納米線物理性質(zhì)

納米線力學(xué)性質(zhì)

通常情況下，隨著尺寸的減小，納米線會(huì)體現(xiàn)出比大塊材料更好的機(jī)械性能。強(qiáng)度變強(qiáng)，韌度變好。

納米線導(dǎo)電性質(zhì)

伴隨著機(jī)械性能的顯著變化，納米線的電學(xué)性能也相對(duì)于體材料有著明顯的變化。納米線的導(dǎo)電性預(yù)期將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于體材料。其原因是當(dāng)納米線的橫截面尺寸小于體材料的平均自由程的時(shí)候，載流子在邊界上的散射效應(yīng)將會(huì)突顯出來(lái)。電阻率將會(huì)收到邊界效應(yīng)的嚴(yán)重影響。納米線的表面原子并不像在體材料中的原子一樣能夠被充分的鍵合，這些沒(méi)有被充分鍵合的表面原子則常常成為納米線中缺陷的來(lái)源，從而使得電子不能順利地通過(guò)，使得納米線的導(dǎo)電能力低于體材料。

納米線的導(dǎo)電性預(yù)期將大大小于大塊材料。這主要是由以下原因引起的。第一，當(dāng)線寬小于大塊材料自由電子平均自由程的時(shí)候，載流子在邊界上的散射現(xiàn)象將會(huì)顯現(xiàn)。例如，銅的平均自由程為40nm。對(duì)于寬度小于40nm的銅納米線來(lái)說(shuō)，平均自由程將縮短為線寬。

同時(shí)，因?yàn)槌叨鹊脑颍{米線還會(huì)體現(xiàn)其他特殊性質(zhì)。在碳納米管中，電子的運(yùn)動(dòng)遵循彈道輸運(yùn)（意味著電子可以自由的從一個(gè)電極穿行到另一個(gè)）的原則。而在納米線中，電阻率受到邊界效應(yīng)的嚴(yán)重影響。這些邊界效應(yīng)來(lái)自于納米線表面的原子，這些原子并沒(méi)有像那些在大塊材料中的那些原子一樣被充分鍵合。這些沒(méi)有被鍵合的原子通常是納米線中缺陷的來(lái)源，使納米線的導(dǎo)電能力低于整體材料。隨著納米線尺寸的減小，表面原子的數(shù)目相對(duì)整體原子的數(shù)目增多，因而邊界效應(yīng)更加明顯。

更進(jìn)一步，電導(dǎo)率會(huì)經(jīng)歷能量的量子化：例如，通過(guò)納米線的電子能量只會(huì)具有有離散值乘以朗道常數(shù)G =

因?yàn)榈碗娮訚舛群偷偷刃з|(zhì)量，這種電導(dǎo)率的量子化在半導(dǎo)體中比在金屬中更加明顯。量子化的電導(dǎo)率可以在25nm的硅鰭中觀測(cè)到（Tilke et. al.， 2003），導(dǎo)致閥電壓的升高。

量子束縛原理：電子在納米線中，橫向受到量子束縛，能級(jí)不連續(xù)。這種量子束縛的特性在一些納米線中表現(xiàn)為非連續(xù)的電阻值。這一種分立值是由納米尺度下量子效應(yīng)對(duì)通過(guò)納米線電子數(shù)的限制引起的。這些孤立值通常被稱(chēng)為電阻量子化。作為納米技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，納米線具備很多在大塊或三維物體中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的性質(zhì)。

納米線可以有多種形態(tài)。有時(shí)它們以非晶體的順序出現(xiàn)，如五邊對(duì)稱(chēng)或螺旋態(tài)。電子會(huì)在五邊形管和螺旋管中蜿蜒而行。

這種晶體順序的缺乏是由于納米管僅在一個(gè)維度（軸向）上體現(xiàn)周期性，而在其它維度上可以以能量法則產(chǎn)生任何次序。例如，在一些個(gè)例中，納米線可以顯示五重對(duì)稱(chēng)性，這種對(duì)稱(chēng)性無(wú)法在自然界中觀測(cè)到，卻可以在少量原子促成的簇中發(fā)現(xiàn)。這種五重對(duì)稱(chēng)性相當(dāng)于原子簇的二十重對(duì)稱(chēng)性：二十面體是一簇原子的低能量態(tài)，但是由于二十面體不能在各個(gè)方向上無(wú)限重復(fù)并充滿整個(gè)空間，這種次序沒(méi)有在晶體中觀測(cè)到。

根據(jù)組成材料的不同，納米線可分為不同的類(lèi)型，包括金屬納米線（如：Ni，Pt，Au等），半導(dǎo)體納米線（如：InP，Si，GaN 等）和絕緣體納米線（如：SiO₂，TiO₂等）。分子納米線由重復(fù)的分子元組成，可以是有機(jī)的（如：DNA）或者是無(wú)機(jī)的（如：Mo6S9-xIx）。

納米線的制備有被懸置法、沉積法、元素合成法等。

被懸置法：指納米線在真空條件下末端被固定。懸置納米線可以通過(guò)對(duì)粗線的化學(xué)刻蝕得來(lái)，也可以用高能粒子轟擊粗線產(chǎn)生。

沉積法：指納米線被沉積在其他物質(zhì)的表面上，例如它可以是一條覆蓋在絕緣體表面上的軸向線。

元素合成法：這種技術(shù)采用激光融化的粒子或者一種原料氣硅烷作原材料，然后把原材料暴露在一種催化劑中。對(duì)納米線來(lái)說(shuō)，最好的催化材料是液體金屬的納米簇。原材料進(jìn)入到這些納米簇中并充盈其中，一旦達(dá)到了超飽和，源材料將固化，并從納米簇上向外生長(zhǎng)。最終產(chǎn)品的長(zhǎng)度可由原材料的供應(yīng)時(shí)間來(lái)控制。具有交替原子的超級(jí)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的化合物納米線可以通過(guò)在生長(zhǎng)過(guò)程中交替原材料供應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

另一種方式產(chǎn)生納米線是通過(guò)STM 的尖端來(lái)刻處于熔點(diǎn)附近的金屬。這種方法可以形象地比作“用叉子在披薩餅上的奶酪上劃線”。

在電子，光電子和納電子機(jī)械器械中，納米線有可能起到很重要的作用。它同時(shí)還可以作為合成物中的添加物、量子器械中的連線、場(chǎng)發(fā)射器和生物分子納米感應(yīng)器。

納米線制造電子設(shè)備

截至2014年，納米線仍然處于試驗(yàn)階段。不過(guò)，一些早期的實(shí)驗(yàn)顯示它們可以被用于下一代的計(jì)算設(shè)備。為了制造有效電子元素，第一個(gè)重要的步驟是用化學(xué)的方法對(duì)納米線摻雜。這已經(jīng)被實(shí)現(xiàn)在納米線上來(lái)制作P型和N型半導(dǎo)體。下一步是找出制作PN結(jié)這種最簡(jiǎn)單的電子器械的方法。這可用兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。第一種是物理方法：把一條P型線放到一條N型線之上。第二種方法是化學(xué)的：沿一條線摻不同的雜質(zhì)。再下一步是建邏輯門(mén)。依靠簡(jiǎn)單的把幾個(gè)PN節(jié)連到一起，研究者創(chuàng)造出了所有基礎(chǔ)邏輯電路：與、或、非門(mén)都已經(jīng)可以由納米線交叉來(lái)實(shí)現(xiàn)。納米線交叉可能對(duì)數(shù)字計(jì)算的將來(lái)很重要。

納米線太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換

納米線能夠?qū)⑻?yáng)光自然聚集到晶體中一個(gè)非常小的區(qū)域，聚光能力是普通光照強(qiáng)度的15倍。由于納米線晶體的直徑小于入射太陽(yáng)光的波長(zhǎng)，可以引起納米線晶體內(nèi)部以及周?chē)鈴?qiáng)的共振。該研究的參與者、剛剛獲得尼爾斯·波爾研究所博士學(xué)位的彼得·克洛格斯特拉普解釋說(shuō)，通過(guò)共振散發(fā)出的光子更加集中（太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換正是在散發(fā)光子的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)的），這有助于提高太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換效率，從而使得基于納米線的太陽(yáng)能電池技術(shù)得到真正的提升。

典型的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率極限，也就是所謂的肖克利·奎伊瑟效率極限（Shockley-Queisser Limit），一直是太陽(yáng)能電池效率的瓶頸，納米線可能使這一轉(zhuǎn)換效率極限提高幾個(gè)百分點(diǎn)，對(duì)太陽(yáng)能電池的發(fā)展、基于納米線的太陽(yáng)能的利用以及全球的能源開(kāi)發(fā)等產(chǎn)生重大影響。

納米線促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)

研究人員把肉眼不可見(jiàn)的納米線構(gòu)建成納米“樹(shù)”，研究人員將納米“樹(shù)”電極浸沒(méi)在水中，然后利用模擬的太陽(yáng)光進(jìn)行照射，并測(cè)量電量的輸出。結(jié)果表明，這種垂直分支結(jié)構(gòu)不僅能夠捕獲大量太陽(yáng)能，同時(shí)也能最大限度地提高氫氣產(chǎn)量。因?yàn)樵谄矫娼Y(jié)構(gòu)，氣泡必須很大才能浮出水面，而垂直結(jié)構(gòu)可以很快地提取非常小的氫氣泡。研究人員表示，這種垂直分支結(jié)構(gòu)可以為化學(xué)反應(yīng)提供比平面結(jié)構(gòu)高40萬(wàn)倍的表面積。 研究人員還有更為遠(yuǎn)大的目標(biāo)，他們的眼睛盯在了人工光合作用。在自然界的光合作用中，植物不僅吸收陽(yáng)光，還吸收二氧化碳和水，產(chǎn)生碳水化合物供其自身生長(zhǎng)。研究人員希望有一天能夠模仿這一過(guò)程，利用納米“森林”來(lái)吸收大氣中的二氧化碳。

納米線合成纖維

2013年1月，英國(guó)科學(xué)家研制出一種玻璃（二氧化硅）納米纖維，比頭發(fā)細(xì)千倍卻比鋼堅(jiān)硬15倍，堪稱(chēng)世界上最高強(qiáng)度、最輕的“納米線”。從歷史上看，碳納米管是最強(qiáng)的物質(zhì)，但其高強(qiáng)度只能在僅幾微米長(zhǎng)的樣品中測(cè)量到，實(shí)用價(jià)值不大。

相比之下，二氧化硅納米線比高強(qiáng)度鋼硬15倍，比傳統(tǒng)的強(qiáng)化玻璃鋼強(qiáng)10倍。人們可以減少材料使用量，從而減輕物體的重量。生產(chǎn)納米線的硅和氧在地殼層是最常見(jiàn)的可持續(xù)和廉價(jià)利用的元素。此外，可以生產(chǎn)噸級(jí)二氧化硅納米纖維，用于光學(xué)纖維電力網(wǎng)絡(luò)。特別具有挑戰(zhàn)性的是如何處理如此之小的纖維，它們比人的頭發(fā)細(xì)近千倍。事實(shí)上，當(dāng)它們變得非常非常小時(shí)，其行為便出現(xiàn)完全不同的方式，不再像玻璃那樣易碎和破裂，而是如塑料般柔軟，這意味著它們具有可以被抻拉的韌性。該研究結(jié)果可用來(lái)改造航空、航海和安全等行業(yè)。

納米線微電池制造

科學(xué)家在微電池制造方面邁出了重要的一步，他們研發(fā)出一種微電池，這種電池里有著垂直排列的鎳—錫納米線，這些納米線外面均勻地包裹著一種叫做PMMA的多聚體材料，也就是人們俗稱(chēng)的有機(jī)玻璃。PMMA的主要作用是絕緣，當(dāng)電流通過(guò)時(shí)，它能保護(hù)里面的納米線不受反電極的影響。這種電池比普通的鋰電池充電時(shí)間更短，其他性能也更為出色。 2100433B

WO3納米線制備方法

制備WO3納米線的主要方法有水熱法、溶膠－ 凝膠法、微乳液法、沉淀法等。

WO3納米線制備工藝

以Na2WO4·2H2O 和HCl為原料，K2C2O4和K2SO4分別作為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，通過(guò)水熱法在150 ℃下反應(yīng)12h，制備出三氧化鎢納米線，此納米線為六方相三氧化鎢納米線。

三氧化鎢納米線在變色器件、太陽(yáng)能器件智能窗、傳感器、光電化學(xué)器件等方面用途廣泛。此外，三氧化鎢納米線在光催化材料、光敏材料、電致變色材料、光致變色材料以及熱致變色材料等領(lǐng)域也較好的應(yīng)用。

三氧化鎢具有多種物相結(jié)構(gòu)，如單斜、正交、立方、六方等結(jié)構(gòu)，均表現(xiàn)出優(yōu)異和獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)。WO3納米線為六方結(jié)構(gòu)。