一維功能納米材料的控制合成、性能調(diào)控及應(yīng)用研究
半導(dǎo)體納米線是一種獨(dú)特的準(zhǔn)一維納米材料。它不僅是電荷的最小載體,也是構(gòu)建新的復(fù)雜體系和新概念納米器件的基元。在該領(lǐng)域中,新現(xiàn)象和新概念層出不窮,推動(dòng)著材料、物理、化學(xué)等交叉學(xué)科的發(fā)展,并將對(duì)未來(lái)電子、光電子、通訊等產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生重大影響。在這一當(dāng)今最前沿的研究領(lǐng)域中,國(guó)際上尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家集中了最精銳的研發(fā)力量,以期望在納米器件的實(shí)用化方面有所突破,在未來(lái)高科技爭(zhēng)奪戰(zhàn)中,保持領(lǐng)先并居于主導(dǎo)地位。在納米研究領(lǐng)域,美國(guó)政府僅在2005年就投入10億美元,而日本在同一年的投入約12億美元。 我國(guó)的《國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃綱要》中也已經(jīng)把納米科技作為基礎(chǔ)研究重大研究計(jì)劃,列入重點(diǎn)支持范圍。其中一維功能納米材料的控制合成、性能調(diào)控及應(yīng)用研究是目前納米材料研究的世界熱點(diǎn)。 張躍教授承擔(dān)了973、863、重大國(guó)際合作、自然科學(xué)基金杰出青年基金和面上項(xiàng)目等各類(lèi)納米研究方向的課題,通過(guò)創(chuàng)新合成方法、優(yōu)化合成工藝,實(shí)現(xiàn)了多種形貌的一維功能納米材料的可控制備,利用等多種手段對(duì)納米材料的形貌、結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征,并對(duì)其生長(zhǎng)機(jī)理、力學(xué)性能以及光致發(fā)光、場(chǎng)發(fā)射、導(dǎo)電性等物理性能進(jìn)行了系統(tǒng)和深入的研究,特別是在碳納米管及ZnO納米陣列的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域取得了重要突破,其代表性成果包括: 1.改進(jìn)了ZnO和摻雜ZnO一維納米材料的制備方法。采用化學(xué)氣相沉積法,在較低溫條件下,通過(guò)不同工藝成功制備了純ZnO及In、Mn、Sn等摻雜ZnO納米棒、納米線、納米帶、納米電纜、納米陣列、四針狀納米棒、納米梳、納米盤(pán)等多種形貌結(jié)構(gòu)的納米材料,實(shí)現(xiàn)了一維ZnO納米材料較低溫度條件下形態(tài)和尺度控制生長(zhǎng),產(chǎn)物品質(zhì)純凈、產(chǎn)率高、質(zhì)量好,易于工業(yè)化生產(chǎn)。制備方法受到國(guó)際同行的高度評(píng)價(jià),認(rèn)為是半導(dǎo)體制造領(lǐng)域中氧化物納米結(jié)構(gòu)集成方法的重大進(jìn)步,不僅對(duì)從事納米材料研究的科學(xué)家,而且對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)意義重大。有關(guān)雙晶ZnO納米帶的論文發(fā)表在國(guó)際知名期刊Chemical Physics Letters (2003,375:96-101)上,論文被引用60余次,位列該期刊2003至2007年被引用前50名之內(nèi)。 2.提出了一維氧化鋅納米材料新的生長(zhǎng)機(jī)理。首次合成四針狀納米氧化鋅材料并揭示了該結(jié)構(gòu)的八面體孿晶核生長(zhǎng)的理論模型,該研究結(jié)果的論文發(fā)表在Chemical Physics Letters (2002,358:83-86)上,被他引更是達(dá)到了130 余次。首次發(fā)現(xiàn)和論證了一維氧化鋅納米結(jié)構(gòu)中的螺旋位錯(cuò)誘導(dǎo)晶體生長(zhǎng)機(jī)理,觀察到了一維氧化鋅納米材料存在的大量螺旋位錯(cuò)、周期性的位錯(cuò)及生長(zhǎng)臺(tái)階,發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)是沿著位錯(cuò)進(jìn)行,且與其伯格斯矢量的方向一致。 3.原位研究單根ZnO和In-ZnO納米線的力學(xué)行為。利用TEM對(duì)單根納米線加載交變電壓使其發(fā)生共振,原位測(cè)量其本征共振頻率,通過(guò)計(jì)算得出氧化鋅納米線的彎曲模量。氧化鋅納米線可以構(gòu)建納米懸臂梁和納米諧振器,通過(guò)氧化鋅納米線構(gòu)建的納米秤,測(cè)量了黏附在納米線自由端的納米顆粒質(zhì)量。該研究論文發(fā)表在英國(guó)物理協(xié)會(huì)的期刊J. Phys.: Condens. Matter( 2006, 18 (15), L179-L184)上,被評(píng)為該期刊2006年度的頂級(jí)論文(Top paper),位列其中第九名,是該年度該期刊22篇Top papers研究論文中唯一由中國(guó)研究人員完成的成果。 4.合成了多種ZnS準(zhǔn)一維納米材料,并提出了四針狀ZnS納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)機(jī)理,指出其生長(zhǎng)過(guò)程由立方相形核和六方相孿晶生長(zhǎng)機(jī)制共同控制。同時(shí)率先報(bào)道了ZnS四針狀納米材料的光致發(fā)光性能,發(fā)光波長(zhǎng)相對(duì)其它ZnS 納米材料發(fā)生藍(lán)移4.8~32.8nm。該研究論文發(fā)表在國(guó)際著名期刊Nanotechnology (18 (2007) 475603)上,在發(fā)表后的第一個(gè)季度內(nèi),下載量就超過(guò)250次,成為該期刊排名前10%的熱點(diǎn)文章。 5.碳納米管及ZnO納米陣列的實(shí)際應(yīng)用取得了重要突破。采用涂敷和CVD兩種方法成功制備了多種大面積碳納米管陰極,采用水熱合成法制備了大面積一維納米ZnO陣列陰極。首次研究了納米陰極的強(qiáng)流脈沖發(fā)射性能,其中碳納米管陰極的發(fā)射電流密度高達(dá)344 A/cm2,ZnO陰極的發(fā)射電流密度達(dá)到123A/cm2。系列研究成果發(fā)表在Carbon、Appl. Phys. Lett.等國(guó)際著名期刊上。研制的多種納米陰極在線性感應(yīng)加速器上已經(jīng)得到成功應(yīng)用,陰極的發(fā)射電流強(qiáng)度及發(fā)射電子的均勻性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的陰極性能指標(biāo)。 張躍教授有關(guān)納米材料的研究成果獲教育部高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)(自然科學(xué)獎(jiǎng))二等獎(jiǎng)1項(xiàng)(2006-052),完成專(zhuān)著1部,另合作出版專(zhuān)著1部,發(fā)表論文80 余篇(其中SCI 40余篇、EI 近20 篇),重要成果發(fā)表在Appl. Phys. Lett.、Carbon、Advan. Funct. Mater.、 J. Physical Chemistry C、Chemical Physics Letters、J. Phys.: Condens. Matter、J. Physics D: Applied Physics、J. Nanosci. Nanotech.等國(guó)際知名期刊上,申報(bào)12項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利(已授權(quán)5項(xiàng))。發(fā)表研究論文中的4 篇代表性論文,已被引用300余次,單篇他引超過(guò)130次。
北京科技大學(xué)
2021-04-11