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华裔科学家发现新型纳米环结构
科学时报2月27日讯(记者王丹红) ： 华裔科学家、美国亚特兰大佐治亚理工学院王中林教授领导的研究小组在世界上首次发现了一种新型纳米结构，这种由单晶体纳米带环绕而形成的封闭式环型纳米结构具有半导体和压电效应双重性质，可应用于微米、纳米机电系统、纳米级传感器和生物细胞探测。该成果开辟了纳米结构生长的新理论和新应用。
这一成果发表在2月28日出版的美国《科学》杂志上，《科学》杂志的审稿人评价说：“这是一项很有学问的工作……是非常振奋人心的研究。”
晶体结构具有各向异性，不同晶体表面具有不同的表面能，物理属性也有很大差异。控制晶体某些特定晶面的生长，可以实现晶体的功能设计。王中林和他领导的孔向阳博士和丁勇博士等率先在纳米尺度上提出了晶体表面可控生长理论，利用这一理论可以控制不同晶面的生长速度，从而得到特定晶体表面以及预期功能的完整纳米单晶体。他们发现了纳米带在纳米尺度上的自发极化现象，通过控制纳米带的生长习性，利用自发极化现象所导致的自环绕生长机理成功得到了由单个纳米带螺线圈式自环绕而自发形成的单晶环 见附图。这是世界上首次发现由单晶体纳米带环绕而形成的封闭式环形纳米结构。
实验中，他们首先实现了氧化锌特定晶面的可控生长，得到了一系列不同晶体表面的纳米带。这一发明的关键在于掌握氧化锌晶体的表面能与生长速度的关系，在工艺上突破了传统晶体生长理论即高表面能晶面优先生长，实现了低表面能晶面优先快速生长，并通过控制高表面能晶面的生长速度，形成具有高表面能晶面、宽度为15纳米、 厚度为10纳米的纳米带。利用可控的掺杂和高温固相—气相生长过程 单个纳米带可自发环绕形成直径为1～5微米、厚度为15纳米、高度为0．3～2微米的单晶环。
这种纳米环形结构具有半导体和压电效应双重性质。压电效应是应用于传感和控制学科最重要的物理效应之一：在外加应力时 一些特殊结构的晶体可以产生电压差； 反过来 在外电场的作用下 该晶体又可以产生弹性形变。压电效应是实现应力与电信号互换的重要物理过程。目前研究的量子点、量子线和碳纳米管并不同时具有半导体和压电效应双重性质。王中林认为，新研究成果无论是对宏观尺度还是纳米尺度的晶体生长及其功能设计都有非常重要的开创性意义。他说，这种具有压电效应的纳米环是一种非常理想的机电耦合材料，在微／纳米机电系统中有重要的应用价值。利用这种纳米环的压电效应，可以设计研制各种纳米传感器、执行器、共振耦合器，甚至纳米压电马达、纳米泵，在细菌和癌症细胞探测方面也具有广阔的应用前景。
王中林和同事2001年和2003年已经发现了半导体纳米带结构和单晶体纳米螺旋结构，这是他们又一重大原创性成果。目前 他正在和哈佛大学的Lieber教授合作，共同开发压电纳米环和带在化学和生物探测方面的应用。
2004.02.27
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