纳米材料和纳米结构的性能与应用基础.doc

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1、项目名称：纳米材料和纳米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2010.11依托部门：中国科学院一、研究内容本项目拟解决的关键科学问题是：纳米材料和纳米结构的可控生长是纳米材料与纳米结构研究中的基本问题之一。本项目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米尺度下物质和能量的输运的规律和理论模型，实现纳米材料生长中尺寸、形状、方向、位置及结构的控制。纳米体系中的尺寸效应、表面与界面、电子相干性是纳米材料与纳米结构研究中的另一基本问题。本项目拟研究纳米材料中的发光行为、电子的量子输运、纳米复合体系的磁性及其它量子相干效应、位错与界

2、面的交互作用、纳米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，实现对纳米材料与结构的性能调控，揭示纳米材料的优异性能。在纳米材料可控制备和结构性能关系研究的基础上，探索纳米材料与纳米结构在制造业、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。本项目拟探索若干种关键的纳米材料和纳米结构，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、高导电等实用纳米材料和纳米结构。具体的科学问题分解为以下三个方面：（一）纳米材料和纳米结构的生长动力学及可控生长1、纳米材料的物相、结构和形状的可控生长及机理2、纳米超结构(核壳

3、、异质、同质异性结构、有序阵列等)的设计与合成3、金属材料结构纳米化的动力学过程4、纳米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米管/纳米线制备技术（二）纳米材料和纳米结构中的结构性能关系的新规律及其演化1、一维纳米材料中的电输运和热导行为及其器件设计、制备中的基本问题2、纳米结构对磁熵变、居里温度及磁电阻的调控规律3、金属及其合金纳米结构的综合力学和电学性能4、纳米体系的热力学及纳米材料的结构演化规律及稳定性5、纳米异质结构及阵列的表、界面结构和环境(气氛、外场)对性能的影响6、研究电极材料与电极结构纳米化对离子、电子传输动力学的影响（三）纳米材料和纳米结构

4、优异性质的应用1、一维纳米材料为基的原理型量子器件的探索2、纳米材料在场发射器件中的应用和性能提高3、高强、高导热、高导电等纳米材料和纳米结构的应用探索4、纳米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、功率与寿命本项目的主要研究内容（一）纳米材料合成方法探索及可控生长研究1、系统研究纳米材料合成及可控生长的热力学和动力学过程，寻找有利的纳米材料合成与生长的工艺条件。由经验规律导出纳米尺度下影响生长过程的热力学和统计物理的规律，从理论上对热力学和动力学控制纳米材料合成生长进行诠释，发展无机纳米材料制备技术和研究其形成机理，以期实现纳米材料的可控合成与

5、生长。2、探索“自下而上”制备纳米材料的新途径。以溶剂热和复合溶剂热合成为主要方法，发展-射线、超声、微波等外场辅助的纳米材料制备技术。3、一维纳米材料的催化生长机理及结构控制，研究纳米催化剂的组分、尺寸、形状及外场对一维纳米材料生长的影响，制备物相、形状、尺寸可控的一维纳米线、管、带、线圈、空心球和其它纳米结构。4、纳米异质结构和二元/赝二元体系的一维纳米材料的轴向结构控制。具有一维准有序结构的纳米材料和纳米芯壳结构的设计与合成。5、纳米管/纳米线阵列的定位生长与定向生长。通过微纳米光刻技术制备金属催化剂图型，利用CVD方法和外场控制，在衬底上的确定位置生长纳米管/纳米线的阵列的技术。6、发

6、展与IC-工艺兼容的纳米管/纳米线合成与集成技术。研究纳米管/纳米线的合成条件(如温度、衬底、催化材料等)与器件工艺的兼容性。（二）纳米材料的性能研究与调控1、一维纳米材料和纳米异质结构中电子态、声子态和低能元激发的谱学及相互作用性质的研究，重点研究力学性质、电输运性质、发光性质及热学性质，一维纳米材料和纳米异质结构中的结构性能关系的尺度效应。2、电介质/贵金属芯壳纳米结构对表面等离子体共振(SPR)吸收峰移动的影响，研究同轴异质纳米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米材料和纳米异质结构性能的影响，研究纳米结构阵列表面化学、生

7、物修饰(包括官能团的接枝)以及纳米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、纳米磁性颗粒的尺度、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米颗粒尺寸、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、研究纳米化电极的组成、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，探索电极材料纳米化的电池中离子和电子传输的新规律。（三）金属材料结构纳米化与综合性能研究1、金属材料结构纳米化过程及稳定性。系统研究不同晶体结构金属材料(如FCC、BCC和HCP)在强烈

8、塑性变形过程中微观结构纳米化动力学及结构演化过程和纳米晶粒形成机理。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，揭示强烈塑性变形诱导的纳米晶粒形成机理。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、金属及其合金纳米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米结构Cu和Cu合金样品，研究制备工艺条件对纳米Cu和Cu合金微观结构的影响。研究纳米Cu及合金样品的本征力学性能、塑性变形和强化机制。研究纳米材料中晶界、

9、孪晶界、位错、结构等对材料性能的影响，建立纳米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。（四）纳米材料与纳米结构优异性能的应用探索1、一维纳米材料在场发射器件中的应用和性能提高：重点研究和解决均匀性、稳定性、低阈值等关键问题。以衬底上CVD生长的碳纳米管阵列为基础，制造高精度、面积不太大的平面显示器；以丝网印刷工艺为基础，制造大面积、低成本的平面显示器。研制出单色碳纳米管场发射平面显示样机，争取实现彩色显示。2、探索以纳米管/纳米线为基的纳米器件的结构，发展相应的制备工艺和测试技术，研究提高纳米管/纳米线为基的器件性能的原理和方法。发现纳米管/纳米线为基的纳米器件

10、的新特性和可能的应用。制备出纳米管/纳米线为基的原型器件和简单的逻辑电路。3、通过优化微观结构，大幅度提高金属纳米材料的综合力学性能、电学性能和结构稳定性。重点研究和解决纳米金属材料的韧性、结构热稳定性和导电性，探索其在工程材料性能升级及表面性能优化等方面的实际应用，发展面向微纳系统中特殊需求的纳米金属材料。4、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米金属-空气电池。5、发展纳米复合磁性材料的低场、室温磁制冷新技术。二、预期目标1本项目总体目标发展出若干种具有实用价值的纳米材料与纳米结构;发展出与IT工艺相容的纳米材料的可控制合成与集成技术，为纳米材料的性能研究和纳米器

11、件应用提供基础。以发现材料的优异特性和潜在应用为导向，阐明纳米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；把自下而上和自上而下两种制备纳米结构与器件的技术相结合，发展出基于纳米材料优异特性的新器件和高强、高导热、高导电等纳米材料和纳米结构。获得一批国际水平的研究成果，使我国在纳米材料和纳米结构研究和应用总体水平保持国际先进水平。预计经过五年的研究，纳米材料与纳米结构的研究将为我国纳米器件和技术的发展提供关键材料和新知识，为建立纳米材料科学体系框架奠定基础。5年内发展一至二种先进的纳米金属和合金制备技术，并获得具有优异综合性能(力学性能和电学性能)的纳米金属材料；一维纳米材料可控生长

12、的1-2种新技术；发展出与IC-工艺兼容的纳米管/纳米线合成与集成技术。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。通过本项目的执行，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项目五年预期目标1、探索纳米材料和纳米结构新体系制备科学和新合成方法，分析纳米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，认识纳米材料平衡态及非平衡态物相形成的热力学性质，优化纳米材料合成与生长的工艺条件，完善控制合成方法，获得无机纳米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、尺寸可控及具有特

13、定物相或通常难以合成的纳米材料，开拓和发展拥有自主知识产权的纳米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，设计合成多种纳米异质结构和阵列。2、开拓和发展一维纳米材料如碳纳米管可控生长的热力学和统计物理；发展多组元、多相一维半导体纳米材料可控生长的1-2种新技术，探索具有轴向超结构的一维半导体纳米材料新的制备方法。在一维纳米材料的结构、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米化过程机理，发展一至两种先进的纳米金属和合金制备技术，并获得具有优异综合性能(力学性能和电学性能)的纳米金属材料。建立并

14、完善纳米金属材料的微观结构与本征性能之间的关系，进一步深入理解纳米金属材料的结构稳定性及其控制规律，揭示纳米金属材料中的一些新规律、新现象和新性能。为纳米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-工艺兼容的纳米管/纳米线合成与集成技术；实现纳米管/纳米线阵列的定位生长和定向生长；发展出纳米管/纳米线场效应晶体管制备工艺和测试技术，制备出原型器件。研制出单色碳纳米管场发射平面显示样机，争取实现彩色显示。三、研究方案1本项目的研究思路和项目的技术路线及可行性（1）本项目的研究思路本项目以上一个973项目“纳米材料与纳米结构”的五年研究成果、技术积累为基础，以国家

15、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米材料与纳米结构。坚持实验和理论并举、基础研究和应用研究并重，针对纳米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，发展与纳米体系相应的实验方法和理论，发现纳米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，实现纳米材料与纳米结构的可控制备；深入理解纳米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，探讨纳米材料用于器件的可能性，发展以纳米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米金属材料。探索解决金属-空气电池寿命的有效途径，

16、发展满足移动电源需求的纳米金属-空气电池。发展纳米复合磁性材料的低场、室温磁制冷新技术。在整个项目中，以纳米材料的性能研究为主导，以纳米材料的制备为基础，探索有应用前景的纳米材料和器件。（2）本项目的技术路线以通过深入研究纳米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米材料与纳米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，实现从简单纳米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米材料与纳米结构，为纳米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

17、应用为牵引，阐明纳米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，结合发展新的纳米尺度表征技术，揭示纳米尺度体系中的光、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米材料的应用研究。以制备和性能研究的成果为基础，在纳米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-工艺兼容的纳米管/纳米线合成与集成技术；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米化，和发展纳米复合材料，获得具有特殊性能的新型材料。（3）取得重大突破的可

18、行性一、本项目在新型纳米材料方面有可能取得重大突破，在项目实施期间，制备出重要影响的、具有知识产权的35种新材料，申请20项发明专利。1、发展用于平板显示、场发射、发光和探测等有关的关键纳米材料和纳米结构：在上一个973项目的执行期间，项目成员解思深、范守善和张立德的研究组等在碳纳米管的定向制备、碳纳米管绳、半导体纳米阵列的制备方面取得了重要进展，在纳米材料可控生长的某些方面处于国际领先地位。在此基础上，本项目结合器件需求，集中研究几种关键纳米材料的生长动力学和热力学的规律，理论与实验相合的方式发展出新型的、适宜于平板显示、场发射、发光和探测的关键纳米材料。2、高导电性和力学性能的金属纳米材料

19、：本项目的承担者之一卢柯研究组，在上一个973项目的执行期间，发明了采用电化学沉积工艺制备高致密、高纯度、具有特殊孪晶纳米结构的Cu和Cu合金大块纳米材料的技术，文章发表在Science上，并有自己的知识产权。在此基础上，拟采用强烈塑性变形技术和电化学沉积工艺相结合的技术路线，将研究范围适当的拓宽，在更大范围内能发现获得具有特殊性能的新型材料。二、在认识纳米材料的结构、缺陷与物性关系的规律方面，取得重要进展，为建立有关的新理论框架奠定基础：1、纳米材料的可控生长机理及纳米材料生长动力学、热力学和结构稳定性的研究方面，本项目通过研究纳米材料的生长动力学及纳米尺度的可控制性、制备工艺条件对纳米材料

20、结构的影响的实验工作，得出经验规律，并通过对纳米尺度下物质、能量的传输和转变的实验研究和热力学计算，发展小体系热力学和非平衡热力学的理论。这一工作是在上一个973项目基础上的拓展和深化，在以前广泛探索的基础上，集中研究重要材料和常规条件下难合成的材料，采取实验与理论结合的方式，总结出新的规律。2、在材料表面纳米化的基础上，本项目提出研究金属材料在强烈塑性变形过程中结构纳米化的发生及结构演化过程，特别是研究塑性变形导致的晶粒最小极限尺寸和纳米晶粒形成机理。在此基础上研究的微观结构演变及变形行为、纳米材料中晶界、孪晶界、位错、结构等对材料性能的影响。这一思想突破了纳米晶粒中缺陷的存在和演化的束缚，

21、有利于发现新概念、新原理，建立新理论。3、在研究表面、界面结构及其对纳米材料和纳米结构性能的影响的工作中，重点研究异质结的界面结构、二元复相纳米材料等因素对性能的影响。通过表面修饰、搀杂及在不同的环境或外场中的响应的研究，在发光的起因、准一维纳米结构中的量子相干和量子输运等方面建立有关科学体系框架。三、在新技术方面，争取突破一些共性关键技术，为纳米器件的深入研究奠定基础：1、在实现纳米管/纳米线阵列的定位生长和定向生长的基础上，深入研究催化剂的作用和影响，发展出与IC-工艺兼容的纳米管/纳米线合成与集成技术；在已发展的纳米功能材料的组装技术基础上，通过微加工和纳米结构的自组织生长技术相结合的方

22、法，探索具有特定结构的纳米材料及性能的调控。2、发展出纳米管/纳米线场效应晶体管制备工艺和测试技术，制备出原型器件。为进一步开展纳米器件的研究奠定基础。3、研究纳米化电极的组成、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，探索电极材料纳米化的电池中离子和电子传输的新规律。根据本项目总体研究目标、主要研究的科学问题，在上一期973项目“纳米材料和纳米结构”研究的基础上，围绕知识创新、技术上的突破和应用进展的要求，进一步凝炼了科学目标，集中了研究内容，进行了课题分解。本项目的课题设置有三个显著的特点，一是，课题的研究内容以结构、性能及其关

23、系等基本科学问题为主，探索新的现象和新的规律，进一步强调了研究的深度和创新性。二是，本项目每一个研究课题中都包含理论研究内容，促进理论工作与实验工作的紧密结合，实现项目知识创新的目标。三是，注意了研究的原创性和系统性的结合，基础和应用研究的结合，在注重深入研究的同时部署了探索性很强的应用研究，并加强了基础和应用的衔接。2创新点与特色在过去十几年的发展与探索中，国际纳米科技的研究已开始从材料合成制备向相关的性能测试及纳米器件的设计应用上发展。纳米材料本身研究的发展趋势正从单纯的材料合成向纳米材料的可控生长方面侧重和倾斜。研究纳米材料合成和可控生长的热力学与动力学过程国际上已开始出现苗头，这些问题

24、都是国际上新一轮纳米科技开始将要研究的重要科学问题。我们这一期973项目“纳米材料和纳米结构的性能和应用基础”把上述问题的研究作为重点，并做了一些超前的部署，既保持了与国际同步，在研究内容、关键科学问题的凝练和研究目标的确立方面又有自己的特色，这是把我国纳米材料和纳米结构研究引向深入、继续保持国际先进水平的重要保证。按照这样的部署执行下去，在某些方面达到国际领先水平也是有可能的。3课题设置01课题：纳米材料新体系、合成方法及可控生长动力学和热力学研究承担单位：中国科学技术大学 负责人：钱逸泰主要学术骨干：谢 毅、唐凯斌、步宇翔主要研究内容和目标：纳米材料和纳米结构新体系制备科学和新合成方法的探

25、索，找出生长动力学的规律，认识纳米受限体系热力学特点，获得无机纳米材料的合成与可控生长技术和知识，对其中一些重要的材料按需要实现在一定范围进行形状和尺寸的调控，获得合成无机纳米材料普遍适用的方法。制备出具有特定物相和常规条件难以合成的无机纳米功能材料，为建立纳米材料体系可控生长的知识框架提供实验和理论的依据。经费比例：14.3%02课题：一维纳米材料的结构、性能和尺度效应承担单位：中国科学院物理研究所 负责人：周维亚主要学术骨干：解思深、刘邦贵、禹日成、闫新中、赵明文主要研究内容和目标：一维纳米材料包括碳纳米管和半导体纳米线、带等的催化生长机理及结构控制。二元和赝二元体系的一维纳米材料的轴向结

26、构控制和具有一维超结构的纳米材料的制备研究，研究纳米体系下相关系和对性能的调制作用和相界面结构的影响。研究环境和表面状态对一维纳米材料的结构或性能的影响。一维纳米材料中电子态、声子态和低能元激发的谱学及相互作用性质的研究。在一维纳米材料如碳纳米管和其它一维半导体纳米材料的可控生长的热力学和统计物理等问题上，做出一批有国际影响的成果。经费比例：19.6%03课题：纳米异质结构及阵列的设计合成和性能调控承担单位：中国科学院固体物理研究所 负责人：费广涛主要学术骨干：张立德、李广海、孟国文、曾 雉、叶长辉主要研究内容和目标：纳米异质结构及阵列的优化设计，合成多种纳米异质结构和阵列，建立对该体系性能可

27、调的新原理和新方法，实现对等离子共振吸收峰、荧光带和吸收边等的光学性能的调控，研究环境对纳米异质结构性能的影响，研究纳微流体与表面的相互作用引起的结构和键合特征的变化，实现用Raman谱、红外谱和光电子能谱等手段对异质纳米结构阵列表面结构变化规律进行表征。经费比例：14.3%04课题：金属材料结构纳米化动力学过程及纳米金属体材料的综合性能研究承担单位：中国科学院金属研究所 负责人：卢柯主要学术骨干：卢磊、汪伟、韩忠主要研究内容和目标：研究金属材料微观结构纳米化过程机理，发展一至两种先进的纳米金属和合金制备技术，并获得具有优异综合性能(力学性能和电学性能)的纳米金属材料。建立并完善纳米金属材料的

28、微观结构与本征性能之间的关系，进一步深入理解纳米金属材料的结构稳定性及其控制规律，揭示纳米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：多元纳米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、与尺寸纳米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。研究磁性纳米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米材料，改进高聚物和陶

29、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、高导热性多元纳米复合体系。经费比例：16%06课题：纳米材料与纳米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、唐成春主要研究内容和目标：发展出与IC-工艺兼容的纳米管/纳米线合成与集成技术，实现纳米管/纳米线阵列的定位和定向生长；发展出纳米管/纳米线场效应晶体管制备工艺和测试技术，制备出原型器件，研制出单色碳纳米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、半导体纳米粒子尺寸、形状、分散度以及微观结构的控制，研究其在纳米催化与纳米生物技术应用中的基本科学问题。经费比例

30、：14.3%07课题：纳米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：设计合成纳米新能源材料，研究组成、结构对化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，构建纳米材料电极的新型金属-空气电池。经费比例：7.2%4各课题之间的关系为了推动项目顺利地实施，我们全盘考虑了项目的实施方案，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)纳米材料可控生长新方法和新原理、纳米受限体系热力学

31、；2)纳米材料性能调控、优化和稳定性；3)纳米材料的应用基础的科学问题，原型纳米器件的设计、制作和纳米材料在提升金属-空气电池性能上的应用。3个层面相互联系，互相依托，总项目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项目“纳米材料和纳米结构”相比较，研究重心有明显地转移

32、，在性能优化调控和纳米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，把纳米材料可控生长和纳米受限体系热力学研究作为重点，同时在纳米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，确保了整个项目的研究向深层次发展。整个研究方案概括为一个项目、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项目中的地位和作用，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、生长动力学和热力学方面的研究结果都集中在01课题

33、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，一些原理型的纳米器件和新型纳米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

34、紧密的联系，02课题研究对象侧重于一维纳米材料，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课题侧重纳米异质结构的设计和性能的调控，研究对象以纳米阵列为主，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米体材料及体材料表面纳米化，侧重研究纳米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米金属材料等方面开展应用研究工作。05课题研究对象是多元纳米复合体系，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

35、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米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米材料进行异质纳米材料的设计和制备，给07课题进行新型纳米电池的设计、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米金属-空气电池。整个课题之间做到优势互补，相互联系。本项目在组织子课题上与上一个973项目“纳米材料和纳米结构”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

36、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、年度计划研究内容预期目标第一年2005年12月2006年11月l 改进设备，设计、探索无机纳米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米结构。l 研究一维纳米材料可控生长，二元和赝二元体系的一维纳米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。研究纳米异质结构及阵列制备科学和技术。l 系统研究不同晶体结构金属材料（如FCC、BCC和HCP）在强烈塑性变形过程中微观结构纳米化动力学及结构演化过程和纳米晶形成机理。l 确定用于研究有关磁性和其它性质的合适的多元纳米复合体系,制定出详细

37、的实验方案,并针对这些体系进行相应的实验制备条件和理论计算的初步探索。l 实现对单分散金属纳米粒子、纳米管/纳米线尺寸与结构控制；生长出取向的纳米管/纳米线阵列；研究场发射阴极的制备技术及其场发射特性。重点研究设计合成纳米结构金属电极材料。探索出无机纳米材料的可行的合成方案；解决一维纳米材料的低成本、大规模、结构可控生长中的关键技术问题。理论配合实验，协助理清机理，获得实验过程数据，探讨建立模型；找出最佳工艺条件，制备出可供规律探索研究的系列试样。揭示强烈塑性变形诱导的纳米晶粒形成机理。摸索出新的多元纳米复合材料的制备条件,进行初步的性能分析和测试。实现纳米电极材料的可控规模化制备，提升金属-

38、空气电池容量、功率与寿命。发表100篇SCI论文，申请专利5项，国外2项。第二年2006年12月2007年11月l 通过相关的热力学和动力学的研究，优化合成与可控生长条件，寻找普遍适用的技术手段，制备一些重要的功能材料。l 研究一维纳米材料表征、结构和物理性质及其量子尺寸效应；系统研究纳米异质结构及其阵列的光学、谱学和荧光现象及变化规律。l 调整变形方式和控制工艺参数，研究制备工艺条件对纳米Cu和Cu合金等材料微观结构的影响。l 从理论和实验上研究不同制备条件下所制备的多元纳米复合的有关性质(如磁学性质、电学性质和自旋相关输运特性等等),研究多元复合材料体系的不同纳米结构对这些性质的影响规律。

39、l 研究与器件工艺兼容的纳米管/纳米线的制备和集成技术；研究与平面显示相关的关键问题；l 研究纳米材料中化学能转变为电能的影响因素，探索纳米电极材料的电子、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米材料的轴向结构控制和具有一维超结构的纳米材料；实现对纳米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。为探索纳米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米结构与其磁学和其它性质之间的规律。揭示纳米电极材料的电子、离

40、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。第三年2007年12月2008年11月l 通过控制纳米材料的合成条件，进一步探索无机纳米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。l 开展一维纳米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米结构生长的微观过程。l 研究半导体纳米结构阵列表面化学、生物修饰等对光学和气敏特性的影响。测试纳米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。l 研究场效应纳米管/纳米线单个晶体管结构和制备工艺；研制新型、高效纳

41、米电催化剂，研究电极界面结构、电解质对能量转化和能量传输的影响。探索无机纳米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。单个一维纳米材料进行表征、结构和性能研究；理论配合实验，基本弄清典型一维纳米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。揭示纳米金属材料力学性能与其结构参量的关系。建立对相关多元纳米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。制备出纳米管/纳米线场效应晶体管原型器件。获得新型、高效、稳定的纳米电催化剂，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项。第四年2008

42、年12月2009年11月l 对实验数据和结果进行综合分析研究，进行纳米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，用于指导实际的纳米材料的合成与可控生长。l 全面开展一维纳米材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，研究一维纳米材料中电子态、声子态和低能元激发的谱学及相互作用性质。l 研究异质纳米结构阵列表面化学、生物修饰和环境对一维纳米材料和纳米异质结构性能的影响。l 研究不同纳米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。l 提高纳米管/纳米线为基的场效应晶体管的性能。研制高

43、分辨率的平面显示器。l 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米金属-空气电池。总结出较合理的纳米材料合成与可控生长过程的热力学和动力学理论，用于指导实际的纳米材料的合成与可控生长。理论配合实验，系统研究一维纳米材料中电子态、声子态和低能元激发的谱学及相互作用性质；合理解释实验结果。调控异质纳米有序阵列的表面活性，搞清与环境敏感选择性、性能稳定性的关系。建立纳米金属材料的结构物理性能关系模型。研制出单色碳纳米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米金属-空气电池。发表100篇SCI论文，申请专利6项，国

44、外2项。第五年2009年12月2010年11月l 发展比较普遍适用的无机纳米材料的合成和可控生长技术，提出相应的纳米材料形成机理。开展常压回流、室温反应以及能量辐射等控制合成的探索，总结实验内容，编撰研究论文和总结。l 继续全面开展一维纳米材料的表征、结构、性能、表面和量子尺寸效应研究；一维纳米材料中电子态、声子态和低能元激发的谱学及相互作用性质的研究。l 全面总结对芯壳异质纳米结构有序阵列光学特性和谱学进行调控的新原理、新方法。l 完善和总结纳米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。l 基于对有关多元纳米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。l 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；l 全面提升金属-空气电池的容量、功率、寿命等性能，并推广至其他高端电池的应用研究。发展出比较普遍适用的无机纳米材料的合成和可控生长技术，提出相应的纳米材料形成机理。优化一些重要的无机纳米材料的制备方法。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；进一步总结纳米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米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。全面完成本项目研究任务。申请专利5项，国外2项。