交变信号对超薄液层电化学生长制备三维纳米线阵列的调控原理

This project will concentrate on the fabrication principle and technique of three dimensional (3d) magnetic nanostructures. We will study the electro-deposition in an ultra-thin layer of electrolyte. By tuning the electrical field and ion concentration distribution, we will understand the relationship between the local electrical field and the nucleation speed, growth velocity as well as deposit morphology. Further we can succeed in fabricating nanowire arrays with expected shape, width and periodicity by adjusting the signal applied to conduct the electro-deposition. We will also develop this growth method with three dimensional substrates. The deposit will eventually get the 3d features. The magnetic properties of 3d nanostructures will be studied as well. By implementing this project, we expect to know the principle of self-organization process in electro-deposition, the way to control the morphology of the deposit, and improve the technique to fabricate 3d nanowire arrays with designed shape, width and periodicity. The magnetic and spintronic properties of 3d structures will be explored as well.

本项目拟围绕三维磁性纳米结构的制备原理及技术，在超薄液层电化学沉积技术的基础上，通过调控电场、浓度场等条件，研究电化学生长中局域电场大小与成核速率、生长速率和沉积形貌的关系，并以此为指导对电化学过程的电信号进行设计，实现特定形状、线宽和周期等参数的三维纳米结构阵列制备。拟通过设计不同结构的三维立体模板，制备任意形状的三维微纳磁性结构阵列，结合磁力显微技术、磁电阻输运性质和微磁学模拟等手段，从实验和理论两方面研究三维空间中纳米结构阵列自旋排列规律和磁输运性质，实现光滑纳米线上磁畴结构的有效调控。通过本项目的实施，我们期望深入理解电化学自组织生长过程中电信号对沉积形貌的调控机制，发展完善一套适用于三维纳米线阵列的电化学自组织生长制备技术，实现三维立体金属纳米线的形状、线宽和周期等结构参数的有效调控，并在此基础上探索三维磁性纳米结构的磁学及自旋电子学性质。

本项目旨在研究超薄液层电化学生长过程中温度、浓度、pH 值、外加电压、电极形状等因素，特别是作为外加电压的交变信号，对电化学沉积物形貌调控的作用机理。本项目组通过超薄液层电化学生长系统，采用干涉衬显微和拉曼表征技术对电化学生长过程进行观测，对电化学生长的一般规律和物理机制做了深入研究，在此基础上发展了形貌可控的二维和三维金属微纳结构的制备技术。通过优化离子浓度、生长温度、电极形状等实验参数，调控电信号的波形、周期和振幅等参数，对超薄液层电化学沉积过程的电场大小与成核速率、生长速率、沉积形貌的关系作了系统研究，提出了电化学沉积纳米线阵列的调控机制，最终实现了纳米线阵列中线宽和间距等参数的灵活调控。作为例证，我们实现了条形码结构的设计和电化学制备，在硅片衬底上制备出了对应于“nanjing”字母的条形码的纳米线阵列。本项目采用微纳加工技术制备了较大深宽比的三维微纳条带结构，以此作为模板电化学制备出了立体三维金属线微纳阵列。采用磁力显微镜研究了不同线宽的纳米线阵列中磁畴结构，表征了平面的和U形立体的纳米线阵列的磁畴结构，得到了头对头、尾对尾的磁畴壁信号。本项目完成论文2篇，申请专利2项。