复杂形貌与尺寸变化的纳米管与纳米线热膨胀研究方面取得进展

纳米管与纳米线属于一维纳米材料，在纳米器件与纳米系统中有广泛的应用前景，既可作功能元件，也可作联接导线。中科院合肥物质科学研究院固体所科研人员对纳米管与纳米线的热膨胀行为进行了研究，研究成果对用复杂形貌与尺寸变化的纳米管与纳米线构筑的纳米器件的安全稳定性具有重要的意义，相关研究结果发表在Small 6, 381-385 (2010)。

    多年来，固体所纳米材料研究团队一直很重视对纳米线与纳米管的热膨胀行为研究。此前，张立德、李广海、费广涛等研究小组曾系统地研究了从头到尾直径相同的纳米线与纳米管的热膨胀行为，在这方面发表了系列研究论文，包括APL 82, 4253(2003)；Nanotech. 15, 1437 (2004)；APL 87, 31912(2005)；JPCB 110, 26189(2006)；APL 89, 181914(2006)；APL 88, 211902(2006)；J. Cryst. Growth. 305, 8(2007)；JPCC 112, 5328 (2008)；Nanotech. 19, 285711(2008)；JPCC 113, 9568(2009)等等。

    近年来，人们越来越关注形貌复杂与直径变化的纳米线与纳米管。研究表明，用它们作为基本单元构筑纳米器件与系统，性能会更优、功能会更强。因此，已成为纳米器件与系统的重要构筑单元。可想而知，形貌复杂与直径变化的纳米线与纳米管的热稳定性，将对这些性能更优、功能更强的纳米器件的稳定性至关重要。

    为了对纳米器件与系统中使用的形貌复杂与尺寸变化的纳米管与纳米线的热稳定性进行研究，最近，固体所杨大驰博士与朱储红博士生在导师孟国文研究员的指导下，以具有“Y-分支”和“台阶轴”形貌孔的多孔氧化铝为模板，以金属铜为例，采用电沉积方法构筑了具有“Y-分支”和“台阶轴”形貌的纳米管与纳米线；他们与朱晓光、孔明光两位副研究员合作，对这些新结构进行了仔细的微观结构表征。

    在获得试样的基础上，他们又与陈莉研究员一起合作，采用变温X射线衍射技术，系统地研究了这些“Y-分支”和“台阶轴”形貌的纳米管与纳米线的热膨胀性能，发现直径大小不同部位的热膨胀性能对温度变化的敏感程度不同。其中，直径较粗部分的热膨胀对温度变化更敏感，他们对产生这种现象的微观机理进行了较为深入的理论探讨与分析。

    基于上述研究结果，如果纳米器件与系统的构筑单元中有这样的纳米管与纳米线，则当周围环境温度变化时，“粗直径”部分的热膨胀就要大于“细直径”部分的热膨胀。这样就有可能导致在直径变化的“界面处”出现晶格常数不一致现象；随着温度的进一步升高，原来的共格界面就会转变为半共格界面、非共格界面，最后导致“Y-分支”和“台阶轴”形貌的纳米管与纳米线在直径发生变化的“界面处”断裂(更深入的工作还有待于用高分辨透射电镜观察验证)。

    该工作得到了国家自然科学基金(No.50525207, 50972145)，纳米研究重大科学研究计划(No.2007CB936601)以及中科院百人计划项目等资助。