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华人科学家发现纳米世界的“双螺旋”结构

时间:2005-09-12 09:36来源:中国科学院 作者:bioguider 阅读:



        中国科学院网站记者赵彦美国报道  大自然中螺旋形结构为人们所熟悉,但其中蕴涵玄机一直为科学研究者所不解。双螺旋结构脱氧核糖核酸(DNA)结构自发现以来就为人类提供了诠释和利用生命体有机结构的重要工具。关于不同螺旋结构的诠释和它在基因科学中起的巨大作用,从数学家,生物学家,生物医学工作者,乃至纳米科学技术工作者,正在进行着不弃不舍的追求。DNA,蛋白质和有机大分子所形成的螺旋结构是生物结构中常见的基本单元,然而由无机晶体态材料所形成的螺旋结构是非常少见的。

        佐治亚理工学院校董事教授、北京大学工学院兼职教授、中国国家纳米科学中心海外主任王中林领导的研究小组在继去年首次成功合成自环绕单晶纳米环后(美国《科学》周刊  303卷,2004年,1348页),近日在世界上首次实现半导体压电纳米带的自发组装,形成具有超晶格结构的完美纳米螺旋晶体。这种完美纳米螺旋晶体具有刚性结构,由两种具有不同取向的氧化锌纳米带沿宽度方向周期性交替共格外延,自发组装形成。氧化锌(ZnO)  是一种典型的纤锌矿结构的半导体材料,它具有沿极化方向有着各向异性生长习性的功能材料。氧化锌超晶格纳米螺旋不仅可以应用于纳米光电子器件,纳米传感器,  实现纳米尺度上机电耦合,同时也为基础纳米理论物理和计算物理提供了一个极其挑战性的课题。9月9日的美国《科学》周刊上对这一重大研究成果做出了长篇报道。该研究成果成功实现了氧化锌纳米带的超晶格自发螺旋形组装,是在晶体生长研究领域的一次重大突破。

        由王中林教授,博士生高普献和丁勇博士等组成的研究小组率先运用高温热蒸发气相沉积的方法在纳米尺度上实现氧化锌一维晶体表面从单晶体向超晶格结构的急剧转变,同时超晶格结构最终可以终结为单晶体。通过控制晶面的生长动力学,降低静电极化表面能,极性单晶纳米带可以突然发生结构转变,转变为由极化纳米带和非极化纳米带周期交替,平行共格的超晶格结构。这种纳米螺旋具有大约3.5纳米平行于纳米带的超晶格周期,  螺旋直径300-700  纳米,宽度100-500纳米,螺旋周期为500-2500  纳米,  螺旋长度可达0.1  毫米。虽然实验表明,极化纳米带和非极化纳米带晶界完全外延共格,但是仍然有着大约4度的旋转扭曲,这种刚性的晶格旋转扭曲最终导致了两种不同取向氧化锌纳米带的螺旋形自组装。结构转变的起源来自能量的降低:首先通过减少极化面面积,可以大大降低静电表面能,促进结构的稳定性;其次,为了平衡超晶格晶界旋转扭曲造成的应变能,周期性的螺旋形结构成为最稳结构形式。通过实验常数和生长动力学的优化设计,该研究组已经成功控制了这一特殊螺旋超晶格晶体的生长过程。这种由一维晶体表面极化性质的转变所导致的从单晶体到超晶格的结构演变,为研究并深入理解其它同样具有纤锌矿结构的II-VI族和III-V族半导体材料,如ZnS,  ZnSe,  CdS,  CdSe,  CdTe,GaN,  InN和AlN等,提供了极好的参考体系。

        令人关注的是,组成这种完美的螺旋超晶格的极化纳米带和非极化纳米带的晶体极化取向相互垂直。如果说压电畴界存在的话,那么这种超晶格实际上是一种周期性压电畴,这很可能是第一个真正意义上的周期性压电畴。这对研究晶体各向异性对半导体物理性质的影响无疑提供了一个理想的理论和实验研究体系。与自环绕单晶纳米环一样,这种半导体氧化锌超晶格螺旋同时具有半导体和压电效应双重性质,为未来纳米电子,光电子应用提供了一个完美的纳米结构。

        在发现这种完美的氧化锌超晶格螺旋结构的同时,该研究组还在会聚离子束显微镜和原子力显微镜下对其进行了单个操作,同时进行了螺旋横向弹性系数的测量。他们对单个螺旋进行离子束切割和原子力显微镜针尖机械切割,发现切断螺旋保持原始形状,没有明显弹性能的释放,这充分证明了超晶格螺旋的刚性结构,储存的弹性能极小。通过在原子力显微镜下对单个螺旋的纳米位移操作,并进行力学计算,实验结果表明,这种氧化锌超晶格螺旋具有与单根纳米带的弹性系数相当的横向弹性系数。

        三年前,王中林教授曾经指出,具有压电效应的纳米环是一种非常理想的机电耦合材料,在微/纳米电机系统中有重要的应用价值,而且氧化锌是实现这些独特多重性能的关键材料。氧化锌是一种极其重要的具有光电,传感,和生物用途的半导体和压电材料。它是目前最受关注的纳米材料之一。现在新型的纳米螺旋不仅具有半导体性质和压电效应,而且具有特殊的超晶格结构,有着巨大的潜在优势被用来设计研制超灵敏度纳米传感器,电机耦合器,纳米压电马达,  甚至用于生物探测。目前,该研究组继续在原子力显微镜下进行纳米尺度操作测量,对螺旋超晶格纳米力学性质进行深入的测量表征。与此同时,他们已经开始了对这种同时具有半导体超晶格结构和压电效应的新型独特纳米螺旋进行纳米电机耦合系统,纳米传感器的开发应用研究。

        王中林教授是世界著名纳米技术科学家,在碳管纳米秤和半导体纳米带等研究方面取得了世界瞩目的成果。他带领的小组在2001年在美国《科学》周刊上报道了半导体氧化物纳米带结构的发现和合成方法,为纳米级传感和敏感器以及光电器件打下基础。该文章是2002-2003年全世界化学界引用次数最多的论文。王中林教授在国际一流学术刊物上发表论文400多篇。如今,刚过不惑之年的王教授个人发表科技论文被引用次数已经接近一万次。他是全世界1992-2002十年间纳米技术领域论文引用次数世界个人排名前25位作者之一。

        如今,新型半导体超晶格纳米螺旋的发现,必将开辟功能氧化物纳米结构研究和应用的新篇章,对今后的纳米科技产生深远的影响。

(责任编辑:泉水)
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