纳米材料功能化宏观体系的构筑和性能研究

项目名称：纳米材料功能化宏观体系的构筑和性能研究首席科学家：姜开利清华大学起止年限：2012.1至2016.8依托部门：教育部一、关键科学问题及研究内容本项目拟解决的关键科学问题是：1、纳米材料单元构筑宏观尺度纳米材料体系的界面结构控制(1)不同材质纳米结构单元界面结构的设计和构筑方法(2)不同尺寸和维度纳米结构单元组合的原理2、不同纳米材料单元组装后性能演变和调控(1)纳米材料单元组装后性能变化的机理和优化的方法(2)多尺度单元组合对性能的影响以及单元耦合所产生的新功能3、宏观尺度纳米材料体系中电子、光子和能量传输的新规律(1)异质界面电子、光子和能量传输的新规律(2)纳微尺度下的界面效应对性能的调控4、宏观尺度纳米结构服役过程中的性能稳定性(1)对外场的响应(2)结构稳定性和性能稳定性的关系以解决上述科学问题为核心，本项目的主要研究内容是：1、不同材质纳米结构单元界面结构的设计，多元异质宏观尺度纳米结构单元构筑的新原理和新方法，包括从纳米结构单元的制备，纳米结构单元组合成微米结构，到由微米结构构筑宏观尺度的材料体系，发展不同尺度、不同维度纳米单元构筑宏观尺度纳米材料体系的新技术。

构筑宏观尺度纳米材料体系的单元材质为：(a)半导体/金属肖特基结；(b)磁性/非磁性、磁性/铁电组合体；(c)碳管、碳管束和其他碳纳米结构单元。

2、纳米材料单元组装后性能变化的机理和优化的方法，宏观尺度纳米材料体系中纳米单元的耦合效应产生的新现象和新性能。

主要研究内容为：碳纳米管与金属、高聚物复合体系界面的耦合效应，半导体量子点和贵金属纳米线异质界面耦合和光传输行为，肖特基结能量传递(光→电)，磁性/非磁性和磁性/铁电性复合纳米单元界面耦合效应及能量传递的新规律(电→磁、磁→光)。

通过耦合尺度效应的研究实现纳米单元组成的宏观尺度体系的综合性能的调控和优化。

3、宏观尺度纳米材料体系中异质界面对电、光、磁性能调控和输运性质的影响，能量传递和转化的新规律，探索其可能的应用。

主要研究内容为：磁性/铁电复合纳米单元之间能量传递和转换的新规律(电→力、力→磁)，实现增强电控磁效应的最佳条件，探索基于磁性/铁电复合纳米单元的电控磁存储技术，以纳微光学器件为导向，研究半导体量子点、金属纳米线等组合单元协同传递光子的行为，通过尺度效应和耦合效应的研究，探索能量传输、转换的新规律，发展基于纳米材料的红外波段探测器件，研究红外示范探测器件性能的稳定性。

4、宏观尺度纳米材料体系的结构性能关系及其在服役过程中的性能稳定性，主要研究内容为：研究复合纳米材料体系中，界面结构和特性对宏观性质的影响，探索提高材料综合性能的途径，研究碳纳米结构复合材料在外场作用下材料性能的变化与纳微结构的关系，能量和物质转化和传输的规律，服役条件下材料和结构的稳定性，探讨在高性能储能器件中的应用。

二、预期目标总体目标：本项目的总目标是：在过去研究的基础上，优选和发展具有应用前景的纳米结构单元，发展宏观尺度纳米材料体系的制备方法，揭示纳米单元之间的界面效应和多尺度耦合效应，发现宏观尺度纳米材料体系中的新现象、新特性和新原理。

以此为基础，设计和制作有明确应用目标、拥有自主知识产权的宏观尺度纳米材料体系，以满足新兴战略产业(IT、新能源和新材料等)的需求。

五年预期目标：1、构筑出3-4种有独特性能的宏观尺度纳米材料体系发展不同材质纳米结构单元界面结构的设计方法，从纳米结构单元的制备→纳米结构单元组合的微米结构→由微米结构构筑宏观尺度的纳米材料体系的技术路线，建立几种不同尺度、不同维度、不同材质的宏观尺度纳米材料体系构筑的新方法，进而发展几种实用的构筑新技术。

制备出3-4种有独特性能的宏观尺度纳米材料体系，包括：异质纳米单元构筑的宏观尺度纳米材料体系，磁性/非磁性纳米单元构筑的宏观尺度纳米阵列，不同维度的碳纳米单元构筑的宏观尺度碳纳米管束、碳纳米阵列、有序网络结构。

2、在基本科学问题上有所突破宏观尺度纳米材料体系中存在着性质不同的界面和多尺度的耦合效应，因此结构单元间的界面对体系光、电、磁性能的影响是重要的科学问题之一。

通过本项目的研究将揭示不同尺度、不同材质的界面特性及其统计规律。

揭示不同类型界面结构对性能的影响规律，耦合效应产生的新性能，物质和能量传输的新规律，对外场的响应特性，在服役条件下的性能变化规律及其稳定性。

3、实现3-4种重要应用(1) 5种宏观尺度碳纳米复合材料。

(2) 基于不同半导体异质结的近红外探测器的原型器件。

(3) 基于碳纳米薄膜的红外探测器、薄膜晶体管的原型器件。

(4) 设计和制备示范的电控磁原型器件。

4、通过项目的实施，培养一支在宏观尺度纳米材料体系制备、性能和应用方面在国内外有影响的创新团队，成就1-2位在本领域的中青年领军人物，撰写1-2本专著，申请发明专利50项，发表SCI论文200篇，争取获得1-2项省部级以上奖励。

三、研究方案本项目的学术思路：本项目承担单位是上一个973项目“纳米材料和纳米结构的性能和应用基础”(2005-2010年)团队中的主要研究群体。

本项目在以往研究成果、技术积累的基础上，以国家重大需求为牵引，从纳米材料和纳米结构合成、表征及性能研究的成果中，优选和发展具有应用前景的纳米结构单元，发展宏观尺度纳米材料体系的制备方法，实现从纳米结构单元合成的研究转到利用纳米结构单元组装成宏观尺度纳米材料体系的研究。

重点揭示纳米单元之间的界面效应和耦合效应，发现宏观尺度纳米材料体系中的新现象、新特性和新原理，争取在科学上有所突破，并发展出几种具有特定功能的、拥有自主知识产权的宏观尺度纳米材料体系，为新兴战略产业快速发展做出贡献。

本项目将集中研究有重要应用背景或重大科学价值的宏观尺度纳米材料体系。

根据国内外发展趋势和国家“十二五”关于纳米科技领域研究的总体规划，对项目的目标、研究的主要内容和拟解决的关键问题进行了认真的凝练，研究的路线图是：从合成纳米单元转变成由纳米结构单元构筑微米尺度的纳微结构，再由纳微结构构筑宏观尺度的纳米材料体系。

以应用需求为导向，制定研究目标，有针对性地制备具有特定功能的宏观尺度纳米材料体系。

在对该体系系统研究的基础上，总结出实验条件与该纳米体系的经验关系，建立相关的模型。

通过性能优化，为按需设计和制作具有先进功能的宏观尺度纳米材料体系奠定基础。

本项目的研究特点是：1、需求目标牵引明确；2、由单元性能研究为主转向以宏观尺度纳米材料体系的构筑和性能优化为主；3、把不同维度、不同性能、不同材质的纳米单元组合在一起，构筑满足新器件需要的宏观尺度纳米材料体系；4、重点研究宏观尺度纳米材料体系中以界面效应和耦合效应为特征的基础科学问题，为新颖器件设计提供设计思路和科学原理的支持。

本项目的指导思想是，坚持实验和理论并举、基础研究和应用研究并重。

针对宏观尺度纳米材料体系中界面效应和多尺度耦合效应产生的新性能，物质、能量传递的新规律，阐明纳米结构单元在构筑宏观尺度纳米材料体系过程中的性能演化规律，阐明体系性能与制备条件之间的内在联系，实现对该体系的性能调控和优化。

发展研究宏观尺度纳米材料体系的实验方法，总结新原理。

在实际应用方面，发展出基于宏观尺度纳米材料体系的储能器件、红外探测器件、碳纳米网络功能复合材料和新型电控磁效应的原型器件。

本项目的技术路线：以通过深入研究纳米材料与结构的形成机理为基础，揭示材料的结构与制备条件之间的内在联系。

本项目的技术路线为：1、利用制备的纳米材料构成微米尺度的结构(纳微化)，形成具有纳米结构的微米尺度的单元，再由微米尺度的单元构筑成宏观尺度的体系(微宏化)；2、利用自组织生长的宏观尺度纳米阵列或二维网络，结合微加工技术，发展出几种制备宏观尺度纳米材料体系的技术；3、利用构筑的宏观尺度纳米材料所提供的纳-纳、纳-微、微-微结构单元之间不同的界面结构研究它们对性能的影响。

采用多尺度耦合的方法，研究宏观尺度纳米材料体系中的界面和耦合效应；4、从宏观尺度纳米材料体系的构筑，到实际应用中先进器件的制作的过程中，将“自下而上”技术与“自上而下”技术相结合，制备出满足先进器件需求的关键的宏观尺度纳米材料体系，在性能优化的基础上，设计和制作实用化、功能化的示范器件。

与国内外同类研究相比的创新点与特色：本项目研究组认真总结了上一个973项目的研究成果，分析了当前全球纳米科技的发展动向，凝练了关键科学问题和研究内容，确定了总体研究目标，代表了当今纳米材料研究进一步深化的趋势，实现从单元纳米效应和应用研究为主逐渐向宏观尺度纳米材料体系结构、性能和应用研究转移，为推进纳米材料的应用提供了一个新的途径。

本项目研究的创新之处是，在总结过去研究的基础上，优选了拥有自主知识产权的纳米结构单元材料，根据对制备技术和基础科学问题的理解，提出了切实可行的“自上而下”和“自下而上”相结合的技术路线：利用制备的纳米材料构筑微米尺度的纳微结构，进而制备成宏观尺度的纳米材料体系，以实现性能的调控和稳定化。

利用自组织生长的宏观尺度纳米阵列或二维网络，结合微加工技术，制备出具有特定功能的宏观尺度纳米材料体系。

在过去十几年的发展与探索中，国际纳米科技的研究已开始从材料合成制备向相关的性能测试及纳米器件的设计应用上发展。

在这一方面，本项目承担单位在上一个973研究的基础上，提出了具有自己特色的从纳米材料单元→纳微结构→宏观尺度纳米材料体系→器件设计和制作的研究路线，这一研究路线图能很好地实现基础和应用的衔接，对推动从材料到器件的跨越式发展能起到积极的作用。

特别是，本项目把研究宏观尺度纳米材料体系中界面效应和多尺度耦合效应作为研究重点，通过研究纳-纳、纳-微、微-微结构单元之间界面的结构和耦合性质，实现纳米结构单元性能的保持、调控和优化，获得具有优异性能的宏观尺度纳米材料体系。

课题设置：依据本项目拟研究的关键问题和主要研究内容，考虑到项目承担单位研究的基础与特点，设置4个课题。

01课题：碳纳米薄膜器件的构筑技术和性能优化承担单位：清华大学负责人：姜开利主要研究内容：1、利用可控、批量制备的超顺排碳纳米管薄膜和大面积CVD生长的其他碳纳米材料构筑功能化宏观碳纳米材料体系，发展与微电子器件工艺兼容的集成技术以及柔性电子学、光电子学的相关技术。

2、研究功能化宏观碳纳米材料体系构筑和集成过程中出现的碳纳米薄膜与高分子、金属之间以及碳纳米材料之间的界面问题，界面之间的热、光、电耦合效应。

研究由于纳微米界面的出现带来的性能演变和稳定性问题。

3、探索碳纳米薄膜在红外探测器、薄膜晶体管、纳米储能器件中的应用。

预期目标：1、发展出与微电子器件工艺兼容的碳纳米薄膜器件集成技术；发展出碳纳米薄膜器件向柔性基底的转移技术。