名古屋大學的研究團隊利用離子束照射，在鋁薄膜上成功地大量成長出粗細爲頭髮絲千分之一的「奈米線」。這種由單晶體構成的純金屬奈米線不僅缺陷較少、強度較高，且因其對光的特性，有望在感測器件和光電子學領域得到應用。
離子束照射下在金屬薄膜上成長的奈米線及其成長情況示意圖（供圖：九州大學的木村康裕副教授）
純金屬的奈米線也被稱爲「wiscker」，意爲「晶鬚」。它是直徑在100～600奈米左右（1奈米爲10億分之1）的線狀奈米結構體，自2000年前後開始，其在表面光傳播、發光、電子散射等光學和電子工程特性方面備受關注。
以名古屋大學研究生院工學研究科助教身份開展此次研究的九州大學工學研究院副教授木村康裕（材料力學專業）介紹稱，在金屬之中，鋁的奈米線有望應用於光學器件。然而，大量製造奈米線還很困難，已成爲這項技術的應用難題。
木村副教授從碩士生時代開始，持續進行了約10年的研究。起初他研究的是利用電流製造奈米線的方法，但即便具備合適條件奈米線仍不成長的情況持續了數年。爲探究其終極因數，他使用顯微鏡對製作奈米線的薄膜進行了觀察，最終意識到薄膜内部存在相對較大鋁晶體顆粒似乎是奈米線成長所必需的條件。
顯微鏡影像顯示，鋁薄膜截面中晶粒的大小和顏色的差異可以反映晶體方向。如果只有細小的晶體顆粒，奈米線就不會成長；但當顆粒增大至一定程度並在表層粗粒化後，奈米線便會成長（供圖：九州大學的木村康裕副教授）
木村副教授等人認爲離子束照射是一種有效增大晶粒的方法，並對厚度爲100奈米的鋁薄膜進行了鎵離子束照射。結果顯示，奈米線就像長滿樹的樹林一般從薄膜中成長了出來。這種奈米線的直徑大致爲100～300奈米，長度在20～100微米左右（1微米爲100萬分之1），奈米線的密度與長度之間存在此消彼長的關係。
照射離子束成長出奈米線的掃描電子顯微鏡影像。光束照射時間按A到H的順序變長，隨着時間的增加，對薄膜表面進行深度蝕刻。在密度較低時，奈米線變長，而在高密度時，奈米線變短（供圖：九州大學的木村康裕副教授）
木村副教授等人着眼於薄膜内部的晶粒，進行了以成長奈米線爲目的類比。離子束照射使薄膜表層的晶粒變大出現粗粒化後，薄膜下層仍是細小的顆粒。研究人員認爲，這種顆粒大小的差異產生了氣壓梯度，導致鋁原子向上行程。某些特定晶粒發揮了類似晶核的作用，而聚集的鋁原子從薄膜向上延伸變成單晶體，最終成長成了奈米線。
奈米線成長的順序。白色小點代表鋁原子，六邊形表示晶粒。鋁原子從細粒層擧升至粗粒層，再進入特定的晶粒中，最終成長出奈米線（供圖：九州大學的木村康裕副教授）。
半導體、有機材料和金屬氧化物奈米線已有大量合成的方法。純金屬鋁奈米線方面，透過固體中的原子移動現象——原子擴散進行製造，1975年曾報告獲得了每平方釐米約20萬根奈米線的結果，而如果透過離子束照射進行製造，這一數位已被證實可達到每平方釐米1800萬根。木村副教授表示：「該技術有望成爲金屬原子尺度製造技術的起點。」
本研究得到了日本科學技術振興機構（JST）的戰略性創造研究推進項目和日本學術振興會科學研究費補助金的資助，論文已於8月8日發表在美國科學期刊《Science》上。
日文：JST Science Portal 編輯部
中文：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Science
論文：Growth of metal nanowire forests controlled through stress fields induced by grain gradients
DOI：10.1126/science.adn9181
