与单一材料的一维纳米结构相比，由异质材料组成的复杂形貌一维纳米结构，具有更多的功能与更好的性能。这种异质复杂一维纳米结构在各种纳米器件与多功能复杂系统中具有广泛的应用前景。最近，固体所孟国文小组在用模板法构筑异质复杂一维纳米结构方面取得新进展。
此前，人们根据高纯铝在阳极氧化过程中所形成孔的直径与阳极氧化电压成正比的关系，采用在阳极氧化过程中降低电压的方法，获得了具有分支与多代分支形貌孔的氧化铝模板；然后，借助模板孔的几何限域作用与模板的自催化作用，采用化学气相沉积方法制备了具有多代分支结构的碳纳米管(PNAS 102, 7074 (2005))。
多代分支形貌的晶态硅纳米管 硅是现代半导体工业的核心材料，硅纳米管与硅基半导体技术完全兼容，在传感器、晶体管、储氢、光电器件等方面有广泛的应用前景。与碳原子所不同的是，硅原子更倾向于形成sp3杂化(碳原子之间通常形成sp、sp2和sp3杂化)。因此，实验中一般容易获得硅纳米线，而很难获得硅纳米管。此前，人们曾尝试合成硅纳米管，但所采用的合成方法不仅过程复杂，而且所得产物易受催化剂等外来材料的污染。
最近，陈本松、许巧玲博士用具有多代分支形貌孔的氧化铝模板法构筑了具有相应几何形貌的硅纳米管。经过大量摸索试验，他们在不使用任何催化剂的条件下，通过调节化学气相沉积过程中的各种工艺参数，利用氧化铝模板孔道的几何形貌限域作用与自催化作用，获得了与氧化铝模板孔形貌完全一致的多代分支形貌的非晶硅纳米管。为了提高非晶态硅纳米管的结晶性，他们采用后续退火处理的方法将非晶硅纳米管转化为晶态硅纳米管，从而获得了具有多代分支形貌的高纯度晶态硅纳米管，相关论文发表在Adv. Funct. Mater. 20, 3791(2010)。
晶态硅纳米管与金纳米线组成的分支形貌的异质纳米结构 在掌握模板法合成分支形貌硅纳米管技术的基础上，他们采用该小组以前合成由碳管与可电沉积材料纳米线组成的分支形貌异质纳米结构的类似方法(详见Meng, etal. Angew. Chem. Int. Ed. 48, 7166 (2009)； ttp://www.nature.com/nchina/2009/090708/full/nchina.2009.140.html)，成功地构筑了由晶态硅纳米管与金纳米线组成的分支形貌异质纳米结构(见图1所示)，相关论文发表在ACS NANO 4，7105-7112 (2010)。
以氧化铝为壳层的纳米电缆 纳米电缆属于一维纳米结构中的径向异质结构，在纳米电子学领域有广泛的应用前景。此前，该小组杨大驰博士发明了“一种合成由两种可电沉积材料组成的纳米电缆的通用方法”(详见Appl. Phys. Lett. 92,083109(2008)；http://nanotechweb.org/cws/article/tech/34353)。
如果纳米电缆的壳层为氧化物绝缘体，则壳层可以作为芯部的保护层、绝缘层及场效应晶体管的栅极氧化物等。因此，以氧化物绝缘体为壳层的纳米电缆具有更广泛的应用前景。此前，人们已经报道了几种合成以氧化硅和氧化铝为绝缘层的纳米电缆的方法，然而，却不能对纳米电缆的芯部材料种类及其结构进行有效调控。而对纳米电缆的芯部材料种类和结构的控制，对构筑具有各种功能的纳米器件和系统具有重要的意义。
最近，韩方明博士等发明了一种合成以氧化铝绝缘体为壳层的纳米电缆的普适方法。如图2a所示，他们在铝的阳极氧化过程中，将电压增大到原来的√3倍，则2/3的孔停止生长，另外1/3的孔继续生长。在阳极氧化结束后，形成了在每个继续生长的“通孔”的周围有6个“盲孔”的特殊孔结构的氧化铝模板(见图2b，c和d)。然后，他们利用电化学沉积、电化学聚合与化学气相沉积，以及上述方法的结合等，在模板的“通孔”中充填各种材料的纳米管、纳米线以及纳米管/线异质结等结构(见图2e左)；最后，从“盲孔”中对氧化铝模板进行化学腐蚀(见图2e中和右)，从而获得了以氧化铝为“壳层”、“芯部”由不同材料的纳米线、纳米管、径向和轴向异质结构组成的纳米电缆。这些纳米电缆“芯部”的纳米线和纳米管的材料可以是金属、金属氧化物、导电聚合物、化合物半导体以及单质碳、硅和锗等。这些以氧化铝为壳层的纳米电缆，在纳米电子器件及多功能纳米系统中有广泛的应用前景。相关论文作为Angew. Chem. Int. Ed. 2011－50/9的“卷首插画论文”(图3)，发表在Angew. Chem.Int. Ed. 50, 2036-2040 (2011)。
相关工作得到中科院、国家基金委和科技部等资助。
图1. 由晶态硅纳米管(黑色)和金纳米线(黄色)组成的异质复杂纳米结构示意图
图2. “通孔”周围有6个“盲孔”的特殊孔结构的氧化铝模板的构筑(a)、表征(bcd)和以氧化铝为壳层的纳米电缆的合成示意图(e)。
图3. 论文的首页
