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1、项目名称：纳M材料和纳M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 2018.11依托部门：中国科学院、研究内容本项目拟解决的关键科学问题是：纳M材料和纳M结构的可控生长是纳 M材料与纳M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M尺度下物质和能量的输运的规律和理论模型，实现纳M材料生长中尺寸、形状、方向、位置及结构的控制。纳M体系中的尺寸效应、表面与界面、电子相干性是纳M材料与纳M结构研究中的另一基本问题。本项目拟研究纳 M材料中的发光行为、电子的量子 输运、纳M复合体系的磁性及其它量子相干效
2、应、位错与界面的交互作用、纳 M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 M材料与结构的性能调控，揭示 纳M材料的优异性能。在纳M材料可控制备和结构性能关系研究的基础上，探索纳 M材料与纳 M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 M材料和纳M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 M材料和纳M结构。具体的科学问题分解为以下三个方面：一）纳M材料和纳M结构的生长动力学及可控生长1纳M材料的物相、结构和形状的可控生
3、长及机理2、纳M超结构（核壳、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M化的动力学过程4、纳M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 M管/纳M线制备技术 二）纳M材料和纳M结构中的结构一性能关系的新规律及其演化1 一维纳M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M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M结构的综合力学和电学性能4、纳M体系的热力学及纳M材料的结构演化规律及稳定性5、 纳M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 M化对离子、电子传
4、输动力学的影响 三）纳M材料和纳M结构优异性质的应用1 一维纳M材料为基的原理型量子器件的探索2、纳M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 M材料和纳M结构的应用探索4、纳M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M材料合成方法探索及可控生长研究1系统研究纳 M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M材料合成与生长的工艺条件。由经验规律导出纳M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M材料合成生长进行诠释，发展无机纳 M材料制备技术和
5、研究其形成机理，以期实现纳 M 材料的可控合成与生长。2、探索自下而上”制备纳M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y射线、超声、微波等外场辅助的纳 M材料制备技术。3、一维纳M材料的催化生长机理及结构控制，研究纳 M催化剂的组分、 尺寸、形状及外场对一维纳 M材料生长的影响，制备物相、形状、尺寸可控的 一维纳M线、管、带、线圈、空心球和其它纳 M结构。4、纳M异质结构和二元/贋二元体系的一维纳M材料的轴向结构控制。具 有一维准有序结构的纳M材料和纳M芯壳结构的设计与合成。5、 纳M管/纳M线阵列的定位生长与定向生长。通过微纳 M光刻技术制 备金属催化剂图型，利用 CVD方
6、法和外场控制，在衬底上的确定位置生长纳M管/纳M线的阵列的技术。6、发展与IC-工艺兼容的纳M管/纳M线合成与集成技术。研究纳 M管/ 纳M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M材料的性能研究与调控1 一维纳M材料和纳M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M材料和纳M异质结构中的结构一性能关系的尺度效应。2、电介质/贵金属芯壳纳M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 M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
7、、表面状态和环境对一维纳 M材料和纳M异质结构性能的影响，研究纳 M结构阵列表面化学、生物修饰（包括官能团的接枝 以及纳M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M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M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M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M化的电池中离子和电子传输的新规律。三）金属材料结构纳M化与综合性能研
8、究1金属材料结构纳 M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在强烈塑性变形过程中微观结构纳 M化动力学及结构 演化过程和纳M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M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 M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M结构Cu和Cu合金样品，研究制备工艺条件对
9、纳 MCu和Cu合金微观结 构的影响。研究纳MCu及合金样品的本征力学性能、塑性变形和强化机制。研 究纳M材料中晶界、孪晶界、位错、结构等对材料性能的影响，建立纳M金属材料的结构一性能关系模型，为实现高强度、高导电性功能金属材料奠定基 础。四）纳M材料与纳M结构优异性能的应用探索1 一维纳M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M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M管场发射平面显示样机，争取实现彩色显示。2探索以纳M管/纳M线为基的纳M器
10、件的结构，发展相应的制备工艺 和测试技术，研究提高纳 M管/纳M线为基的器件性能的原理和方法。发现纳 M管/纳M线为基的纳M器件的新特性和可能的应用。制备出纳 M管/纳M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M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 M金属材料的韧性、结构热稳定性和导 电性，探索其在项目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 M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 M金属-空气电池。5、发展纳M复合磁性材料的低场、室温磁制冷新技术。、预期目标
11、1. 本项目总体目标发展出若干种具有实用价值的纳 M材料与纳M结构。发展出与IT工艺相 容的纳M材料的可控制合成与集成技术，为纳 M材料的性能研究和纳 M器件 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M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M结构与器件的技术相结合，发展出基于纳 M材料优异特性的新 器件和高强、高导热、高导电等纳 M材料和纳M结构。获得一批国际水平的 研究成果，使我国在纳 M材料和纳M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M材料与纳M结构的研究将为我国纳M器件和 技术的发展提供关键材料
12、和新知识，为建立纳 M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 M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M金属材料；一维纳 M材料可控生长的1-2 种新技术；发展出与IC-工艺兼容的纳M管/纳M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M材料和纳M结构新体系制备科学和新合成方法，分析纳 M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
13、，认识纳M材料平衡态及非平衡态物相形成的热力学性质，优化纳M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 M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、尺寸可控及具有特定物相或通常难以合成的纳M材料，开拓和发展拥有自主知识产权的纳M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M异质结构和阵列。2、开拓和发展一维纳 M材料如碳纳M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 M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 M材料新的制备方法。在一维纳 M材料的结构、性 能关系之间的尺度效应研究上
14、，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M化过程机理，发展一至两种先进的纳M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M金属材料。建立并完善纳 M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 M金属材料的结构稳定性及其控制规律，揭示纳 M金 属材料中的一些新规律、新现象和新性能。为纳M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M管/纳M线合成与集成技术；实现纳 M管/ 纳M线阵列的定位生长和定向生长；发展出纳 M管/纳M线场效应晶体管制备工 艺和测试
15、技术，制备出原型器件。研制出单色碳纳M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V1）本项目的研究思路本项目以上一个973项目纳M材料与纳M结构”的五年研究成果、技术 积累为基础，以国家的重大需求为牵引，集中研究有重要应用或重大科学价值 的纳M材料与纳M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M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 M体系相应的实验方法和理论，发现纳 M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M材料与纳M结构的可控制备；深入理解纳 M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 M材料用于 器件的可能性，发展以纳 M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M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 M金属-空气电池。发展纳 M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 M材料的性能研究为主导，以纳 M材料的制备为基 础，探索有应用前景的纳M材料和器件。2）本项目的技术路线以通过深入研究纳M材料与结构的
