Ubiquitous organic molecule-based free-standing nanowires with ultra-high aspect ratiosAbstractThe critical dimension of semiconductor devices is approaching the single-nm regime and a variety of prac

摘要 半导体器件的关键尺寸正在接近单纳米尺度，各种这种尺度的实用设备都有望投入生产。纳米器件的平面结构仍然是制造技术的中心，这限制了将器件进一步集成到芯片中的能力。进入三维空间是未来的一个有前途的策略;然而，3D纳米空间中的表面相互作用使得将纳米结构与超高纵横比集成变得困难。在这里，我们报道了一种使用高能带电粒子制造具有超高纵横比的自由立体有机纳米结构的独特技术。在穿透各种可升华有机分子薄膜的粒子直线轨迹上，形成了具有约10~15nm厚度和可控长度的一维纳米线。开发了一种全干法来隔离纳米线，并在纳米线中构建了平面或同轴异质结构。研究了开发的立体纳米线阵列的电学和结构功能，展示了当前超薄有机纳米线系统的潜力。

引言 均匀的低维纳米结构-纳米颗粒、纳米片和纳米线-作为一类重要的材料，在材料科学和纳米技术研究领域取得了重要进展。纳米线提供了超大的比表面积，可用于传感平台，具有各向异性发射和一维载荷、能量、热量等传输的能力。要实现纳米线上的各向异性传输，纳米线需要在最大化其平面密度的同时进行定向排列-如果它们缺乏单向定向，各向异性效应将对整个系统失效。在这个背景下，均匀超薄纳米线的垂直阵列是这种平台的理想候选者，提供了超大的表面积和高度定向的一维通道。迄今为止，已经建立了各种无机纳米线阵列的制备方法，如自上而下的光刻法和自下而上的外延生长法。例如，基于硅的均匀立体纳米线的直径为10~100nm，并通过集成到场效应晶体管器件中证明了它们的半导体性能。另一个值得注意的例子是通过化学气相沉积方法生长的垂直排列的碳纳米管阵列，其具有适当的碳源和催化剂沉积基底。VA-CNT的单向排列，结合其独特的光学和机械特性，使其可以应用于黑色吸收体和粘合材料等领域。与这些基于硬物质的例子相比，立体有机纳米线尚未被探索。虽然自下而上的晶体生长已经成功地从几种有机分子中制备了VA纳米线，但它们存在低结构纯度的缺点-在生长过程中生长了不同的纳米结构。它们还存在两个额外的问题，即VA纳米线的纵横比很难通过改变生长条件来调节，其直径限制在数百纳米（亚微米尺度）。通过光刻法，还从聚合物材料中制备了立体纳米线，但报道的最高纵横比仅为10^2。报道了一种使用带有圆柱形纳米孔的阳极氧化铝（AAO）模板的方法，该方法使得可以从最小直径为50nm的有机小分子中生长出薄纳米线。然而，这些纳米线在湿法处理中AAO模板被去除后会倒下，最终导致纳米线的平面定向。因此，人们对于从各种有机材料中开发具有超高纵横比的立体纳米线的广泛适用技术的需求非常强烈，这将扩大它们在光学、成像、电子、生物电子和机械领域的应用。

我们开发了一种纳米线制备技术，称为单粒子触发的线性聚合（STLiP），可以在完全控制其长度、直径和数密度的情况下制造均匀的纳米线（图1）。在这种方法中，被视为最细微的能量流的单个带电粒子通过在纳米尺度小空间内沉积其动能来触发化学反应。当高能带电粒子穿过凝聚态有机层时，粒子的能量转移到有机层的有限圆柱区域内，称为离子径迹区。在离子径迹内，发生非均匀能量转移，产生中性自由基等反应中间体。这些中间体诱导交联/聚合反应形成1D凝胶，从而形成有机纳米线。与其他传统方法相比，STLiP方法的显著优势在于其适用于各种不同的目标材料。原则上，重带电粒子（如Xe）在有机物质的凝聚相中沿直线轨迹运动，因为其动能几乎没有动量/能量转移。这种粒子动量的微小变化启发我们通过垂直引入粒子来解决在基板上制备立体纳米线的问题。浸泡辐照膜以溶解有机物质的未辐照部分一直是基板上隔离潜在纳米线的常见选择：湿法制程通常在传统纳米制造技术中使用。然而，由于溶剂的表面张力力，纳米线不可逆地附着在基板上，导致纳米线倒下。虽然超临界流体是湿法处理中有机溶剂的一种替代方法，但仍未探索高纵横比的均匀纳米线的隔离。在这里，我们通过干法过程实现了具有超高纵横比的立体有机纳米线的隔离：未反应的有机分子的升华。非辐照区域在膜中直接从固体相过渡到气体相，成功地隔离了基于聚合有机材料的立体纳米线，具有高密度和超高纵横比。本文还展示了纳米线的进一步功能化-异质界面设计。迄今为止，已经提出了两种基本类型的异质界面纳米结构，即同轴设计和两个相邻片段。报告的研究被归类为AAO模板和物理气相传输方法。从另一个角度来看，它们被分类为无机-无机、有机-无机和有机-有机纳米线系统。

在我们的超薄有机纳米线系统中，探索了围绕立体纳米线的电聚合和使用双层膜的块状共纳米线方法，以实现各自的异质界面。也就是说，使用各种有机物质建立了纵向和径向方向的可调纳米线延伸，展示了我们新开发技术的全部潜力。