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新研發低成本金屬氧化物奈米管可望取代碳奈米管

上網時間: 2007年09月05日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:金屬氧化物奈米管  有機碳奈米管  nanotube 

過去只要提到奈米管(nanotube),所指的就是有機碳奈米管,但現在情況已經不一樣了。美國喬治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)的研究人員開發出了一種新型無機奈米管材料,其特性與在日本和紐西蘭發現的火山礦物質類似。

喬治亞理工學院教授Sankar Nair的研究團隊透過結合氧化鋁、矽和鍺的方法,開發出了這種新型單壁奈米管,不僅製造成本比碳奈米管低,還具備較容易控制的特性。Nair指出:「我們的無機金屬氧化物奈米管更接近目前晶片產業已經在製造的;我們運用了一種與半導體所使用的十分類似的無機化學品,但是性質更溫和,所以有更多機會能對其結構進行特製化。」

目前的半導體和碳奈米管在製造過程中都需要極端的溫度和壓力,促使晶片廠商不得不試著用摻雜質的有機聚合物,來做為成本更低且更為簡單的替代方案。但有機聚合物的電子特性比不上無機矽和鍺。如今Nair的研發小組宣佈開發出了結合以上二者優勢的材料,不僅成本更低,而且和聚合物一樣便於製造。

Nair表示:「我們的金屬氧化物奈米管可以在普通大氣壓力以及不到100℃的溫度下製造;目前我們已經製作了兩種金屬氧化物奈米管來驗證以上概念。我們的目標是可以利用這些全新的材料來製造人們印象中可以用碳奈米管製造的各種元件。」

目前還有其它研究人員在研究平面金屬氧化物元件(planar metal oxide devices),透過限定兩種不同金屬之間的兩類絕緣體來建構異質接面(heterojunctions)。Nair認為,他的金屬氧化物奈米管有朝一日也可以外加兩層金屬,製作出一種新型的奈米級金屬絕緣體電子元件。

Nair還表示:「我現在還不敢說我們的金屬氧化物奈米管材料可以直接應用到金屬絕緣體隧穿元件(metal insulator tunneling devices)上。但由於奈米管的極小外形及其管狀結構,只要將之限定在兩個金屬層之間,就可以實現非常有用的不同的電子隧穿特性。」

要形成奈米管,就必須將一個機制加入到材料的原子結構中,由它來抑制分子的天性,構成線性平面。碳奈米管本質上屬於突出富勒烯(fullerene,也叫巴克球[buckyball],是以測地線拱頂[geodesic dome]的發明者Buckminster Fuller的名字而命名)。而在另一方面,無機金屬氧化物奈米管則透過結合原子和不同的鍵長來實現其管狀結構,進而達到一個控制得更好的原子精確曲率。

Nair解釋:「我們從鋁開始來建構無機奈米管,鋁一般是片狀;但是透過附加具有不同鍵長的原子──我們是採用矽或鍺──就可以使之彎曲並形成管狀結構。」而由於奈米管被合成到水、鋁、矽和鍺混合的稀釋溶液,依據精確的混合元素包括溫度、pH值和容易控制的製程參數,這種方式在理論上可以形成無數種無機奈米管。

「這?有一個關鍵,是當你想要製作直徑不到10奈米的碳奈米管時,它們就變得非常難控制。但由於我們所採用的化學物品非常溫和(因此有些化學變化需要幾天才能完成),這些金屬氧化物材料都是非常容易控制的,我們可以採樣並分析其不同特性,以便於妥善調整我們的製程,而這透過碳奈米管是很難做到的。」Nair表示。

Nair的實驗室製作的兩種奈米管材料是alumino-silico-germanate (AlSiGeO)的變體,直徑為1.5~4.8奈米,長度不到100奈米。現有的實驗材料的能隙(bandgaps)在3.5~4.5電子伏特(electron volts)之間,和氮化鎵以及硫化鋅相類似。Nair打算在下一代材料中將過渡原子(transition atoms)加入到有機奈米管中,來降低其能隙,使之更接近傳統的半導體。

研究人員還打算對金屬氧化物奈米管做詳細的特性描述,檢驗包括吸附(adsorption)與擴散(diffusion)等電氣特性與化學特性。他們還計劃製作一個有關該材料構成的通用理論和詳細模式,好讓未來的新版本材料也會具備所需的特性。

Nair的研究是由喬治亞理工學院和美國化學協會石油研究基金會(American Chemical Society Petroleum Research Fund)所贊助。他的研究團隊成員還包括喬治亞理工學院的博士研究生Suchitra Konduri 和Sanjoy Mukherjee。

(參考原文: Metal oxide nanotubes: lower-cost alternative to carbon?)

(R. Colin Johnson)




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