纳米材料纳米结构性能应用基础.docx

1、纳米材料纳米结构性能应用基础工程名称：纳M材料和纳M结构的性能与应用基础首席科学家：解思深 中国科学院物理研究所起止年限：2005.12至2018.11依托部门：中国科学院一、研究内容本工程拟解决的关键科学问题是：纳M材料和纳M结构的可控生长是纳M材料与纳M结构研究中的基本问题之一。本工程拟从研究可控生长的条件及生长动力学出发，总结基本实验规律及纳M尺度下物质和能量的输运的规律和理论模型，实现纳M材料生长中尺寸、形状、方向、位置及结构的控制。纳M体系中的尺寸效应、表面与界面、电子相干性是纳M材料与纳M结构研究中的另一基本问题。本工程拟研究纳M材料中的发光行为、电子的量子输运、纳M复合体系的磁性

2、及其它量子相干效应、位错与界面的交互作用、纳M材料在外场中的响应，以及它们与电子、声子等元激发的基态和激发态的关系。得到经验规律，提出理论模型，实现对纳M材料与结构的性能调控，揭示纳M材料的优异性能。在纳M材料可控制备和结构性能关系研究的基础上，探索纳M材料与纳M结构在制造业、信息技术、能源、环境、健康医疗、生物技术和国家安全等领域中的应用。本工程拟探索若干种关键的纳M材料和纳M结构，在场发射平板显示、光电器件、传感器的应用，并发展高强、高导热、高导电等实用纳M材料和纳M结构。具体的科学问题分解为以下三个方面：的设计与合成3、金属材料结构纳M化的动力学过程4、纳M氮化物和碳化物材料的可控制备和

3、应用探索5、与标准的半导体制备环境相兼容的纳M管/纳M线制备技术对性能的影响6、研究电极材料与电极结构纳M化对离子、电子传输动力学的影响三）纳M材料和纳M结构优异性质的应用1、一维纳M材料为基的原理型量子器件的探索2、纳M材料在场发射器件中的应用和性能提高3、高强、高导热、高导电等纳M材料和纳M结构的应用探索4、纳M复合磁性材料在磁致冷和磁传感领域中的可能应用5、通过比表面的调控提升金属-空气电池容量、功率与寿命本工程的主要研究内容与器件工艺的兼容性。吸收峰移动的影响，研究同轴异质纳M棒的荧光现象及变化规律，分别实现对SPR峰和荧光峰位在较大波长范围内的调控。3、表面状态和环境对一维纳M材料和

4、纳M异质结构性能的影响，研究纳M结构阵列表面化学、生物修饰(包括官能团的接枝以及纳M异质结构的环境敏感性等。研究环境和表面状态对结构或性能的影响。4、纳M磁性颗粒的尺度、极化取向和在半导体基体中的分布对磁性金属/半导体复合体系中电子传输规律的影响，探索通过控制磁性金属纳M颗粒尺寸、极化取向和分布优化体系的磁学性质和输运性能的新途径。5、研究纳M化电极的组成、结构与化学能-电能转变的关系，研究电极与电解质的兼容性及循环稳定性，提升金属-空气电池容量、功率和寿命，探索电极材料纳M化的电池中离子和电子传输的新规律。在强烈塑性变形过程中微观结构纳M化动力学及结构演化过程和纳M晶粒形成机理。研究塑性变形

5、导致最小极限尺寸晶粒的微观结构演变及变形行为。研究金属材料的晶体结构、层错能和变形条件的应变量、应变速率等参量与细化机理的相关性，揭示强烈塑性变形诱导的纳M晶粒形成机理。通过优化微观结构大幅度提高这些材料的综合力学性能和电学性能。2、金属及其合金纳M结构的综合力学性能和电学性能。分别采用强烈塑性变形技术和电化学沉积工艺制备高致密、高纯度可用于宏观力学性能测试的纳M结构Cu和Cu合金样品，研究制备工艺条件对纳MCu和Cu合金微观结构的影响。研究纳MCu及合金样品的本征力学性能、塑性变形和强化机制。研究纳M材料中晶界、孪晶界、位错、结构等对材料性能的影响，建立纳M金属材料的结构性能关系模型，为实现

6、高强度、高导电性功能金属材料奠定基础。的纳M金属材料；一维纳M材料可控生长的1-2种新技术；发展出与IC-工艺兼容的纳M管/纳M线合成与集成技术。五年发表500篇SCI收录的论文，申请国内专利25项，国外专利10项，出版1至2本专著；获国家奖1-2项。通过本工程的执行，培养和造就一批高层次的研究人才，形成几个在相关领域中有国际影响的研究群体。2工程五年预期目标1、探索纳M材料和纳M结构新体系制备科学和新合成方法，分析纳M材料形成阶段的动力学过程，对材料的形成机理进行深入研究，认识纳M材料平衡态及非平衡态物相形成的热力学性质，优化纳M材料合成与生长的工艺条件，完善控制合成方法，获得无机纳M材料的

7、合成与可控生长技术和知识。在相关理论指导下制备物相、形状、尺寸可控及具有特定物相或通常难以合成的纳M材料，开拓和发展拥有自主知识产权的纳M异质结构及阵列的制备技术，建立对该体系性能可调的新原理和新方法，设计合成多种纳M异质结构和阵列。2、开拓和发展一维纳M材料如碳纳M管可控生长的热力学和统计物理；发展多组元、多相一维半导体纳M材料可控生长的1-2种新技术，探索具有轴向超结构的一维半导体纳M材料新的制备方法。在一维纳M材料的结构、性能关系之间的尺度效应研究上，找到一些结构与物性的定量关系，提炼出普适的结构物性规律。3、通过深入研究金属材料微观结构纳M化过程机理，发展一至两种先进的纳M金属和合金制

8、备技术，并获得具有优异综合性能(力学性能和电学性能的纳M金属材料。建立并完善纳M金属材料的微观结构与本征性能之间的关系，进一步深入理解纳M金属材料的结构稳定性及其控制规律，揭示纳M金属材料中的一些新规律、新现象和新性能。为纳M材料的实际应用和发展新一代高性能、高稳定性金属材料奠定基础。4、发展出与IC-工艺兼容的纳M管/纳M线合成与集成技术；实现纳M管/纳M线阵列的定位生长和定向生长；发展出纳M管/纳M线场效应晶体管制备工艺和测试技术，制备出原型器件。研制出单色碳纳M管场发射平面显示样机，争取实现彩色显示。三、研究方案1本工程的研究思路和工程的技术路线及可行性1）本工程的研究思路本工程以上一个

9、973工程“纳M材料与纳M结构”的五年研究成果、技术积累为基础，以国家的重大需求为牵引，集中研究有重要应用或重大科学价值的纳M材料与纳M结构。坚持实验和理论并举、基础研究和应用研究并重，针对纳M体系的无限周期结构的缺损、原子或分子数有限和电子态的量子涨落、电子间相互作用等特点，发展与纳M体系相应的实验方法和理论，发现纳M体系中新现象和新规律；阐明材料的结构参数与制备条件之间的内在联系，实现纳M材料与纳M结构的可控制备；深入理解纳M材料的微观结构与本征性能之间的关系，实现功能设计和调控；在应用研究方面，探讨纳M材料用于器件的可能性，发展以纳M结构为工作单元的发光、平面显示和纳电子器件。发展面向微

10、纳系统中特殊需求的纳M金属材料。探索解决金属-空气电池寿命的有效途径，发展满足移动电源需求的纳M金属-空气电池。发展纳M复合磁性材料的低场、室温磁制冷新技术。在整个工程中，以纳M材料的性能研究为主导，以纳M材料的制备为基础，探索有应用前景的纳M材料和器件。2）本工程的技术路线以通过深入研究纳M材料与结构的形成机理为基础，揭示材料的结构与制备条件之间的内在联系，发展出若干种重要的纳M材料与纳M结构可控合成与组装技术。以功能为牵引发展自下而上的可控制合成和自组装技术，实现从简单纳M材料和结构向具有特定功能的、多组元、复杂结构或超结构的过渡。在此基础上制备出信息业和制造业需要的关键纳M材料与纳M结构，为纳M材料的性能研究和器件应用提供基础。以发现材料的优异特性和潜在应用为牵引，阐明纳M材料的微观结构与本