納米材料的合成和納米器件的制備-從貴金屬異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)到摩擦電納米發(fā)電機.pdf

1、新材料和新能源的開發(fā)和利用對人類社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，研發(fā)和探索新功能材料和可再生能源是當(dāng)前面臨的最迫切挑戰(zhàn)之一。納米科技是當(dāng)今世界高新技術(shù)發(fā)展的支柱之一，也是新能源和新材料研發(fā)依賴的重要途徑和方式。納米材料和器件是納米科技的核心和基礎(chǔ)，納米技術(shù)從基礎(chǔ)到應(yīng)用的一般途徑是從納米材料的合成到納米器件的制備，再到更高一級的納米系統(tǒng)的組裝及應(yīng)用。
　　本論文分為上下兩篇，分別針對納米材料的合成和納米器件的制備和應(yīng)用進(jìn)行研究和論述。上

2、篇是關(guān)于異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)的合成與表征，以及生長機理的系統(tǒng)性研究。下篇介紹了一種基于新原理開發(fā)的納米發(fā)電機，可以從周圍環(huán)境中有效地收集能量然后轉(zhuǎn)化為電能用于驅(qū)動小型電子產(chǎn)品和器件。主要的研究內(nèi)容和成果如下:
　　上篇一，我們發(fā)展了一種簡單有效的方法用于水相體系中合成均一的核—殼異質(zhì)金屬納米粒子，以Au納米八面體作晶種合成了高質(zhì)量的Au@Pd、Au@Ag納米立方體和Au@Pt多晶納米球。基于對兩種不同生長模式的系統(tǒng)研究，我們首次提出了異質(zhì)

3、金屬外延生長的一般規(guī)則，核—殼金屬的原子半徑、金屬鍵能以及電負(fù)性各自對應(yīng)的匹配關(guān)系在決定層狀外延生長模式中起關(guān)鍵作用。對生長模式的系統(tǒng)性研究和總結(jié)的規(guī)則將有助于設(shè)計和合成其它復(fù)雜形式的異質(zhì)納米材料，如多層結(jié)構(gòu)和金屬—半導(dǎo)體雜化結(jié)構(gòu)。
　　上篇二，為了研究清楚核—殼型異質(zhì)金屬納米結(jié)構(gòu)如何釋放晶格不匹配產(chǎn)生的應(yīng)力，我們對包覆有不同Pd殼層厚度的Au@Pd納米晶體的表面和界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的表征和分析。結(jié)果證實當(dāng)Au核表面只包覆有單層或

4、亞單層Pd原子時，晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力通過肖克利局部位錯伴隨堆垛層錯的形式釋放;當(dāng)Au表面包覆有多層Pd原子之后，晶格失配的應(yīng)力釋放則是依靠Au原子擴散到Pd殼層中形成長程有序的L11Au-Pd合金結(jié)構(gòu)來完成。這項研究揭示了Au-Pd體系存在較大的晶格失配度的情況下仍然采用層狀外延生長模式的根本原因。
　　上篇三，我們利用納米晶體晶面間結(jié)構(gòu)的差異，選擇性地生長單晶ZnO納米棒在Ag立方八面體的{111}晶面而非{100}晶面上，合成

5、了Ag-ZnO異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)。通過對異質(zhì)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)表征初步確認(rèn)生長層和基底之間的結(jié)構(gòu)匹配性在這種新的晶面選擇性外延生長的模式中起決定性作用。為了研究Ag和ZnO之間界面處的電學(xué)性質(zhì)，我們以多步生長法合成的微米級Ag立方體和Ag線作晶種，制備出顯微鏡下容易操控的單個異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件。測試結(jié)果證實了異質(zhì)結(jié)構(gòu)中Ag和ZnO之間界面處是典型的肖特基接觸。這類異質(zhì)結(jié)構(gòu)在功能器件、生物傳感器和催化等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。
　　下篇一，基于聚合物材

6、料摩擦起電和靜電感應(yīng)相結(jié)合的原理，我們利用一種全新的、簡單而有效的方法可以將機械能轉(zhuǎn)換成電能用于驅(qū)動小型電子設(shè)備。摩擦電發(fā)電機(TEG)由兩種鍍有金屬電極的聚合物薄膜組裝而成，在外力作用下器件中的聚合物膜產(chǎn)生形變和相互摩擦，形成電荷分離和電勢差，并驅(qū)動電子在外電路中流動。單個器件的輸出電壓達(dá)到3.3V，峰值功率密度10.4mW/cm3。這項研究為功能性和自驅(qū)動的有機納米器件的設(shè)計和應(yīng)用開辟了一條新的途徑。
　　下篇二，透明、柔性和

7、高效率的電源輸出裝置將是未來有機電子和光電子器件的重要組成部分。在第一代摩擦電發(fā)電機的基礎(chǔ)上，我們采用透明高聚物材料制備了一種新的高性能輸出的柔性透明納米發(fā)電機。借助光刻、蝕刻和模板工藝在聚合物表面制備了均一規(guī)則的微型陣列結(jié)構(gòu)，將納米發(fā)電機的輸出效率提高了四倍。此外，所制備的納米發(fā)電機可作為一種自驅(qū)動的主動式壓力傳感器，用于感測微弱的壓力和振動，如水滴或羽毛落下時產(chǎn)生的輕微碰觸。
　　下篇三，摩擦電發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單、新穎，輸出性能高