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 清華大學(xué)材料學(xué)院激光材料加工研究中心鐘敏霖教授團(tuán)隊(duì)在金屬氧化物納米線的制備及其功能化研究方面取得進(jìn)展，首次提出了一種原創(chuàng)性的金屬氧化物納米線多尺度圖案化結(jié)構(gòu)的超快激光微納加工復(fù)合化學(xué)生長(zhǎng)制備新方法（已申請(qǐng)發(fā)明專利）。通過(guò)超快激光處理Cu表面，在Cu表面形成特定的微納米結(jié)構(gòu)，作為氧化物納米線生長(zhǎng)的前軀體；再通過(guò)熱氧化處理，在微納米結(jié)構(gòu)表面原位生出氧化銅納米線結(jié)構(gòu)。納米線直徑約為100nm，長(zhǎng)度可達(dá)幾十微米，納米線垂直于前軀體微納結(jié)構(gòu)的外輪廓，呈輻射狀密集排布于其外表面。宏觀尺度Cu基體，激光所制備Cu微納米結(jié)構(gòu)，以及氧化銅納米線，共同構(gòu)建成為一種獨(dú)特的“宏-微納-納米線”多尺度多級(jí)復(fù)合結(jié)構(gòu)體系，在16～17μm波長(zhǎng)處所測(cè)總反射率低至0.6%，在14～18μm波長(zhǎng)處所測(cè)總反射率不超過(guò)3%，在5～25μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)所測(cè)平均總反射率約為10%，并且在0～60°入射角度范圍內(nèi)，所測(cè)反射光譜均未見(jiàn)明顯變化，具有優(yōu)異的紅外寬光譜及寬角譜抗反射性能。該成果的研究論文近期在線發(fā)表于納米領(lǐng)域著名學(xué)術(shù)期刊Nano Letters（http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.5b02141（影響因子13.592）上。

在眾多納米材料和納米結(jié)構(gòu)體系中，金屬氧化物一維納米結(jié)構(gòu)因具有獨(dú)特的半導(dǎo)體特性、優(yōu)異的催化活性以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性，而成為極具發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景的一個(gè)方向。目前，如何實(shí)現(xiàn)金屬氧化物納米線的大面積平行生長(zhǎng)及圖案化制備，在對(duì)納米線的生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行有效調(diào)控的同時(shí)，自然完成其空間圖案化分布和器件化組裝，從而達(dá)到金屬氧化物納米線結(jié)構(gòu)功能一體化制造的目的，仍是國(guó)際性難題。

   
激光材料加工研究中心所提出的超快激光微納加工復(fù)合化學(xué)生長(zhǎng)制備新方法，結(jié)合了“自上而下”的超快激光金屬表面微納結(jié)構(gòu)制造方法與“自下而上”的熱氧化納米線化學(xué)生長(zhǎng)方法的優(yōu)勢(shì)。常規(guī)化學(xué)合成及生長(zhǎng)方法，主要通過(guò)調(diào)控化學(xué)合成及生長(zhǎng)過(guò)程本身的工藝條件及工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)結(jié)構(gòu)的控制。本研究發(fā)現(xiàn)，氧化物納米線傾向于在具有微納前軀體結(jié)構(gòu)的區(qū)域生長(zhǎng)，并且微納米結(jié)構(gòu)的形式與尺寸不同，所形成氧化物的形態(tài)和尺度會(huì)有明顯變化。基于此，該團(tuán)隊(duì)提出通過(guò)調(diào)控金屬表面微納米前驅(qū)體結(jié)構(gòu)特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)氧化物納米線的生長(zhǎng)過(guò)程和形態(tài)尺度的調(diào)控的技術(shù)路徑。通過(guò)先期進(jìn)行的前軀體設(shè)計(jì)，可在后續(xù)熱氧化過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)氧化物納米線在金屬基體表面設(shè)定圖案化區(qū)域，以一定的尺度特征一次性大面積平行生長(zhǎng)，形成獨(dú)特的“宏-微納-納米線”多維多級(jí)互聯(lián)空間結(jié)構(gòu)體系。前軀體結(jié)構(gòu)的存在對(duì)氧化物納米線具有支撐、釘扎和保護(hù)作用，避免了傳統(tǒng)熱氧化過(guò)程中面臨的剝落、開(kāi)裂等問(wèn)題。基于此技術(shù)路徑，有望發(fā)展出一種金屬表面微納米結(jié)構(gòu)與金屬氧化物納米線原位生長(zhǎng)、同步功能化組裝、及多維多級(jí)空間互聯(lián)的新方法，實(shí)現(xiàn)微納米結(jié)構(gòu)金屬特性與氧化物納米線半導(dǎo)體特性的有機(jī)融合，推動(dòng)金屬微納米結(jié)構(gòu)以及金屬氧化物納米線在光電功能器件以及新能源領(lǐng)域中的應(yīng)用。目前，針對(duì)Ti、Zn、W等金屬及其氧化物材料體系以及光吸收、光催化等其他性能的研究工作也正在進(jìn)行中。

圖1.超快激光復(fù)合制備宏-微納-納米線技術(shù)路線

圖2超快激光復(fù)合制備宏-微納-納米線

圖3. 宏-微納-納米線結(jié)構(gòu)優(yōu)異的紅外抗反性能（圖中綠色線和粉紅色線是兩種宏-微納-納米線的紅外抗反性能，粉紅線是優(yōu)化后的結(jié)果）