材料科学家教纳米线如何“跳舞”

位于 IBM Thomas J Watson 研究中心（本身隐藏在纽约州威彻斯特县的树林中）底层一个不起眼的过道上的实验室中的超高真空电子显微镜拥有许多线索，可帮助科学家解开物理学的谜团这发生在纳米尺度上。了解材料在如此小的尺寸下如何表现开启了科学界对未来新电子设备的想象。电子显微镜的工作原理有点像农场，但不是种植你最喜欢的蔬菜，而是生长的物体是纳米线：由半导体材料制成的极窄但长的晶体，每个晶体都有自己独特的电子特性。

生长开始于由催化金属液滴组成的微小“种子”，科学家将其撒在平坦的硅“场”上。当提供正确的成分时——热量和特殊气体——每颗种子都开始长出纳米线。但与真正的农场不同，生长从地下开始，这里的种子液滴停留在纳米线的尖端，确保生长只发生在尖端。结果是一片由细长的晶体组成的森林，它们笔直向上生长。在一项新的实验中，该团队表明，当他们打开电场时，液滴可以被侧向拉动或垂直拉伸。这种小小的“舞蹈”或“拉伸”动作会迫使生长的晶体相应地改变方向。纳米线生长的电场控制是一个新领域，为构建可集成到新型电子设备中的定制纳米结构打开了大门。

由 Frances Ross 博士领导的 IBM 科学家与剑桥大学、宾夕法尼亚大学和丹麦技术大学合作，发表了他们的研究成果“通过电场诱导的催化剂液滴变形控制纳米线生长” Nature Communications 一期 本周（DOI：10.1038/NCOMMS12271）。

为了控制纳米线生长的优雅液滴介导过程，该团队已经尝试了许多简单的技巧：在生长过程中改变温度、压力、气体混合和催化剂材料。 “我们在这里想做的是尝试转动一个新旋钮，看看我们会得到什么样的结构。我们添加的旋钮是我们通过在生长过程中向样品施加电压而产生的电场。当我们打开和关闭场时，我们可以看到每个液滴变形，纳米线的生长随之发生变化，”IBM 研究院材料科学家罗斯说。

这就是该团队在显微镜下进行生长实验的原因：当打开电场时，他们可以立即看到纳米线的移动。显微镜将生长中的纳米线放大 50,000 倍，每秒记录 30 张图像，提供大量数据可供分析。

“电场似乎值得一试，因为我们知道催化剂液滴会像电场中的任何其他金属一样，被拉向电场的方向，”罗斯说。 “在这些实验中特别有趣的是，液滴位置的变化会影响纳米线尖端的生长方式。”

该研究的一个有趣的副产品是能够测量液滴的表面张力。表面张力是使液滴（例如玻璃上的水滴）保持球形的表层。准确的表面张力值是开发预测纳米线生长的计算机模型的基本要求。

“我们一直在寻找生长具有特定特性的晶体的最佳方法。我们知道通过改变温度或压力可以得到什么：有趣、有用的纳米线，但总是垂直生长。有了电场，我们终于有办法迫使电线向侧面或成一定角度生长，这样我们就可以形成三维结构。”罗斯补充道。

“跳舞”纳米线的应用

现代电子设备使用不断增加的材料组合来寻求提高计算能力和数据容量，并实现新功能。成角度或扭结的纳米线可以扩展材料库，特别是如果它们可以可靠地制造。它们可用作互连，其中设备需要电路中不同组件之间的电气连接。它们可能允许使用新型物联网传感器或用作探针。例如，可以将 V 形探针插入活细胞以监测细胞的微小电信号。其他形状像字母“T”或“X”的纳米线也有有趣的应用。将这些“字母”放在磁场中并通过向不同的腿施加电压来测量电流可以帮助测试物理学的基本理论。这些理论是深奥的，因为它们支配着半导体材料中特殊激发的行为。但它们可能也具有实际意义：激发可能提供一种在量子计算机中存储信息的方法，以避免当前设计的一些限制。伴随着舞蹈、拉伸液滴而生长的纳米线可能是沿着这条道路迈出的第一步。

360度超高真空电子显微镜