2010-02-22

金與銀奈米線能自然結合、維持強健

Gold and silver nanowires bond naturally, stay strong
http://www.physorg.com/news185467550.html

February 15, 2010

(PhysOrg.com) -- 從電路到摩天大樓,焊接利用熱將每樣事物中的片段金屬接合。但 Rice 大學研究者們已發現某種方法,能在奈米等級上擊敗「熱」。

Jun Lou(音譯:劉俊),機械工程與材料科學助教授,以及他的小組發現,介於 30 億分之一到 100 億分之一公尺寬的金導線,能相當漂亮地將它們自己焊在一起 -- 不用加熱。

他們在今日的 Nature Nanotechnology 期刊線上版報告,乾淨的金奈米線具有理想的原子結構,能融合(merge)到單一導線中,而不會失去它的電子或機械特性。此過程只對銀奈米線(那彼此結合)或是金有效。

這種「冷焊(cold-welding,譯註:亦指冷結合)」過程在巨觀尺度上已被觀察了數十年,Lou 表示。乾淨、平坦的幾塊類似金屬能在高壓或是在真空下結合。但只有 Lou 等人在電子顯微鏡下,看見此過程發生在奈米尺度上。

一如基礎研究中經常發生的,那並非他們在尋找的東西。Lou 與畢業生 Yang Lu(音譯:劉揚)以及位於 Sandia 國家實驗室還有 Brown 大學的共同研究者,試圖將金奈米線的一端附著到穿透式電子顯微鏡(TEM)的探針上,另一端則接到稱為「原子力顯微鏡(AFM)探針」的微小懸臂樑彈簧上,藉此測定其抗張強度(tensile strength)。

將導線拉開使該團隊能測量其強度。他們沒預期見會到,當斷裂導線的末端或側邊受到觸碰時,它會自行修補。測量證明重新接合的導線與之前一樣強健。

"當你實際要拉緊某樣東西時,你需要先把它夾好," Lou 說,他去年從美國空軍 Sponsored Research 辦公室獲得青年研究者研究計畫補助金。"在操作過程期間,我們一直觀察到這類結合行為。"

"最初,我們沒有注意它,因為那看起來不顯眼。不過在這個領域裡做了一些小研究後,我領悟到,我們發現某種也許有用的東西。"

在試驗中,Lou 發現奈米線能拉斷與結合許多次。修補好的導線不曾在相同的點上再度破裂;這證明了新結合的強度。

該導線的電氣特性似乎也不會受到反覆的斷裂與結合影響。"我們使導線斷裂然後使它重新結合 11 次,每一次都檢查電氣特性。這些數值都非常接近," 他表示。

成功結合的關鍵是奈米線的單結晶質(crystalline)結構與相配的方向。"這裡有許多表面原子,非常活躍,那在奈米尺度下參與了擴散(diffusion)," Lou 說。"我們試過金與銀,而它們以相同方式結合,只要你滿足結晶質方向的要求。"

Lou 視此發現為張望分子尺度電子學的研究者,開闢了新的途徑。他表示,在哈佛與西北大學的團隊,正在研究為奈米線陣列製作圖案(pattern)的方法,而採納冷焊將簡化他們的過程。"如果你在打造高密度電子裝置,這些現象將非常有用," 他說,並提到在奈米尺度上的熱誘導焊接(heat-induced welds)得冒著損及材料強度或傳導性的風險。

Lou 表示,這項發現在少數知道他研究的人當中引起一陣騷動。"不同的人看見不一樣的觀點:電機工程師看見應用面。理論家則看見這種行為背後某些有趣的物理學。我們希望這篇論文能鼓舞更多基礎研究。"

這篇論文的共同作者包括 Sandia 國家實驗室整合奈米技術中心的 Jian Yu Huang,Brown 大學的 Shouheng Sun 教授以及前畢業生 Chao Wang。

※ 相關報導:

* Cold welding of ultrathin gold nanowires
http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2010.4
Yang Lu, Jian Yu Huang, Chao Wang, Shouheng Sun & Jun Lou
Nature Nanotechnology, Published online: 14 February 2010
doi: 10.1038/nnano.2010.4
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