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北京大学纳米线项目组小尺度展示大科学

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来源: 作者: 2018-08-17 16:27:53

北京大学纳米线项目组:“小尺度”展示大科学

依据研究课题对未来社会可能产生影响的重要程度,美国《科学》杂志在2006年5月出版的科技中,把纳米线研究列在物理学研究5个热点中的第二位,以探索“小尺度”下物质变化规律与新奇性质为课题的纳米线研究已引起了各国的高度重视。近日,由北京大学教授俞大鹏、冯孙齐、徐军、薛增泉、奚中和研究小组承担的“功能准一维半导体纳米结构与物理研究”,荣获2007年度国家自然科学奖二等奖,名列“物理与天文”学科组第一位。该项目组在硅纳米线新制备方法研究、开拓氧化物纳米线研究新领域以及纳米线生长机理与物理性质等方面,做了一系列开创性的研究工作。

功能准一维纳米线是一种非常独特的低维纳米结构,它不仅是电荷输运的最小载体,也是构造复杂纳米结构与纳米器件的理想基元。俞大鹏告诉,纳米线材料不仅是研究小尺度世界科学规律的理想研究对象,也有可能在新概念纳米光电器件工业、解决日益严重的能源危机等方面发挥重大作用。现代计算机芯片的核心元件之一是基于硅材料的三极管,主要利用光刻方法制备。“随着加工三极管特征线宽的尺度不断减小,传统的自上而下的光刻技术由于加工的物理极限以及成本等方面的限制,即将走到尽头。”据俞大鹏介绍,在英特尔公司规划的半导体未来技术发展蓝图中,期望把纳米线、纳米管作为计算机器件的重要组成基元应用于新一代计算机技术,从而大大提高计算机的运算速度和功能,同时大大缩小计算机的体积;三星集团正在研制基于纳米线、纳米管阴极材料的高质量图像显示技术等。利用纳米线巨大的比表面效应等,可能获得高效太阳能电池等。俞大鹏说:“当器件尺寸小到一定程度时,量子效应会占主导作用,为设计新概念量子器件提供了可能。”谈到纳米线的前景,这位国家杰出青年科学基金获得者、教育部最高人才计划---“长江学者与创新团队”计划的学术带头人格外兴奋。

俞大鹏项目组在1998年前后,与哈佛大学同时独立地用脉冲激光高温沉积法获得了高品质的纳米硅量子线,这对于微电子加工技术已达到物理极限的今天具有重要意义。他们还创新性地利用物理蒸发的方法制备硅纳米线,成功制备了宏观量的硅纳米线。这种基于气相输运的物理蒸发方法设备简单、便宜,便于控制、推广等,被著名材料科学家、原第三世界科学院院长o教授称之为“制备纳米线最普适的方法之一”。著名纳米科技专家、哈佛大学教授Lieber也称俞大鹏是“国际上运用激光蒸发、简单物理蒸发方法制备硅纳米线的领导者”。

硅作为现代微电子领域的重要材料目前已被广泛应用,“从这方面来说,硅是幸运的,但是硅也是一个先天不足的材料,因为它即不能发光,也不能传导光波,而且容易被氧化。”俞大鹏介绍说。氧化物半导体材料具有其他化合物半导体材料所不具备的性质,其独特的耐高温、抗氧化、具有较宽的禁带、特殊的透明、压电特性、气敏传感特性等物理性能,受到跨学科领域的极大关注。该项目组随后把纳米线制备概念拓展到了广泛的氧化物纳米线体系。1998年,俞大鹏项目组在国际上第一次制备出了SiO2

纳米线,并预言这种直径仅几十纳米的SiO2纳米光纤将是研究光波在小于其波长的纳米光学介质中传播现象的理想研究对象。5年后,哈佛大学的研究者从实验上证实了上述预言,发现SiO2纳米光纤的确是超低损耗的光波导传播的理想介质。俞大鹏项目组还在国际上第一次制备出GeO2纳米线、第一次制备出Ga2O3纳米线,并且成为最早利用物理蒸发金属Zn源制备ZnO纳米线的研究小组。

俞大鹏项目组还为人们揭示了纳米线为什么会沿一维分析择优生长的秘密,以及开展可控生长所应该具备的条件;通过对纳米线的发光、场发射等物理性质的系统研究,为人们展示了纳米线独特的物理性质,为开展纳米器件研究提供了物理基础和科学依据,将纳米线的研究不断引向深入。“纳米线虽然是很小的尺度,在未来它却蕴藏着深刻的科学内涵和巨大的能量。”俞大鹏说。

《中国教育报》2008年1月29日第1版

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