细小而实用 - 在真空条件下生产的纳米线拥有巨大潜力

细小而实用 - 在真空条件下生产的纳米线拥有巨大潜力

更高效的太阳能板、运行速度更快的计算机,更精准的医疗诊断设备——半导体纳米线可以帮助实现这一切。材料科学家用超高真空度来实现纳米线生长。
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自青铜时代中期以来,人类就开始使用一种实用材料——由铁、铜或钢制成的金属丝。而纳米线仅在形式和名称上与之相似。除了金属,纳米线还可以用半金属或纯碳制成,制造过程中它是通过合成而成,并不是通过将固体原料拉长而得到。他们的关键区别在于尺寸:纳米线最长仅几微米,直径在 5 到 100 纳米之间。人的头发丝粗达 50,000 纳米,相比之下,发丝就像一根粗大的船用缆绳。

高性能、多功能组成部分

这种长结构在 20 世纪 90 年代初被发现。研究人员和材料科学家很快就意识到这种长度的材料的潜力。例如,这些微小的片段被认为在电子产品的微型化发展中尤为有用,可以将它们从微观水平提升到纳米级。

纳米世界的微小尺寸遵循非常特殊的物理定律。因为电子移动更快,电流在纳米线中比在传统材料中更容易控制——这是制造创新微型芯片或纳米芯片的一个重要因素。未来,纳米线可以用来为医疗诊断设备制造功能强劲的计算机或高精密传感器。

光伏技术是一个前景光明的应用领域。传统的太阳能电池可以吸收转化约 60% 的太阳光。并排封装的纳米线可以吸收转化 90% 的太阳光。这种微型结构还可以聚集和发射光线。如果安装在芯片上,它们可以用作小型半导体激光器。

真空创造纯净的生长环境

纳米线需要以超纯材料生产,不能受到任何污染,这样才能彰显其独特的特性。因此,要在超高真空度下才能制造它们。Busch 普旭在这一领域就有很多的应用。

首先,在硅载体基板上发射各种原子或小分子。随后,半导体晶体将自组织向上生长,以形成所需的线状结构。此工艺甚至可以用来制造特定用途的多层定制半导体纳米线。各层可以处理不同的任务,并扩展技术可能性。此研究正在如火如荼地进行。

经典的物理定律绝不像我们长期设想的那样具有普遍性。当研究人员深入到纳米级的微观世界时,他们惊讶地发现:当到达 50 纳米时物质会穿越临界点。在 50 纳米以下,物质将遵循量子物理定律。

由于纳米颗粒非常小,表面积比体积大得多。这些相对较大的表面会使纳米颗粒更容易发生化学反应。惯性力会失去作用,而范德华力等表面力的影响将会增加。表面电荷和布朗运动等热力学效应也发挥着重要作用——粒子越小,这种效应越强。

这使得纳米颗粒的光学、磁学和电学特性与大颗粒或固体颗粒大不相同。例如,在纳米世界中,黄金会发出红色到深红色光泽。纳米尺寸的水滴可以稳定保持数小时,甚至可以悬浮在空气中而不挥发。碳纳米管具有极强的抗撕裂性和弹性。它们可以传导热量,根据结构的不同,还可以最小的损耗传导电流。


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