熱遷移是由于溫度梯度導(dǎo)致的物質(zhì)的定向擴(kuò)散，這在流體中比較顯著，但是在固體中該效應(yīng)通常被認(rèn)為比較微弱，需要較長時(shí)間才能看到較為明顯的影響。然而西安交大科研人員最近發(fā)現(xiàn)，熱遷移可以快速驅(qū)動(dòng)塊體金屬材料中的原子可控地重構(gòu)成單晶納米線結(jié)構(gòu)，該成果刊登在最新一期的《自然·通訊》雜志上。

論文鏈接

https://www.nature.com/articles/s41467-019-12416-x

左圖：基于熱遷移通過熱拉拔制備單晶納米線的示意圖  右圖：熱拉拔制備單晶納米線的原位透射電鏡照片

受啟發(fā)于宏觀塊體單晶的提拉法制備工藝（Czochralski Method），西安交大科研人員提出了一種基于熱遷移的納米線生長方法：在納米尺度操控一個(gè)尖端曲率在100納米左右的針尖（保持室溫）去接觸加熱金屬固體的表面，由于尖端與金屬基體接觸點(diǎn)間形成的巨大溫度梯度，金屬基體中的原子可以通過表面的類液層，在熱遷移的影響下快速沉積到尖端。如果后撤針尖，原子會(huì)不斷在納米線/基體晶界處沉積，從而均勻生長成納米線結(jié)構(gòu)。

研究團(tuán)隊(duì)在透射電鏡中實(shí)現(xiàn)了該過程的原位觀測，證實(shí)了該方法對于Al、Au、Ag、Cu、Sn等常見金屬的納米線制備均適用，其納米線的均勻生長速率可達(dá)~3 nm/s。并且該方法具有良好的生長可控性，可以通過對尖端的位移控制來調(diào)控納米線的生長形態(tài)和直徑。

由于金屬納米線具備優(yōu)良的物理性能，因此納米線的可控制備方法一直以來備受關(guān)注。傳統(tǒng)的納米線制備方法，例如光刻法、模板法、化學(xué)合成法等，通常只能在二維平面內(nèi)制備納米線結(jié)構(gòu)，并且很難將合成的納米線轉(zhuǎn)移到需要的地方。相比于這些方法，利用固體中的熱遷移來制備納米線的方法為構(gòu)建納米結(jié)構(gòu)提供了一條新途徑：如果對可移動(dòng)金屬尖端加熱，就可以用類似于3D打印的方式在冷基板表面構(gòu)建出任意的三維納米結(jié)構(gòu)。這一技術(shù)有潛力應(yīng)用到集成電路3D互連線的搭建上。

西安交通大學(xué)青年教師解德剛博士為論文的第一作者，西安交通大學(xué)單智偉教授、日本大阪大學(xué)尾方成信（Shigenobu Ogata）教授，美國麻省理工學(xué)院李巨教授為本論文的共同通訊作者。參與此工作的還有約翰霍普金斯大學(xué)馬恩教授，西安交通大學(xué)博士研究生聶志宇、楊岳清，以及日本大阪大學(xué)博士后新里秀平（Shuhei Shinzato）、清華大學(xué)博士劉鳳仙。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委、111計(jì)劃2.0、陜西省博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目的共同資助。