多面体晶粒构建金属纳米线的调控制备、生长机理及性能研究

金属纳米线具有不同于体材的非线性光学、磁各向异性以及独特的电学、力学等性能，这不仅与纳米线的本征特征（小尺寸和低维度等）有关，而且与其微结构密切相关。例如，单晶金属线有很好的导电性，但韧性较差；多晶金属线有较好的韧性，晶界却会大大降低其导电性。目前，多晶金属纳米线的结构设计已成为关注热点，但有关微结构（缺陷、界面等）和尺度效应引发性能变异及相关物理机制的研究还不够深入。由规则形貌（如正多面体）晶粒构建的金属纳米线，其调控制备以及微结构特征（如晶粒尺寸、晶粒形貌和晶体缺陷等）与性能之间关联性的研究尚未见报道。本项目拟通过沟槽引导电沉积技术实现多面体晶粒构建金属纳米线的制备及其微结构调制，揭示电沉积选择性成核与缺陷引入的生长机理；通过系统研究金属纳米线的微结构与光、电和力学等性能的关联性，阐明界面效应、尺度效应的物理机制，为新型MEMS器件的设计、制造和服役可靠性研究提供实验和理论支持。

金属纳米线具有不同于体材的非线性光学、磁各向异性以及独特的电学、力学等性能，这不仅与纳米线的本征特征（小尺寸和低维度等）有关，而且与其微结构密切相关。例如，单晶金属线有很好的导电性，但韧性较差；多晶金属线有较好的韧性，晶界却会大大降低其导电性。目前，多晶金属纳米线的结构设计已成为关注热点，但有关微结构（缺陷、界面等）和尺度效应引发性能变异及相关物理机制的研究还不够深入。由规则形貌（如正多面体）晶粒构建的金属纳米线，其调控制备以及微结构特征（如晶粒尺寸、晶粒形貌和晶体缺陷等）与性能之间关联性的研究尚未见报道。针对以上科学问题，项目组开展了一些相关研究，已取得了一系列原创性成果，主要包括：搭建了不同尺寸金属纳米线的制备与性能测试平台；采用沟槽引导电沉积技术，实现了多面体晶粒构建金属纳米线的制备；基于对部分典型金属（主要包括Cu、Ni和Ag）纳米线的制备、尺寸和微结构调控研究，阐明了沟槽引导电沉积选择性成核与多面体晶粒构建一维结构的物理机制，从而揭示了多面体晶粒构建金属线的生长机理；通过研究金属纳米线的电学、力学行为及其微结构特征，揭示了性能与微结构特征的关联性及其界面、尺度效应，阐明了低维度、截面形貌和晶界、孪晶等缺陷对性能的影响，为新型MEMS器件的设计和服役可靠性研究提供实验和理论支持。项目组不仅达到了研究目标，而且进一步实现了在半导体硅衬底表面直接沟槽引导电化学生长金属纳米线，克服了将纳米线从基底表面转移的关键技术问题；并实现了金属纳米线构成的大面积复杂图案材料的可控制备，为MEMS器件的制备提供了新的解决方案。. 三年期间，项目组成员共发表SCI论文28篇，期中SCI影响因子大于3.0的论文10篇。荣获国家科技进步二等奖2项，江苏省科学技术奖三等奖1项、南通市科学技术进步二等奖1项和南京市科学技术进步三等奖1项。申请国家发明专利12项（已公开），获授权的发明专利5项（专利号分别为ZL200910024505.0、200910183351.X、ZL201010255943.0、ZL201110253871.0和ZL201210013757.5）。在该自然科学基金项目经费资助下，项目负责人培养了5名硕士研究生（在读），联合培养了2名博士研究生（1名已毕业，1名在读）和3名硕士研究生（2名已毕业，1名仍在读）。