2022年纳米材料纳米结构性能应用基础55824 .pdf

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1、个人资料整理仅限学习使用1 / 17 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：中国科学院精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 17 页个人资料整理仅限学习使用2 / 17 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

2、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

3、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 结构的应用探索精选学习资料 - - -

4、 - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 17 页个人资料整理仅限学习使用3 / 17 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

5、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

6、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I

7、C-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、

8、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 金属和合金制备技术，并获得具有优异综合性能

9、(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。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - -

10、 -第 5 页，共 17 页个人资料整理仅限学习使用6 / 17 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

11、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

12、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征性能之间的关系，实现功能设计和调控；以研究表面界面结构、缺陷对性能的影响为出发点，通过表面修饰、掺杂、环境变化和施加外场为手段，结合发展新的纳 M 尺度表征技术，揭示纳M 尺度体系中的光、电、磁和力学的一些新规律、新现象和新性能。围绕国家目标开展若干项纳M 材料的

13、应用研究。以制备和性能研究的成果为基础，在纳M 结构的可控制备的基础上，实现器件前驱体、原型器件的构筑。发展出与IC-工艺兼容的纳M 管/纳 M 线合成与集成技术；发展相应的制备工艺和测试技术，制备出原型器件。通过金属及合金材料的结构纳M 化，和发展纳 M 复合材料，获得具有特殊性能的新型材料。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。经费比例： 14.3% 05课题：多元纳 M 复合体系的结构和性能优化承担单位：南京大学负责人：张凤鸣主要学术骨干：都有为、唐

14、少龙、熊诗杰、殷江、高濂主要研究内容和目标：研究多元组成、界面耦合、与尺寸纳M 化对性能的影响和变化规律，从而实现对优异磁学性能和其他功能特性的人工调控。研究核/壳结构磁性材料的静态与动态磁性及量子限域效应，揭示出性能与微结构之间的内在联系。研究磁性纳M 结构材料的输运性质及在磁致冷和磁传感技术等领域中的应用。利用具有优异特性的纳M 材料，改进高聚物和陶瓷材料的综合性能，通过两相复合研制出高强度、高导电性、高介电性、高导热性多元纳M 复合体系。经费比例： 16% 06课题：纳 M 材料与纳 M 结构优异性能的研究和应用承担单位：清华大学负责人：范守善主要学术骨干：朱嘉麟、李亚栋、姜开利、唐成春

15、主要研究内容和目标：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；实现对单分散金属、半导体纳M 粒子尺寸、形状、分散度以及微观结构的控制，研究其在纳M 催化与纳 M 生物技术应用中的基本科学问题。经费比例： 14.3% 07课题：纳 M 新能源材料能量转化的新规律及在高端电池中的应用承担单位：南开大学负责人：陈军主要学术骨干：黄唯平、唐祥海主要研究内容和目标：设计合成纳M 新能源材料，研究组成、结构对化

16、学能转变电能的影响，探索电子、离子传输的新规律，研究电极界面结构、电解质对能量转化和能量传输的影响，电极与电解质的兼容性以及电极的循环稳定性，构建纳 M 材料电极的新型金属 -空气电池。经费比例： 7.2% 4各课题之间的关系精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 17 页个人资料整理仅限学习使用10 / 17 为了推动工程顺利地实施，我们全盘考虑了工程的实施方案，把前面提到的 4 项主要研究内容划分为3 个层面，组织7 个课题进行分工研究。 3 个层面是：1纳 M 材料可控生长新方法和新原理、纳M 受限体系热力学； 2纳 M

17、材料性能调控、优化和稳定性；3纳 M 材料的应用基础的科学问题，原型纳M器件的设计、制作和纳M 材料在提升金属 -空气电池性能上的应用。 3 个层面相互联系，互相依托，总工程的研究目标和关键地科学问题作为2 条纵线贯穿3个层面地研究，并作为纽带把7 个课题紧紧锁定在4 个主要研究内容上。在战略部署上，在第一个层面地研究上，主要安排了一个子课题(01 课题 ，在第二个层面研究上，部署了4 个子课题 (02、03、04、05 课题联合进行研究，在第三个层面上，以06 和 07 课题作为骨干力量与其他课题配合进行重点突破。这套研究方案和研究力量地部署与前一期973 工程“纳M 材料和纳M 结构”相比

18、较，研究重心有明显地转移，在性能优化调控和纳M 材料应用两个方面有所拓展，加强了研究力量的部署。在制备科学方面，把纳M 材料可控生长和纳M受限体系热力学研究作为重点，同时在纳M 材料应用研究上强调应用目标地牵引，强调研究应用的新原理和基本的科研问题，确保了整个工程的研究向深层次发展。整个研究方案概括为一个工程、两个贯穿、三个层面、四个主要研究内容、 7 个课题。 7 个子课题有分工，有协作，体现了整体的团队精神。首席科学家在部署每一个子课题承担科研任务地同时，也明确了他们在整个工程中的地位和作用，以及其他课题地联系。01 课题做一些探索性的工作，加强实验和理论的结合，其余课题关于制备、生长动力

19、学和热力学方面的研究结果都集中在01 课题加以归纳和综合， 01 课题主要侧重于第一个层面和第一方面内容的研究。06 和 07 课题主要的任务是基础和应用研究的衔接，要以应用来带动基础研究，其他课题组有应用苗头的研究成果和指导应用的新原理的研究成果主要集中到06 和 07 课题加以集成，上述 2 个课题主要集中在第三个层面，围绕第四项研究内容开展工作，一些原理型的纳M 器件和新型纳M 材料电池是上述两个课题主攻的研究内容。02、03、04、05 课题都是以性能、规律的探索、结构和性能的关系为主线，侧重在第二个层面，围绕第二、第三研究内容开展研究工作，它们承上启下，与01课题、06、07 课题有

20、上下游的衔接关系。02、03、04、05 课题在第二层面上既有分工，又有紧密的联系，02 课题研究对象侧重于一维纳M 材料，以输运特性以及和下一代器件相关的物性研究为主。与06 课题有紧密的联系， 03 课题侧重纳 M 异质结构的设计和性能的调控，研究对象以纳M 阵列为主，性能侧重于光学特性，与02、05 课题有紧密的联系。 04 课题研究的对象是三维纳M 体材料及体材料表面纳M 化，侧重研究纳M 结构演化过程与优异综合性能的关系，在制备科学上与01 课题有密切的联系，与此同时，也要开展一部分第三个层面的研究，围绕结构材料性能升级、表面结构性能优化，以及面向微纳系统需求的纳 M 金属材料等方面

21、开展应用研究工作。05 课题研究对象是多元纳M精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 17 页个人资料整理仅限学习使用11 / 17 复合体系，着重研究材料体系的设计和性能优化的关系，以磁学性能研究为主，适当担负一部分第三层面的研究，同时，也要以磁致冷和磁传感为背景开展纳 M 磁性材料的应用研究。 03课题和 05 课题还要与 07课题紧密结合，根据07 课题对新型电池性能升级所需求的纳M 材料进行异质纳M 材料的设计和制备，给 07 课题进行新型纳 M 电池的设计、制作提供材料基础，使07 课题集中研究电极与电解质、离子和电

22、子输运和化学能-电能转换规律等基本科学问题，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。整个课题之间做到优势互补，相互联系。本工程在组织子课题上与上一个 973工程“ 纳 M 材料和纳 M 结构” 有所不同，不再单独设立理论课题，而是把理论功底好的科研骨干分散到相关的子课题中，使理论研究更有针对性地与实验工作相结合，以利提高研究水平和深度。四、年度计划精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 17 页个人资料整理仅限学习使用12 / 17 研究内容预期目标第一年2005 年 12 月200

23、6 年 11 月改进设备，设计、探索无机纳M材料的可行的合成方案，优化制备过程，选择重要的目标材料制备其一维纳 M 结构。研究一维纳 M 材料可控生长，二元和赝二元体系的一维纳M 材料的轴向结构控制的合成技术；建立理论模型，探讨计算方法。研究纳 M 异质结构及阵列制备科学和技术。系统研究不同晶体结构金属材料,研究多元复合材料体系的不同纳M 结构对这些性质的影响规律。研究与器件工艺兼容的纳M 管/纳M 线的制备和集成技术；研究与平面显示相关的关键问题；研究纳 M 材料中化学能转变为电能的影响因素，探索纳M 电极材料的电子、离子传输和能量储存与转换的新规律。优化合成与可控生长条件，总结普遍适用的技

24、术手段，制备出一些重要的功能材料。合成出二元和赝二元体系的一维纳M 材料的轴向结构控制和具有一维超结构的纳M 材料；实现对纳M异质结构及其阵列的SPR 峰、荧光在较宽的波长范围内实现荧光颜色的调控。通过优化微观结构大幅度提高这些材料的综合力学性能。为探索纳M金属材料的实际应用奠定基础。确定多元复合材料体系的不同纳M结构与其磁学和其它性质之间的规律。揭示纳 M 电极材料的电子、离子传输和能量储存与转换的新规律。发表 100 篇 SCI 论文，申请专利 6项，国外 2 项。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 17 页个人资料整

25、理仅限学习使用14 / 17 研究内容预期目标第三年2007 年 12 月2008 年 11 月通过控制纳 M 材料的合成条件，进一步探索无机纳M 材料生长的热力学与动力学过程，并寻求普遍适用的控制合成方法。开展一维纳M 材料可控生长的热力学和统计物理等问题研究，研究生长机理、电子态结构、量子输运和尺寸效应等；从理论上揭示一维纳M 结构生长的微观过程。研究半导体纳M 结构阵列表面化学、生物修饰等对光学和气敏特性的影响。测试纳M 金属材料的本征力学性能，结合结构分析手段和计算机模拟研究其塑性变形和强化机制。研究场效应纳M 管/纳 M 线单个晶体管结构和制备工艺；研制新型、高效纳M 电催化剂，研究

26、电极界面结构、电解质对能量转化和能量传输的影响。探索无机纳 M 材料生长的热力学与动力学过程，并总结出普遍适用的控制合成方法。单个一维纳 M 材料进行表征、结构和性能研究；理论配合实验，基本弄清典型一维纳M 材料可控生长的热力学和统计物理等问题；找出实现性能调控的有效措施。总结性能调控的科学原理。揭示纳M金属材料力学性能与其结构参量的关系。建立对相关多元纳M 复合体系的有关性质的调控规律，完成对有关实验现象的解释。制备出纳 M 管/纳 M 线场效应晶体管原型器件。获得新型、高效、稳定的纳M 电催化剂，提高金属-空气电池的比容量和循环寿命。发表 100 篇 SCI 论文，申请专利 6项，国外 2

27、 项。第四年2008 年 12 月2009 年 11 月对实验数据和结果进行综合分析研究，进行纳 M 材料合成与可控生长过程的热力学和动力学理论计算与分析及相关理论研究，用于指导实际的纳M 材料的合成与可控生长。总结出较合理的纳M 材料合成与可控生长过程的热力学和动力学理论，用于指导实际的纳M 材料的合成与可控生长。理论配合实验，系统研究一维纳M材料中电子态、声子态和低能元激发的谱学及相互作用性质；合理解精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 17 页个人资料整理仅限学习使用15 / 17 研究内容预期目标全面开展一维纳M 材

28、料体系的一些基本物理和化学问题研究，如生长机理、电子态结构、量子输运和尺寸效应等，研究一维纳M材料中电子态、声子态和低能元激发的谱学及相互作用性质。研究异质纳M 结构阵列表面化学、生物修饰和环境对一维纳M材料和纳M 异质结构性能的影响。研究不同纳M 金属材料的物理性能 如：电导性） 结构稳定性、化学稳定性、扩散能力、抗腐蚀能力、电化学能力等。提高纳 M 管/纳 M 线为基的场效应晶体管的性能。研制高分辨率的平面显示器。探索提高金属 -空气电池寿命的有效途径，提高整体性能，发展满足移动电源需求的纳M 金属 -空气电池。释实验结果。调控异质纳M 有序阵列的表面活性，搞清与环境敏感选择性、性能稳定性

29、的关系。建立纳 M 金属材料的结构物理性能关系模型。研制出单色碳纳M 管场发射平面显示样机。揭示金属 -空气电池的结构与性能之间的内在规律，发展满足移动电源需求的纳 M 金属-空气电池。发表 100 篇 SCI 论文，申请专利 6项，国外 2 项。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 17 页个人资料整理仅限学习使用16 / 17 研究内容预期目标第五年2009 年 12 月2018 年 11 月发展比较普遍适用的无机纳M 材料的合成和可控生长技术，提出相应的纳 M 材料形成机理。开展常压回流、室温反应以及能量辐射等控制合成

30、的探索，总结实验内容，编撰研究论文和总结。继续全面开展一维纳M 材料的表征、结构、性能、表面和量子尺寸效应研究；一维纳M 材料中电子态、声子态和低能元激发的谱学及相互作用性质的研究。全面总结对芯壳异质纳M 结构有序阵列光学特性和谱学进行调控的新原理、新方法。完善和总结纳M 金属材料的制备技术工艺、力学性能和电学性能特征、结构性能关系、塑性变形机理等。基于对有关多元纳M 复合体系所实 现的 相关 优异 性 能 的 可 调 控性，力争发展出具有代表意义的原型器件。解 决与 平面 显示 相 关 的 扫 描 驱动 、真 空封 装、 低 压 荧 光 粉 筛选、显示器件的均匀性与稳定性等关键问题；全面提升

31、金属 -空气电池的容量、发展出比较普遍适用的无机纳M 材料的合成和可控生长技术，提出相应的纳 M 材料形成机理。优化一些重要的无机纳 M 材料的制备方法。基本弄清典型体系的一些基本物理和化学问题，合理解释实验结果；进一步总结纳 M 异质结构的应用和实用化的若干关键问题。力争研制出彩色碳纳M 管场发射平面显示样机提升金属 -空气电池容量、功率和寿命，并推广至其他高端电池的应用研究。全面完成本工程研究任务。申请专利 5 项，国外 2 项。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 17 页个人资料整理仅限学习使用17 / 17 研究内容预期目标功率、寿命等性能，并推广至其他高端电池的应用研究。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 17 页