电子/离子导体"芯/壳"型低维复合纳米结构的设计、制备及输运性质研究

This project aims to design and prepare a new type of low-dimensional nanostructure, i.e. "electronic/ionic conductor 'core/shell' type low-dimensional composite nanostructures", using the macroscopic-long metal nanowire (or carbon nanotube (CNT)) spiderweb thin films and superionic conductors (SICs). For example, SICs can be coated on the outer surfaces of metal nanowires (or CNTs) by vacuum thermal evaporation technique, so that the metal nanowires (or CNT) will be embedded in the SIC film. In this way, electronic/ionic conductor low-dimensional composite nanostructures with "core/shell" type can be prepared. The effects of the applied electric field strength, types of electrodes, temperature and humidity on the charge transports in the composite nanostructures will be studied exhaustively. Ion regulation effect on the electronic conductance in the nanostructures will also be researched. Both experimental testing and theoretical analysis will be done to clarify the interaction mechanism between ions and electrons in such low-dimensional systems. The research on the regulation of electronic conductance by ions can be used for designing new electronic/ionic composite nanostructure devices, such as ions regulated field effect transistor and so on.

本课题拟利用宏观长金属纳米线（或碳纳米管）网状薄膜和超离子导体材料，设计、制备全新的"电子/离子导体'芯/壳'型低维复合纳米结构"。通过真空热蒸镀技术将超离子导体材料包覆在金属纳米线（或碳纳米管）的外表面，使金属纳米线（或碳纳米管）置入超离子导体薄膜材料内部，形成"电子/离子导体'芯/壳'型低维复合纳米结构"。详细研究外加电场强度、电极材料种类、温度和湿度等因素对该复合纳米结构中电荷输运性质的影响，以及离子对电子电导的调控效应。实验测试结合理论分析，弄清离子与电子在该低维体系中的相互作用机制。阐明这种离子调控电子电导效应的机理，为设计新型电子/离子复合纳米结构器件（如离子调控型场效应管等）奠定科学基础。

本课题利用能够传输电子的碳纳米材料（或金属纳米材料）作为低维的电子导体材料，利用能够传输离子的薄膜作为低维的离子导体材料，设计及装配不同的“电子/离子导体”低维复合纳米结构。详细研究外加电场、光场和环境等因素对该复合纳米结构中电荷输运性质的影响，弄清离子与电子在低维体系中的相互作用过程和离子对电荷输运行为的调控机制，为设计新型“电子/离子导体”复合纳米结构器件奠定了科学基础。具体成果如下：.首先，通过不断优化各种材料的制备工艺，成功制备出多种低维“电子导体材料”和低维“离子导体材料”；其中，Au纳米材料、Ag纳米材料、Cu纳米材料、碳纳米管材料、石墨烯薄膜材料等属于低维“电子导体材料”；而RbAg4I5薄膜、Rb4Cu16Cl13I7薄膜、TiO2纳米管阵列薄膜等依次分别属于能够传导银离子、铜离子和氧离子的低维“离子导体材料”。.其次，发现了Ag和Cu纳米材料在自然环境下的不稳定性，特别是Cu纳米材料极易氧化而转变成氧化铜或氧化亚铜纳米材料。此外，还发现Au与RbAg4I5之间以及Ag与Rb4Cu16Cl13I7之间接触界面容易发生电化学反应而导致金属纳米材料被腐蚀。.最终构建了“碳纳米管/ RbAg4I5”、“碳纳米管/TiO2”、“Au/ RbAg4I5”、“石墨烯/ RbAg4I5”等多种新型“电子/离子导体”低维复合纳米结构。实验测试结合理论分析，深刻认识和理解了体系中“电子-离子束缚态”的形成过程、光子对“电子-离子束缚态”的解离过程、光子对“固态电化学反应”的催化过程以及光子对等离激元的激发过程。在此基础上，设计出多种新型的离子调控电子电导的复合纳米结构器件原型。在项目的执行过程中，共计发表了学术论著12篇，其中SCI收录期刊的论文10篇，国际会议论文1篇，合著专著1部；培养博士生5名（毕业2名，在读3名）和进修教师1名。