界面工程构筑一维纳米材料有序组装体

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近年来,一维纳米材料因其出色的结构与功能特性得到迅速发展,逐渐成为功能纳米器件领域的重要组成部分。它的合成方法多样,包括液相法、模板法、电化学沉积法等,但由于合成后排布的无序性,一维纳米材料无法在功能器件中发挥其独特的结构优势,因此对一维纳米材料进行有序化组装是其应用的重要一环。界面工程指通过调控溶剂之间的表面张力、密度等参数,在多相界面处发生的物理化学过程。它作为一种纳米材料的组装方法,具有高效、稳定、价格低廉等优势。本论文紧紧围绕如何利用界面工程来实现一维纳米材料的有序组装展开,从结构单元物化性质、界面构成等方面出发,研究了在三相水-油-空气界面以及两相水-空气界面,构筑一维纳米材料有序组装体的方法及其影响规律,其中主要开展了以下几方面的工作:三相水-油-空气界面构筑新型一维纳米材料组装体薄膜/纱线:采用三相界面法实现了氧化钼、硫化铋等一维纳米结构的高度有序组装,并得到其取向薄膜/纱线宏观组装体。在水-二氯甲烷-空气界面通过结构与力学设计,将氧化钼纳米带组装成紧密堆积且平行排列的宏观纳米结构,构筑了单组分的无机半导体薄膜和纱线。载流子迁移率在取向薄膜中沿纳米带轴向和径向方向分别是400和30 cm2/(V·s),证明了薄膜优异的电学各向异性。组装的氧化钼纱线内部结构高度有序,其拉伸强度高达120 MPa。组装方法具有普适性,可适用于多种一维纳米结构。这种有序组装体结构对能源、传感等领域具有重要科学意义与指导价值,为多种无机半导体宏观结构的构筑与调控的问题提供了解决思路。三相水-油-空气界面连续构筑无机半导体纳米纱线:短程构筑的无机半导体纱线因其长度限制,限制了其应用。通过组装方法调控,实现了氧化钒基无机半导体纳米纱线的连续化制备,并实现了纤维状器件的多种应用。在水-三氯甲烷-空气界面处,经历取向、组装和加捻三个过程,实现了有序、高强度的纯无机半导体纱线的连续制备。高长径比优势提供了结构单元之间的强相互作用力,通过有序化处理,实现微观结构的均匀性和宏观结构的取向性。所得的半导体纱线由于独特的结构特性,具有低密度、高柔性、高强度等特点,可应用于纤维状的热/光传感器件、电致变色人工肌肉等用途。电化学驱动的电致变色人工肌肉可在电压作用下,实现16.46%的致动幅度和0.71 J/g的致动能量输出,并且颜色在黄色和深绿色之间同步变化,为无机半导体纤维的连续化构筑等科学问题提供了解决方法。基于普通毛刷的两相界面法构筑宏观有序组装体:三相界面组装方法由于有机溶剂的使用而受到环保等因素的限制,而两相界面组装具有环境友好、高效等优点。通过普通毛笔刷涂工艺制备了多种一维纳米材料的有序组装体,包括银纳米线、氧化钼纳米带、硫化铋纳米带等。为实现一维纳米结构的有序组装,对刷涂行为进行了力学分析与调控,通过添加甘油来提高分散液粘度,从而增大刷涂的横向剪切力,实现纳米结构的平行排列。通过理论公式和软件模拟计算,当甘油与水体积比为3:1时,横向剪切力增大了24倍左右。这种方法具有普适性,可应用于多种一维纳米材料,但受制于材料的物理性质,其刷涂效果也有所区别。最后,利用不同的刷涂纳米线,实现了各向异性导体和热电薄膜等应用,降低了一维纳米材料有序组装工艺的难度,拓展了应用领域。基于纳米毛刷的两相界面法构筑宏观有序组装体:普通毛刷的结构特性决定了它无法提供精确的诱导力。利用纳米刷涂的方法提高了剪切力作用,实现了多种一维纳米材料的高度有序组装。设计并制备了纳米毛刷,来提高刷涂过程中刷毛与刷涂材料的接触面积,提高刷涂剪切力与剪切效率。根据毛刷的成分与表面性质不同,可分别水性纳米毛刷和油性纳米毛刷,用于刷涂不同分散液体系。水性纳米毛刷有氧化钼纳米带薄膜/纱线、氧化钒纳米带薄膜/纱线、静电纺丝聚合物薄膜/纱线等,可用于多种一维纳米材料水分散液的刷涂,包括银纳米线、氧化钨纳米线等;油性纳米毛刷有碳纳米管薄膜/纱线等,可用于多种共轭聚合物的刷涂,包括聚(3-己基噻吩-2,5-二基)等。制备的有序组装体可用于柔性透明导体、场效应晶体管等领域。本内容提供了新型的纳米刷涂工艺,对于纳米结构的精细化连续构筑具有重要的指导意义。
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