基于纳米燃料电池的自供能纳米系统

大量各种功能的纳米器件的出现与发展迫切地需要能源供给,以满足纳米系统独立的、可持续的连续工作.从生活环境中收集能量制备纳米电池用于驱动这些纳米功能器件,是解决能源问题十分有效的途径.近年来,由纳米电池与纳米功能器件组成的全新功能纳米器件——自供能纳米系统,得到了快速发展.显而易见,纳米电池的制备是自供能纳米系统建立的关键,由于燃料电池可收集自然界乃至生物体内的能源并转化为电能,因此实现燃料电池微型化在自供能纳米系统研究中有着至关重要的意义.本文从单根全氟磺酸质子交换树脂(Nafion)纳米线的质子传导性能出发,结合了本课题组及其他学者的工作,对纳米燃料电池、纳米生物燃料电池、复合型纳米生物燃料电池以及由这些电池驱动的自供能纳米系统进行了简要介绍,并对自供能纳米系统的研究现状、面临的问题以及可能的研究趋势进行了简要评述.     

柔性压电纳米发电机

随着功能器件朝着小型化、低能耗方向的发展,开发出与之适应的电源成为一个亟需解决的问题.利用压电纳米线优越的力学性能与对微弱力具有高度敏感性的特点,纳米发电机可以将自然界或日常生活环境中的无规则机械能转化为电能,为功能器件供电问题提供了一个可能的解决方案.本文从纳米发电机的工作原理出发,探讨了直流纳米发电机、交流纳米发电机的工作机制,随后就柔性纳米发电机的研究现状做了简要的概述.     

静电纺丝制备光电功能聚合物纳米纤维及其应用

随着器件小型化的需要以及分子器件的发展,基于纳米及亚微米尺度的分子材料近十年来备受关注.一维纳米结构具有本征各向异性,有利于电荷传输,是研究电子传输行为的理想体系.通过静电纺丝能够快速大量地制备聚合物纳米纤维,其孔隙率高、比表面积大,是当前一条行之有效的、重要的制备光电功能聚合物一维纳米结构的路线.本文详细阐述了通过静电纺丝技术制备光电功能聚合物纳米纤维及其在有机场效应晶体管、气体传感器和电化学传感电极等方面的应用研究进展,并进一步提出了该领域的研究前景及尚待解决的问题,同时扼要介绍了模板法、自组装法和蘸笔印刷等其他常用的制备光电功能聚合物纳米纤维的方法.     

以荧光碳量子点为探针构建基于金属纳米颗粒内过滤效应的氰根离子传感器

<正>荧光碳量子点是近年来备受关注的一种碳基荧光探针,在荧光成像、传感器、复合催化剂、光电器件、能源转换、药物载体等方向和领域获得广泛研究.在之前工作的基础上,本文报道了以荧光碳量子点为探针,构建一种基于金属纳米颗粒内过滤效应的氰根离子传感器.本方法中,荧光碳量子点的激发和发射波长位置与金、银纳米颗粒的局域表面等离子体共振(LSPR)吸收峰波长位置相重叠,使得体系的荧光强度减弱;当加入氰根离子后,氰根将纳米颗粒刻蚀使其粒径变小,LSRP吸收峰强度降低,使得体系的荧光强度增强.当前已发展的以荧光碳量子点为探针的传感器以检测金属阳离子为主,     

自组织生长纳米半导体量子点的研究进展

纳米半导体量子点以其所具有的新颖光电性质与输运特性 ,正在成为量子功能器件研究中的一个热点领域 .作为纳米量子点的制备方法 ,自组织生长技术正在受到人们的普遍重视 .而如何实现具有尺寸与密度可控纳米量子点的自组织生长 ,更为材料物理学家所广泛关注 .因为这是由自组织方法形成的纳米量子点最终能否实现器件实用化的关键 .本文将以纳米量子点→自组织生长→形成机理→尺寸与密度可控为主线 ,简要介绍近 1 0年来纳米量子点自组织生长技术的研究进展 .     

一维纳米材料的合成、组装与器件

一维纳米材料的合成、组装及其物性的测量是制约其在纳米原型器件制作与应用中的关键, 评述了这一领域的最新进展. 一维纳米材料的组装大致可分为宏观场力组装与微流辅助模板限域组装, 其中前者是通过控制宏观电场、磁场的方向和大小来对微观的纳米线进行组装, 后者则通过控制模板的形状、尺寸、流体的流速、沉积的时间等来实现纳米线网络阵列的制备. 纳米线的组装与单根纳米线的物性测量使得纳米线激光器、传感器乃至纳米逻辑电路的制备成为可能.     

基于单层胶体晶体的功能性二维有序阵列研究进展

二维有序微纳米结构阵列往往呈现出有序图案化结构所带来的新颖或增强的性质,由胶体球自组装而成的单层胶体晶体已被广泛应用于二维有序微纳米结构阵列的可控制备.这种方法具有简单、高效、适用范围广等诸多优点,因而愈来愈受到人们的关注.本文简要综述了近年来基于单层胶体晶体的功能性二维有序阵列的研究进展,主要包括二维光子晶体传感器、等离激元纳米阵列、太阳能转换器件、光学与光电器件、表面浸润与黏附以及生物医学材料等方面的最新成果.其中着重介绍了本课题组在Zn S纳米碗阵列、异质结构Ag_2S-Ag纳米碗阵列、异质结构TiO_2纳米棒@纳米碗阵列以及方解石单晶微透镜阵列等方面所取得的一些研究进展.     

光激发气体传感器

随着人们环境健康与安全意识的提升,气氛识别的应用场景得到不断拓展,这对气体传感器的发展提出了集成化、便携化和智能化等全新要求.为突破热激发气体传感器必须在高温工作的局限,人们提出利用光代替热作为气体传感器激发能量的来源,光激发气体传感器应运而生.同时具有光电性能和气敏性能的半导体敏感材料是光激发气体传感器的核心.激发光波段与气敏材料带隙具有一一对应的关系,常见的气敏材料带隙均在3.0 eV以上,现有的绝大部分光激发气体传感器工作均须采用紫外光激发.然而,紫外光对人体有诸多的危害,拓展光激发气体传感器的可用光波段范围,是光激发气敏材料开发的重要目标.纳米形貌调控、材料修饰和材料复配等是目前最常用的能带调控手段.由于该领域的发展还停留在实验室阶段,如何与产业对接,制造出真实可用的产品是目前亟需突破的问题.简化工艺、降低成本且不牺牲器件性能是器件结构与工艺设计的首要原则.人们在克服诸如器件小型化、集成化以及工艺兼容性问题等方面已取得了部分阶段性进展.本文从光源种类、光源波长与材料带隙的匹配和器件结构设计等方面出发,系统地介绍光激发气体传感器的研究现状,提供新的研究思路.     

一维纳米金刚石的制备、性质及应用

一维金刚石纳米材料除了具有金刚石固有的物理化学性质以外,其形貌及尺寸的改变也使其拥有一些块体金刚石所没有的特性.如既硬又弹的力学性能、高的比表面积、尖端效应,以及通过掺杂和空位缺陷实现的独特性能等.近年来,一维纳米金刚石材料优异的性能让研究者产生了浓厚的兴趣,并促进了其合成方法及应用的发展.本文对一维纳米金刚石的制备方法进行了简要总结,介绍了一维纳米金刚石阵列在量子信息器件、药物传输、化学与生物传感器、高性能电极、分析传感器等诸多领域近期的研究进展,并讨论了一维纳米金刚石应用所面临的技术挑战和未来的研究方向.     

复合型电磁-摩擦纳米发电机

复合型电磁-摩擦纳米发电机主要是利用电磁发电机和摩擦纳米发电机从同一种机械运动中转换机械能为电能.与单独的电磁发电机或摩擦纳米发电机相比,复合型纳米发电机具有更大的输出功率,更高的机-电转换效率,可以解决一些具有更大功率的电子器件的供电问题.复合型电磁-摩擦纳米发电机的最新研究成果表明,该发电机在自驱动传感器、可穿戴设备的供电和物联网等方面具有重要的应用前景.本文系统阐述了近期摩擦纳米发电机与电磁发电机复合型能源体系的相关工作.     

导电高分子微米/纳米结构材料

微米/纳米结构化的导电高分子材料不仅具有导电高分子自身的特性, 同时兼具微结构赋予的特殊功能, 从而在光、电子微型器件, 高效、快速感应器件, 微型电化学器件等方面具有广泛的应用前景. 本文着重从软、硬模板合成技术等方面综述了近几年导电高分子微米/纳米结构的制备方法, 讨论了两种技术的优缺点. 介绍了一系列导电高分子微米/纳米结构材料, 并对该研究领域进行了展望.     

基于硅藻微纳结构的生物制造

硅藻壳体(细胞壁)具有独特的微纳米结构,是一种新兴的生物功能材料.现有研究多直接利用硅藻壳体原有结构,使硅藻器件功能范围窄、结构规模单一.本文从制造角度介绍硅藻壳体的形体、材质特性与结构,结合最新研究报道论述对壳体进行结构提取与微加工、改质处理、与器件的装配连接、排列定位与组装的方法与技术可行性,目的是拓展壳体的功能,满足更多微器件的设计要求.最后以基于硅藻的生物检测器件和光敏染料太阳能电池为例,展示硅藻微器件应用的潜力,展望基于硅藻的生物制造技术发展.     

蓬勃发展的微纳米加工前沿技术——激光微纳制备

正微纳结构化材料是指在功能材料中引入微纳米尺度结构,以提升功能材料性能和拓展其新功能.功能结构的微纳米化不仅意味着能源与原材料的节省,而且带来多功能的高度集成和生产成本的大大降低.实现材料微纳结构化的基础是先进的微纳米加工技术,从晶体管到集成电路,从微电子到微机械与微流体,从微米技术到纳米技术,微纳米加工技术获得     

飞秒激光改性区选择性化学腐蚀加工光纤微纳结构传感器

光纤微纳结构传感器具有体积小、质量轻、抗电磁干扰和灵敏度高等优点,已成为各领域不可或缺的传感器件.本文简要介绍了飞秒激光改性区选择性化学腐蚀加工光纤微纳结构的方法,并根据传感器工作原理,将所得传感器件分为干涉型、衍射型和复合型3种.重点阐述了各类型器件的结构和性能,并对运用该方法制作的光纤微纳结构进行总结和展望.     

一维纳米材料的合成、组装与器件

一维纳米材料的合成、组装及其物性的测量是制约其在纳米原型器件制作与应用中的关键，评述了这一领域的最新进展，一维纳米材料的组装大致可分为宏观场力组装与微流辅助模板限域组装，其中前者是通过控制宏观电场、磁场的方向和大小来对微观的纳米线进行组装，后者则通过控制模板的形状、尺寸、流体的流速、沉积的时间等来实现纳米线网络阵列的制备。纳米线的组装与单根纳米线的物性测量使得纳米线激光器、传感器乃至纳米逻辑电路的制备成为可能。     

纳米结构及其自旋量子态调控的前沿进展

在纳米尺度上对物质的结构及其特性实行有效控制,是纳米器件研究中最重要的基础问题之一,其中认识和理解纳米结构单元,利用其结构特点可控制备人工纳米结构,从而调控其单分子自旋量子态,在纳米器件与量子调控中具有潜在的应用前景.     

热氧化溅射镀铜膜制备CuO纳米棒及其光致发光特性

CuO纳米结构的物理化学性质使其成为纳米光电子器件、气敏传感器和光检测器等微/纳米器件应用中的关键材料.虽然热氧化法具有简单、高效、低成本和大范围制备等优点,但加热导致的崩裂问题仍限制了其广泛应用,目前仍需发展可在不同基体(特别是半导体Si)上直接生长CuO纳米结构的制备技术.本文通过先直流/射频磁控溅射镀金属膜,再电场辅助热氧化法的方法,成功在Si基上获得了膜基结合力好的CuO纳米棒,使用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)分析了Cu膜和CuO的形貌和结构,并用荧光光谱仪测量了CuO纳米棒的室温光致发光性能.研究结果表明:直流磁控溅射获得了择优取向为(111)的柱状晶Cu膜,工艺改进后可完全氧化获得CuO纳米棒/CuO层/Si基的层状结构,其中纳米棒为单晶单斜CuO.本文还通过进一步添加Cr作为过渡层来改善膜-基结合力,解决加热Si-Cu膜时因热应力而导致的开裂问题.虽然射频溅射可在Si基底上获得细晶粒Cu膜,但热氧化后并没有获得一维纳米结构的氧化物.当以紫外光作为激发光源时,CuO纳米棒的发射峰主要为宽的390~470 nm间的深紫到亮蓝发光带,峰位的蓝移主要是源于纳米尺寸的下降.本文探究了CuO纳米棒的制备和光学性能,有助于设计和组装基于Si基-CuO纳米阵列的新型纳米器件.     

可溶液加工纳米光电材料与器件

光电器件的柔性化、结构微型化是光电技术发展的重要趋势.溶液法加工特别是印刷技术和纳米光电材料的结合,有利于克服传统光电器件制备工艺复杂、成本高昂的局限性,在未来柔性化、图案化以及大面积光电器件领域具有广阔的应用前景.本文主要聚焦于可溶液加工纳米光电材料与器件,介绍了我们课题组近年来在该领域的科研进展,包括喷墨打印量子点技术与应用,溶液加工量子点界面发光机制,以及发光、探测、突触器件结构设计与性能优化,希望为该领域学术研究和产业应用提供参考.     

纳米器件空间辐射效应机理和模拟试验技术研究进展

电子器件空间辐射效应是影响航天器在轨长期可靠运行的重要因素之一,一直是国际上抗辐射加固技术领域研究的热点和难点.高可靠、高集成度、高性能、低功耗、低成本是未来新一代先进电子系统发展的必然要求,采用更高性能的抗辐射加固纳米器件是必然的趋势.本文在深入调研国内外研究现状的基础上,分析了纳米器件辐射效应面临的新问题.纳米工艺存在着很多不同于大尺寸工艺的特点,沟道长度缩小到十几个纳米,栅氧化层等效厚度小于1 nm.在工艺上引入了纵向逆掺杂阱或横向晕环掺杂技术,以降低栅极诱导漏极漏电效应;在材料上引入了多元半导体材料、应变硅、锗硅、高k栅介质、金属栅极等,以降低器件功耗;在结构上引入了三维Fin FET结构,以增强栅的控制能力.这种趋于物理极限的工艺特点、新材料和新结构的采用产生了许多新的辐射效应现象和机制,模拟试验技术更加复杂,给抗辐射加固技术研究带来了新的挑战.本文综述了纳米器件辐射效应的研究现状和趋势,重点针对28 nm及以下特征工艺纳米器件辐射效应研究及模拟试验的需求,提出了需要研究的科学问题和关键技术,希望能为纳米器件抗辐射加固与空间应用提供参考.     

纳米酶在抗生素检测中的应用进展

近年来,抗生素作为一种基础治疗药物已经被广泛应用于医学、畜牧业和水产养殖业中,但是由于其过度使用导致的抗生素残留也对生态环境以及人类健康构成了严重威胁.抗生素残留会持续通过生态与生物累积危害人与动物健康,因此对环境样本抗生素残留进行有效监测具有十分重要的意义.纳米酶是一类具有类酶催化活性的功能纳米材料,是新一代人工酶,具有高稳定性、独特的化学性质、易于表面调节和生物相容性等诸多优点,解决了天然酶制备困难、成本高、易失活等问题.本文综述了近年来基于纳米酶的抗生素传感策略的最新研究进展,着重阐述了不同种类纳米酶的作用机制和在抗生素检测方面的研究现状,并对纳米酶传感器的发展前景作了进一步的展望,可为设计高性能基于纳米酶的抗生素传感装置提供理论依据和实际应用的范例,从而为利用纳米酶设计新型传感器提供新思路.