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1、项目名称：纳米材料和纳米结构的性能与应用基础首席科学家：解思深 中国科学院物理研究所起止年限：2005.12至2010.11依托部门：中国科学院一、研究内容本项目拟解决的关键科学问题是：纳米材料和纳米结构的可控生长是纳米材料与纳米结构研究中的基本问题之一。本项目拟从研究可控生长的条件及生长动力学出发，总结基本实验规律及纳米尺度下物质和能量的输运的规律和理论模型，实现纳米材料生长中尺寸、形状、方向、位置及结构的控制。纳米体系中的尺寸效应、表面与界面、电子相干性是纳米材料与纳米结构研究中的另一基本问题。本项目拟研究纳米材料中的发光行为、电子的量子输运、纳米复合体系的磁性及其它量子相干效应、位错与界
2、面的交互作用、纳米材料在外场中的响应，以及它们与电子、声子等元激发的基态和激发态的关系。得到经验规律，提出理论模型，实现对纳米材料与结构的性能调控，揭示纳米材料的优异性能。在纳米材料可控制备和结构性能关系研究的基础上，探索纳米材料与纳米结构在制造业、信息技术、能源、环境、健康医疗、生物技术和国家安全等领域中的应用。本项目拟探索若干种关键的纳米材料和纳米结构，在场发射平板显示、光电器件、传感器的应用，并发展高强、高导热、高导电等实用纳米材料和纳米结构。具体的科学问题分解为以下三个方面：（一）纳米材料和纳米结构的生长动力学及可控生长1、纳米材料的物相、结构和形状的可控生长及机理2、纳米超结构(核壳
3、、异质、同质异性结构、有序阵列等)的设计与合成3、金属材料结构纳米化的动力学过程4、纳米氮化物和碳化物材料的可控制备和应用探索5、与标准的半导体制备环境相兼容的纳米管/纳米线制备技术（二）纳米材料和纳米结构中的结构性能关系的新规律及其演化1、一维纳米材料中的电输运和热导行为及其器件设计、制备中的基本问题2、纳米结构对磁熵变、居里温度及磁电阻的调控规律3、金属及其合金纳米结构的综合力学和电学性能4、纳米体系的热力学及纳米材料的结构演化规律及稳定性5、纳米异质结构及阵列的表、界面结构和环境(气氛、外场)对性能的影响6、研究电极材料与电极结构纳米化对离子、电子传输动力学的影响（三）纳米材料和纳米结构
4、优异性质的应用1、一维纳米材料为基的原理型量子器件的探索2、纳米材料在场发射器件中的应用和性能提高3、高强、高导热、高导电等纳米材料和纳米结构的应用探索4、纳米复合磁性材料在磁致冷和磁传感领域中的可能应用5、通过比表面的调控提升金属-空气电池容量、功率与寿命本项目的主要研究内容（一）纳米材料合成方法探索及可控生长研究1、系统研究纳米材料合成及可控生长的热力学和动力学过程，寻找有利的纳米材料合成与生长的工艺条件。由经验规律导出纳米尺度下影响生长过程的热力学和统计物理的规律，从理论上对热力学和动力学控制纳米材料合成生长进行诠释，发展无机纳米材料制备技术和研究其形成机理，以期实现纳米材料的可控合成与
5、生长。2、探索“自下而上”制备纳米材料的新途径。以溶剂热和复合溶剂热合成为主要方法，发展-射线、超声、微波等外场辅助的纳米材料制备技术。3、一维纳米材料的催化生长机理及结构控制，研究纳米催化剂的组分、尺寸、形状及外场对一维纳米材料生长的影响，制备物相、形状、尺寸可控的一维纳米线、管、带、线圈、空心球和其它纳米结构。4、纳米异质结构和二元/赝二元体系的一维纳米材料的轴向结构控制。具有一维准有序结构的纳米材料和纳米芯壳结构的设计与合成。5、纳米管/纳米线阵列的定位生长与定向生长。通过微纳米光刻技术制备金属催化剂图型，利用CVD方法和外场控制，在衬底上的确定位置生长纳米管/纳米线的阵列的技术。6、发
6、展与IC-工艺兼容的纳米管/纳米线合成与集成技术。研究纳米管/纳米线的合成条件(如温度、衬底、催化材料等)与器件工艺的兼容性。（二）纳米材料的性能研究与调控1、一维纳米材料和纳米异质结构中电子态、声子态和低能元激发的谱学及相互作用性质的研究，重点研究力学性质、电输运性质、发光性质及热学性质，一维纳米材料和纳米异质结构中的结构性能关系的尺度效应。2、电介质/贵金属芯壳纳米结构对表面等离子体共振(SPR)吸收峰移动的影响，研究同轴异质纳米棒的荧光现象及变化规律，分别实现对SPR峰和荧光峰位在较大波长范围内的调控。3、表面状态和环境对一维纳米材料和纳米异质结构性能的影响，研究纳米结构阵列表面化学、生
7、物修饰(包括官能团的接枝)以及纳米异质结构的环境敏感性等。研究环境和表面状态对结构或性能的影响。4、纳米磁性颗粒的尺度、极化取向和在半导体基体中的分布对磁性金属/半导体复合体系中电子传输规律的影响，探索通过控制磁性金属纳米颗粒尺寸、极化取向和分布优化体系的磁学性质和输运性能的新途径。5、研究纳米化电极的组成、结构与化学能-电能转变的关系，研究电极与电解质的兼容性及循环稳定性，提升金属-空气电池容量、功率和寿命，探索电极材料纳米化的电池中离子和电子传输的新规律。（三）金属材料结构纳米化与综合性能研究1、金属材料结构纳米化过程及稳定性。系统研究不同晶体结构金属材料(如FCC、BCC和HCP)在强烈
8、塑性变形过程中微观结构纳米化动力学及结构演化过程和纳米晶粒形成机理。研究塑性变形导致最小极限尺寸晶粒的微观结构演变及变形行为。研究金属材料的晶体结构、层错能和变形条件的应变量、应变速率等参量与细化机理的相关性，揭示强烈塑性变形诱导的纳米晶粒形成机理。通过优化微观结构大幅度提高这些材料的综合力学性能和电学性能。2、金属及其合金纳米结构的综合力学性能和电学性能。分别采用强烈塑性变形技术和电化学沉积工艺制备高致密、高纯度可用于宏观力学性能测试的纳米结构Cu和Cu合金样品，研究制备工艺条件对纳米Cu和Cu合金微观结构的影响。研究纳米Cu及合金样品的本征力学性能、塑性变形和强化机制。研究纳米材料中晶界、
9、孪晶界、位错、结构等对材料性能的影响，建立纳米金属材料的结构性能关系模型，为实现高强度、高导电性功能金属材料奠定基础。（四）纳米材料与纳米结构优异性能的应用探索1、一维纳米材料在场发射器件中的应用和性能提高：重点研究和解决均匀性、稳定性、低阈值等关键问题。以衬底上CVD生长的碳纳米管阵列为基础，制造高精度、面积不太大的平面显示器；以丝网印刷工艺为基础，制造大面积、低成本的平面显示器。研制出单色碳纳米管场发射平面显示样机，争取实现彩色显示。2、探索以纳米管/纳米线为基的纳米器件的结构，发展相应的制备工艺和测试技术，研究提高纳米管/纳米线为基的器件性能的原理和方法。发现纳米管/纳米线为基的纳米器件
10、的新特性和可能的应用。制备出纳米管/纳米线为基的原型器件和简单的逻辑电路。3、通过优化微观结构，大幅度提高金属纳米材料的综合力学性能、电学性能和结构稳定性。重点研究和解决纳米金属材料的韧性、结构热稳定性和导电性，探索其在工程材料性能升级及表面性能优化等方面的实际应用，发展面向微纳系统中特殊需求的纳米金属材料。4、探索解决金属-空气电池寿命的有效途径，发展满足移动电源需求的纳米金属-空气电池。5、发展纳米复合磁性材料的低场、室温磁制冷新技术。二、预期目标1本项目总体目标发展出若干种具有实用价值的纳米材料与纳米结构;发展出与IT工艺相容的纳米材料的可控制合成与集成技术，为纳米材料的性能研究和纳米器
11、件应用提供基础。以发现材料的优异特性和潜在应用为导向，阐明纳米材料的微观结构与本征性能之间的关系，实现功能设计和调控；把自下而上和自上而下两种制备纳米结构与器件的技术相结合，发展出基于纳米材料优异特性的新器件和高强、高导热、高导电等纳米材料和纳米结构。获得一批国际水平的研究成果，使我国在纳米材料和纳米结构研究和应用总体水平保持国际先进水平。预计经过五年的研究，纳米材料与纳米结构的研究将为我国纳米器件和技术的发展提供关键材料和新知识，为建立纳米材料科学体系框架奠定基础。5年内发展一至二种先进的纳米金属和合金制备技术，并获得具有优异综合性能(力学性能和电学性能)的纳米金属材料；一维纳米材料可控生长
12、的1-2种新技术；发展出与IC-工艺兼容的纳米管/纳米线合成与集成技术。五年发表500篇SCI收录的论文，申请国内专利25项，国外专利10项，出版1至2本专著；获国家奖1-2项。通过本项目的执行，培养和造就一批高层次的研究人才，形成几个在相关领域中有国际影响的研究群体。2项目五年预期目标1、探索纳米材料和纳米结构新体系制备科学和新合成方法，分析纳米材料形成阶段的动力学过程，对材料的形成机理进行深入研究，认识纳米材料平衡态及非平衡态物相形成的热力学性质，优化纳米材料合成与生长的工艺条件，完善控制合成方法，获得无机纳米材料的合成与可控生长技术和知识。在相关理论指导下制备物相、形状、尺寸可控及具有特
13、定物相或通常难以合成的纳米材料，开拓和发展拥有自主知识产权的纳米异质结构及阵列的制备技术，建立对该体系性能可调的新原理和新方法，设计合成多种纳米异质结构和阵列。2、开拓和发展一维纳米材料如碳纳米管可控生长的热力学和统计物理；发展多组元、多相一维半导体纳米材料可控生长的1-2种新技术，探索具有轴向超结构的一维半导体纳米材料新的制备方法。在一维纳米材料的结构、性能关系之间的尺度效应研究上，找到一些结构与物性的定量关系，提炼出普适的结构物性规律。3、通过深入研究金属材料微观结构纳米化过程机理，发展一至两种先进的纳米金属和合金制备技术，并获得具有优异综合性能(力学性能和电学性能)的纳米金属材料。建立并
14、完善纳米金属材料的微观结构与本征性能之间的关系，进一步深入理解纳米金属材料的结构稳定性及其控制规律，揭示纳米金属材料中的一些新规律、新现象和新性能。为纳米材料的实际应用和发展新一代高性能、高稳定性金属材料奠定基础。4、发展出与IC-工艺兼容的纳米管/纳米线合成与集成技术；实现纳米管/纳米线阵列的定位生长和定向生长；发展出纳米管/纳米线场效应晶体管制备工艺和测试技术，制备出原型器件。研制出单色碳纳米管场发射平面显示样机，争取实现彩色显示。三、研究方案1本项目的研究思路和项目的技术路线及可行性（1）本项目的研究思路本项目以上一个973项目“纳米材料与纳米结构”的五年研究成果、技术积累为基础，以国家
15、的重大需求为牵引，集中研究有重要应用或重大科学价值的纳米材料与纳米结构。坚持实验和理论并举、基础研究和应用研究并重，针对纳米体系的无限周期结构的缺损、原子或分子数有限和电子态的量子涨落、电子间相互作用等特点，发展与纳米体系相应的实验方法和理论，发现纳米体系中新现象和新规律；阐明材料的结构参数与制备条件之间的内在联系，实现纳米材料与纳米结构的可控制备；深入理解纳米材料的微观结构与本征性能之间的关系，实现功能设计和调控；在应用研究方面，探讨纳米材料用于器件的可能性，发展以纳米结构为工作单元的发光、平面显示和纳电子器件。发展面向微纳系统中特殊需求的纳米金属材料。探索解决金属-空气电池寿命的有效途径，发展满足移动电源需求的纳米金属-空气电池。发展纳米复合磁性材料的低场、室温磁制冷新技术。在整个项目中，以纳米材料的性能研究为主导，以纳米材料的制备为基础，探索有应用前景的纳米材料和器件。（2）本项目的技术路线以通过深入研究纳米材料与结构的形成机理为基础，揭示材料的结构与制备条件之间的内在联系，发展出若干种重要的纳米材料与纳米结构可控合成与组装技术。以功能为牵引发展自下而上的可控制合成和自组装技术，实现从简单纳米材料和结构向具有特定功能的、多组元、复杂结构或超结构的过渡。在此基础上制备出信息业和制造业需要的关键纳米材料与纳米结构，为纳米材料的性能研究和器件应用提供基础。以发现材料的优异特性和潜
