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分级结构纳米线的制备、表征与器件研究

【摘要】:本文围绕分级纳米线,按从材料设计、可控制备与表征、到纳米器件的研究思路,探索和推进分级纳米线向更高层次发展,研究实心纳米棒构筑的钒氧化物分级纳米线、介孔纳米棒构筑的镧锶钴氧分级介孔纳米线、硅分级单晶弯折纳米线等分级结构纳米线的制备、表征与器件,取得一些有意义的研究结果: (1)钒氧化物分级纳米线 采用静电纺丝技术设计并制备超长“线中棒”分级结构钒氧化物纳米线,纳米线由实心的V205纳米棒连接而成;发现超长分级钒氧化物纳米线能有效抑制纳米线自团聚问题,大幅提高纳米线锂离子电池器件的容量,钒氧化物分级纳米线平均充放电比容量高达300mAh/g。设计组装国际上第一个单根纳米线全固态锂离子电池器件,通过原位表征建立了单根钒氧化物纳米线的电输运、结构与电极充放电状态的直接联系,从本征上揭示纳米线锂离子电池容量衰减的科学规律。 (2)镧锶钻氧分级介孔纳米线 采用多步微乳液自组装方法构筑钙钛矿型镧锶钴氧分级介孔纳米线,纳米线由介孔结构的纳米棒连接而成,纳米棒沿一定的方向规则排列;通过电催化性能测试,表明钙钛矿型镧锶钴氧分级介孔纳米线具有较低的起峰电势和高的极限扩散电流,展示出良好的电催化性能;基于分级介孔纳米线,组装了锂空气电池器件,进行电化学性能测试,测试表明其具有超过11000mAh/g的超高的比容量,相比镧锶钴氧纳米颗粒,提高了一个数量级。 (3)硅分级单晶弯折纳米线 采用金属催化辅助化学气相沉积设计生长单晶弯折硅纳米线多边形纳米环和探针形硅纳米线,包括六边形、三角形、菱形和梯形纳米环和U形、V形和W形探针形硅纳米线,整个弯折硅纳米线为单晶结构;首次提出使用微米柱阵列实现对U形和V形弯折硅纳米线的有序组装,并实现弯折硅纳米线的精确定位和定向排列。组装三维单根弯折硅纳米线探针生物传感器,表征三维纳米线器件的电导与跨导等电学性能;采用W形三维硅纳米线探针生物传感器测量大鼠心肌细胞的膜内动作电位,并成功实现同时测量细胞不同区域的生理活动规律。

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