研究背景

金属纳米线（NWs）是一类重要的一维纳米材料，因其独特的电子、光学和机械性能而备受关注。金属纳米线具有优良的导电性、光学特性和力学性能，因此在传感器、光电器件以及生物医学领域中具有广泛的应用前景。然而，尽管金属纳米线的单晶结构能够显著提升其性能，但在大规模生产高质量、结构有序的金属纳米线 forests方面，仍然面临许多挑战。

其中，金属纳米线的大规模生长通常受限于传统方法中的蒸汽压力限制和化学还原问题。现有的制备技术难以实现对纳米线生长的精确控制，导致产物的质量和排列结构不够理想。具体而言，传统的生长方法在生成纳米线的过程中常常无法有效地控制纳米线的长度、密度和取向，从而影响了其在实际应用中的表现。此外，如何实现高密度、垂直生长的单晶金属纳米线 forests仍然是一个亟待解决的难题。

为了解决这些问题，名古屋大学巨阳，Yasuhiro Kimura等人在“Science”期刊上发表了题为“Growth of metal nanowire forests controlled through stress fields induced by grain gradients”的最新论文。他们提出了一种新颖的生长技术，通过利用聚焦离子束（FIB）辐射诱导的局部晶粒粗化来克服传统方法中的局限性。这种技术通过在固体薄膜中控制原子扩散，创造出高应力区域，为纳米线的生长提供了有效的驱动力和生长核。FIB 辐射不仅增强了驱动力，还通过创建局部高应力区域来形成纳米线的生长通道。此外，FIB 辐射诱导的局部晶粒粗化和氧、镓杂质的分离，进一步控制了应力场、晶粒梯度及扩散蠕变，从而实现了在期望位置的大规模生长。   

这种新方法与传统的碳纳米管（CNTs）和半导体纳米线的构建方式类似，但它能够生成高密度、垂直生长的单晶铝（Al）纳米线 forests。与其他无序平面网络纳米线不同，这种单晶铝纳米线 forests在气体传感器、生物标记物和光电组件等高性能纳米器件中的应用具有广泛的潜力。

研究亮点

（1）实验首次在铝（Al）纳米线（NW） forests的生长中，通过 FIB 辐射诱导的局部晶粒粗化，克服了传统的单晶金属纳米线大规模生产中的挑战。这种方法通过增强驱动力和形成纳米线生长的核，实现了高度有序的单晶铝纳米线 forests的生长。

（2）实验通过控制 FIB 辐射诱导的局部晶粒粗化和氧、镓杂质的分离，调节了应力场、晶粒梯度、局部弹性极限各向异性和扩散蠕变。这些因素共同作用，优化了纳米线生长路径和条件，从而在预期位置成功构建了密集的金属纳米线 forests。

图文解读

图1：FIB 辐射区域的纳米线 forests图像。 

图2：STEM 薄膜表征。

图3：ACOM-STEM 分析。    

图4: Al 纳米线生长机制的探讨。

总结展望

本文提出了一种创新的铝（Al）纳米线（NW） forests生长技术，解决了传统高有序单晶金属纳米线大规模生产中的难题。通过利用 FIB（聚焦离子束）辐射诱导的局部晶粒粗化，本文成功地增强了纳米线生长的驱动力，并有效地形成了生长核。这一技术不仅克服了传统方法中蒸汽压力限制和化学还原问题，还通过精确控制应力场、晶粒梯度和局部弹性各向异性，实现了高密度、垂直生长的单晶铝纳米线 forests。

与其他无序的平面网络纳米线不同，这种方法实现了高度有序的纳米线 forests，为未来的高性能纳米器件如气体传感器、生物标记物和光电组件的应用提供了新的可能性。此研究不仅拓宽了纳米材料的制造方法，也为相关领域的高性能器件开发提供了新的思路和技术路径。

原文详情：

Yasuhiro Kimura et al. ,Growth of metal nanowire forests controlled through stress fields induced by grain gradients.Science385,641-646(2024).

DOI:10.1126/science.adn9181；