一种制备铅原子链的方法与流程

本发明属于原子尺度材料设计和制备的技术领域，具体涉及一种使用高精度电子束加工，结合纳米材料淀积技术，制备出单原子尺度长链条的技术。

背景技术：

随着纳米技术的不断发展，器件的尺寸不断的缩小，单分子甚至单原子电路的概念已经被提出，国际上已经有部分具有远见卓识的研究组或者公司的研发单位已经开始研究单分子和单原子的制备以及将其应用于实际器件的技术。这一技术领域的研究也成为了未来极有可能促进相关行业产生急剧变化的热点，相关的研究单位在这一领域呈现越来越激烈的竞争态势，以求领先占领行业制高点，先发制人，获得长期的竞争优势。目前，单分子电路相关的研究已经有若干突破，但是单原子相关的技术才开始发展。比较典型的比如：使用石墨烯材料可以制备获得单个原子线度的链状结构，也即单原子链。这种链条结构中相邻的碳原子键通常为双键-三键交替排列的形式，这种结构具有非常好的稳定性。最近的报道表明，这种结构可以长达数十微米。不过如此长的碳链结构需要在碳纳米管中形成，不可能以自支撑的方式长时间存在。目前，所报道能够自支撑的最长碳链结构一般只有10纳米左右。当然，在实际应用中，支撑结构的碳链是满足器件需要的，并不需要自支撑的结构。为此，能够制备出支撑结构的，较大长度的单原子链结构即可满足相关的应用可能性。

技术实现要素：

发明内容：本发明使用淀积在少层石墨烯表面的铅纳米颗粒，通过电子束辐照铅纳米颗粒的方法，使铅表面的原子逐渐剥离并扩散至石墨烯表面。随后这些铅原子在少层石墨烯表面的原子台阶处进行排列，形成单原子链结构。

技术方案是：一种制备铅原子链的方法，具体步骤如下：

步骤一、制备石墨烯结构；所得石墨烯结构的层数为一层以上，含有原子层台阶；

步骤二、淀积铅纳米颗粒在石墨烯表面；将铅纳米颗粒淀积于石墨烯表面，所述铅纳米颗粒尺寸小于100纳米。保证电子束辐照后可见，不遮挡电子束；

步骤三、将步骤二中的放置有铅纳米颗粒的石墨烯加热至300-500摄氏度，对铅纳米颗粒实施电子束辐照，电子束能量为60-300千电子伏，强度大于1*10⁵个电子/平方纳米/秒，能够看到铅纳米颗粒变小，铅原子在石墨烯表面和原子层台阶处扩散；因为铅颗粒由于受到辐照后表面溅射释放出的铅原子速度大于1000±600个/秒时能够在石墨烯结构的原子台阶处形成铅原子链。

步骤四、当原子层台阶处形成一定长度的铅原子链时立即停止辐照，即可获得台阶处的铅原子链。

进一步的，步骤一中，对于单层结构，所述原子层台阶就是石墨烯的边缘；对于N层的石墨烯，N大于1，所述原子层台阶为从N层石墨烯过渡到N-1层石墨烯的地方，也即台阶结构的地方。

有益效果：目前，能够实现单原子链结构的只有碳原子。其他材料的单原子链还未见报道。本发明基于一种微加工技术，实现了铅原子链结构的制备。可以应用于之后的研究以及实际器件的构建。具有显著的意义。

本发明使用淀积在少层石墨烯表面的铅纳米颗粒，通过电子束辐照铅纳米颗粒的方法，使铅表面的原子逐渐剥离并扩散至石墨烯表面。随后这些铅原子在少层石墨烯表面的原子台阶处进行排列，形成单原子链结构。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为实施实例一的结果示意图；

图3为实施实例二的结果示意图；TEM图片，椭圆区域显示铅原子链形成区域。

图中：1：单层石墨烯的边缘；2：单层过渡到双层区域的台阶；3单层石墨烯区域；4：双层石墨烯区域；5：铅纳米颗粒；6：台阶处形成的铅原子链。其中的箭头表示铅原子在石墨烯表面的扩散。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

一种制备铅原子链的方法，具体步骤如下：

1.制备石墨烯结构。石墨烯的层数应该为一层以上。特别的，应该含有原子层台阶的结构。对于单层结构，这一台阶就是石墨烯的边缘；对于两层的石墨烯(如图1所示)，其中应该含有从两层石墨烯过渡到单层石墨烯的地方，也即所述台阶结构的地方；多层石墨烯中的台阶结构以此类推。

2.淀积铅纳米颗粒在石墨烯表面。铅纳米颗粒尺寸需要小于100纳米，保证电子束辐照后可见，不遮挡电子束。大于100纳米的纳米颗粒不便于进行表面辐照和溅射。

3.将样品加热至300-500摄氏度，对铅纳米颗粒实施辐照，电子束能量为60-300千电子伏，强度大于1*10⁵个电子/平方纳米/秒，可以看到铅纳米颗粒明显变小，铅原子在石墨烯表面和台阶处扩散。

4.视情况，当看到台阶处形成铅原子链时立即停止辐照。即可获得台阶处的铅原子链。

原理：电子辐照引起金属颗粒表面的原子被溅射，这些原子会沿着石墨烯表面进行扩散。石墨烯表面由于是化学惰性的，原子或者分子很难在其表面形成排列，但是，石墨烯边缘可以捕获金属原子并促使其形成链状结构。铅原子链只能在台阶处形成。电子束辐照需要造成铅原子的表面溅射。铅原子链在电子束辐照下不稳定，一旦形成后需要立即停止辐照。

实施实例一：

步骤一、制备石墨烯结构；所得石墨烯结构的层数为多层，含有原子层台阶；

步骤二、淀积铅纳米颗粒在石墨烯表面；将铅纳米颗粒放置于石墨烯表面，所述铅纳米颗粒尺寸4纳米，保证电子束辐照后可见，不遮挡电子束；大于100纳米的纳米颗粒不便于进行表面辐照和溅射。

步骤三、将步骤二中的放置有铅纳米颗粒的石墨烯加热至300摄氏度，对铅纳米颗粒实施电子束辐照，电子束能量为300千电子伏，强度～2e5个电子/平方纳米/秒，能够看到铅纳米颗粒变小，铅原子在石墨烯表面和原子层台阶处扩散；

步骤四、当原子层台阶处形成铅原子链时立即停止辐照，即可获得台阶处的铅原子链，如图2所示。

实施实例二：

步骤一、制备石墨烯结构；所得石墨烯结构的层数为多层，含有原子层台阶；

步骤二、淀积铅纳米颗粒在石墨烯表面；将铅纳米颗粒放置于石墨烯表面，所述铅纳米颗粒尺寸3纳米，保证电子束辐照后可见，不遮挡电子束；大于100纳米的纳米颗粒不便于进行表面辐照和溅射。

步骤三、将步骤二中的放置有铅纳米颗粒的石墨烯加热至500摄氏度，对铅纳米颗粒实施电子束辐照，电子束能量为300千电子伏，强度～1.3e6个电子/平方纳米/秒，能够看到铅纳米颗粒变小，铅原子在石墨烯表面和原子层台阶处扩散；

步骤四、当原子层台阶处形成铅原子链时立即停止辐照，即可获得台阶处的铅原子链，如图3所示。

实施实例三：

步骤一、制备石墨烯结构；所得石墨烯结构的层数为多层，含有原子层台阶；

步骤二、淀积铅纳米颗粒在石墨烯表面；将铅纳米颗粒放置于石墨烯表面，所述铅纳米颗粒尺寸50纳米，保证电子束辐照后可见，不遮挡电子束；大于100纳米的纳米颗粒不便于进行表面辐照和溅射。

步骤三、将步骤二中的放置有铅纳米颗粒的石墨烯加热至400摄氏度，对铅纳米颗粒实施电子束辐照，电子束能量为60千电子伏，强度～1.3e6个电子/平方纳米/秒，能够看到铅纳米颗粒变小，铅原子在石墨烯表面和原子层台阶处扩散；

步骤四、当原子层台阶处形成铅原子链时立即停止辐照，即可获得台阶处的铅原子链，。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。