探索纳米世界
---一维纳米材料的可控制合成
清华大学物理系教授 范守善
当材料在二维或三维方向上的尺度小到纳米量级时，它就会具有与体材料不同的独特性质，这些不同于体材料的性质产生的一个主要原因是电子在小尺寸空间中表现出的量子限制效应，因此人们又把在二维或三维方向上尺度限制到纳米量级的材料分别称作一维量子线和零维量子点。纳米材料与纳米结构具有许多与体材料不同的独特性质，对纳米材料的研究将会发现许多新的物理和化学现象，从而丰富和加深人们对自然规律的认识。纳米材料与纳米结构的研究要求发展新的制备技术。表征技术和新的理论方法，意味着这一研究领域中孕育着取得科学和技术上的突破的可能性。基于纳米材料与纳米结构的独特性质，可望发展出新型的功能材料和功能器件，以至于形成新型的产业。因此，纳米材料与纳米结构的研究将会对21世纪的科学技术、国民经济、乃至人们的生活方式产生重要的影响。发达国家都把纳米科学与技术列为优先发展领域，我国科技部和国家自然科学基金委员会也把纳米科学与技术列为优先和重点发展的领域。
发展纳米材料的制备技术是纳米科学和技术发展的基础，量子线和量子点是未来量子器件的构造单元，然而量子线、量子点和纳米器件的制备目前仍是具有挑战性的课题。未来纳米器件的制备有两条可能的技术路线：自上而下和自下而上。所谓自上而下是指从体材料出发，利用薄膜生长和纳米光刻技术（电子束光刻、X光光刻等）制备纳米结构和器件。这一技术路线要求使用精密和昂贵的设备，同时也还有许多技术难点需要克服。近年来，自下而上的路线愈来愈受到重视，所谓自下而上可理解为从原子分子出发自组织生长出所需要的纳米结构与纳米器件，这就要求在材料的生长过程中就对它们的形状、大小和位置进行人为的控制，从而直接生长出具有所需要的结构和性能的纳米器件。纳米材料的可控制生长和自组织生长是当前纳米科学和技术领域的一个研究热点。清华大学物理系纳米科技实验室在国家自然科学基金委和科技部九七三重点基础研究计划的资助下，近年来在碳纳米管和一维半导体纳米线的可控制合成研究中取得了一些具有创新性的成果。
－、利用碳纳米管限制反应制备氮化嫁一维纳米晶体
一维纳米材料的制备一直是纳米材料制备领域中具有挑战性的课题。1991年碳纳米管的发现为人们提供了一种典型的一维纳米材料。碳纳米管的直径为纳米量级，长度可达毫米量级。理论和实验研究表明，碳纳米管的导电牲与管本身的直径和管的螺旋度有关，随着这些参数的变化碳纳米管可表现出导体或半导体性质。对杨氏模量的测量表明碳纳米管具有极高的强度。碳纳米管这些独特的电学和力学性质预示出它具有广泛的应用前景，因此成为当前纳米科学和技术领域最受关注的材料。物理系纳米科技实验室化学气相组合成出了多层碳纳米管和单壁碳纳米管，生成物纯度高和容易实现碳纳米管的宏量制备。
在上述工作的基础上，他们注意到碳纳米管可为制备其它一维纳米材料提供一种模板或框架，基于这一设想，1997年在国际上首次制备出氮化镓一维纳晶体，并提出了碳纳米管限制反应的概念。碳纳米管在高温下非常稳定，也就是说在高温下碳原子的蒸汽压非常低。如果此时系统中有一种蒸汽压比较高的物质可与碳反应，那么反应的过程将可能是蒸汽压比较高的物质的分子迁移到碳纳米管的表面或扩散到其内部，化学反应将被限制在碳纳米管的空间范围内，从而使反应生成物具有碳纳米管的一维形态。采用这种方法制备氮化嫁的一维纳米材料取得了成功，在Ga2O（g）＋C＋NH3 → GaN＋C0＋H2＋H2O的反应中，用碳纳米管作为碳源可制备出氮化稼一维纳米晶体。在这一反应中，生成的氮化物中并不含碳元素。但由于碳纳米管参与了反应，对反应起到空间限制作用，使生成的氮化镓呈现一维纳米形态。生成的氮化镓纳米棒具有完美的晶体结构和良好的发光性能，有可能在光电子学领域找到用途。这一方法己被证实可推广到制备其它材料的一维纳米晶体，为一维纳米材料的制备提供了一条新途径。这项研究结果发表在97年8月29日出版的《科学》（Science）杂志上。
二、硅衬底上生长碳纳米管阵列
要生长出纳米器件不仅要求实现材料的形状和维度控制，而且要求能控制纳米材料的生长位置和方向，实现纳米材料的有序生长。1998年他们与国家基金委首届“海外杰出青年合作研究基金”获得者、斯坦福大学戴宏杰教授合作，实现了硅衬底上碳纳米管阵列的自组织生长。他们采用蒸发和掩膜技术在硅表面形成铁的薄膜微观图形，利用乙烯做反应气体，在适当的反应条件下，碳纳米管可垂直于衬底表面生长，形成规则的阵列，阵列的形状由衬底上铁膜的微观图形决定，因此，通过控制铁催化剂在衬底上的位置就可以控制纳米管在衬底上的位置，成功地实现了碳纳米管的定位生长。这种碳纳米管阵列的一个可能的直接应用是场发射平面显示。值得指出的是，在硅衬底上生长碳纳米管阵列的工艺与现行的微电子器件的制备工艺完全兼容，这就为碳纳米管器件与硅器件的集成提供了可能。研究结果发表在1999年1月的《科学》（Science）杂志上。这项发明利用与微电子工业兼容的技术制备制碳纳米管阵列，将会推进碳纳米管在场发射平面显示和纳米器件领域的应用研究。目前这项技术也已被成功地用于硅和氮化镓等半导体纳米线的定位、定向生长。
清华大学物理系纳米科技实验室的研究成果受到了国内外同行的广泛重视，美国出版的《化学与工程新闻》（C&EN），《R&D Magazine》和《Inside R&D》等科学新闻期刊相继报导过这些研究结果。1997年和1999年发表在《科学》杂志上的两篇文章已被引用180 次。研究成果也曾被列入一九九八年中国十大科技新闻、高等学校十大科技进展和科技部十项基础研究成果，课题负责人范守善教授曾获首届“长江学者成就奖”二等奖。
