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單晶結構的GaN奈米管

2011/02/08 | 未分類 |

Original publish date:Apr 10, 2003

編輯 Agape 報導

科學家們使用新的模版磊晶方式﹐成功地合成單晶結構的氮化鎵(GaN)奈米管。並且這種技術﹐可望被應用於合成其它材料所組成的奈米管。

自從碳奈米管在1991年首次被合成以來﹐科學家們無不絞盡腦汁地研究各種方法﹐嘗試合成由不同的材料所組成的奈米管。然而﹐由於一般合成奈米管的方式﹐不是利用非同向性(anisotropic) 的成長﹐便是利用將材料以捲筒的方式捲起來。如此所合成的奈米管通常不是多晶性﹐就是非晶性﹐鮮少能合成單晶結構的奈米管。即使有﹐也必須在超高真空的環境中進行合成﹐增進了實驗應用的難度。在最近一期的自然雜誌裡﹐報導了加州伯克萊大學化學系的Joshua Goldberger與所屬的研究小組﹐與Lawrence Berkeley國家實驗室的科學家們合作﹐利用一種新的技術﹐成功地合成具有單晶結構的氮化鎵(GaN)奈米管。

Goldberger等人所使用的方式﹐是他們所發明﹑稱為磊晶鍍膜(epitaxial casting) 的技術。首先﹐他們利用氣相沉積法﹐在晶相為(110) 的藍寶石(sapphire) 晶圓平面上﹐合成橫截面為六方晶系的ZnO奈米線。接下來﹐再利用化學氣相沉積的方法﹐將三甲基鎵(trimethylgallium) 與氨水隨著氬氣與氮氣的混合氣體﹐在攝氏600-700度的溫度下﹐將GaN沉積在ZnO奈米線的表面。最後﹐將樣品在攝氏600度﹑氬氣: 氫氣=9:1的環境中加熱﹐除去 ZnO奈米線﹐就可得到由GaN組成的奈米管。這個方法成功的主要原因﹐在於GaN與ZnO不僅同有屬六方晶系的纖維鋅礦(wurtzite) 結構﹐它們的晶格大小也十分相近。所以在沉積過程中﹐ GaN可以沿著ZnO奈米線的側面(晶相{110}方向)作磊晶性的成長﹐保持單晶的結構。

Goldberger與其研究小組﹐接著利用多種不同的分析方法﹐來檢驗GaN奈米管的單晶結構與物理特性。首先﹐在X射線繞射(X-ray diffraction)光譜圖中﹐他們可以清楚地找到屬於單晶GaN結構的晶相。在穿透式電子顯微鏡(transmission electron microscopy) 下﹐他們也觀察到這些GaN奈米管確實具有管狀結構﹐並且直徑在30至200nm﹑管壁厚度在5至50 nm。此外﹐他們進一步使用X 射線能量散佈分析儀(energy dispersive X-ray spectroscopy) 與電子能量損失譜儀(electron energy loss spectroscopy)﹐對奈米管的組成進行分析。他們發現﹐在奈米管中﹐絕大多數為Ga與N的成份﹐僅有極少數殘留的ZnO﹐證實了大部份的ZnO都已經被高溫加熱除去。最後﹐經過測試之後﹐他們發現這些GaN奈米管的光學與導電特性﹐基本上與其它高品質的GaN奈米線不相上下。

根據Goldberger聲稱﹐他們的研究結果﹐是首次成功地合成具有單晶結構的GaN奈米管。這些單晶的奈米管﹐將可以應用在如電滲的奈米毛細現象(nanocapillary electrophoresis)﹑ 奈米生化流體感測(nanofluidic biochemical sensing)﹐以及奈米尺度的電子與光電元件上。他們更樂觀地預測﹐他們所發明的磊晶鍍膜法﹐也可以應用在合成其它材料的單晶奈米管。看來﹐被預測是第二次工業革命的奈米科技風潮﹐在科學家們的努力之下﹐將會對我們未來生活的各層面﹐產生深遠的影響。

原始論文:

Joshua Goldberger et al., Single-crystal gallium nitride nanotubes, Nature 422, 599 (2003)

Nature PhysicsPortal Research Highlights: Cast of thousands

參考來源:

本文版權聲明與轉載授權資訊:

  • [Dec 20, 2007] 天然的奈米管
  • [Aug 10, 2003] 奈米溫度計又一章
  • [Jan 23, 2003] 一“線”光芒
  • [Nov 21, 2002] 嶄新的半導體奈米線磊晶技術
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