基于纳米尺度效应的金属纳米线电子输运受限规律研究

根据未来纳米器件结构单元之间通信承载负荷和集成度的要求，选择合适材料、合适尺度的纳米线作为连接导线是个重要的课题。本项目采用模板法、溶剂/水热法可控制备从5纳米到200纳米直径连续变化的典型金属（银和铜）同轴电缆；基于聚焦离子束沉积（FIB）技术构筑连续系列四电极结构的单根同轴电缆纳米结构器件；利用物理性质测试系统（PPMs）测试单根纳米线核在5 -390 K温度范围内的电子输运性质，同时考察其重复性；系统地研究纳米尺度效应对典型金属纳米线电子输运性质的影响，并基于密度泛函理论的第一性原理方法模拟纳米线核在尺寸变化下电子输运模型，揭示纳米尺度效应对金属纳米线电子输运受限规律。本项目融合材料、物理、检测多学科知识，实验结果与理论分析相结合，研究成果将为未来大规模集成纳米器件之结构单元之间的连接导线的选择提供理论基础。

根据未来纳米器件结构单元之间通信承载负荷和集成度的要求，选择合适材料、合适尺度的纳米线作为连接导线是个重要的课题。银在所有金属中导电性最高；铜是一种广泛应用的材料。通常研究金属导线在纳米尺度的电学传输性质存在易氧化、腐蚀和难重复的问题。为了解决金属纳米线在纳米尺度的稳定性以及尺寸对导电性能的影响并总结规律。本项目研究并完成的主要内容为：1）Cu@C、Ag@C纳米电缆可控制备，研究表明金属纳米线外绝缘的碳包覆层能够起到保护和防止金属纳米线氧化的功能；2）稳定性铜纳米线的制备，研究表明如果吸附层中含有氮（N）原子，则能形成N-Cu键，在铜纳米线表面形成金属有机物保护层防止铜纳米线氧化；3）单根Cu@C纳米电缆电学传输性质研究，研究表明无定型碳层能保护铜纳米线，防止其氧化，并且铜纳米线核能保持块体铜的导电性能；4）单根铜纳米结构电学传输性质研究，研究表明稳定的铜纳米线能保持块体铜优良的导电性能，并且单根铜纳米线的力学性能明显与尺寸有关联；5）不同尺寸Ag@C纳米电缆电学传输行为研究，寻找尺寸与电学传输性能的关联规律。本项目研究成果将为未来大规模集成纳米器件结构单元之间的互联导线的选择提供理论基础和技术可能。相关研究成果已经发表在Small上1篇和ACS Appl. Mater. Interfaces上1篇。