一維納米結(jié)構(gòu)的制備,表征及應(yīng)用(翻譯版)(共46頁(yè))

1、一維空間的納米結(jié)構(gòu)：合成(hchng)，表征，及應(yīng)用摘要(zhiyo)：這篇文章對(duì)當(dāng)前(dngqin)集中于一維空間納米結(jié)構(gòu)的研究活動(dòng)提供了一個(gè)綜合的敘述一些橫向尺寸處在1100nm范圍內(nèi)的“網(wǎng)狀，棒狀，帶狀，管狀”的納米結(jié)構(gòu)。我們致力于一維納米結(jié)構(gòu)并使用大量的相關(guān)的化學(xué)方法合成了出來(lái)。文章開(kāi)始我們引用了一個(gè)有利于實(shí)現(xiàn)1D增長(zhǎng)的合成方案綜述。然后我們?cè)敿?xì)地把這些方法闡述為一下四個(gè)部分：通過(guò)固體材料的晶體結(jié)構(gòu)決定的各向異性（非均質(zhì)）增長(zhǎng)；各向異性（非均質(zhì)）增長(zhǎng)是由不同的模板所限制和指導(dǎo)；各向異性（非均質(zhì)）增長(zhǎng)由過(guò)飽和度或通過(guò)使用合適的封端劑的動(dòng)力學(xué)控制；新觀念雖然還沒(méi)有完全表現(xiàn)出來(lái)，但在生成的一

2、維納米結(jié)構(gòu)中有著長(zhǎng)期的潛力。下面是用于生成各種類型的重要異質(zhì)結(jié)的納米線技術(shù)的討論。本文最后，我們強(qiáng)調(diào)各種不同類型的一維的納米結(jié)構(gòu)相關(guān)的獨(dú)特性能（如熱學(xué)，機(jī)械，電子，光電，光學(xué)，非線性光學(xué)和場(chǎng)致發(fā)射）?！緢?chǎng)致發(fā)射：在電極表面處的外加強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，電子從電極表面逸出的現(xiàn)象叫場(chǎng)致發(fā)射或冷發(fā)射?！课覀円钥v橫結(jié)為基礎(chǔ)還簡(jiǎn)要討論了一些方法可能對(duì)組裝一維納米結(jié)構(gòu)成功能設(shè)備有用。我們從個(gè)人觀點(diǎn)上對(duì)這個(gè)方向得出結(jié)論：這個(gè)新種類納米結(jié)構(gòu)材料的未來(lái)研究是可以被“指導(dǎo)”的。（本文提供了一個(gè)全面的檢討，目前的研究活動(dòng)集中在一維（1D）納米結(jié)構(gòu)的線，棒，帶，管，其橫向尺寸的范圍內(nèi)，我在任何地方下降到100輪輞。我們投入

3、的數(shù)量相對(duì)豐富，用化學(xué)方法合成了一維的納米結(jié)構(gòu)，最關(guān)注的。我們開(kāi)始這篇文章的概述，已開(kāi)發(fā)利用的合成策略，實(shí)現(xiàn)1D增長(zhǎng)。然后，我們闡述這些方法在以下四個(gè)部分：一）各向異性生長(zhǎng)的各向異性生長(zhǎng)的局限和各種模板;三）各向異性生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)控制過(guò)飽和或通過(guò)使用決定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu);二）適當(dāng)?shù)姆舛藙虸V）的新概念尚未充分證明，但產(chǎn)生一維納米結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期發(fā)展?jié)摿?。以下是產(chǎn)生各類的重要heterostructured的納米線技術(shù)的討論。年底這篇文章中，我們突出了一系列獨(dú)特的性能（例如，熱，機(jī)械，電子，光電，光學(xué)，非線性光學(xué)，場(chǎng)發(fā)射）與不同類型的一維納米結(jié)構(gòu)。我們還簡(jiǎn)要地討論了一些可能有用的方法組裝一維納米

4、結(jié)構(gòu)到功能的設(shè)備的基礎(chǔ)上橫梁的交界處，和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如二維和三維周期性晶格結(jié)構(gòu)。我們的結(jié)論這篇評(píng)論向未來(lái)這一類新的納米材料的研究，可能的方向，個(gè)人觀點(diǎn)。）介紹納米結(jié)構(gòu)被定義為至少有一個(gè)尺寸在1至100納米的結(jié)構(gòu)由于其獨(dú)特和迷人的性質(zhì)已經(jīng)受到了持續(xù)增長(zhǎng)的興趣，并且應(yīng)用優(yōu)于其大部分配對(duì)物。這種產(chǎn)生極小結(jié)構(gòu)的能力對(duì)大多數(shù)科學(xué)和技術(shù)是必要的。有大量的因素是可以通過(guò)使新類型的納米結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，或者簡(jiǎn)單地調(diào)整現(xiàn)存的微觀結(jié)構(gòu)到1-100nm的程度（政權(quán)、政體、管理體制、社會(huì)制度）。最成功的例子是由微電子提供的，自集成電路的發(fā)明以來(lái)“更小”意味著更好的性能：每個(gè)芯片上更多的組件，操作速度更快，成本更低，并且耗

5、電量少。小型化也可以代表一系列其他技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。例如，在信息存儲(chǔ)中，有許多積極的努力是用來(lái)開(kāi)發(fā)小至數(shù)萬(wàn)納米臨界尺寸的磁性和光學(xué)存儲(chǔ)部件。它也清楚地表明了豐富有趣的新現(xiàn)象與納米尺寸的結(jié)構(gòu)有關(guān)，已確定的最好的例子包括大小取決于激發(fā)或發(fā)射，量化（或彈道）電導(dǎo)，庫(kù)侖阻塞（或單電子隧穿，集合），以及金屬向絕緣體轉(zhuǎn)變。人們普遍認(rèn)為電子通過(guò)納米尺寸的結(jié)構(gòu)的勢(shì)阱的量子限制可提供一個(gè)最強(qiáng)大的（但通用的）裝置，以控制固態(tài)功能材料的電，光，磁，和熱電性能。二維（2D）納米結(jié)構(gòu)（或量子(lingz)阱），已被半導(dǎo)體界廣泛地研究(ynji)，因?yàn)槭褂萌绶肿?fnz)束外延（MBE）的技術(shù)它們可以很方便地被制備。由于許

6、多研究小組的努力，關(guān)于零維（0D）的納米結(jié)構(gòu)（或量子點(diǎn)）在過(guò)去的二十年里也取得了顯著的進(jìn)展。例如，各種豐富的化學(xué)方法已經(jīng)從范圍廣泛的材料中被開(kāi)發(fā)用于產(chǎn)生具有良好可控尺寸的量子點(diǎn)。隨著量子點(diǎn)作為模型系統(tǒng)，通過(guò)研究其基本性質(zhì)與規(guī)模的發(fā)展已經(jīng)學(xué)會(huì)了很多有趣的化學(xué)和物理現(xiàn)象。使用量子點(diǎn)作為活性元件，在許多的研究實(shí)驗(yàn)室里各種類型的納米級(jí)器件也被制造成樣機(jī)（技術(shù)原型）。著名的例子包括量子點(diǎn)激光器，單電子晶體管，存儲(chǔ)器單元，傳感器，光學(xué)探測(cè)器，發(fā)光二極管（LED）。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用中，可以認(rèn)為一個(gè)單獨(dú)的量子點(diǎn)的尺寸表示當(dāng)前存在的功能性器件的微型化的極限。最近，一維（1D）的納米結(jié)構(gòu)，如納米線、納米棒、納米帶、

7、納米管由于它們?cè)诩?xì)觀物理和納米器件的制造上的獨(dú)特應(yīng)用也成為了深入研究的焦點(diǎn)。大家公認(rèn)的是一維的納米結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)良好的系統(tǒng)去調(diào)查電和熱傳輸或機(jī)械性能對(duì)維數(shù)和尺寸的減少（或量子限域）的依賴。它們也將在制造電子，光電，電化學(xué)和納米級(jí)尺寸的機(jī)電器件中起著互連和功能單元的重要作用。與量子點(diǎn)和孔（阱）相比，直到最近一維納米結(jié)構(gòu)的進(jìn)步是緩慢的，受阻于這些具有良好控制的尺寸，形態(tài)，相純度納米結(jié)構(gòu)和化學(xué)組合物的合成和加工相關(guān)的困難。雖然一維納米結(jié)構(gòu)現(xiàn)在可以使用一些先進(jìn)的光刻技術(shù)，如電子束/離子束錄入法（electron-beam or focused-ion-beam writing），近端探針圖案化法（pr

8、oximal probe patterning）以及X-射線或遠(yuǎn)紫外印刷法（X-ray or extreme-UV lithography）（在一個(gè)研究實(shí)驗(yàn)室的設(shè)置下）來(lái)制作，這些技術(shù)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)的路線，以大量1D納米結(jié)構(gòu)的多元化材料的進(jìn)一步發(fā)展，迅速，合理低廉的成本，還需要巨大的創(chuàng)造力。相比之下，基于化學(xué)合成的非傳統(tǒng)方法可能會(huì)提供用于生成一維的納米結(jié)構(gòu)材料的多樣性，成本，產(chǎn)量方面的替代性和有趣的策略，以及大批量生產(chǎn)的潛力。本文綜述了目前的研究活動(dòng)集中在納米網(wǎng)（線），棒，帶，和管的納米規(guī)格。由于碳納米管（CNT）已經(jīng)被許多作者研究，我們打算從本文的范圍中排除它。本文的主要內(nèi)容分為八個(gè)部分：下一節(jié)

9、（第2節(jié)）明確地討論了與納米線增長(zhǎng)的幾個(gè)概念，以及已開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)一維形態(tài)學(xué)的合成策略。以下四個(gè)部分通過(guò)具體的例子充分說(shuō)明這些策略，包括新的點(diǎn)位仍有待說(shuō)明（證明）。第7部分評(píng)估了幾種用于產(chǎn)生異質(zhì)結(jié)納米線如超晶格方法的使用。第8部分強(qiáng)調(diào)了一系列與一維納米結(jié)構(gòu)相關(guān)的獨(dú)特性能，以及它們?cè)诟鱾€(gè)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。最后一部分以個(gè)人言論得出的結(jié)論是這一新型材料的未來(lái)研究是可被引導(dǎo)（控制）的。本文的目標(biāo)如下：提供對(duì)已被論證用于生成各種類型的一維納米結(jié)構(gòu)的化學(xué)方法作簡(jiǎn)單的介紹；說(shuō)明與一維納米結(jié)構(gòu)相關(guān)的有趣的特性；解決有關(guān)一維的納米結(jié)構(gòu)組裝成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)問(wèn)題；評(píng)價(jià)一維納米結(jié)構(gòu)如在器件制造的功能組件的潛力。隨著我們的進(jìn)行

10、，在一維納米材料能達(dá)到它們作為一類新型的工業(yè)材料的終極潛力（電極）之前，我們能夠解決大部分我們認(rèn)為能夠解決的困難。在本結(jié)論的最后，我們將還要簡(jiǎn)略地提到一維的納米結(jié)構(gòu)可能會(huì)對(duì)環(huán)境和健康潛在地一些影響。2.實(shí)現(xiàn)(shxin)1D增長(zhǎng)的策略一維的納米(n m)結(jié)構(gòu)構(gòu)造的本質(zhì)是結(jié)晶化，這個(gè)過(guò)程(guchng)已經(jīng)被研究了幾百年。固體從蒸汽，液體，或固體階段的演變包括兩個(gè)基本步驟：成核和生長(zhǎng)。當(dāng)構(gòu)造單元（原子，離子或分子）的固體濃度變得足夠高時(shí)，它們通過(guò)均相成核聚集成小簇（群體）（或核子）。隨著構(gòu)造單元的持續(xù)增長(zhǎng)，這些核可以作為晶種對(duì)形成更大的結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展有用。雖然結(jié)晶化已經(jīng)研究了幾百年，但是很少人

11、知道這個(gè)過(guò)程。為實(shí)現(xiàn)完全控制這個(gè)過(guò)程也不是不重要。普遍認(rèn)為的完美晶體的形成需要在固體表面上和流體相中的構(gòu)造單元之間有一條可逆途徑（即，氣相，溶液或熔體）。在結(jié)晶晶格遠(yuǎn)程命令的發(fā)展中這些條件允許構(gòu)造單元能夠容易地通過(guò)正確的位置。另外，還需要在良好控制的速率下提供構(gòu)造單元，以便獲得具有均勻的組成和均一的形態(tài)結(jié)晶。當(dāng)開(kāi)發(fā)用于生成納米結(jié)構(gòu)的合成方法時(shí)，一個(gè)需要解決的首要問(wèn)題是同時(shí)控制尺寸，形態(tài)（或形狀），和單分散性（或均勻性）。在過(guò)去的幾年中，各種化學(xué)方法已經(jīng)被重新審視，或被證明為“自下而上”的方法，用于生成對(duì)這些參數(shù)具有不同的層次控制的一維的納米結(jié)構(gòu)。圖1示意性地闡明了其中的一些合成策略包括：使用固

12、有的各向異性晶體結(jié)構(gòu)的固體實(shí)現(xiàn)的一維生長(zhǎng)（圖1A）；采用液-固界面以減少晶種（圖1B）的對(duì)稱性；使用一維形態(tài)多樣的模板來(lái)指導(dǎo)一維納米結(jié)構(gòu)的形成（圖1C）；用飽和的控制來(lái)更改晶種的生長(zhǎng)習(xí)性；使用適當(dāng)?shù)姆馍w試劑動(dòng)力（運(yùn)動(dòng)）地控制的晶種的各個(gè)方面的增長(zhǎng)速度（圖1D）；0D納米結(jié)構(gòu)的自組裝體（圖1E）；1D微結(jié)構(gòu)的尺寸的減小（圖1F）。因?yàn)樵S多這些方法直到最近都并沒(méi)有論證，其大多數(shù)特征（如再現(xiàn)性，產(chǎn)品的均勻性和純度，擴(kuò)大規(guī)模的潛能，成本效益，并且在某些情況下，機(jī)制（原理、途徑）僅是模糊地已知。因此，我們強(qiáng)調(diào)它們表現(xiàn)出的性能（例如，可合成材料的尺寸范圍和靈活性控制）和其固有的限制，（即，來(lái)自于它們所基于

13、的物理和化學(xué)起源的限制），而不是它們?cè)诋?dāng)前技術(shù)發(fā)展水平上的評(píng)論。在某些情況下，我們也強(qiáng)調(diào)途徑，即可延伸的材料的范圍或規(guī)避與這些合成方法的現(xiàn)有程序相關(guān)聯(lián)的缺點(diǎn)。圖1已被證明(zhngmng)是實(shí)現(xiàn)1D增長(zhǎng)的六種不同策略示意圖：A）通過(guò)(tnggu)雄厚的各向異性晶體結(jié)構(gòu)命令(mng lng)；B）在一個(gè)液滴限制為在汽 - 液 - 固過(guò)程； C）通過(guò)使用模板的方向；D）由封蓋試劑提供運(yùn)動(dòng)控制； E）0D納米結(jié)構(gòu)的自組裝；F）一維微結(jié)構(gòu)的尺寸減小。3.具有高度各向異性晶體結(jié)構(gòu)的材料許多固體物料自然發(fā)展成一維的納米結(jié)構(gòu)，并且這種習(xí)性是通過(guò)在晶體結(jié)構(gòu)中的高度各向異性的粘結(jié)來(lái)決定。其中最好的一個(gè)的例子可能

14、是聚合物（硫族氮化物），（SN）x，由于其金屬與超導(dǎo)性質(zhì)在70年代被的廣泛研究一種無(wú)機(jī)聚合物。均勻的納米線20nm的直徑及數(shù)百微米的長(zhǎng)度可以很容易地從氣相（SN）x生長(zhǎng)，并且它們中的一些可能也聚集成束。諷刺的是，那時(shí)的焦點(diǎn)放在了尺寸盡可能大的電導(dǎo)率單晶的增長(zhǎng)上，并且大多數(shù)人在努力（非常努力）避免晶須形態(tài)。許多已知的無(wú)機(jī)礦物如石棉和貴橄欖石還呈現(xiàn)了纖維狀生長(zhǎng)習(xí)性，這是其鏈結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)形式，或它們的晶格內(nèi)原子或離子基團(tuán)之間的一些其他各向異性。控制和受限于這些構(gòu)造單元的各向異性構(gòu)造，這些材料可與直徑被保持基本相同的晶種在垂直于生長(zhǎng)方向的尺寸被加工成納米線。此外，許多聚合物和生物系統(tǒng)以纖維形式優(yōu)先存在也

15、已被認(rèn)知，典型的例子包括纖維素和膠原。由于受限于篇幅，這里我們只討論兩種無(wú)機(jī)系統(tǒng)的鉬硫?qū)倩衔锖土蜃逶兀溆腥さ碾娮雍凸鈱W(xué)性質(zhì)。 3.1鉬硫系分子導(dǎo)線鉬硫?qū)倩?，其通式M2Mo6X6（M =鋰，鈉，X=硒，碲），是家族包含公式Mo6X6的六方最密堆積一個(gè)直鏈化合物。該Mo6X6鏈可以被看作是一個(gè)棱柱（圖2A）通過(guò)交錯(cuò)形成的層疊Mo3X3三角形單元，具有0.45nm的重復(fù)距離。當(dāng)溶解在如二甲基亞砜或N-甲基甲酰胺的高極性溶劑時(shí)，它們主要以2nm直徑鏈存在。一些鏈也可能聚集成橫截面具有1微米直徑，長(zhǎng)度可達(dá)約20微米的束（或纖維）。DiSalvo Frechet和同事證實(shí)，通過(guò)原位聚合LiMo3S

16、e3的碳酸亞乙烯酯中的稀溶液有可能制造一種主要含有（Mo3Se-3）N單線和雙線的聚合物基質(zhì)。這些分子導(dǎo)線直徑為0.6-2nm，長(zhǎng)度為5-10nm。利伯和他的同事已經(jīng)準(zhǔn)備鉬硒分子導(dǎo)線并用掃描隧道顯微鏡（STM），以探討其結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)。其隧道光譜測(cè)量顯示了在局域態(tài)密度中尖峰的存在。這一觀察結(jié)果與范霍夫一維導(dǎo)體稀有的特性是一致的。在其電導(dǎo)測(cè)量與溫度下降到5 K沒(méi)有能隙開(kāi)口（開(kāi)放）（或者金屬 - 絕緣體轉(zhuǎn)變）的證據(jù)被發(fā)現(xiàn)。楊和同事在帶有相反的電荷的有機(jī)表面活性劑的存在下進(jìn)行研究自組織的這些分子導(dǎo)線成介觀束中的自組織（圖2B）。其透射電子顯微鏡（TEM）和小角X射線衍射（XRD）研究表明，沿每個(gè)單獨(dú)

17、的分子線的結(jié)晶能很好地維持，而這些無(wú)機(jī)金屬絲之間的間隔可以通過(guò)改變表面活性劑分子的長(zhǎng)度在2-4nm的范圍內(nèi)變化。另外還發(fā)現(xiàn)，該Li2Mo6Se6納米線內(nèi)的抗衡陽(yáng)離子可以容易地更換，以形成具有不同抗衡陽(yáng)離子的Mo3Se-3納米線，因此電性能從半導(dǎo)體到超導(dǎo)是可調(diào)的。這些演示表明，這種簡(jiǎn)單而獨(dú)特的一維納米結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)應(yīng)系統(tǒng)研究以全面考察其設(shè)備制造的潛力。3.2硫?qū)僭兀何晚诹驅(qū)僭兀ɑ蛘吒唧w地，Se和Te）表示另一個(gè)理想(lxing)的系統(tǒng)，用于產(chǎn)生納米結(jié)構(gòu)的一維形貌。這兩個(gè)(lin )固體的三方晶（t-）相因其獨(dú)特(dt)的晶體結(jié)構(gòu)而令人關(guān)注。不同于氧，Se和Te原子傾向于通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合而形成聚

18、合物，螺旋鏈，而氧的存在主要是氧分子。如圖3A所示，在螺旋鏈可容易地通過(guò)范德華相互作用包裝成六邊形格子。作為由這個(gè)高度各向異性決定的結(jié)構(gòu)，結(jié)晶容易沿c-軸產(chǎn)生，相對(duì)較弱的范德華力鏈之間有利于更強(qiáng)的共價(jià)鍵通過(guò)。結(jié)果，即使當(dāng)它們從各向同性介質(zhì)中被結(jié)晶，這兩種固體依然具有變?yōu)橐痪S結(jié)構(gòu)的很強(qiáng)趨勢(shì)。除了它們的天然各向異性之外，Se和Te也有其他一系列有趣的性質(zhì)，其中尤其重要的事它們固有的手征（偏光力）。原則上，每一個(gè)單獨(dú)的納米結(jié)構(gòu)完全應(yīng)該是由R-L螺旋線組成。這兩種材料由于它們的光電導(dǎo)性，壓電（現(xiàn)象）性，反應(yīng)性也是令人關(guān)注的，它們能夠生產(chǎn)很多重要的功能材料（e.g.光電材料如CdSe和ZnTe，熱電材料

19、如PbTe和Bi2Te3）。在過(guò)去，硫族元素和硫?qū)倩衔镆呀?jīng)被利用在一系列的應(yīng)用中，包括光熱傳感器；整流器；復(fù)印機(jī)；無(wú)機(jī)顏料；壓力傳動(dòng)器（制動(dòng)器）。處理這兩種固體材料誠(chéng)意為納米結(jié)構(gòu)的能力可以改進(jìn)現(xiàn)有設(shè)備的性能或形成（通向）新應(yīng)用。3.2.1硒（Se）納米線夏和同事最近證明了一個(gè)通用的、溶液相的方法來(lái)大規(guī)模合成具有可控在10100nm的范圍內(nèi)的橫向尺寸均勻的納米線的叔硒，并且長(zhǎng)度可達(dá)幾百微米。該方法的第一步驟中包含固體硒的水溶液形式是通過(guò)硒酸與過(guò)量聯(lián)氨的還原高溫度下回流的反應(yīng)：最初的產(chǎn)品(chnpn)是磚紅色，直徑約300nm的非晶形的（A-）硒球形膠體(jio t)。當(dāng)此溶液冷卻(lngqu)

20、至室溫后，將少量的硒溶解在熱溶液中沉淀出叔硒納米微晶。當(dāng)含有的硒膠體和叔硒納米微晶混合物的分散在黑暗熟化，它經(jīng)歷了奧斯特瓦爾德熟化過(guò)程，由于相比于叔硒相其更高的自由能，該非晶硒膠體緩慢溶解到溶液中。溶解的硒隨后成長(zhǎng)為叔硒晶種的結(jié)晶納米線（圖3B）。在這個(gè)轉(zhuǎn)化中，最終產(chǎn)物的線性形態(tài)由構(gòu)造單元的固有各向異性所決定，也就是說(shuō)，硒原子在三角相中延伸的螺旋鏈。每個(gè)納米線基本上是單晶（參照高分辨率（HR）的TEM圖像圖3C和電子衍射圖案中的插圖圖3D），其特征是一個(gè)均勻的直徑沿著它的縱向軸線（圖3D）（以為特征）。這些納米線的直徑由10至100納米通過(guò)改變?cè)撗趸€原反應(yīng)的回流溫度在可控的方式上可以容易地改

21、變。在老化時(shí)間的增加僅僅導(dǎo)致形成更長(zhǎng)的納米線，其線厚度基本上沒(méi)有變化。需要注意的是沒(méi)有獨(dú)特的晶種材料和表面活性劑在該合成中使用，并且該反應(yīng)的兩副產(chǎn)物（氮?dú)夂退┎粦?yīng)引起對(duì)叔硒納米線的污染問(wèn)題。沒(méi)有扭結(jié)和其他類型的缺陷也能（應(yīng)）使這些納米線在制造納米級(jí)電子及光電設(shè)備中特別有用。圖3 A）填充組成的六邊形叔硒晶體結(jié)構(gòu)的示意圖，硒原子的螺旋鏈沿c軸彼此平行；B）叔-硒納米線的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像具有平均32nm的直徑；C）單個(gè)納米線邊緣記錄的高分辨率TEM圖像顯示很好分別的間隔0.16nm的干涉條紋，與003晶面之間的晶面間距很好地吻合。D）兩個(gè)叔硒納米線的TEM圖像，表示沿各導(dǎo)線的尺寸均勻

22、性。插圖表示從單個(gè)納米線的中間部分得到的電子衍射圖案，確認(rèn)生長(zhǎng)方向是沿軸。叔硒晶種的形成，也可以在室溫下使用其它方法如超聲處理誘發(fā)。圖4A示出了這樣一個(gè)過(guò)程的原理機(jī)制。在這種情況下，還通過(guò)硒酸與過(guò)量的肼還原制備成水性懸浮液的球形非晶硒膠體。此反應(yīng)是在室溫下進(jìn)行，以防止任何因溫度下降引起的均相成核事件。膠體最初的特征為直徑在0.12lm的范圍內(nèi)。他們隨后被干燥并被再分散在酒精中（如乙醇）。當(dāng)實(shí)施超聲波短脈沖，這些膠體進(jìn)行分解（破壞）和聚集。此外，由于空化效應(yīng)叔硒小納米微晶會(huì)在膠體的表面上生成。在下面的步驟中，硒原子從不太穩(wěn)定、無(wú)定形的膠體轉(zhuǎn)移到三角晶種直至全部硒膠體被消耗完。請(qǐng)注意，此機(jī)制不同于

23、先前段落中所討論的若干方面中的（任何）一項(xiàng)：例如，晶種主要在膠體的表面（而不是在分散介質(zhì)）形成的;線材的增長(zhǎng)主要發(fā)生在a-硒膠體表面; 由于硒在醇中溶解度高/遷移率增長(zhǎng)的發(fā)生是（幾）小時(shí)的問(wèn)題（而不是幾天）。圖4B所示使用接近100產(chǎn)率的超聲化學(xué)途徑來(lái)合成叔硒納米線。注意的是，硒膠體到叔硒線的完全轉(zhuǎn)化經(jīng)常要在增長(zhǎng)進(jìn)行5小時(shí)之后才能夠被觀察到。長(zhǎng)度達(dá)幾百微米和可控直徑在25至120nm的范圍內(nèi)的均勻的納米線，可以常規(guī)地實(shí)現(xiàn)。由于氧化還原反應(yīng)和線生長(zhǎng)都在環(huán)境溫度和壓力進(jìn)行，這個(gè)過(guò)程可以很方便地按比例增加為大批量生產(chǎn)。圖4 A）如圖說(shuō)明(shumng)了包含聲化學(xué)(huxu)途徑的叔硒納米線合成(h

24、chng)的主要步驟：通過(guò)空穴作用在a-硒膠體表面上的叔硒晶種結(jié)構(gòu)；a-硒膠體減少基礎(chǔ)上叔硒納米線的增長(zhǎng)；叔硒納米線的持續(xù)增長(zhǎng)直至所有的a-硒膠體被消耗完。 B）在他們生長(zhǎng)5h后的乙醇溶液中的叔硒納米線的SEM圖。 C）這是通過(guò)在硅襯底表面上提供超聲非晶硒膠體 直接生長(zhǎng)成一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的2D網(wǎng)叔硒納米線的SEM圖像。與此聲化學(xué)方法相關(guān)的還有另一個(gè)有趣的特征：一旦膠態(tài)懸浮液已進(jìn)行超聲處理，破碎非晶硒膠體（其表面被新形成的叔硒晶種進(jìn)行布置（裝飾），）可沉積在表面上并干燥。該底層可隨后被浸沒(méi)在乙醇（酒精）中（例如，在一個(gè)封閉的氣密容器通過(guò)表面上放置的一滴乙醇以防止蒸發(fā)），以允許納米線跨過(guò)整個(gè)基板的表面

25、進(jìn)行增長(zhǎng)。圖4C顯示通過(guò)這種新方法在硅襯底上增長(zhǎng)的納米線。在這里，人們可以清楚地看到什么是最初硒膠體的正（保）形2D網(wǎng)絡(luò)輻射出的納米線。初始分散系中不同濃度的硒膠體的可以控制網(wǎng)絡(luò)中的線密度。據(jù)信，納米線的負(fù)載在固體基材的正形（保形）生長(zhǎng)代表朝向納米電子器件之間互連的自導(dǎo)增長(zhǎng)的一個(gè)重要步驟。3.2.2 碲納米線，納米(n m)棒，納米管，納米帶古田和同事已廣泛(gungfn)研究了碲晶須在汽相生長(zhǎng)。結(jié)果表明，各種形態(tài)的碲晶須可以通過(guò)控制溫度在固體基材上增長(zhǎng)(zngzhng)。夏和同事最近證明叔碲納米線也可以通過(guò)使用類似于已被證實(shí)為硒納米線的一個(gè)步驟來(lái)合成，其中的前體酸通過(guò)肼還原而生成碲，氮?dú)夂退?/p>

26、：Se和Te的系統(tǒng)之間的主要區(qū)別是Te原子可形成晶核，而不需要將溶液冷卻。結(jié)果，在此氧化還原反應(yīng)中有兩種類型的碲產(chǎn)物形成：A-碲膠體和叔碲晶種（以納米晶的形式）。材料從非晶態(tài)向晶態(tài)相的轉(zhuǎn)移跟Se和Te本質(zhì)上是相同的。因?yàn)樵陧谒岬倪€原中成核事件可能連續(xù)地發(fā)生，碲納米線的單分散性是難以控制的。然而，制備好的叔碲納米線通過(guò)相對(duì)窄的尺寸分布利用該反應(yīng)進(jìn)行表征，具有一種典型的10的標(biāo)準(zhǔn)偏差（圖5A）。圖5 A、B）采用液相法合成的叔碲納米線和納米棒的SEM圖像與（證明了、如圖所示的）硒相似；C）197下通過(guò)碲二酸與乙二醇還原合成的叔-碲納米管的SEM圖像。通過(guò)還原亞硒酸和原碲酸與肼的混合物合成的se0.

27、5te0.5納米棒的SEM圖像。同古田和其同事所做的汽相實(shí)驗(yàn)相同，不同(b tn)溫度范圍下常見(jiàn)(chn jin)的多種多樣(du zhn du yn)的形態(tài)：20-100下（以水為溶劑）形成的納米線， 開(kāi)發(fā)（拓展）具有輕微錐度和等邊三角形橫截面的脊?fàn)钚螒B(tài)。100-196下在乙二醇中形成的納米線，顯示出具有明顯的錐度與等腰三角形橫截面的絲狀結(jié)構(gòu)。178下在水/乙二醇混合物中進(jìn)行的合成，得到的納米棒具有六邊形和無(wú)錐度的橫截面（圖5B）。在這種情況下，該產(chǎn)品尺寸是高度單分散（monodispersed）的，具有983nm的平均直徑和1.800.16lm的長(zhǎng)度。電子衍射研究證實(shí)單結(jié)晶度和生長(zhǎng)方向是沿

28、軸的。因?yàn)楦邷叵马谠谝叶既芤褐腥芙舛群瓦w移率的提高，使得這些納米棒能夠形成。這種變化保證碲原子在尖端生長(zhǎng)時(shí)較高的過(guò)飽和度，從而允許具有均勻的六角形橫截面（而不是線狀的納米線）的無(wú)缺陷的納米線的形成。 包括非晶性膠體的形成，盡管它仍然可以用離散成核和生長(zhǎng)臺(tái)階來(lái)描述。反應(yīng)似乎以原碲酸分解成二氧化碲開(kāi)始的，伴隨這叔碲六角形晶種的形成。沿著這些晶種圓周邊緣的后續(xù)生長(zhǎng)導(dǎo)致了碳納米管形態(tài)的演變。這些納米管的實(shí)心壁具有30nm相當(dāng)均勻的厚度，是由晶種表面上碲原子的擴(kuò)散來(lái)確定的。這些無(wú)機(jī)納米管的長(zhǎng)度可以通過(guò)控制生長(zhǎng)時(shí)間來(lái)改變。圖5C示出了碲納米管在三方晶相中結(jié)晶的典型例子的SEM電鏡圖。據(jù)信（有人認(rèn)為），中

29、空結(jié)構(gòu)的形成最有可能是碲濃度分布其固體晶種表面上的一種表現(xiàn)。一旦成核步驟后，碲原子在晶種表面的進(jìn)一步添加似乎優(yōu)先發(fā)生在每個(gè)圓柱形晶種的圓周邊上，因?yàn)檫@些晶點(diǎn)（點(diǎn)）相對(duì)于表面上其他的晶點(diǎn)有著較高的自由能。只要晶體生長(zhǎng)開(kāi)始時(shí)，質(zhì)量傳遞到生長(zhǎng)區(qū)域?qū)е律L(zhǎng)表面中心部分的欠飽和（碲完全耗盡（損耗），每個(gè)晶種的001面，并最終導(dǎo)致具有界限清楚中空內(nèi)部的納米管的形成。除了納米管，錢(qián)和他的同事最近展示一種水熱法途徑對(duì)單晶狀碲納米帶合成。3.2.3 硒/碲合金納米棒因?yàn)槿ǚ骄В┫辔晚诘?固體在相同的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)條件下結(jié)晶化，這和純凈硒納米線和碲納米線的產(chǎn)生基本相同，這是一種自然步驟，結(jié)和這兩個(gè)反應(yīng)去生成他們合

30、金的一維納米結(jié)構(gòu)。夏和同事發(fā)現(xiàn)，有可能通過(guò)還原亞硒和碲酸與聯(lián)氨還原一步（鍋）法制成硒/碲合金的單晶狀納米棒。發(fā)現(xiàn)這些納米棒將保留的元素比作為前（驅(qū)）體的酸。每個(gè)螺旋形鏈被認(rèn)為是包括Se和Te原子的結(jié)構(gòu)域，如在一個(gè)隨機(jī)的有機(jī)嵌段共聚物。然而，單個(gè)的硒和碲（結(jié)構(gòu)）域，不能用TEM或電子衍射解析，這表明這兩種元素是在原子尺度進(jìn)行混合的。圖5D顯示了在一個(gè)反應(yīng)中所獲得的納米棒的SEM圖像，這個(gè)反應(yīng)涉及了亞硒與碲摩爾比1:1的酸和過(guò)量的聯(lián)氨。在這種情況下，這些納米棒的平均直徑和平均長(zhǎng)度分別為50nm和250nm。做了這些納米棒的X射線能量色散分析（EDX），對(duì)硒和碲的特征峰進(jìn)行觀察，并確認(rèn)了納米棒中硒和

31、碲的元素比為2:1（圖5D的插圖。從XRD衍射圖計(jì)算出的晶格參數(shù)也下降為三方晶碲和硒的那些值之間，表明合金中這兩種元素間固溶體的形成。通過(guò)微調(diào)這些納米棒的元素組成，可能控制它們的特性，如壓電性（碲的更大）或光電導(dǎo)性（硒的更大），同時(shí)仍然保持它們的維數(shù)和單結(jié)晶。3.3具有各向異性結(jié)構(gòu)的其他固體原則上，上述(shngsh)的兩節(jié)中描述的合成方法(fngf)也可以擴(kuò)展到其他范圍的固體材料，其晶體結(jié)構(gòu)的特征是鏈狀構(gòu)造(guzo)單元。許多這些固體已經(jīng)在低維半導(dǎo)體或?qū)w的范圍內(nèi)被廣泛地研究，并且其中一些常見(jiàn)的被會(huì)以細(xì)針狀或晶須狀的形式結(jié)晶（納米棒的宏觀及微觀對(duì)應(yīng)物）。典型的例子包括銻化硅，鐵電性材料和光

32、電性材料；四氰合鉑二酸鉀，窄禁帶半導(dǎo)體；和MX3（M =過(guò)渡金屬，X = 硫，硒和碲），大量的半導(dǎo)體和熱電材料；金屬酞菁，M（Pc）【Pc為聚碳酸酯】為M=氫氣，鎳，M(Pc)On的M是硅，鍺（zhe）錫，一組具有金屬導(dǎo)電性和光電導(dǎo)特性的金屬有機(jī)聚合物。通過(guò)修改已經(jīng)開(kāi)發(fā)了用于硫?qū)僭睾豌f硫?qū)倩铮蚧f）的實(shí)驗(yàn)程序，人們應(yīng)該能夠從這些固體材料的反應(yīng)溶液中得到均勻的納米線。4. 模板法控制合成模板指導(dǎo)合成代表了一維納米結(jié)構(gòu)合成的一個(gè)簡(jiǎn)單的路線。在這種方法中，模板簡(jiǎn)單地用作一個(gè)支架，其中（或周?chē)┮环N不同的材料在原位產(chǎn)生，并且形成具有與模板相互補(bǔ)形態(tài)的納米結(jié)構(gòu)。豐富的模板已經(jīng)被各類研究小組所證明，

33、有許多現(xiàn)在的例子：包括固體基質(zhì)表面上的臺(tái)階邊緣；多孔材料中的通道；中尺度結(jié)構(gòu)自組裝的有機(jī)表面活性劑或嵌段共聚物；生物大分子如DNA的菌株或棒狀病毒；以及使用其它方法合成的現(xiàn)有的納米結(jié)構(gòu)。當(dāng)模板僅涉及到物理方面時(shí)，為了收獲合成的納米結(jié)構(gòu)往往需要使用后期合成手段（例如化學(xué)蝕刻和煅燒）有選擇性地移除此模板。在化學(xué)方法中，模板通常隨著反應(yīng)的進(jìn)行被消耗掉，并能直接獲得純的納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。人們普遍認(rèn)為模板指導(dǎo)合成提供了一種簡(jiǎn)單，高生產(chǎn)量和成本效益的過(guò)程，也可以使復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)出現(xiàn)在模板的表面上，以在單一步驟中進(jìn)行復(fù)制。作為一個(gè)主要的缺點(diǎn)，利用模板指導(dǎo)的方法合成的納米結(jié)構(gòu)通常是多晶的，并且在每一次合成運(yùn)行中要

34、生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)的數(shù)量是相對(duì)有限的。在這里，我們只簡(jiǎn)單討論四種模板的方法，重點(diǎn)是他們的性能，可行性和潛在的延伸。4.1固體基質(zhì)上制模（模板）的不利特點(diǎn)固體基質(zhì)表面上出現(xiàn)的浮雕結(jié)構(gòu)可以作為一類天然的模板，用于產(chǎn)生（支持）一維的納米結(jié)構(gòu)。在這方面，通過(guò)光刻和蝕刻可使納米結(jié)構(gòu)方便地在固體基質(zhì)表面上形成圖案，并且（納米結(jié)構(gòu)？）可以被用作模板來(lái)制造各種材料制成的納米線。用不同的材料裝飾這些模板（通常是它們的邊緣），例如，從各種金屬和半導(dǎo)體中提供納米線形成的一個(gè)強(qiáng)大的途徑（路線）。如約里茨馬和同事給出的那樣，針對(duì)蝕刻在Si（100）晶片表面上的V形槽來(lái)說(shuō)，細(xì)如15nm的金屬納米線可以通過(guò)影射出一個(gè)金屬源來(lái)制備。

35、在另一個(gè)過(guò)程中，使用一些基于氣相沉淀或者溶液相電化學(xué)電鍍的技術(shù)，金屬或半導(dǎo)體可在正常的影響范圍上被應(yīng)用，之后在每個(gè)V形槽的底部可以重組成一維納米結(jié)構(gòu)。用這種簡(jiǎn)單的方法，長(zhǎng)度達(dá)幾百微米的連續(xù)薄納米線可常規(guī)地制備表面上排列平行的固體基質(zhì)，隨后可以釋放為獨(dú)立的形式或者轉(zhuǎn)化到其他基質(zhì)表面上。如米勒和同事所證明的那樣，有可能通過(guò)Si（100）基質(zhì)表面上的反V形槽蝕刻模板法以制造大量的鍺納米線的平行陣列。還值得一提的是通過(guò)對(duì)出現(xiàn)在的NaCl晶體表面的（110）地形特征的模板法菅（jian）原和同事已經(jīng)制造出鐵納米線的3維陣列。圖6 產(chǎn)生一維納米結(jié)構(gòu)(jigu)的過(guò)程說(shuō)明圖：A）陰（罩）式蒸發(fā)；B）V形槽底

36、部的重組；C）多層薄膜橫截面上裂縫的增長(zhǎng)；D）固體基質(zhì)上臺(tái)階邊緣的模板(mbn)形成。就模板從多種金屬和半導(dǎo)體中增長(zhǎng)量子結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單圖案來(lái)說(shuō)，多層薄膜的橫截面也可以使用(shyng)MBE來(lái)制備（圖6C）。這種技術(shù)通常被稱為裂縫增生（過(guò)度生長(zhǎng)）（CEO），MBE法在控制超晶格的膜厚度中有著精度高的優(yōu)點(diǎn)。在該技術(shù)中，交替層（例如，鋁鎵砷和砷化鎵組成）組成的超晶格可有MBE制造，然后原位斷裂，通過(guò)多層膜結(jié)構(gòu)的厚度來(lái)生產(chǎn)原子級(jí)清潔表面。在下面的步驟中，MBE（分子束外延）或電化學(xué)沉積用來(lái)生長(zhǎng)外露表面選定區(qū)域上的外延層。這種做法使相交的原子或埃級(jí)量子阱控制在兩個(gè)方向上的厚度的形成。原型設(shè)備如從7nm寬量

37、子阱的交點(diǎn)形成的量子線激光器也是使用這種技術(shù)制造的。對(duì)于大部分制造任務(wù)，CEO（裂縫增生）為量子結(jié)構(gòu)提供了比電子束或光學(xué)光刻更均勻的形態(tài)，因?yàn)镃EO（裂縫增生）繼承了原子的均勻性和MBE的精確度。然而，這種技術(shù)僅限于那些可以沿著基底的自然解理方向和沿著分子束外延優(yōu)先發(fā)生生長(zhǎng)的晶格面被制造的結(jié)構(gòu)。此外，該結(jié)構(gòu)必須從材料的相交平面中組合起來(lái)。雖然這種技術(shù)是最常用的，并且當(dāng)與MBE結(jié)合時(shí)具有最高分辨率，相同的基本方法應(yīng)該適用于許多其他的沉積技術(shù)生長(zhǎng)的多層膜使用。彭納和他的同事通過(guò)出現(xiàn)在利用電沉積的高取向、熱解石墨的模板法步驟已經(jīng)演示了金屬納米線的生長(zhǎng)。他們研究中利用了兩種不同類型的材料：惰性金屬（如

38、鈀，銅，銀和金）和電導(dǎo)性金屬氧化物（如MoOx,MnO2, Cu2O, and Fe2O3），通過(guò)在高溫氫氣下可以隨后被還原為相應(yīng)的金屬（鉬，錳，銅，和鐵）。納米線被認(rèn)為是優(yōu)先成核，并沿著出現(xiàn)在石墨表面上的臺(tái)階邊緣生長(zhǎng)成二維平行排列，這可能被轉(zhuǎn)移到載玻片上氰基丙烯酸酯膜的表面上。用于通過(guò)氧化物前體的金屬納米線的形成，根源（parent）氧化物導(dǎo)線的尺寸均勻性和半圓柱形的形狀可以在H 2還原過(guò)程中保持，雖然直徑往往減少35。除了出現(xiàn)在固體基材表面上的物理特征外，膜淀積期間產(chǎn)生的菌株也被作為物理模板用于指導(dǎo)沉積材料“生成”排列的一維納米結(jié)構(gòu)的體制。4.2 多孔材料(cilio)中的隧道(sudo)

39、（孔道(kngdo)）多孔膜的隧（通）道在一維的納米結(jié)構(gòu)合成中的提供了另一類模板（圖7）。這種方法是由馬丁和其他幾個(gè)人開(kāi)創(chuàng)的。這種歌城常用到兩個(gè)類型的多孔膜：含徑跡蝕刻通道的聚合物膜和含陽(yáng)極蝕刻毛孔的氧化鋁薄膜。兩者都可以從許多公司那兒商業(yè)獲得，包括Nuclepore（核孔），Poretics（孔學(xué)），和沃特曼。對(duì)于徑跡蝕刻，用重離子（由核裂變）輻射過(guò)的聚合物膜（厚6-20m）會(huì)在這個(gè)膜表面產(chǎn)生損壞點(diǎn)（破壞點(diǎn)）。這些點(diǎn)之后通過(guò)化學(xué)蝕刻擴(kuò)大，產(chǎn)生均勻的，圓柱形的孔來(lái)貫穿這個(gè)膜。使用這種方法制造的孔常常隨機(jī)地分布在膜表面上;而且它們的方向相對(duì)于表面法線傾斜可達(dá)34。多孔氧化鋁薄膜通常是用鋁箔陽(yáng)極在

40、酸性介質(zhì)中氧化制備的，并且它們通常包含六邊形填充二維排列、具有相對(duì)均勻尺寸的圓柱形孔。不同于由徑跡蝕刻制造的聚合物膜，在氧化鋁膜中具有很少或沒(méi)有傾斜于表面法線的孔并且孔密度也高得多。圖7 圖標(biāo)說(shuō)明了通過(guò)使用想要的材料或這個(gè)材料的前體的多孔膜，采用填充或部分填充而形成的納米線或納米管。各種各樣的材料已被檢測(cè)與這個(gè)類別的模板使用，典型例子還有不同的金屬，半導(dǎo)體，陶瓷和有機(jī)聚合物。唯一的要求似乎是該材料可以被加載到該孔上，使用的方法是基于氣相濺射，液相注射，或溶液相化學(xué)或電化學(xué)沉積上的。除了氣相蒸發(fā)和溶液相沉積，具有相對(duì)低的熔點(diǎn)的金屬（例如Bi）可直接以液體形式注入陽(yáng)極氧化鋁膜的細(xì)孔內(nèi)，并隨后固化成

41、高結(jié)晶性的納米線。最近，曹和同事也展示了使用電泳沉積的方法用溶膠-凝膠前體中原位生成的電荷的溶膠去填充聚合物或氧化鋁膜中的孔。隨后在升高的溫度下的煅燒導(dǎo)致均勻的陶瓷納米棒的組合物的形成，如二氧化鈦和Pb（Zr鋯，Ti鈦）O3（PZT）。值得一提的是，在此過(guò)程的早期階段，該材料可能會(huì)被優(yōu)先沉積，因?yàn)檫@些孔壁上均勻的層可（，以）形成筒狀的納米結(jié)構(gòu)，而不是實(shí)心棒（圖7）。在這兩種情況下，所得到的納米結(jié)構(gòu)可在孔內(nèi)以對(duì)齊的陣列存在，或從模板釋放并在自由形式以自由組合式收集。雖然采用這種方法合成的納米線通常是多晶的，單晶的，也是在精心控制的條件下獲得的。例如，巴比克和同事已經(jīng)證明，在自催化過(guò)程里聚碳酸酯膜

42、的通道中，非電解沉積的使用可產(chǎn)生單晶的銀納米線。諾依曼和同事還表明，脈沖電沉積可被用來(lái)選擇性地生長(zhǎng)單晶或多晶的銅納米線。也有人認(rèn)為，鉛單晶線的形成需要從平衡條件出發(fā)（例如，具有較大的過(guò)電位）比所需的多晶樣品的形成更顯著。在最近的一項(xiàng)研究中，郭和他的同事發(fā)現(xiàn)，采用電泳沉積法合成的二氧化鈦納米線一旦它們的直徑減小到小于15nm就會(huì)變成單晶。以膜為基礎(chǔ)的模板相聯(lián)系的主要優(yōu)點(diǎn)是，納米線的尺寸（維度）和組成可以通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)條件能容易被控制。在一系列的出版物中，馬洛克，基廷，和同事已經(jīng)證明，該方法可以用來(lái)生成含有尺寸明確的不同的金屬帶的納米線。除了大孔膜，含有更小，1D通道(tngdo)（直徑為1.5-3

43、0 nm）的介孔材料(cilio)作為(zuwi)生成超細(xì)納米結(jié)構(gòu)物理模板一直在被積極地探索。兩種類型的中孔二氧化硅已作為模板被審查： MCM系列（如MCM-41）和SBA系列（如SBA-15）。它們都含有中孔的六角形陣列。在這些中孔材料中一維的納米結(jié)構(gòu)的制備還包括三個(gè)步驟：經(jīng)由基于蒸汽或溶液的方法與合適的前體的孔隙滲入，轉(zhuǎn)化這個(gè)前體成想要的材料，通過(guò)選擇性地移除模板可以重獲一維納米結(jié)構(gòu)。已納入此過(guò)程中的材料包括貴金屬（如銀，金，鉑和鈀）和雙金屬合金（如金/鉑）。從這些模板中獲得的每一個(gè)一維的納米結(jié)構(gòu)都是一種多晶體。其中大多數(shù)的特點(diǎn)是相對(duì)低的縱橫比，由于涉及到前體的熱轉(zhuǎn)化的較高的體積收縮率，他

44、們中的一些甚至可能以離散納米粒子存在。與介孔材料相似，碳納米管至少具有一個(gè)開(kāi)口端，也可以通過(guò)毛細(xì)管作用填充有液體（熔融的金屬或鹽溶液）。由于碳納米管的小直徑，一直難以達(dá)到完全的高產(chǎn)率。填充的長(zhǎng)度通常限制在幾百納米。據(jù)格林和同事所報(bào)告，通過(guò)濕化學(xué)釕與單壁碳納米管填充的產(chǎn)率僅為2。最近，他們還提出一種可以增加填充過(guò)程銀的產(chǎn)率為50的更有效的液相方法，通過(guò)采用KCl和UCl4組成的共晶熔融系統(tǒng)或AgCl和AgBr組成的固溶體系統(tǒng)。除了金屬，金屬氧化物也被證實(shí)應(yīng)用與這種類型的模板。與多孔膜和介孔材料相比，當(dāng)電子應(yīng)用需要裸露的納米線時(shí)是很難移除碳納米管模板的。4.3對(duì)自組裝分子結(jié)構(gòu)模板的模板法自組裝的中

45、間相結(jié)構(gòu)的表面活性劑提供另一類有用并且通用的模板法用于生產(chǎn)相對(duì)大量的一維的納米結(jié)構(gòu)（圖8）。眾所周知，當(dāng)表面活性劑分子濃度達(dá)到臨界值時(shí)它就會(huì)自發(fā)地組織形成棒狀膠束（或逆膠束）。當(dāng)與適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)或電化學(xué)反應(yīng)結(jié)合時(shí)，這些各向異性的結(jié)構(gòu)可以直接用作軟模板以促進(jìn)納米棒的形成。表面活性劑分子需要被選擇性地除去，以收集相對(duì)純的納米棒樣品?；谶@個(gè)原理，Mann和同事，楊和他的同事已經(jīng)證明了單分散尺寸的鋇鉻酸鹽，硫酸鋇和鎢酸鋇納米棒的合成。王和同事也證實(shí)金納米棒的合成，是借助溴化十六烷基三甲銨（CTAB）和另一個(gè)更疏水的陽(yáng)離子表面活性劑（例如，四辛基溴化銨（TOAB）組裝的棒狀膠束模板法。在包含金陽(yáng)極和鉑陰極

46、的電池內(nèi)通過(guò)電化學(xué)溶解可原位生成金。后來(lái)埃爾-賽耶德和同事用這個(gè)方法通過(guò)控制良好的縱橫比和等離振子的特性來(lái)合成金，銀納米棒。最近，江角，楊和同事開(kāi)發(fā)廊一種光化學(xué)路線用于相似縱橫比均勻金納米棒的制備。墨菲和同事證實(shí)了金納米棒的另一個(gè)有用的路線，晶種介導(dǎo)的生長(zhǎng)用于生成具有可控厚度和縱橫比金屬納米棒。在一個(gè)典型的合成中，3-5 nm直徑的金或銀納米粒子以晶種的形式被加入到溶液中，溶液中包括棒狀的膠束（溴化十六烷基三甲銨組成的）和一個(gè)金屬前體如氯金酸或硝酸銀。當(dāng)弱還原劑（如抗壞血酸）加入的時(shí)候，晶種充當(dāng)成核位置在膠束結(jié)構(gòu)的限制之內(nèi)用于納米棒的生長(zhǎng)。橫向尺寸與這些納米棒的縱橫比可通過(guò)改變與金屬前體相關(guān)的

47、晶種的比率來(lái)進(jìn)行控制。在另一個(gè)實(shí)例（證實(shí)）中，嚴(yán)和同事已經(jīng)制造出有著相對(duì)高縱橫比的排列結(jié)晶的銀納米線，當(dāng)電沉積發(fā)生在一個(gè)含有磺基琥珀酸酯二鈉（2-乙基乙基）（AOT酸鈉），對(duì)二甲苯和水的膠束相中。在這種情況下，通過(guò)增加表面活性劑的濃度棒狀膠束可以進(jìn)一步組裝成一個(gè)六角形的液晶相（正?；蚍聪颍?。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是，金屬納米線可以被合成為規(guī)則排列而不是取向隨意的樣品。最近，李和同事通過(guò)對(duì)CTAB的層狀相模板化WO42-離子，接著通過(guò)真空熱解合成單晶鎢納米線。通過(guò)使用這類模板法已經(jīng)合成了大量的金屬納米線，然而膠束相的制備和清除通常是困難而乏味的。嵌段共聚物通過(guò)(tnggu)連接兩個(gè)或更多個(gè)化學(xué)上不同的

48、首位(shu wi)相連的共價(jià)鍵片段（或塊）形成(xngchng)的聚合物也可以用作軟模板來(lái)生成一維納米結(jié)構(gòu)。當(dāng)化學(xué)性質(zhì)不同的聚合物不互溶時(shí)，這些鏈的大量聚集會(huì)分成不同的相（階段）。在適當(dāng)條件下（例如，不同鏈段的分子量之間有著合適的比率），可以形成具有類似自組裝的表面活性劑的結(jié)構(gòu)的柱面（圓柱體）的規(guī)則陣列。這樣的排列結(jié)構(gòu)中不同的區(qū)域可以通過(guò)物理吸附或化學(xué)配位選擇性地去布置金屬（或半導(dǎo)體）的前體，使得嵌段共聚物強(qiáng)大的模板系統(tǒng)用于一維納米結(jié)構(gòu)的合成。一系列不同嵌段共聚物已被用于銀納米線合成的測(cè)試，顯著的例子包括那些由碳硅烷樹(shù)狀大分子和聚異氰基縮氨酸，雙親水性聚（環(huán)氧乙烷） - 嵌段 - 聚（甲基丙

49、烯酸）組成的嵌段共聚物。因?yàn)樵搲K與官能團(tuán)可以很容易地設(shè)計(jì)去選擇性地與任何特定的金屬離子或化合物相互作用，可以被編入到這個(gè)模板法過(guò)程的材料的范圍可能非常的廣。類似于使用其它軟模板合成的納米線，在這種情況下獲得的產(chǎn)物通常是多晶的，并且可能聚集成束。4.4 （對(duì)）現(xiàn)有納米結(jié)構(gòu)的模板法目前現(xiàn)有的納米線是直接作為模板（物理或化學(xué)）以產(chǎn)生納米線和其它類型的各種材料的一維納米結(jié)構(gòu)，其中的一些可能很難（或不可能）直接合成為均勻的樣品。在一個(gè)方法中，這些納米線的表面可以直接涂覆有不同的材料制成的共形護(hù)套以形成同軸納米電纜。隨后的原始納米線的分解將導(dǎo)致納米管的形成。例如，墨菲和同事已經(jīng)直接將金納米棒包覆聚苯乙烯或

50、二氧化硅（厚度為5-10nm），以形成電纜狀的納米結(jié)構(gòu)?？_素和同事采用鎳納米棒上相反電荷物質(zhì)的層層沉積（手段）用來(lái)制備納米電纜和復(fù)合納米管。此外，溶膠-凝膠包（涂）覆法作為一種通用路線已被研究去制造同軸納米電纜，可能包含導(dǎo)電芯片（由金屬制成）和絕緣護(hù)套（以無(wú)定形氧化硅或其他電介質(zhì)材料的形式）。圖9A是AgSiO2同軸納米電纜典型樣品的TEM圖像，它是通過(guò)使用來(lái)源于溶膠-凝膠前體的二氧化硅包覆在銀納米線上獲得的。通過(guò)改變前體的濃度和/或沉積時(shí)間可以控制護(hù)套的厚度在2100nm內(nèi)。選擇性除去銀的晶核（在氨溶液中蝕刻）產(chǎn)生具有良好控制的尺寸和均勻壁結(jié)構(gòu)的二氧化硅納米管（圖9B）。如第9部分所討論，

51、這些同軸納米電纜可能會(huì)發(fā)現(xiàn)使用理想的結(jié)構(gòu)單元，通過(guò)LB膜的自組裝，以生成二維和三維周期性結(jié)構(gòu)。楊和同事(tng sh)最近證明單晶納米線（使用例如熱蒸發(fā)或激光燒蝕的方法(fngf)預(yù)合成），可以作為基質(zhì)用于另一種固體(gt)的外延生長(zhǎng)以產(chǎn)生具有尖銳的結(jié)構(gòu)和組合界面的同軸電纜，雙層納米帶。例如，他們已經(jīng)合成了TiO2/SnO2（圖10）和Co0.05Ti0.95O2/SnO2納米帶。室溫下后者的結(jié)構(gòu)被證明是鐵磁性的。相關(guān)的研究中，利伯和同事通過(guò)外延生長(zhǎng)合成了半導(dǎo)體核殼和多殼納米線異質(zhì)結(jié)，而外延生長(zhǎng)是通過(guò)連續(xù)步驟中反應(yīng)氣體的組成調(diào)節(jié)的。這些研究清楚地證明了許多功能（例如，熒光，磁性，鐵電，壓電，和

52、超導(dǎo)）合并成一個(gè)單獨(dú)的納米線的可能性，這會(huì)在許多領(lǐng)域中發(fā)現(xiàn)新應(yīng)用。除了納米線，碳納米管已被利用作為另一種類型的物理模板從許多材料中產(chǎn)生納米棒或管。例如，通過(guò)直接氣相蒸發(fā)戴和同事已經(jīng)開(kāi)發(fā)碳納米管來(lái)制造金屬納米線。發(fā)現(xiàn)鈦薄層的預(yù)沉積對(duì)金屬中連續(xù)納米結(jié)構(gòu)的形成非常關(guān)鍵，如金、鈀、鐵、鋁和鉛，因?yàn)殁伳軌蚋纳铺技{米管表面的濕潤(rùn)度。另外，這些金屬的直接沉積只導(dǎo)致去濕的離散顆粒的形成。由于和半厘米一樣長(zhǎng)的碳納米管已經(jīng)合成了，原則上，可以采用這種方法由豐富多樣的材料去制造相對(duì)長(zhǎng)的納米線。另一個(gè)示例中，通過(guò)他們的官能側(cè)基與金屬離子之間的相互作用，鏈狀生物分子也可被用來(lái)指導(dǎo)金屬形成線性排列的組裝。這些金屬離子隨后

53、沿著每個(gè)生物分子的主鏈（骨干）被還原成一系列的納米粒子。如果金屬離子的貯存器（儲(chǔ)層）也存在，這些納米顆?？梢员贿M(jìn)一步連接以產(chǎn)生連續(xù)的納米線。例如，使用DNA鏈的模板法這種方法，Ag和Pt的導(dǎo)電納米線已被成功地生產(chǎn)。這些金屬納米線可以作為連接線以原型形式制作簡(jiǎn)單的電子電路。與這種類型模板相關(guān)聯(lián)的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是，使用生物化學(xué)上已經(jīng)發(fā)展很好的許多工具有可能產(chǎn)生任意設(shè)計(jì)的復(fù)雜圖案。一些納米結(jié)構(gòu)可以轉(zhuǎn)換為其它材料，而不改變它們的形態(tài)，當(dāng)他們?cè)谧屑?xì)控制的條件下與適當(dāng)?shù)脑噭┓磻?yīng)。由硅納米結(jié)構(gòu)的熱氧化可知這種方法的觀念是顯而易見(jiàn)的，即硅可被轉(zhuǎn)化成各種硅氧化物的方法。該模板效應(yīng)提供了另一種生成一維納米結(jié)構(gòu)的有前

54、途的途徑，然而，可能很難直接合成或制造。該方法的理念最初是由利伯和同事證實(shí)的，發(fā)現(xiàn)高度結(jié)晶的金屬碳化物納米棒可通過(guò)高溫下碳納米管與金屬的氧化物或鹵化物反應(yīng)而形成。類似的模板程序，后來(lái)被范和同事利用生產(chǎn)氮化鎵，磷化鎵，和碳化硅晶體納米棒。除了碳納米管，硼納米線已被被楊和他的同事當(dāng)作模板用于形成高結(jié)晶性的二硼化鎂納米線，這個(gè)材料顯示出引人關(guān)注的超導(dǎo)特性。已證實(shí)一些溶液相反應(yīng)與其它化學(xué)組分將目前現(xiàn)有的納米線轉(zhuǎn)化形成一維納米結(jié)構(gòu)。例如，楊和同事證實(shí)，貴金屬（如金，銀，鈀和鉑）的單獨(dú)納米線是可以被制備的，通過(guò)LiMo3Se3分子線（作為還原劑）與含金屬離子（例如，AuCl4-，Ag+和PdCl42+，和

55、PtCl42-）的水溶液氧化還原反應(yīng)。用類似的方法，夏和同事已經(jīng)合成了貴金屬如金、鈀和鉑的高結(jié)晶納米管，是通過(guò)銀納米線與水介質(zhì)中這些金屬的適合前體間的親電取代反應(yīng)。例如，當(dāng)銀納米線被分散到水性氯金酸溶液時(shí)，它們將立即被氧化成銀離子。合成的Au原子將主要局限在模板表面的附近。一旦它們的濃度已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)臨界值時(shí)，金原子會(huì)成核并且生長(zhǎng)成小群簇，并最終逐漸形成圍繞銀模板的鞘狀結(jié)構(gòu)。該反應(yīng)被認(rèn)為是在最高表面能的面開(kāi)始，然后進(jìn)行到那些具有較低的能量的面。結(jié)果，在初期階段形成的薄鞘是不完整的，因此，反應(yīng)物和產(chǎn)物穿過(guò)這一層擴(kuò)散直至銀模板已經(jīng)被完全消耗掉。如果該反應(yīng)在高溫下繼續(xù)回流，通過(guò)諸如奧斯特瓦爾德熟化過(guò)

56、程每個(gè)金管的壁將中被重建成具有高度結(jié)晶結(jié)構(gòu)。同時(shí)，在該壁中的缺口也將被關(guān)閉，以形成無(wú)縫的光滑表面的金碳納米管?；谠摲磻?yīng)的化學(xué)計(jì)量，金的納米管的厚度約為對(duì)應(yīng)的銀模板的橫向尺寸的九分之一。值得一提的是，Ag2Se單晶納米線（圖12）已通過(guò)(tnggu)室溫下叔硒單晶納米線層與AgNO 3的水溶液之間的拓?fù)?tu p)化學(xué)反應(yīng)（局部規(guī)整(u zhn)反應(yīng)）合成。在此模板接合過(guò)程中，銀離子擴(kuò)散到叔硒的晶格并形成Ag2Se而不涉及硒原子的顯著重組。一個(gè)有趣的、依賴直徑的相平移也研究到這種新的納米線系統(tǒng)： 當(dāng)Ag2Se納米線直徑小于40nm時(shí)發(fā)現(xiàn)其在四方結(jié)構(gòu)結(jié)晶（圖12A-C）。當(dāng)這些納米線的橫向尺寸增

57、大到超過(guò)40nm，該正交結(jié)構(gòu)會(huì)變得更加穩(wěn)定。這個(gè)工作似乎代表模板指導(dǎo)合成的第一示范，即室溫下在溶液相中能夠生成單晶納米線。這些均勻的Ag2Se納米線令人關(guān)注的是它們作為超離子導(dǎo)體和熱電材料的應(yīng)用。模板對(duì)使用其他方法的納米線預(yù)處理，提供了一個(gè)通用并且有效的方法，大大擴(kuò)大了能處理成均勻一維納米結(jié)構(gòu)材料的多樣性。一個(gè)與納米線的模板化過(guò)程有關(guān)的主要問(wèn)題是，很難實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格控制最終產(chǎn)物的組成和結(jié)晶度。使用這些方法合成的往往是結(jié)構(gòu)多晶的納米線，并且僅幾個(gè)方案可（已）導(dǎo)致單晶產(chǎn)物的形成。對(duì)于一個(gè)涉及納米線的表面上的化學(xué)反應(yīng)的模板過(guò)程，如果產(chǎn)品具有比初始模板更大的摩爾體積，當(dāng)模板周?chē)膲毫鄯e到主要的值時(shí)，反應(yīng)會(huì)

58、在某一段時(shí)間后自動(dòng)停止。在一般情況下，為了充分了解這些固-氣反應(yīng)或固-液反應(yīng)在原子尺度上是如何進(jìn)行的，仍需研究大多數(shù)模板指導(dǎo)的反應(yīng)的機(jī)制。在這個(gè)根本問(wèn)題上有更深的了解必將使我們能夠更好地控制產(chǎn)品，包括其組成，相純度，結(jié)晶度和形態(tài)。5 適用于所有固體材料的通用方法如果固體材料具有高度各向異性的晶體結(jié)構(gòu)，各向同性介質(zhì)中納米線的生長(zhǎng)是相對(duì)簡(jiǎn)單明了的。如第3部分所示，均勻的納米線可以很容易地由一個(gè)長(zhǎng)度達(dá)幾百微米的各向異性固體（如三相硫?qū)僭兀┥L(zhǎng)而成。對(duì)于特征是各向同性晶體結(jié)構(gòu)的許多固體來(lái)說(shuō)（例如，幾乎所有的金屬都是在面心立方（fcc）的晶格結(jié)晶的），成核步驟中需要對(duì)稱斷裂以引起各向異性生長(zhǎng)。為此，大

59、量的方法已被開(kāi)發(fā)用來(lái)降低晶種的對(duì)稱性（或圍繞晶種的環(huán)境），以產(chǎn)生具有一維形貌的納米結(jié)構(gòu)。第4部分中描述的模板指導(dǎo)方法提供了一些很好的例子。汽體 - 液體- 固體（VLS）的過(guò)程代表了另一種簡(jiǎn)潔的方法，其中，所述對(duì)稱性的破壞是由于（通過(guò)）引固 - 液界面的引入。此外，系統(tǒng)的過(guò)度飽和也可以低于一定水平的控制，以有效地促使和維持一維的生長(zhǎng)，這是已經(jīng)被許多汽相和溶劑熱過(guò)程證明了的。封端劑也被檢驗(yàn)以動(dòng)力學(xué)去控制各種固體表面的增長(zhǎng)速度，從而實(shí)現(xiàn)各向異性生長(zhǎng)。本節(jié)的目的是對(duì)這些化學(xué)方法提供一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹，重點(diǎn)是它們的機(jī)制，功能，局限性和可能的擴(kuò)展。原則上，這些方法適合于所有類型的固體材料，無(wú)論它們是否具有各

60、向同性或各向異性的晶體結(jié)構(gòu)。5.1 氣相中納米線的生長(zhǎng)(shngzhng)氣相合成可能是一維納米(n m)結(jié)構(gòu)例如晶須，納米棒，和納米線，形成的最廣泛研究的方法。原則上，在相對(duì)(xingdu)低的水平上有可能通過(guò)控制過(guò)飽和度來(lái)處理任何固體材料以生成（引入）一維的納米結(jié)構(gòu)。早在1921年，當(dāng)汞蒸氣在玻璃表面冷凝到低于汞熔點(diǎn)時(shí)，沃爾默和埃斯特曼觀察到直徑為20nm，長(zhǎng)度達(dá)1mm的汞納米纖維的的形成（通過(guò)測(cè)量在光學(xué)顯微鏡下的布朗運(yùn)動(dòng)來(lái)確定）。在一系列的研究中，西爾斯將這種方法延伸到許多其他金屬，并提出了一種基于軸向螺旋位錯(cuò)的機(jī)制來(lái)解釋一維的生長(zhǎng)。在這種機(jī)制下，一維生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力是由一個(gè)軸向螺旋位錯(cuò)確定