[发明专利]第Ⅳ族金属或者半导体纳米线织物

说明书

技术领域

本发明总体上涉及纳米线，更特别地涉及包含第IV族金属或者半导体纳米线的织物以及这些织物的应用。

政府权利的公告

在本公开内容中所描述的工作是由空军研究实验室(Air Force Research Laboratory)（FA-8650-07-2-5061）和海军研究所(Office of Naval Research)（N00014-05-1-0857）支持的。政府可以具有这里公开的发明的一项或者多项中的某些权利。

相关申请的交叉引用

本申请要求U.S.临时申请序列号61/308,104（Korgel等）名称为“第IV族金属或者半导体纳米线织物(GROUP IV METAL OR SEMICONDUCTOR NANOWIRE FABRIC)”的优先权，其申请日为2010年2月25日，并且通过引用将其整体引入本文。

背景技术

通常的纳米粒子、特别是纳米线，在材料科学中已经是颇值得研究的主题。这种兴趣部分源于以下事实：许多材料的纳米线经常表现出与相应的体材料显著不同的性质。

举例来说，如同几乎所有已知的陶瓷，锗（Ge）是脆性材料¹，并且在高温下（大于350℃）仅仅显示可测量的延展性²。这些性质是由晶格中的锗原子之间的方向性的共价键合所产生的，其阻止成核以及用于塑性变形所必需的位错运动（佩尔斯力（the Peierls force））。因此，除非温度非常高，当Ge变形至刚刚通过其屈服点时，Ge的块晶断裂³。Ge也往往是相对脆弱的，其室温断裂强度仅仅为40至95MPa。这些断裂强度的数量级比对于完美Ge晶体所预期的的理想强度14-20GPa低^4，5，并且归因于Ge晶体具有各种几乎不可避免的缺陷以及作为裂纹形成和增长的原因的应力的这一事实。

与块体Ge相比，Ge的晶体纳米线，如同许多其它半导体的那些，由于它们的纳米尺寸因而是机械柔韧的。这些纳米线同样太小而不能支持类似于体材料的缺陷密度，并因此极其强壮。事实上，Ge纳米线的强度接近完美Ge晶体的理想强度。

附图简述

图1a是用于本文描述的机械性质测试的Ge纳米线的SEM图像。

图1b是用于本文描述的机械性质测试的Ge纳米线的HRTEM图像。

图2a是用两个STM探针操作的Ge纳米线预-断裂的SEM（插图是弯曲纳米线的示意图）。

图2b是用两个STM探针操作的Ge纳米线断裂后的SEM。

图2c是从在基底附近获得的断裂Ge纳米线得到的被操作Ge纳米线的TEM（插图是图像的FFT）。

图2d是从在断裂表面处获得的断裂Ge纳米线得到的被操作Ge纳米线的TEM。

图3a是描绘针对不同直径的Ge纳米线所测量的最大（a）曲率半径的图形（所有纳米线具有<111>生长方向，由HRTEM图像的FFT测定；参见图2c插图）。

图3b是描绘针对不同直径的Ge纳米线测量的最大挠曲应变的图形（所有纳米线具有<111>生长方向，由HRTEM图像的FFT测定；参见图2c插图）。

图4是描绘针对不同直径的Ge纳米线测量的抗弯强度的图形；灰色阴影区对应于完美Ge晶体的预测断裂强度。^6，7

图5a是用两个STM探针操作的Ge纳米线的SEM图像，并显示被其中一个探针切割之前并向高应变位置弯曲的纳米线。

图5b是用两个STM探针操作的Ge纳米线的SEM图像，并显示被其中一个探针切割之后并向高应变位置弯曲的纳米线。

图5c是图5b的Ge纳米线在被探针放开之后的SEM图像。

图5d是显示图5c的Ge纳米线的塑性变形的SEM图像。

图6a是向高应变位置弯曲以及通过范德华力固定在SiN基底的悬臂(cant ilevered)Ge纳米线的SEM图像。

图6b是图6a的Ge纳米线的HRTEM图像，显示存在裂纹形成的最高应变区域。

图6c是图6a的Ge纳米线的HRTEM图像，显示存在裂纹形成的最高应变区域。

图6d是显示在图6a的Ge纳米线中金刚石立方体和无定形相之间的轮廓（参见虚线）的HRTEM图像。

图7a是在氧化铝过滤膜上干燥的Ge纳米线织物的图片。

图7b是图7a的Ge纳米线织物在从过滤器移去之后（纳米线织物的直径为大约13mm）的图片。