[发明专利]一维金属和金属氧化物纳米结构

说明书

[0001]该申请要求基于2006年9月8日提交的名称为“One Dimensional Metal and Metal Oxide Nanostructures”的临时申请 60/824,910的优先权，在此通过引用将其引入。

技术领域

[0002]本公开涉及具有可变组成和形态的一维金属和金属氧化物 纳米结构(例如锡、锡氧化物、钛氧化物和钨氧化物的结构)。本公开 还涉及制备和掺杂形式为例如线、杆、针和花的纳米结构的方法。

发明背景

[0003]由于纳米结构材料的独特性质和与三维块状材料 (three-dimensional bulk material)互补性的潜在应用，纳米结构材料(也 即，至少一个维度在1-100nm范围的结构)引起了人们持续升高的兴 趣。由于例如电子在三维(3D)、二维(2D)、一维(1D)和零维(0D) 结构中不同的相互作用方式，因此维数(dimensionality)在确定材料 性质方面具有关键性的作用。与0D纳米结构(称作量子点或纳米颗粒) 和2D纳米结构(薄膜)相比，1D纳米结构(包括碳纳米管(CNT) 和纳米线(NW))作为用于研究电子传输、光学和机械性质对于尺寸 限制和维数的依赖性以及用于各种潜在应用(包括复合材料、电极材 料、场发射体、纳米电子器件和纳米尺寸传感器)的模型系统都是理 想的。

[0004]纳米线是一类较新的具有高纵横比(长径比通常大于10) 的一维纳米材料。其具有与碳纳米管不同的重要性。纳米线可以由除 碳之外的各种组成的材料制成。纳米线已证实具有卓越的电、光、机 械和热性质。例如，最近已经证明金纳米线具有超高的强度。强度的 显著提高是由于晶体结构中缺陷的降低和在纳米线直径的横截面上有 更少量的颗粒。各种晶体材料和掺杂方法的广泛选择使得纳米线的性 质(例如电性质)可以高度的自由度和精确度进行调节。

[0005]纳米线是由各种无机材料构成的，所述无机材料包括元素半 导体(Si、Ge和B)、III-V族半导体(GaN、GaAs、GaP、InP、InAs)、 II-VI族半导体(ZnS、ZnSe、CdS、CdSe)和金属氧化物(ZnO、MgO、 SiO₂、Al₂O₃、SnO₂、WO₃、TiO₂)。在这些无机材料中，金属氧化物纳 米线由于独特的性质(例如与金属组分强的化学相互作用)，对于一些 特别的应用具有显著的优点。这种现象有时解释为强的金属-载体相互 作用。已经报道了在将金属氧化物纳米线和纳米带用作传感器和用于 其它电子应用中的显著进步。

[0006]基本一维的纳米结构(例如纳米线、纳米杆、和长度远大于 厚度的纳米带)是一类新型的纳米材料。这类纳米结构的合成方法通 常分为两类：气相沉积或基于溶液的晶体生长。尽管基于溶液的合成 通常提供更好的工艺条件控制且容易实现较高的生产率，但气相沉积 由于较高的生长温度通常获得较高的纵横比(例如长宽比或长径比) 和优秀的结晶度。然而，目前主要的挑战之一是以允许其形态变化的 方式控制金属氧化物纳米结构的合成。由于其形状改变，这将允许开 发所述纳米结构的不同的潜在材料应用。

发明内容

[0007]金属和金属氧化物以基本一维的纳米结构形成，所述一维纳 米结构具有各种形状，例如线、杆、针、带和花(线或杆在中心连接 并延伸，类似于放射状花瓣)。纳米线和杆从头到尾具有均匀的直径， 而纳米针具有尖锐的尖端。这些纳米结构具有高的纵横比(例如长度 对直径或厚度的比值为十或更大)，其中较小的尺寸在1～100纳米范 围内。可以通过本说明书中公开的实践进行处理的金属的实例包括锡、 钛和钨。

[0008]在第一实施方案中，将该金属的粉末在惰性气体(例如氩气) 的物流中加热。适合的温度通常在约700℃～约1000℃范围内。将该 金属粉末加热到适合的温度，在该温度其生成一定量的蒸气(例如锡)， 该惰性气体包含少量氧分子(例如ppm含量的)。氧气和热金属蒸气反 应生成在该反应温度是固态的氧化金属，其作为一维纳米结构沉积在 附近的基体上。当该金属在该腔温度几乎不生成蒸气时(例如钛和钨)， 该一维纳米结构可以直接生长在该金属粉末上。