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我中心科研人员利用热迁移从固态块体材料中制备出单晶金属纳米线
作者:   时间:2019-10-09

热迁移是由于温度梯度导致的物质的定向扩散,这在流体中比较显著,但是在固体中该效应通常被认为比较微弱,需要较长时间才能看到较为明显的影响。然而西安交大科研人员最近发现,热迁移可以快速的驱动块体金属材料中的原子可控地重构成单晶纳米线结构,该成果刊登在最新一期的《自然·通讯》杂志上。(论文链接https://www.nature.com/articles/s41467-019-12416-x)

图1  (a)基于热迁移通过热拉拔制备单晶纳米线的示意图;(b) 热拉拔制备单晶纳米线的原位透射电镜照片


      受启发于宏观块体单晶的提拉法制备工艺(Czochralski Method),西安交大科研人员提出了一种基于热迁移的纳米线生长方法(图1(a)):在纳米尺度操控一个尖端曲率在100纳米左右的针尖(保持室温)去接触加热金属固体的表面,由于尖端与金属基体接触点间形成的巨大温度梯度,金属基体中的原子可以通过表面的类液层,在热迁移的影响下快速的沉积到尖端。如果后撤针尖,原子会不断在纳米线/基体晶界处沉积,从而均匀生长成纳米线结构。研究团队在透射电镜中实现了该过程的原位观测(图1(b)),证实了该方法对于Al、Au、Ag、Cu、Sn等常见金属的纳米线制备均适用,其纳米线的均匀生长速率可达~3 nm/s。并且该方法具有良好的生长可控性,可以通过对尖端的位移控制来调控纳米线的生长形态和直径。

      由于金属纳米线具备优良的物理性能,因此纳米线的可控制备方法一直以来备受关注。传统的纳米线制备方法,例如光刻法、模板法、化学合成法等,通常只能在二维平面内制备纳米线结构,并且很难将合成的纳米线转移到需要的地方。相比于这些方法,利用固体中的热迁移来制备纳米线的方法为构建纳米结构提供了一条新途径:如果对可移动金属尖端加热,就可以以类似于3D打印的方式在冷基板表面构建出任意的三维纳米结构。这一技术有潜力应用到集成电路3D互连线的搭建上。 

       西安交通大学青年教师解德刚博士为论文的第一作者,西安交通大学单智伟教授、日本大阪大学尾方成信(Shigenobu Ogata)教授,美国麻省理工学院李巨教授为本论文的共同通讯作者。参与此工作的还有约翰霍普金斯大学马恩教授,西安交通大学博士研究生聂志宇、杨岳清,以及日本大阪大学博士后新里秀平(Shuhei Shinzato)、清华大学博士刘凤仙。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、111计划2.0、陕西省博士后科学基金等项目的共同资助。

      微纳尺度材料行为研究中心(Center for Advancing Materials Performance from the Nanoscale,CAMP-Nano)致力于系统定量地构筑起微纳尺度材料的知识理论体系,为其规模化的工业化应用奠定坚实的理论根基和方法论指导。2010年至今,微纳中心发表署名文章150余篇,包括学术知名期刊Nature 2篇,Science 2篇,Nature Materials 2篇,Nature Communications 10篇,PNAS 2篇;Physical Review Letters 2篇等,授权专利22项。本研究依托中心团队最新开发的微纳尺度原位力热耦合测试技术,该技术有望在微纳尺度高温力学领域取得一系列突破性的成果,为进一步认识微纳尺度材料力学性能奠定基础。


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