ni ns o l u t i o nw e t t i n gt e m p l a t e ．W h e nt h es o l u t i o nc o n c e n t r a t i o nr e a c h e sac e r t a i n v a l u e ，n a n o w i r e sa r eo b t a i n e d ．，n l ec o n c e n t r a t i o

21、na r ed i f f e r e n tw i t ht h es o l v e n t s ，f o re x a m p l e , t r i c h l o r o m e t h a n eW a s u s e da ss o l v e n ti nP S s o l u t i o n ，a n dt h ec o n c e n t r a t i o nw a s 10 ．0 w t ％，a n dP Sn

22、a n o w i r e sw e r eo b t a i n e d ．W h e r e a s ，i f f o r m i ca c i dW a su s e da ss o l v e n ti nP A 6 s o l u t i o n ，a n dt h ec o n c e n t r a t i o nW a s 8 ．0w t ％，t h e nP A 6 n a n o w i r e sw e r eo

23、b t a i n e d ．W i t hm e l tw e t t i n gt e m p l a t e s ，t h ew a l lo fn a n o t u b e si s d e p e n d e do nt h em e l tt e m p e r a t u r e ．G e n e r a l l y , t h em o r e t h em e l tt e m p e r a t u r ei s