研究背景
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。金屬納米線具有優良的導電性、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，盡管金屬納米線的單晶結構能夠顯著提升其性能，但在大規模生產高質量、結構有序的金屬納米線 forests方面，仍然面臨許多挑戰。
其中，金屬納米線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納米線生長的精確控制，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納米線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、垂直生長的單晶金屬納米線 forests仍然是一個亟待解決的難題。
為了解決這些問題，名古屋大學巨陽，Yasuhiro Kimura等人在“Science”期刊上發表了題為“Growth of metal nanowire forests controlled through stress fields induced by grain gradients”的最新論文。他們提出了一種新穎的生長技術，通過利用聚焦離子束（FIB）輻射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，為納米線的生長提供了有效的驅動力和生長核。FIB 輻射不僅增強了驅動力，還通過創建局部高應力區域來形成納米線的生長通道。此外，FIB 輻射誘導的局部晶粒粗化和氧、鎵雜質的分離，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）和半導體納米線的構建方式類似，但它能夠生成高密度、垂直生長的單晶鋁（Al）納米線 forests。與其他無序平面網絡納米線不同，這種單晶鋁納米線 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。
研究亮點
（1）實驗首次在鋁（Al）納米線（NW） forests的生長中，通過 FIB 輻射誘導的局部晶粒粗化，克服了傳統的單晶金屬納米線大規模生產中的挑戰。這種方法通過增強驅動力和形成納米線生長的核，實現了高度有序的單晶鋁納米線 forests的生長。
（2）實驗通過控制 FIB 輻射誘導的局部晶粒粗化和氧、鎵雜質的分離，調節了應力場、晶粒梯度、局部彈性極限各向異性和擴散蠕變。這些因素共同作用，優化了納米線生長路徑和條件，從而在預期位置成功構建了密集的金屬納米線 forests。
圖文解讀
圖1：FIB 輻射區域的納米線 forests圖像。
圖2：STEM 薄膜表征。
圖3：ACOM-STEM 分析。
圖4: Al 納米線生長機制的探討。
總結展望
本文提出了一種創新的鋁（Al）納米線（NW） forests生長技術，解決了傳統高有序單晶金屬納米線大規模生產中的難題。通過利用 FIB（聚焦離子束）輻射誘導的局部晶粒粗化，本文成功地增強了納米線生長的驅動力，并有效地形成了生長核。這一技術不僅克服了傳統方法中蒸汽壓力限制和化學還原問題，還通過精確控制應力場、晶粒梯度和局部彈性各向異性，實現了高密度、垂直生長的單晶鋁納米線 forests。
與其他無序的平面網絡納米線不同，這種方法實現了高度有序的納米線 forests，為未來的高性能納米器件如氣體傳感器、生物標記物和光電組件的應用提供了新的可能性。此研究不僅拓寬了納米材料的制造方法，也為相關領域的高性能器件開發提供了新的思路和技術路徑。
原文詳情：
Yasuhiro Kimura et al. ,Growth of metal nanowire forests controlled through stress fields induced by grain gradients.Science385,641-646(2024).
DOI:10.1126/science.adn9181；
