王中林教授在全球首次形成超晶格結構完美納米螺旋晶體

2020-11-25 北大新聞網

2005/09/12 信息來源： 信息來源:工學院

來自美國亞特蘭大最新消息，喬治亞理工學院校董事教授、北京大學工學院兼職教授、 中國國家納米科學中心海外主任王中林博士領導的研究小組在繼去年首次成功合成自環繞單晶納米環後(美國《科學》周刊，2004年，303卷，第1348頁)，近日在世界上首次實現半導體壓電納米帶的自發組裝，形成具有超晶格結構的完美納米螺旋晶體。

這種完美納米螺旋晶體具有剛性結構，由兩種具有不同取向的氧化鋅納米帶沿寬度方向周期性交替共格外延，自發組裝形成。氧化鋅(ZnO) 是一種典型的纖鋅礦結構的半導體材料，它具有沿極化方向有著各向異性生長習性的功能材料。氧化鋅超晶格納米螺旋不僅可以應用於納米光電子器件，納米傳感器, 實現納米尺度上機電耦合，同時也為基礎納米理論物理和計算物理提供了一個極其挑戰性的課題。2005年9月9日的美國《科學》周刊上對這一重大研究成果做出了長篇報導（Conversion of Zinc Oxide Nanobelts into Superlattice-Structured Nanohelices, 2005年，309卷，第1700頁）。該研究成果成功實現了氧化鋅納米帶的超晶格自發螺旋形組裝，是在晶體生長研究領域的一次重大突破。

王中林教授是世界著名納米技術科學家，在碳管納米秤和半導體納米帶等研究方面取得了世界矚目的成果。他是1992-2002十年間全世界納米技術領域論文引用次數世界個人排名前25位作者之一。王教授還是北京大學工學院籌備委員會成員，對北大工學院的成立和建設也做出了重要貢獻。

由王教授和博士生高普獻和丁勇博士等組成的喬治亞理工學院研究小組率先運用高溫熱蒸發氣相沉積的方法在納米尺度上實現氧化鋅一維晶體表面從單晶體向超晶格結構的急劇轉變，同時超晶格結構最終可以終結為單晶體。通過控制晶面的生長動力學，降低靜電極化表面能，極性單晶納米帶可以突然發生結構轉變，轉變為由極化納米帶和非極化納米帶周期交替，平行共格的超晶格結構。這種納米螺旋具有大約3.5納米平行於納米帶的超晶格周期, 螺旋直徑300-700 納米，寬度100-500納米，螺旋周期為500-2500 納米， 螺旋長度可達0.1 毫米。雖然實驗表明，極化納米帶和非極化納米帶晶界完全外延共格，但是仍然有著大約4度的旋轉扭曲，這種剛性的晶格旋轉扭曲最終導致了兩種不同取向氧化鋅納米帶的螺旋形自組裝。結構轉變的起源來自能量的降低：首先通過減少極化面面積，可以大大降低靜電錶面能，促進結構的穩定性；其次，為了平衡超晶格晶界旋轉扭曲造成的應變能，周期性的螺旋形結構成為最穩結構形式。通過實驗常數和生長動力學的優化設計，該研究組已經成功控制了這一特殊螺旋超晶格晶體的生長過程。這種由一維晶體表面極化性質的轉變所導致的從單晶體到超晶格的結構演變，為研究並深入理解其它同樣具有纖鋅礦結構的II-VI族和III-V族半導體材料，如ZnS, ZnSe, CdS, CdSe, CdTe，GaN, InN和AlN等，提供了極好的參考體系。

三年前，王中林教授曾經指出，具有壓電效應的納米環是一種非常理想的機電耦合材料，在微/納米電機系統中有重要的應用價值，而且氧化鋅是實現這些獨特多重性能的關鍵材料。氧化鋅是一種極其重要的具有光電，傳感，和生物用途的半導體和壓電材料。它是目前最受關注的納米材料之一。現在新型的納米螺旋不僅具有半導體性質和壓電效應，而且具有特殊的超晶格結構，有著巨大的潛在優勢被用來設計研製超靈敏度納米傳感器，電機耦合器，納米壓電馬達, 甚至用於生物探測。目前，該研究組繼續在原子力顯微鏡下進行納米尺度操作測量，對螺旋超晶格納米力學性質進行深入的測量表徵。與此同時，他們已經開始了對這種同時具有半導體超晶格結構和壓電效應的新型獨特納米螺旋進行納米電機耦合系統，納米傳感器的開發應用研究。

詳細信息可查閱：www.nanoscience.gatech.edu/zlwang

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