浙大&名古屋大学Science：纯铝金属纳米线！

一、【科学背景】

金属纳米线（NWs）是一类重要的一维纳米材料，因其独特的电子、光学和机械性能而备受关注。NWs具有优良的导电性、光学特性和力学性能，因此在传感器、光电器件以及生物医学领域中具有广泛的应用前景。然而，尽管NWs的单晶结构能够显著提升其性能，但在大规模生产高质量、结构有序的NW forests方面，仍然面临许多挑战。其中，NWs的大规模生长通常受限于传统方法中的蒸汽压力限制和化学还原问题。现有的制备技术难以实现对NW生长的精确控制，导致产物的质量和排列结构不够理想。具体而言，传统的生长方法在生成NW的过程中常常无法有效地控制纳米线的长度、密度和取向，从而影响了其在实际应用中的表现。此外，如何实现高密度、垂直生长的单晶NW forests仍然是一个亟待解决的难题。

二、【创新成果】

近期，浙江大学巨阳教授联合名古屋大学Yasuhiro Kimura教授在Science上发表了题为“Growth of metal nanowire forests controlled through stress fields induced by grain gradients”的论文，提出了一种新颖的生长技术，通过利用聚焦离子束（FIB）辐照诱导的局部晶粒粗化来克服传统方法中的局限性。这种技术通过在固体薄膜中控制原子扩散，创造出高应力区域，为NW的生长提供了有效的驱动力和生长核。FIB辐照不仅增强了驱动力，还通过创建局部高应力区域来形成NW的生长通道。此外，FIB辐照诱导的局部晶粒粗化和O、Ga杂质的分离，进一步控制了应力场、晶粒梯度及扩散蠕变，从而实现了在期望位置的大规模生长。这种新方法与传统的碳纳米管（CNTs）和半导体NW的构建方式类似，但它能够生成高密度、垂直生长的单晶铝（Al）NW forests。与其他无序平面网络NW不同，这种单晶Al NW forests在气体传感器、生物标记物和光电组件等高性能纳米器件中的应用具有广泛的潜力。

本研究通过控制固体薄膜内的原子扩散，成功实现了Al NW forests在所需位置的大规模生长。具体的，本研究展示了聚焦离子束照射创造了局部高应力区域，这为原子扩散提供了途径，也为垂直NW生长提供了核和驱动力。

图1FIB辐射区域的NW forests图像© 2024 AAAS

图2薄膜的STEM表征© 2024 AAAS

图3 ACOM-STEM表征© 2024 AAAS

图4 Al纳米线生长机制研究© 2024 AAAS

三、【科学启迪】

综上，本研究提出了一种Al NW forests的生长技术，该技术克服了大规模生产高度有序的单晶金属纳米线的传统挑战。基于FIB辐照的局部晶粒粗化增强了驱动力并形成了纳米线生长的核心。通过晶粒梯度导航生长路径的应力场、与方向相关的局部弹性极限各向异性以及扩散蠕变受到FIB照射诱导的局部晶粒粗化以及O和Ga杂质的偏析控制。可以在所需位置以类似于碳纳米管和半导体NW的方式构建密集的金属NW forests。与其他无序平面网络NW不同，高密度且垂直生长的单晶Al NW forests可以广泛用于各种高性能纳米器件，如气体传感器、生物标记和光电子组件。

原文详情：Growth of metal nanowire forests controlled through stress fields induced by grain gradients(Science2024, 385, 641-646)

本文由赛恩斯供稿。