可调控应变金属氧化物纳米线的制备及应变对纳米线光电与相变性质的影响

Side-ways physical deposition is an effective method to induce strain in the nanowires, which was firsly introduced by the applicant. It has several advantages such as the ability to tune the strain continuously, uniform axial strain distribution, large maxium strain value.In this proposal, based on the side-ways physical deposition, we will discuss the influence of strain on the piezophototronics effect of ZnO nanowires and metal-insulator transition of VO2 nanowires.The first issue focus on the performance of piezopotential as a gate voltage to tune the electron transport in ZnO nanowires. The photo-electrical and electrical induced light emitting properties will be intensely studied. The piezophototronics effect has theoratical potential to improve the performance of novel nanowire based solar cells, UV sensors and light emmitting diodes. The second issue is about the metal-insulator phase transition of VO2 nanowires as a strong electron correlation material. The optical and electrical properties changes greatly before and after the phase transition. We will study the change of the metal-insulator-transition point with the internal strain and attempt to lower its phase transition point to room temperature. It will solve some of the foundamental theoratical and practical problems to make novel smart materials for temperature control.

物理侧向沉积是本申请人首先提出的一种新型的在纳米线中引入应变的方法，具有引入应变连续可控、应变沿轴向分布均匀、应变值可以较大、可大规模处理纳米线阵列等优点。本项目以这种方法为基础，进一步探讨在一定应变存在下，氧化锌纳米线的压电光电子学效应及二氧化钒纳米线的金属-绝缘体相变。前者重点研究氧化锌作为一种同时具有压电性质和半导体性质的材料，在应变存在下，压电电位作为门电压来调控其内部的载流子输运性质，进而影响其光致发电与电致发光性能的效应，为新概念光电池、紫外传感器、发光二极管的开发提供思路；后者重点研究二氧化钒纳米线作为一种强关联电子体系的金属-绝缘体相变，探讨其在应变存在的情况下相变点的变化以及相变前后电学、光学性质的变化，尝试将其相变点降至室温，为新型智能温敏纳米器件的制作解决基础理论和关键技术问题，有望在更加深入的理论研究和大规模器件制作方面取得突破。

本项目原计划用侧向脉冲激光沉积在纳米线中引入应变，研究在一定应变存在下，氧化锌纳米线的光电子学效应及二氧化钒纳米线的金属-绝缘体相变。前者重点研究氧化锌作为一种同时具有压电性质和半导体性质的材料，在应变存在下，压电电位作为门电压来调控其内部的载流子输运性质，进而影响其光致发电与电致发光性能的效应，并探索性能更加优异的新型光电池、紫外传感器、发光二极管的制作；后者重点研究二氧化钒纳米线作为一种强关联电子体系的金属-绝缘体相变，探讨其在应变存在的情况下相变点的变化以及相变前后电学、光学性质的变化。.经过三年的研究，本项目遇到了一些意想不到的现象，所以调整了部分实验方案，取得了一系列成果。本项目尝试采用的侧向脉冲激光沉积调节氧化锌纳米线的内部应力，结果发现，氧化锌纳米线在经受较高能量的侧向离子轰击后往往会引入大量的缺陷，缺陷的密度较难控制，导致氧化锌线与外电路的接触不稳定，有时形成欧姆接触，有时形成肖特基接触。所以我们调整了实验方案，重点来研究不同缺陷密度对氧化锌光电性质的影响，结果发现氧化锌近表面的缺陷会对其电致发光特性产生影响。我们构筑了氧化锌纳米线/石墨烯范德华异质结，在正向偏压的作用下发现氧化锌纳米线可以发射绿光，并从能带结构角度解释了绿光主要是源自氧化锌表面的缺陷。.我们还发现，侧向脉冲激光沉积过程中，气化的粒子在到达基底时具有较大的动能，可以在高分子基底上打出一些凹凸不平的结构，进一步的，可以使用电感耦合等离子体刻蚀将初始的凹凸不平加深，最后形成竖直排列的高分子纳米线阵列。这种高分子纳米线阵列具有较大的表面积，且因高能粒子轰击而产生了大量的悬挂键，可以吸附大量的蛋白质，可以用于制作生物芯片，增加生物分子特异性吸附，并通过酪素处理，减少非特异性吸附。该技术应用于艾滋病人血清中HIV抗体的检测，可以将荧光信号增强30倍，大大增加生物芯片的灵敏度，将检出限降低一个数量级。.该项目中所涉及的表面缺陷概念还被应用于电池领域，指导设计了一系列锂空气电池正极材料。表面缺陷，如孔隙和杂原子对锂空气电池充放电对应的氧气还原反应、氧气生成反应具有催化效果，可以降低过电位，延长循环寿命。.在基金的支持下，本项目发表论文7篇，其中5篇发表在影响因子高于6的杂志。3项发明专利获得了授权。