硫化鎘納米線的可控制備、集成方法及在生物傳感中的應(yīng)用研究.pdf

1、十幾年來(lái)，已發(fā)展出了半導(dǎo)體納米線的各種制備方法和技術(shù)。其制備方法基本有以下三類：（1）以催化劑為引導(dǎo)，通過(guò)氣-液-固生長(zhǎng)的方法控制納米線的成核和一維生長(zhǎng)，其中催化劑作為納米液滴，能夠決定納米線的生長(zhǎng)模式、直徑和位置等；（2）溶液化學(xué)合成的方法，如水熱/溶劑熱、電化學(xué)、超聲、微波等，通過(guò)這些方法，已制備出多種納米線材料；（3）在分子束外延（MBE）或化學(xué)氣相沉積（CVD）外延技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用原子晶面臺(tái)階或晶格不匹配性質(zhì)發(fā)展出異變過(guò)渡結(jié)構(gòu)

2、的納米線技術(shù)。在半導(dǎo)體納米線器件化研究中，方法（1）和（3）發(fā)展較快；但目前由于方法（2）所制備的納米線產(chǎn)物質(zhì)量較高，且反應(yīng)條件溫和，易于控制，正引起人們廣泛的關(guān)注。在過(guò)去十幾年中，盡管已經(jīng)在納米線的制備方面獲得較大進(jìn)展，但在實(shí)用性器件方面的應(yīng)用仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)，其組裝集成方法和技術(shù)尚待突破。圖形化催化劑的使用，可以使納米線在基片上以設(shè)計(jì)的構(gòu)型直接生長(zhǎng)，而不需進(jìn)一步的光刻，但這面臨著平面生長(zhǎng)和器件制造方面的限制；現(xiàn)在已有多種方法能夠?qū)?/p>

3、現(xiàn)平面內(nèi)納米線的平行排列，如電場(chǎng)誘導(dǎo)法、靜電紡絲法、流體流動(dòng)導(dǎo)向法、LB膜方法、化學(xué)/生物分子親合組裝法、磁偶選擇和壓印轉(zhuǎn)移法等。近幾年來(lái)，半導(dǎo)體納米線基光電器件的原理性研究取得了很大的進(jìn)展，納米結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)正在顯現(xiàn)。納米材料也由于具有比表面積大、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，在生物傳感器方面獲得廣泛的應(yīng)用。
　　 在本研究中，我們首先采用溶液化學(xué)的方法合成CdS半導(dǎo)體納米線，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)物形貌的可控，研究了其生長(zhǎng)機(jī)理；利用纖維作為模板對(duì)所制得

4、的CdS半導(dǎo)體納米線進(jìn)行了定向排列，研究了排列過(guò)程中的轉(zhuǎn)移等技術(shù)；還對(duì)單根CdS納米線電學(xué)性質(zhì)及其多根納米線層狀結(jié)構(gòu)電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究；發(fā)展了CdS半導(dǎo)體納米棒陣列在生物電化學(xué)檢測(cè)上的應(yīng)用等。取得如下成果：
　　 1.溶劑熱法CdS納米線的可控制備研究
　　 在溶劑熱反應(yīng)條件下，快速地制備了CdS納米線；延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，發(fā)現(xiàn)原來(lái)在2h時(shí)形成的納米線發(fā)生斷裂，而在12h時(shí)再次形成納米線；再進(jìn)一步延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，納米線沒(méi)有再斷裂

5、，反而變得更粗、更長(zhǎng)。基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了一種新的納米線生長(zhǎng)機(jī)理：2h前的納米線生長(zhǎng)遵循文獻(xiàn)中的成核、破裂、長(zhǎng)成納米棒，并由納米棒再長(zhǎng)成納米線的機(jī)理：而2h之后的生長(zhǎng)則是納米線先斷裂，然后以這些納米線斷裂形成的納米棒作為新的晶核，在此基礎(chǔ)上長(zhǎng)成12h時(shí)的納米線，我們將此稱為“二次生長(zhǎng)”機(jī)理。對(duì)于以破裂后形成的納米棒作為新的生長(zhǎng)晶核再次長(zhǎng)成納米線的現(xiàn)象，做了相應(yīng)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明這些納米棒完全可以作為納米線新的生長(zhǎng)晶核。還在室溫下成

6、功地快速延長(zhǎng)了2h溶劑熱法制備的CdS納米線，提出納米線延長(zhǎng)是基于納米線頂端和頂端之間的融合而成的取向連接機(jī)理。
　　 2.CdS納米線集成方法的研究
　　 采用定向紡絲的納米纖維作為模板，提出了模板壓印、纖維輔助與接觸壓印排列CdS納米線的集成方法。對(duì)于模板壓印排列CdS納米線，研究了壓印速度、溶液滴加量等對(duì)CdS納米線排列結(jié)果的影響；對(duì)于用纖維輔助與接觸壓印排列CdS納米線，通過(guò)改變基底的疏水/親水性質(zhì)，在納米線懸浮

7、液中添加表面活性劑，成功地控制了基底上納米線的密度，在理論上詳細(xì)的研究了液滴在纖維間隙限制性條件下的揮發(fā)機(jī)理。
　　 3.CdS納米線的電學(xué)與光學(xué)性能的研究
　　 用透射電鏡原位研究了單根CdS納米線的I-V曲線，基于熱電子場(chǎng)發(fā)射理論，從對(duì)稱的I-V特性曲線解析出此單根CdS納米線的電阻系數(shù)擬合值、電子濃度、電子遷移率分別是0.43Ωcm、2.3×1017cm-3、62.83 cm2、V-1s-1。隨后，研究了多根CdS

8、納米線在襯底上組裝，再在其上鍍電極得到包括底電極、電阻擋層/納米線、頂電極的三層結(jié)構(gòu)，用此結(jié)構(gòu)成功測(cè)量了多根CdS納米線的電學(xué)性質(zhì)。采用電場(chǎng)法在甲苯溶液中排列CdS納米線，通過(guò)熒光光譜研究了排列后的CdS納米線的光致偏振光特性，結(jié)果表明排列后的CdS納米線具有一定的偏振特性。
　　 4.CdS納米棒陣列在生物電化學(xué)傳感器上的應(yīng)用研究
　　 采用一步溶液化學(xué)的方法制備出CdS納米棒陣列，成功地對(duì)CdS納米棒進(jìn)行電化學(xué)沉積金