В нанотехнологиях наностержни представляют собой одну из морфологий наноразмерных объектов. Каждый из их размеров находится в диапазоне 1–100 нм . Их можно синтезировать из металлов или полупроводниковых материалов. [1] Стандартное соотношение сторон (длина, разделенная на ширину) составляет 3–5. Наностержни производятся методом прямого химического синтеза . Комбинация лигандов действует как агент контроля формы и связывается с разными гранями наностержня с разной прочностью. Это позволяет различным граням наностержня расти с разной скоростью, создавая удлиненный объект.
Одним из потенциальных применений наностержней являются технологии отображения, поскольку отражательную способность стержней можно изменить, изменив их ориентацию с помощью приложенного электрического поля. Другое применение — микроэлектромеханические системы (МЭМС). Наностержни, наряду с наночастицами других благородных металлов, также действуют как терапевтические агенты. Наностержни поглощают ближний ИК-излучение и выделяют тепло при возбуждении ИК-светом. Это свойство привело к использованию наностержней в качестве лекарства от рака. Наностержни можно конъюгировать с мотивами, нацеленными на опухоль, и проглатывать. Когда пациент подвергается воздействию ИК-излучения (проходящего через ткани тела), наностержни, избирательно поглощаемые опухолевыми клетками, локально нагреваются, разрушая только раковую ткань, оставляя здоровые клетки нетронутыми.
Наностержни на основе полупроводниковых материалов также исследовались на предмет применения в качестве устройств для сбора энергии и излучения света. В 2006 году Раманатан и др. продемонстрировали 1 перестраиваемую фотолюминесценцию, опосредованную электрическим полем, из наностержней ZnO, с потенциалом для применения в качестве новых источников ближнего ультрафиолетового излучения.
Наностержень оксида цинка (ZnO), также известный как нанопроволока , имеет прямую запрещенную зону 3,37 эВ , что аналогично энергии GaN , и энергию связи возбуждения 60 мэВ. Оптическую запрещенную зону наностержня ZnO можно регулировать, изменяя морфологию , состав, размер и т. д. В последние годы [ когда? ] Наностержни ZnO интенсивно используются для изготовления наноэлектронных устройств, включая полевой транзистор , ультрафиолетовый фотодетектор , диод Шоттки и сверхяркий светоизлучающий диод (LED). Были разработаны различные методы изготовления монокристаллических наностержней вюрцита ZnO. Среди этих методов выращивание из паровой фазы является наиболее развитым подходом. В типичном процессе роста пары ZnO конденсируются на твердой подложке. Пары ZnO могут быть получены тремя методами: термическим испарением, химическим восстановлением и методом пар-жидкость-твердое тело (VLS). При методе термического испарения технический порошок ZnO смешивают с SnO 2 и упаривают путем нагревания смеси при повышенной температуре. При методе химического восстановления пары цинка, образующиеся при восстановлении ZnO, передаются в зону роста с последующим повторным окислением до ZnO. Процесс VLS, первоначально предложенный в 1964 году, является наиболее часто используемым процессом синтеза монокристаллических наностержней ZnO. В типичном процессе каталитические капли осаждаются на подложку, и газовые смеси, включая пары Zn и смесь CO/CO 2 , вступают в реакцию на границе раздела катализатор-подложка с последующим зародышеобразованием и ростом. Типичные металлические катализаторы включают золото , медь , никель и олово . Нанопроволоки ZnO выращиваются эпитаксиально на подложке и собираются в монослойные массивы. Недавно также было разработано химическое осаждение металлоорганических соединений ( MOCVD ). В этом процессе не участвует катализатор, а температура роста составляет 400–500 °C, т.е. значительно более мягкие условия по сравнению с традиционным методом выращивания из паровой фазы. [3] Кроме того, наностержни оксидов металлов (ZnO, CuO, Fe 2 O 3 , V 2 O 5 и др.) можно просто получить путем нагревания исходного металла на воздухе в процессе термического окисления . [4]Например, для изготовления плотного «ковра» из наностержней CuO оказалось достаточно нагреть медную фольгу на воздухе до 420 °C. Помимо этих производственных схем, наностержни и трубки ZnO могут быть изготовлены путем сочетания глубокой УФ-литографии, сухого травления и атомно-слоевого осаждения (ALD). [5]
Светодиоды с матрицей наностержней InGaN / GaN могут быть изготовлены с использованием методов сухого травления или травления сфокусированным ионным лучом. [6] Такие светодиоды излучают поляризованный синий или зеленый свет. [7] Трехмерные структуры наностержней имеют большую излучающую поверхность, что приводит к лучшей эффективности и излучению света по сравнению с плоскими светодиодами. [8] Светодиодные дисплеи с наностержнями с квантовыми точками (QNED), напечатанные чернилами, исследуются компанией Samsung, при этом светодиоды с наностержнями InGaN заменяют слой органического OLED в дисплеях QD-OLED . [9]
Метод выращивания с использованием затравки является наиболее распространенным и эффективным методом синтеза высококачественных золотых наностержней. [10] Типичный протокол выращивания включает добавление золотых наносфер, закрытых бромидом цетилтриметиламмония (ЦТАБ) или цитратом, служащих затравками, к основному раствору для выращивания HAuCl 4 . Ростовой раствор получают восстановлением HAuCl 4 аскорбиновой кислотой в присутствии ПАВ цетилтриметиламмоний бромид (ЦТАБ) и ионов серебра. Более длинные наностержни (до соотношения сторон 25) можно получить в отсутствие нитрата серебра с помощью трехэтапной процедуры добавления. В этом протоколе семена последовательно добавляются в раствор для выращивания, чтобы контролировать скорость гетерогенного осаждения и, следовательно, скорость роста кристаллов.
Недостатком этого метода является образование наносфер золота, что требует нетривиальных разделений и очисток. В одной из модификаций этого метода цитрат натрия заменяется более сильным стабилизатором ЦТАБ в процедурах нуклеации и роста. Повышение pH является еще одним способом достижения наностержней с высоким соотношением сторон (> 25: 1) и высоким выходом (> 90%) за счет увеличения полидисперсности. [11] Еще одним усовершенствованием является введение ионов серебра в ростовой раствор, что приводит к получению наностержней с соотношением сторон менее пяти и выходом более 90%. [12] Серебро, имеющее более низкий восстановительный потенциал, чем золото, может быть восстановлено на поверхности стержней с образованием монослоя путем осаждения под пониженным напряжением. Здесь осаждение серебра конкурирует с осаждением золота, тем самым замедляя скорость роста определенных граней кристалла, обеспечивая однонаправленный рост и образование стержней. Еще одним недостатком этого метода является высокая токсичность ЦТАБ. Полимеры, такие как полиэтиленгликоль (ПЭГ), покрытие из полиаллиламина гидрохлорида (ПАУ); пищевые волокна, такие как хитозан ; Сообщалось, что для вытеснения ЦТАБ с поверхности наностержней без ущерба для стабильности использовались биомолекулы, такие как фосфолипиды. [13] [14] [15] [16]
Катионный обмен — традиционный, но многообещающий метод синтеза новых наностержней. Катионообменные превращения в наностержнях кинетически выгодны и часто сохраняют форму. По сравнению с объемными кристаллическими системами катионный обмен наностержней происходит в миллион раз быстрее из-за большой площади поверхности. Существующие наностержни служат шаблонами для изготовления различных наностержней, недоступных при традиционном мокром химическом синтезе. Кроме того, сложность можно добавить за счет частичной трансформации, создавая гетероструктуры наностержней. [17]
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )