名古屋大学的研究团队利用离子束照射，在铝薄膜上成功地大量生长出粗细为头发丝千分之一的“纳米线”。这种由单晶体构成的纯金属纳米线不仅缺陷较少、强度较高，且因其对光的特性，有望在传感器件和光电子学领域得到应用。
离子束照射下在金属薄膜上生长的纳米线及其生长情况示意图（供图：九州大学的木村康裕副教授）
纯金属的纳米线也被称为“wiscker”，意为“晶须”。它是直径在100～600纳米左右（1纳米为10亿分之1）的线状纳米结构体，自2000年前后开始，其在表面光传播、发光、电子散射等光学和电子工程特性方面备受关注。
以名古屋大学研究生院工学研究科助教身份开展此次研究的九州大学工学研究院副教授木村康裕（材料力学专业）介绍称，在金属之中，铝的纳米线有望应用于光学器件。然而，大量制造纳米线还很困难，已成为这项技术的应用难题。
木村副教授从硕士生时代开始，持续进行了约10年的研究。起初他研究的是利用电流制造纳米线的方法，但即便具备合适条件纳米线仍不生长的情况持续了数年。为探究其原因，他使用显微镜对制作纳米线的薄膜进行了观察，最终意识到薄膜内部存在相对较大铝晶体颗粒似乎是纳米线生长所必需的条件。
显微镜图像显示，铝薄膜截面中晶粒的大小和颜色的差异可以反映晶体方向。如果只有细小的晶体颗粒，纳米线就不会生长；但当颗粒增大至一定程度并在表层粗粒化后，纳米线便会生长（供图：九州大学的木村康裕副教授）
木村副教授等人认为离子束照射是一种有效增大晶粒的方法，并对厚度为100纳米的铝薄膜进行了镓离子束照射。结果显示，纳米线就像长满树的树林一般从薄膜中生长了出来。这种纳米线的直径大致为100～300纳米，长度在20～100微米左右（1微米为100万分之1），纳米线的密度与长度之间存在此消彼长的关系。
照射离子束生长出纳米线的扫描电子显微镜图像。光束照射时间按A到H的顺序变长，随着时间的增加，对薄膜表面进行深度蚀刻。在密度较低时，纳米线变长，而在高密度时，纳米线变短（供图：九州大学的木村康裕副教授）
木村副教授等人着眼于薄膜内部的晶粒，进行了以生长纳米线为目的模拟。离子束照射使薄膜表层的晶粒变大出现粗粒化后，薄膜下层仍是细小的颗粒。研究人员认为，这种颗粒大小的差异产生了压力梯度，导致铝原子向上移动。某些特定晶粒发挥了类似晶核的作用，而聚集的铝原子从薄膜向上延伸变成单晶体，最终生长成了纳米线。
纳米线生长的顺序。白色小点代表铝原子，六边形表示晶粒。铝原子从细粒层上升至粗粒层，再进入特定的晶粒中，最终生长出纳米线（供图：九州大学的木村康裕副教授）。
半导体、有机材料和金属氧化物纳米线已有大量合成的方法。纯金属铝纳米线方面，通过固体中的原子迁移现象——原子扩散进行制造，1975年曾报告获得了每平方厘米约20万根纳米线的结果，而如果通过离子束照射进行制造，这一数字已被证实可达到每平方厘米1800万根。木村副教授表示：“该技术有望成为金属原子尺度制造技术的起点。”
本研究得到了日本科学技术振兴机构（JST）的战略性创造研究推进项目和日本学术振兴会科学研究费补助金的资助，论文已于8月8日发表在美国科学期刊《Science》上。
日文：JST Science Portal 编辑部
中文：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Science
论文：Growth of metal nanowire forests controlled through stress fields induced by grain gradients
DOI：10.1126/science.adn9181
