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纳米晶体、纳米管、纳米球的制备及应用
编者按:
纳米技术的发展日新月异。本文编译了在美国加利福尼亚大学的Berkeley实验室中最新纳米晶体、纳米管、高聚纳米球的研究成果,以供读者参考。
第一章纳米晶体的制备及应用
因为采纳米技术可能甚至容易制造非常完美的纳米晶体,因而倍受建造大结构部件的亲昧。
化学家Paul Alivisato 共同负责Berkeley 实验室材料科学部和在Berkeley的加利福尼亚大学化学系。所以说,Alivisato在纳米半导体晶体始创领域中,是一位闪烁光芒的科学家之一。
Chemist Paul Alivisatos is a leader in the development of nano-sized crystals that could serve as building blocks for electronic devices a few billionths of a meter in size.
纳米晶体是一种由几百到上万原子结合成晶体,形成物体的聚合。这种聚合常称为“蔟”(cluster).典型的直径10纳米晶体比分子大但比块状固体要小,因此兼有物理和化学之间的性质。纳米晶体产生全表面的虚拟而内部却没有,它的性质随晶体尺寸的成长而有相当的不同。
“通过精确控制纳米晶体尺寸和表面,能改变它们的性质,”Alivistos说,“你能改变频带隙、你能改变如何传导电荷、你能改变它归属什么样晶体结构、你甚至能改变它的熔点温度”。
生长无裂痕纳米晶体是相对容易些,因为它们的长度是如此小以致于在成长加工成所需之缺陷时简单到不需要足够的时间。然而,对同样小长度的纳米晶体,要设法控制它的体积和表面,那是惊人的挑战。在过去的十年中,Alivisatos和他的研究小组,曾制造出半导体粉末的纳米晶体,并以满足挑战的手段探索改变生长条件的各种方法。
Alivisatos 第一个大的突破之一,是他和他的合作者Shimon Weiss 探索成功了为发射多种色光,而依赖于镉、硒为核,亚硫酸镉为壳的不同体积的球形纳米晶体,这一突破打开了许多潜在应用的大门,包括把这些球形核—壳纳米晶体作为高效荧光标签、标记用于附着特种蛋白的抗体上,当受到光子激发,就发出荧光或激发出色光,这需在共焦点的显微镜下观察。
The images above show the variety of shapes and sizes that nanocrystals can be made to assume. The rod-shaped nanocrystals to the far left can be stacked for possible use in LEDs, while the tetrapod to the far right should be handy for wiring nano-sized devices.
“有时侯,为了全面刻划生物样品的特征,需用一群细胞作为样品,这时你需要看到标识的结合。”Alivisatos说。这种测试需要复合的色光发射,这是采用常规染料分子难以获得的发射。
Cadmium selenide nanocrystals were used to create this fluorescent microscopic image of living 3T3 fibroblast cells. These and other semiconductor nanocrystals could supplement dye-molecules as fluorescent labels for the study of biological materials.
Alivisatos和他的同事采用把半导体粉末注射进热的、象肥皂薄膜似的表面活性剂中的方法,来制造纳米晶体。在他们最近的工作中,他们曾在TOPO和HPA两种混合表面活性剂中制备晶体,每一种表面活性剂以缓慢而不同的方法和半导体粉末反应。结果使纳米生产出现真正全新的尺寸。
上一年三月,Alivisatos和他的小组发布了一条他们已经制造出两种尺寸的、形状象棒状的镉硒纳米晶体。而在这以前,他们一直全部报道象圆点球形似的纳米晶体。论述制造棒形半导体纳米晶体的能力,不仅为扭转新的潜在应用铺平道路,而且还阐明了控制晶体成长是控制形状和大小的关键。
“就是这第一次,任何人已经真正获得控制半导体纳米晶体成长的手段,”Alivisatos说,“通过控制晶体成长的动力学,我们不仅能选择晶体的大小,而且还可使晶体形状不同。”
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虽然精确的机理还不清楚