浙大&名古屋大學Science：純鋁金屬納米線！

一、【科學背景】

金屬納米線（NWs）是一類重要的一維納米材料，因其獨特的電子、光學和機械性能而備受關注。NWs具有優良的導電性、光學特性和力學性能，因此在傳感器、光電器件以及生物醫學領域中具有廣泛的應用前景。然而，盡管NWs的單晶結構能夠顯著提升其性能，但在大規模生產高質量、結構有序的NW forests方面，仍然面臨許多挑戰。其中，NWs的大規模生長通常受限于傳統方法中的蒸汽壓力限制和化學還原問題。現有的制備技術難以實現對NW生長的精確控制，導致產物的質量和排列結構不夠理想。具體而言，傳統的生長方法在生成NW的過程中常常無法有效地控制納米線的長度、密度和取向，從而影響了其在實際應用中的表現。此外，如何實現高密度、垂直生長的單晶NW forests仍然是一個亟待解決的難題。

二、【創新成果】

近期，浙江大學巨陽教授聯合名古屋大學Yasuhiro Kimura教授在Science上發表了題為“Growth of metal nanowire forests controlled through stress fields induced by grain gradients”的論文，提出了一種新穎的生長技術，通過利用聚焦離子束（FIB）輻照誘導的局部晶粒粗化來克服傳統方法中的局限性。這種技術通過在固體薄膜中控制原子擴散，創造出高應力區域，為NW的生長提供了有效的驅動力和生長核。FIB輻照不僅增強了驅動力，還通過創建局部高應力區域來形成NW的生長通道。此外，FIB輻照誘導的局部晶粒粗化和O、Ga雜質的分離，進一步控制了應力場、晶粒梯度及擴散蠕變，從而實現了在期望位置的大規模生長。這種新方法與傳統的碳納米管（CNTs）和半導體NW的構建方式類似，但它能夠生成高密度、垂直生長的單晶鋁（Al）NW forests。與其他無序平面網絡NW不同，這種單晶Al NW forests在氣體傳感器、生物標記物和光電組件等高性能納米器件中的應用具有廣泛的潛力。?

本研究通過控制固體薄膜內的原子擴散，成功實現了Al NW forests在所需位置的大規模生長。具體的，本研究展示了聚焦離子束照射創造了局部高應力區域，這為原子擴散提供了途徑，也為垂直NW生長提供了核和驅動力。

圖1? FIB 輻射區域的NW forests圖像 ? 2024 AAAS

圖2? 薄膜的STEM表征 ? 2024 AAAS

圖3? ACOM-STEM表征 ? 2024 AAAS

圖4? Al納米線生長機制研究 ? 2024 AAAS

三、【科學啟迪】

綜上，本研究提出了一種Al NW forests的生長技術，該技術克服了大規模生產高度有序的單晶金屬納米線的傳統挑戰。基于FIB輻照的局部晶粒粗化增強了驅動力并形成了納米線生長的核心。通過晶粒梯度導航生長路徑的應力場、與方向相關的局部彈性極限各向異性以及擴散蠕變受到FIB照射誘導的局部晶粒粗化以及O和Ga雜質的偏析控制。可以在所需位置以類似于碳納米管和半導體NW的方式構建密集的金屬NW forests。與其他無序平面網絡NW不同，高密度且垂直生長的單晶Al NW forests可以廣泛用于各種高性能納米器件，如氣體傳感器、生物標記和光電子組件。

原文詳情：Growth of metal nanowire forests controlled through stress fields induced by grain gradients (Science 2024, 385, 641-646)

本文由賽恩斯供稿。