最近的一项研究指出对于具有组分/微结构非对称有序分布的一维自支撑纳米线结构, 如梯度、竹节状、条纹状异质纳米线, 通过快速热退火可实现新型三维金属纳米结构的可控制备.  

这项名为《The concept and realization of nanostructure fabrication using FIB-grown free-standing metallic wires with rapid thermal annealing》研究论文发表于《中国科学: 物理学力学天文学》2015年第4期上. 探讨了新型三维金属纳米结构的热致应变加工对初始一维结构性能的要求, 三维形变的设计以及实现方法. 由中国科学院物理研究所顾长志研究员、李无瑕副研究员担任通讯作者撰写.

与二维结构相比, 三维器件与电路不仅体积小、集成度高, 更重要的是三维结构的引入使之具有更优越的性能、更新颖的效应, 以及更广泛的功能. 其中三维金属纳米结构可以作为光学或电学振荡器/探测器, 三维空间电极, 光学发射天线等, 具有巨大的应用前景. 因此, 探索新型三维金属纳米结构的成型机理, 实现三维金属纳米结构与器件的可控加工, 一直备受关注.

多年以来, 中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)微加工实验室系统地开展了基于聚焦离子束技术的三维纳米结构与器件的可控加工技术研究, 并取得了一系列的进展. 2010年, 他们与英国伦敦纳米研究中心合作, 采用聚焦离子束诱导的化学气相沉积方法, 定点加工了最小的超导钨三维探测线圈, 首次制备了3D-SQUID, 突破了平面SQUID只能测量与之垂直的磁场的局限, 为多方位磁信号测量器件的加工提供了新方法 [Appl. Phys. Lett. 97, 222506(2010)]. 为了进一步缩小所加工的三维结构的面积与特征尺寸, 2011年, 他们采用离子束辐照的方法, 探索了纳米线弯曲形变的规律、机制与可控性, 构筑了导电以及超导的自支撑纳米间隙、纳米接触以及纳米多枝结构; 证实了这些结构可具有高达5.2K的超导临界转变温度以及较好的机械性能与热稳定性 [Appl. Phys. Lett. 100, 143106 (2012); Appl. Phys. Lett. 102, 213112 (2013)]. 2013年, 他们与物理所先进材料实验室的姚湲副研究员以及英国Salford大学的沈铁汉教授等合作, 通过利用单一金属有机物气体注入系统, 在有机气态分子源受限的模式下, 实现了自支撑铂混合物纳米线沿径向的组分与微结构的非均匀、非对称生长并利用热退火技术实现了该结构的可控形变操控[Scientific Reports. 3, 2429(2013)].

该研究在前期的基础之上, 发展了一种更为灵活的三维金属微纳米结构的制备工艺, 通过生长梯度分布, 多节的, 条纹状的异质结纳米线, 利用热退火技术实现了多种三维金属微纳米结构的制备. 研究结果表明对于表面生长有铂的复合钨/铂纳米线, 热退火后只在生长有铂的位置处弯曲, 且弯曲程度精确可控; 对于竹节状异质复合钨/铂纳米线, 该结构在低温热退火后, 生长有铂的部分会发生圆弧状弯曲; 另外, 在急剧热应变高温热退火条件下, 形变会在后关节处发生急剧弯曲, 可形成空间折叠三维纳米结构. 该研究结果显示通过纳米线结构的设计与制备, 利用快速热退火技术可以实现多种新型三维纳米结构的构筑. 该技术在三维纳米电学、光学、磁学以及生物分子学等领域具有广泛的应用前景.

研究得到了中国科学院引进杰出技术人才项目和国家自然科学基金项目(批准号: 91123004, 11104334, 50825206, 10834012 和60801043)资助.

Figure 1  (Color online) An illustration of the deformation mechnism of free-standing nanoobjects upon thermal annealing: (a) isotropic nanowires undergo no bending; (b) nanowires with anisotropic cross-sections bend when annealed; (c)–(h) striped and segmented heterostructures bend with design shape and configuration when annealed.

来源论文：

Cui A J, Hao T T, Li W X, et al. The concept and realization of nanostructure fabrication using free-standing metallic wires with rapid thermal annealing. SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy, 2015, 58(4): 046801

论文链接：http://phys.scichina.com:8083/sciGe/EN/abstract/abstract509586.shtml