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一维功能纳米材料的控制合成、性能调控及应用研究

半导体纳米线是一种独特的准一维纳米材料。它不仅是电荷的最小载体，也是构建新的复杂体系和新概念纳米器件的基元。在该领域中，新现象和新概念层出不穷，推动着材料、物理、化学等交叉学科的发展，并将对未来电子、光电子、通讯等产业产生重大影响。在这一当今最前沿的研究领域中，国际上尤其是发达国家集中了最精锐的研发力量，以期望在纳米器件的实用化方面有所突破，在未来高科技争夺战中，保持领先并居于主导地位。在纳米研究领域，美国政府仅在2005年就投入10亿美元，而日本在同一年的投入约12亿美元。我国的《国家中长期科技发展规划纲要》中也已经把纳米科技作为基础研究重大研究计划，列入重点支持范围。其中一维功能纳米材料的控制合成、性能调控及应用研究是目前纳米材料研究的世界热点。张跃教授承担了973、863、重大国际合作、自然科学基金杰出青年基金和面上项目等各类纳米研究方向的课题，通过创新合成方法、优化合成工艺，实现了多种形貌的一维功能纳米材料的可控制备，利用等多种手段对纳米材料的形貌、结构进行了表征，并对其生长机理、力学性能以及光致发光、场发射、导电性等物理性能进行了系统和深入的研究，特别是在碳纳米管及ZnO纳米阵列的实际应用领域取得了重要突破，其代表性成果包括： 1.改进了ZnO和掺杂ZnO一维纳米材料的制备方法。采用化学气相沉积法，在较低温条件下，通过不同工艺成功制备了纯ZnO及In、Mn、Sn等掺杂ZnO纳米棒、纳米线、纳米带、纳米电缆、纳米阵列、四针状纳米棒、纳米梳、纳米盘等多种形貌结构的纳米材料，实现了一维ZnO纳米材料较低温度条件下形态和尺度控制生长，产物品质纯净、产率高、质量好，易于工业化生产。制备方法受到国际同行的高度评价，认为是半导体制造领域中氧化物纳米结构集成方法的重大进步，不仅对从事纳米材料研究的科学家，而且对半导体产业意义重大。有关双晶ZnO纳米带的论文发表在国际知名期刊Chemical Physics Letters (2003，375：96-101)上，论文被引用60余次，位列该期刊2003至2007年被引用前50名之内。 2.提出了一维氧化锌纳米材料新的生长机理。首次合成四针状纳米氧化锌材料并揭示了该结构的八面体孪晶核生长的理论模型，该研究结果的论文发表在Chemical Physics Letters (2002,358:83-86)上，被他引更是达到了130 余次。首次发现和论证了一维氧化锌纳米结构中的螺旋位错诱导晶体生长机理，观察到了一维氧化锌纳米材料存在的大量螺旋位错、周期性的位错及生长台阶，发现生长是沿着位错进行，且与其伯格斯矢量的方向一致。 3.原位研究单根ZnO和In-ZnO纳米线的力学行为。利用TEM对单根纳米线加载交变电压使其发生共振，原位测量其本征共振频率，通过计算得出氧化锌纳米线的弯曲模量。氧化锌纳米线可以构建纳米悬臂梁和纳米谐振器，通过氧化锌纳米线构建的纳米秤，测量了黏附在纳米线自由端的纳米颗粒质量。该研究论文发表在英国物理协会的期刊J. Phys.: Condens. Matter( 2006, 18 (15), L179-L184)上，被评为该期刊2006年度的顶级论文(Top paper)，位列其中第九名，是该年度该期刊22篇Top papers研究论文中唯一由中国研究人员完成的成果。 4.合成了多种ZnS准一维纳米材料，并提出了四针状ZnS纳米结构的生长机理，指出其生长过程由立方相形核和六方相孪晶生长机制共同控制。同时率先报道了ZnS四针状纳米材料的光致发光性能，发光波长相对其它ZnS 纳米材料发生蓝移4.8~32.8nm。该研究论文发表在国际著名期刊Nanotechnology (18 (2007) 475603)上，在发表后的第一个季度内，下载量就超过250次，成为该期刊排名前10％的热点文章。 5.碳纳米管及ZnO纳米阵列的实际应用取得了重要突破。采用涂敷和CVD两种方法成功制备了多种大面积碳纳米管阴极，采用水热合成法制备了大面积一维纳米ZnO阵列阴极。首次研究了纳米阴极的强流脉冲发射性能，其中碳纳米管阴极的发射电流密度高达344 A/cm2，ZnO阴极的发射电流密度达到123A/cm2。系列研究成果发表在Carbon、Appl. Phys. Lett.等国际著名期刊上。研制的多种纳米阴极在线性感应加速器上已经得到成功应用，阴极的发射电流强度及发射电子的均匀性远远高于现有的阴极性能指标。张跃教授有关纳米材料的研究成果获教育部高等学校科学技术奖（自然科学奖）二等奖1项（2006-052），完成专著1部，另合作出版专著1部，发表论文80 余篇（其中SCI 40余篇、EI 近20 篇），重要成果发表在Appl. Phys. Lett.、Carbon、Advan. Funct. Mater.、 J. Physical Chemistry C、Chemical Physics Letters、J. Phys.: Condens. Matter、J. Physics D: Applied Physics、J. Nanosci. Nanotech.等国际知名期刊上，申报12项发明专利（已授权5项）。发表研究论文中的4 篇代表性论文，已被引用300余次，单篇他引超过130次。

北京科技大学 2021-04-11