Advanced Materials:任意形状的基体表面电沉积三维金属纳米结构

新闻简介：

未来信息技术的发展很大程度上取决于我们控制材料微观结构的技术。在微电子学和自旋电子学中，研究三维结构制造的模式，能够帮助加快信息传递的效率，增加功能的整合程度。纳米线可被用于下一代计算设备，目前，已经有许多种方式可以用来生产特定直径和化学组成的纳米线。然而，制造耐用、空间有序的三维纳米线阵列仍然充满了挑战性。

近期在Advanced materials上发表的文章表明，相关研究人员已经发明了一种空前的制造方法，可以在任意形状的材料表面上以自组织的方式制得金属钴纳米线。与传统的的纳米线生长方式不同，该研究采用了超级薄膜技术，使得纳米线的生长朝着与纵轴垂直的方向进行，因而成功地得到了渴望已久的三维纳米线结构。研究中提及的生产模式，代表了生产金属纳米线的一个重大进展：通过改变电沉积时的恒定电压，能够帮助控制纳米线的宽度和间距，并且该纳米阵列可在任意形貌的材料表面生成。

该研究推动了磁性纳米结构研究的发展，将对自旋电子学和微电子学产生重大影响，并且为进一步发展设计生产3D设备的技术打下了良好的基础。

图文导读：

图1：a.制造步骤的流程示意图。 b.纳米线阵列的宏观形态。 c.纳米线上化学元素分布图。 d.纳米线电子衍射花样。

图1：(a) i.首先在铜的恒电位沉积中，当施加较低的恒压（1.5V）时，在基体的表面能够横向生长一个紧凑型的薄膜。 ii.薄膜的厚度逐渐增大，并出现纳米结构上的起伏。 iii.纳米起伏开始呈现周期性的变化。 iv.氩离子束蚀刻薄膜。 v.得到最终的金属纳米线。 (b)扫描电镜下的金属纳米线。红箭头标志表示了纳米线生长的方向，小插图中的绿线表示了能谱仪扫描的方向。 (c)纳米线的化学元素分析，红色为灰阶，蓝色为沿b中绿线的钴元素能谱分析图。 (d)透射电镜明场图以及选定区域的电子衍射花样。

图2：纳米线阵列的空间周期性、线宽度与电沉积参数的关系。(a-d)反映了纳米线的空间周期性随着电沉积时频率的变化规律，随着频率增大，空间周期呈现逐渐下降的趋势。(e-h)反映了纳米线阵列的线宽度与电沉积时的恒定电压的关系，恒定电压越大，制得的纳米线的宽度越大。

图2：(a-c)在相应的电压频率下，钴纳米线阵列的扫描电子图像。 (d)纳米线的空间周期性与电沉积时电压频率的对应关系。 (e-g)在相应的电压下，钴纳米线阵列的扫描电子图像。 (h)纳米线宽度与恒定电压的对应关系。

图3：在不同形状的材料表面，纳米线阵列的生长情况。在a-b中，纳米线在材料表面起伏不定，在格栅式的表面，纳米线的空间周期性和宽度都十分的均匀。在c-d中，材料的表面崎岖不平，但是纳米线的宽度和间距仍然保持不变。

图3：任意基体表面的纳米线阵列生长情况。(a,b)格栅状表面的纳米线微观形貌图。 (c,d)在未经抛光单晶硅表面的钴纳米线形貌。b,d中的标尺分别代表500纳米和2微米。

图4：在平滑的基体表面，钴纳米线的磁力显微镜图像。该图像能够用来表征纳米线的磁结构。

图4：(a) 氩离子束刻蚀后的纳米线的显微照片。 (b) 纳米线阵列相应的初始磁畴结构。白色的箭头表示了自旋极化的方向。黑点表示了对尾畴壁，白点表示了对头畴壁。 (c) 当施加的磁场方向与纳米线的生长方向一致并且从0.6 T逐渐降低到0时，未检测到杂散磁场。 (d)当磁场方向垂直于基体的方向并且强度从0.6 T逐渐降低到0时，对头和对尾畴壁又重新出现了，并且密度相比于b图中有所增大。

图5：光栅表面的磁力显微图像。

图5：(a) 是在聚合物光栅表面制得的纳米线阵列的形貌图。从右下角到左上角的宽条纹代表的是光栅表面，从左下角到右上角的窄纹代表的是钴纳米线。 (b) 是纳米线阵列的初始磁性状态。 (c) 通过在平行于纳米线的方向施加磁场，并且研究剩余磁感应情况，帮助弄明白沿纳米线方向的自旋极化。 (d) 为在垂直于纳米线的方向施加磁场后的剩余磁感应情况。 (e-f) 为重叠区域的放大磁力显微图像。

相关论文发表了Advanced Materials杂志上。

原文参考链接：Construction of 3D Metallic Nanostructures on an Arbitrarily Shaped Substrate（见下方“阅读原文”）

感谢材料人编辑部提供素材。