文|樹洞檔案
編輯|樹洞檔案
前言
納米材料最簡單的例子是零維材料，被稱為「納米顆粒」。
半導體納米粒子的電子和光學特性變化急劇粒子的特徵維度減少納米尺度的增權，很大程度上由於量子限制的電子粒子，儘管表面積效應也可能發揮作用。
最流行於基礎研究的納米粒子是II-VI半導體粒子，因為它們在科學上有趣和技術上重要的特性。
在此背景下，形成金屬硫化物和硒化物量子點及其組裝成高階結構的合成方法，已經得到了廣泛的研究。
為了使納米結構主導金屬硫化物和其他半導體的性能，納米顆粒的特徵尺寸一般需要為<為10nm。
半導體納米顆粒
半導體納米顆粒是通過三種途徑之一合成的天然納米生物複合材料、仿生納米複合材料和生物靈感納米複合材料172種天然納米複合材料。
首先，納米顆粒的製備很少使用大塊的納米顆粒，因為研磨過程調節不佳，通常會產生非常多分散的顆粒群，而且對於大多數應用來說，研磨會引入太多的污染物。
另外兩種方法，氣相和溶液相合成，更為常見。氣相合成本質上是一個汽化和縮合過程——一個包含所需的半導體（或其他材料）的坩堝被加熱，直到它開始升華，然後一個惰性載氣流經材料。
然後載氣進入一個涼爽的區域，在那裡氣態半導體原子或分子凝聚成納米顆粒並被收集，雖然這種方法相當通用，但它只在高溫和真空條件下工作，通常產生固體球形顆粒。
基於溶液的納米顆粒形成合成路線從簡單的沉澱反應到更複雜的基於自組裝的路線。
一般來說，簡單的沉澱會導致納米顆粒團聚，而且尺寸分布通常變化很大。
這些問題導致了對合成方法的研究，將導致納米顆粒穩定的聚集和狹窄的尺寸分布。
防止這兩個問題的一個主要途徑是使用基於自組裝的技術，這在許多方面類似於生物系統中的納米結構發展，包括生物礦化，雖然這種方法相當通用，但它只在高溫和真空條件下工作，通常產生固體球形顆粒。
基於溶液的納米顆粒形成合成路線從簡單的沉澱反應到更複雜的基於自組裝的路線。
一般來說，簡單的沉澱會導致納米顆粒團聚，而且尺寸分布通常變化很大。
這些問題導致了對合成方法的研究，將導致納米顆粒穩定的聚集和狹窄的尺寸分布。
防止這兩個問題的一個主要途徑是使用基於自組裝的技術，這在許多方面類似於生物系統中的納米結構發展，包括生物礦化，細胞膜的發育，等生物結構的形成。
半導體的溶液相合成通常比其他技術更受青睞，因為它通常是溫和的（即使是在室溫和壓力下進行的），並且可以用來創造合理體積的材料。
溶液相合成技術已廣泛應用於半導體的生產。
納米結構材料
以溶液為基礎的化學合成非常有吸引力，因為它們允許直接控制化學前體的實際濃度。
根據實際條件，甚至有可能用有機分子來覆蓋粒子的表面，這就允許進一步的基於溶液的處理。
製造納米結構材料的更傳統的方法當然是通過自上而下的光刻方法，一些產生非常小特徵的自頂向下技術的例子有極端紫外線（k << 200 nm）光刻、電子束寫入、聚焦離子束光刻、x射線光刻、掃描探針光刻和微接觸列印。
一般來說，所有這些技術都可以形成幾十到幾百納米的結構，儘管通常只在非常平坦的基底上，而且它們可能相當慢，而且往往非常昂貴。
基於自組裝的納米結構形成路線具有顯著的優勢，即它不局限於在平面上生成特徵，而且可以大規模並行。
當然，自組裝的一般問題是，不可能通過高度調節納米結構來確定空間位置，因此我們需要創造高功能的自組裝電子電路。
在納米顆粒形成的膠束路線中，膠束是由表面活性劑分子和溶液中至少含有一種無機納米顆粒前體的溶劑自組裝而成。
其結果是一個包含大量離散的納米反應器的解決方案，這些納米反應器單獨地只包含有限數量的無機相的前驅體物種。
當這些離子轉化為礦物時，通常通過還原或氧化，結果可以是每個膠束一個納米顆粒，因此，納米顆粒直徑的多分散性與初始膠束尺寸的多分散性直接相關。
如果有可能產生一種單分散膠束的懸浮液，那麼產生尺寸非常狹窄的納米顆粒將是一個簡單的過程分布從生物學中吸取教訓，這可能是通過使用複雜的大分子，組織成只有特定大小的粒子。
一個尺寸分布緊密的潛在納米反應器的一個很好的生物學例子是病毒粒子，如果能夠開發出一種在病毒顆粒內部裝載納米顆粒前體的方法，就有可能利用病毒顆粒來合成尺寸分布緊密的納米顆粒。
大多數早期的納米顆粒合成路線產生的固體半導體顆粒的形態從未遠離球形，其創造具有複雜形態的納米粒子是最有趣的，因為即使是像電子束光刻這樣複雜的圖案化技術也僅限於納米特徵，這些特徵往往太大，無法產生所需的量子約束和其他性質。
具有某些複雜形態的納米粒子不能通過電子束傳輸或其他自上而下的加工途徑產生，在室溫下生長的納米晶硫化鎘結構的透射電子顯微圖。
採用生物啟發納米複合材料，在朗繆爾單分子膜下合成的硫化鎘研究中檢測了形態，其中產生了樹突狀結構。
隨後，一系列策略導致了具有複雜形態的棒狀甚至複雜納米顆粒，基於自組裝而調節半導體分區的生長。
這些高度形狀的納米顆粒，是由於在合成過程中，使用己基膦酸和氧化三辛基膦的混合物作為鈍化劑而產生的結果。
顯然，在鼓勵其他面生長的同時阻止特定晶體面的生長，因此，其可以形成以一個晶體方向為長軸，以短軸為另一個晶體方向的粒子。
高長徑比粒子高於正常的球形粒子的優勢尚未被證明，但粒子的電子或物理性質可能會受到形狀變化的影響。
此外，由於其高長徑比，這些粒子可能能夠自組裝成高階結。
例如，它們可能形成液晶相，很像具有高長徑比的分子，半導體納米結構也可能具有在體等效中沒有的非量子約束性質。
除了量子限制之外，一種極大地改變納米結構半導體性質的方法可能是設計合成方法，使有機分子在分子水平上在無機相中分散。
這些複合材料可以表現出新的性能，顯著提高那些無機或有機單獨的，這實際上已經在許多材料中觀察到。
更堅硬的複合材料，具有更高的熱穩定性，是電氣上更複雜的，或有增強的化學選擇性比任何一個組成部分已經創建。
即使沒有有機材料的加入，周期性納米結構半導體在固態科學和技術上也有很大的潛力，例如，因為它們具有電子和催化活性的潛力。
由表面鈍化劑的混合物合成溶液，可以產生的具有複雜形狀和形式的硒化鎘納米顆粒的例子。
採用天然納米生物複合材料、仿生納米複合材料和生物啟發納米複合材料的電管，可能表現為反點陣列（一種具有規則散射中心陣列的材料，比電子的平均自由程更近）。
納米結構材料是必要的，因為如果電子的平均自由程小於散射中心之間的間距，反點晶格就不能工作。
在高磁場（>2 Tesla）中，如果反點的晶格間距與電子迴旋直徑的量級一致，則可以觀察到電導率隨電場的量子階。
與形成量子點固體相比，反點晶格的形成需要半導體結構是連續的，具有周期性的納米腔陣列。
子效應之外的性質
早期，最強調的是創造窄尺寸分布的納米顆粒，而不是創造超晶格結構。
然而，通過對尺寸分布和化學功能的仔細控制，硒化鎘納米晶體，以及現在的許多其他納米晶體，已經被觀察到有序進入超晶格結構。
這些結構可能呈現出除了簡單的量子效應之外的性質。
該體系中的單個晶體並不形成連續的礦物結構，而是實際上被薄層的有機分子分開，這些有機分子由合成過程中，用於調節顆粒直徑和多分散性的自組裝分子組成。
在合成過程中，有機粒子自組裝成納米粒子周圍的一個殼層，賦予納米粒子有機溶解度，使其能夠類似於有機化合物進行加工。
由於在尺寸和形狀上具有高度的規律性，這些有機塗層的納米顆粒組裝成具有長程周期性的納米顆粒晶體，很像有機分子和原子可以結晶的方式。
納米結構形成的下一個複雜性層次是創造具有複雜的、預定義的形態的納米結構，在這裡，自組裝和納米結構形成的生物學概念成為最適用的概念。
例如，在生物學中，通常在納米尺度上會有複雜的預定義結構，但這種長度尺度在合成材料中卻極其難以調節。
然而，如果自組裝的能力與目前已知的材料合成策略相結合，那麼形成複雜的複合納米結構就有很大的潛力。
無機納米結構的液晶模板就是這樣一種方法，它是一種將液晶的周期結構賦予礦物相的方法。
液晶為製造納米級複合材料提供了理想的矩陣，因為液晶中經常表達的1-10nm長度尺度與半導體納米結構感興趣的尺寸尺度相似。
此外，液晶中的周期結構可能相當單調，因此周期納米結構也具有長程的潛力，這在許多應用中具有特殊的意義。
研究小組的一個非常重要的目標，實際上是通過液晶模板在半導體等材料中創造長程納米周期順序。
總結
具有長程周期性複合結構的半導體可以有幾種形式。
例如，作為包含嵌入的二相材料的周期性陣列的粒子，作為具有周期性形貌的薄膜，或作為周期性多孔材料，其對於溶液基化學來說非常有趣。
例如，它們的半導體相和類沸石孔隙結構的光化學性質，可以使它們高度適用於有毒化合物的光化學降解或進行形狀選擇化學，即只對特定形狀和大小的分子起作用的化學。
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