我国科学家在美发现有压电效应的纳米带

    8/21/2003，美国亚特兰大佐治亚理工学院王中林教授和孔向阳博士在美国化学学会刊物《纳米通讯》?Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｅｒｓ近日的电子版上报告说，他们在世界上首次得到具有压电效应的半导体纳米带结构。 这种新型纳米带可以应用于微、纳米机电系统，是实现纳米尺度上机电耦合的关键材料。该研究论文即将以封面文章形式在《纳米通讯》发表。
     所谓纳米带，不同于一些流行的“纳米线”及“纳米棒”等术语。其显著特点是具有特定完整的习性晶面，其任意垂直截面是矩形。由于晶体在结构上的各向异性，不同的晶体表面具有不同的表面能，其物理属性也有很大的差异。因此，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。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，发明了具有压电效应的纳米带。
     压电效应是一应用于传感和控制学科的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，该晶体可以产生弹性行变。压电效应是把应力互换为电信号的重要物理过程。
     他们首先对氧化锌实现了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，实现了低表面能的晶面可以优先快速生长，并通过控制高表面能晶面的生长速度，从而形成具有高表面能晶面的纳米带。这一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着非常重要的意义。
     通过进一步探索，王中林等发明了具有表面极性的氧化锌纳米带。这种纳米带上下一对宽的表面具有正负相反的极性，并沿厚度方向能产生自发极化，这是一种具有压电效应的纳米带。特别地，当这种纳米带的厚度小于某一临界值，由于正负表面极性引起的能量差异，纳米带表现出均匀的螺旋结构?见附图，纳米带的表面法向指向螺旋的圆心。这是世界上首次发现由单晶体纳米带环绕而成并具有右手性螺旋结构的新型纳米材料，与ＤＮＡ、氨基酸等生物分子螺旋的结构相类似。
     王中林指出，这种具有压电效应的纳米带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。利用这种纳米带的压电效应，可以设计研制各种纳米传感器，执行器，以及共振耦合器，甚至纳米压电马达。目前，他们已将这一成果申请了美国专利。