检索结果-南通市图书馆

作者：迟中波内蒙古科技大学

学位级别：硕士

基于金刚石材料优异的物理、化学等性能,将其制备成纳米线阵列结构的新材料在微电子、电子场发射设备、化学和生物传感器等领域得到广泛的应用。然而现阶段金属掩膜法刻蚀制备金刚石纳米阵列的方法缺少对影响掩体小球大小因素的相关实... 详细信息

基于金刚石材料优异的物理、化学等性能,将其制备成纳米线阵列结构的新材料在微电子、电子场发射设备、化学和生物传感器等领域得到广泛的应用。然而现阶段金属掩膜法刻蚀制备金刚石纳米阵列的方法缺少对影响掩体小球大小因素的相关实验论证,例如缺乏不同试验参数下对溅射金属掩膜表面质量的研究,以及不同金属掩膜之间的对比。本文利用化学气相沉积法制备金刚石薄膜,并探讨通过改变沉积试验参数对薄膜质量的影响,利用物理气相沉积(PVD)镀附金属掩膜,探讨不同溅射试验参数对金属掩膜的影响,对金属薄膜在退火过程中形成的金属掩体小球大小进行相关论证分析,最后利用等离子体法刻蚀方法制备出金刚石纳米线阵列结构。并运用第一性原理计算方法,对金属掩膜的形成机理进行仿真分析,对理解金属纳米掩膜的形成机理具有重要意义。实验制备过程中,利用微波等离子化学气相沉积设备(MPCVD)制备金刚石薄膜,通过优化不同的实验沉积参数,最终得到本实验最佳沉积参数:气压4000Pa,CH流量247.5sccm,H流量2.5sccm和功率1200W。利用物理气相沉积(PVD)方法溅射镍膜、铝膜、钛膜,通过对样片的SEM检测比对分析得到掩膜的最佳溅射功率、温度、溅射速率。给予已有的最佳退火温度700℃、退火时间5～10分钟,在这样的制备试验参数下制备的镍掩膜可均匀分布于基体表面,颗粒直径～45nm左右。通过氧离子体对附有掩膜的金刚石薄膜进行刻蚀,继而制备出金刚石纳米线阵列。刻蚀实验参数为:功率上极板800W,下极板300W,刻蚀时间10min。制备出的金刚石线高度平均值1.5um;本文通过第一性原理模拟计算的方法,对金刚石/金属界面性能进行研究。首先对H-Ter金刚石(111)表面金属原子的吸附迁移稳定性进行分析,验证了H-Ter金刚石表面金属原子在微扰动下容易发生跃迁,不能稳定吸附于表面。再基于优化后的超胞模型,构建了4种金刚石/金属界面结构,对金刚石/金属界面稳定性分析。计算结果为上述界面结构的粘附性强弱依次为Ni>Ag>Cu>Al。但界面的粘附功均在0附近,所以界面的稳定性在外部环境改变时极容易被破坏,如在高温下,熔化后的Al液,很小表面张力就可超过此界面的粘附功,而形成不润湿界面。通过分子动力学仿真计算进行理论分析,结果与试验相互论证。

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B掺杂TiN/Al界面结构和润湿性的第一性原理研究

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作者：刘阳内蒙古科技大学

学位级别：硕士

金属液在固体表面的润湿性对材料的制备与加工具有重要的意义,在金属基复合材料、金属陶瓷的钎焊技术和半导体封等装领具有非常重要的应用。作为最常用的工业陶瓷TiN与最常见有色金属Al形成的界面由于表面润湿性太差（润湿角接近127℃）... 详细信息

金属液在固体表面的润湿性对材料的制备与加工具有重要的意义,在金属基复合材料、金属陶瓷的钎焊技术和半导体封等装领具有非常重要的应用。作为最常用的工业陶瓷TiN与最常见有色金属Al形成的界面由于表面润湿性太差（润湿角接近127℃）,其应用受到了极大的限制。现有改善润湿性的方法,或采用金属的合金化或采用表面涂层,都在界面处易形成脆性相减弱了界面强度,并且在原理上很难给出TiN与Al的真正润湿角。本论文提出一种通过调制陶瓷成分及表面形态来改善Al液对TiN润湿性能的方法。论文通过对TiN掺杂结构、TiN/Al的界面结构及温度场影响的讨论,论证了B掺杂TiN提升TiN/Al润湿性的可行性。本文的主要研究结果如下:（1）研究了TiN（111）、TiN（110）、TiN（100）三种表面,TiN（111）终端具有最低的表面能,其值为1645m J/m;单原子Al在TiN（111）终端具有最大的吸附能,其值为3.87e V;Al由Hcp位迁移到Fcc位迁移,不需要迁移激活能,说明从Hcp位能够自发的迁移到Fcc稳定位点,通过表面能、表面吸附及表面迁移分析TiN（111）具有择优取向趋势。（2）通过计算B在TiN晶体内替换N位置、替换Ti位置、四面体与八面体间隙位置上的内聚能发现,掺杂B后的内聚能与TiN晶体相比相差并不大,同时计算了B在TiN晶体表面上的吸附迁移,确定了B在TiN晶体内八面体间隙位置吸附能最大,值为4.48e V,同时通过迁移激活能进一步发现了B的掺杂导致格点位置发生了畸变,改变了TiN稳定的吸附位点,说明B的掺杂对TiN界面结构有一定的影响。（3）研究了Al在TiN（111）表面上以“Fcc堆垛”、“Hcp堆垛”与“Top堆垛”三种不同的堆垛形式,通过粘附功分析了界面原子间距,确定了“Top堆垛”最有利于界面结合,粘附功为3.82J/m,界面原子间距为2.82?。对比分析了B掺杂TiN/Al界面粘附功与界面原子间距以及界面电子结构,粘附功为4.80J/m,界面原子间距为2.67?,说明B掺杂增强了TiN/Al界面的结合能力。（4）运用第一性原理分子动力学仿真了在温度影响下界面润湿性能,界面结构表明TiN表面Al原子形成单原子层的近共格结构,表现出“超润湿”现象,最低能量的界面结构,使Al易吸附于格点位置。通过径向分布函数表明B掺杂更易于形成非晶态结构。通过界面原子扩散系数、离子迁移率计算,发现掺杂B后的界面的原子具有高的扩散速率及迁移率,其值为5.9E-08cm/s、1.08E-04cm/s/V,通过界面电子结构发现,B掺杂导致TiN/Al结构的能量降低。整体说明了B在格点位置处于亚稳定,会扩散,进一步降低了界面能,这促进了Al在TiN表面的吸附以及共格结构的形成,即B掺杂对TiN/Al界面具有重大的促进作用。

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AlN/Al界面结构形成、演变及性能的第一性原理研究

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作者：孙守业内蒙古科技大学

学位级别：硕士

AlN因其具备抗腐蚀,耐高温和优异的传热性,高电阻率、低介电常数、低介电损耗等特性,所以AlN陶瓷是目前研究最为广泛的高性能陶瓷基板和封装材料。而且,Al作为是最重要工程材料之一,由于具有轻质高强、高导热、高导电在电子封装材料领... 详细信息

AlN因其具备抗腐蚀,耐高温和优异的传热性,高电阻率、低介电常数、低介电损耗等特性,所以AlN陶瓷是目前研究最为广泛的高性能陶瓷基板和封装材料。而且,Al作为是最重要工程材料之一,由于具有轻质高强、高导热、高导电在电子封装材料领域同样有着广泛的应用。其中,AlN/Al界面结构和特性关系到封装材料的服役性能和使用寿命,一直都发挥着至关重要的作用。因此AlN/Al界面作为一种典型的陶瓷/金属异质界面,在结构与性能方面都得到了大量的研究。目前,研究人员对AlN/Al界面的研究结果存在较大的差异性,例如没有明确的界面结构,并且缺乏对界面结构和界面强度进行相互联系的系统研究。采用实验观测存在一定的局限性,对于AlN/Al界面形成过程中原子行为的研究同样鲜有报道。由于AlN/Al界面区域仅有几个原子层厚度,界面处原子吸附、迁移、形核和生长是影响界面结构和性能的最重要因素,研究其界面处原子行为是了解AlN/Al界面形成过程的关键。本文采用基于密度泛函理论的第一原理计算方法,从原子尺度上研究了 Al、N原子在AlN表面Al-Ter和N-Ter上的吸附和脱附等行为,确定最稳定的AlN终端结构;进而分析了 AlN表面Al原子岛的形成和演变过程,分析AlN/Al形成的稳定界面;最后研究了 AlN/Al稳定界面的力学性能。研究结果为揭示AlN/Al界面的形成机理提供了重要的理论参考,也为获取高强度的AlN/Al界面提供理论研究依据。主要研究结果如下:(1)明确了AlN(0001)表面稳定的终端结构。Al-Ter和N-Ter的表面能之间没有明显的差异;从吸附性能上,Al-Ter和N-Ter都具有较强异质原子的吸附能力,但Al-Ter对同类原子的吸附较N-Ter更强。而且在AlN表面蒸发中发现,表面N原子蒸发后易于周围N原子结合成N2逃逸出表面,从而造成了N-Ter的不稳定。在高温下,表面N原子逃逸后,AlN表面重构成(?)R30°结构,重构后表层的Al原子排列顺序与第三层原子排列顺序相同,形成类Hcp结构;并且计算还表明,重构的转变势垒为3.2eV。所以,Al-Ter更适合做AlN的终端结构。(2)获得了Al原子在AlN表面形成原子岛的演变过程。在AlN表面上,单Al原子最稳定吸附位置是Hcp位;双Al原子吸附时,系统最低能量位置是Hcp位置和其邻近的Fcc位置;三个Al原子吸附时,由原来的Fcc+Hcp位置全部转变为Hcp位置;随着吸附原子数目的不断增多,Al原子岛在Al-Ter表面形成的结构也在发生转变;当铺满一层Al原子后,Fcc位置为最稳定的吸附结构,而且通过计算得出吸附结构转变的激活能为1.4leV;在吸附第二层和第三层Al原子时Al原子岛的演变过程都与表面吸附情况类似。因此,当Al原子层继续堆垛成周期排列时,其排列形式为ABC结构,形成连续Fcc排列的AlN/Al界面结构。(3)最后在获取AlN/Al界面结构基础上,进而分析了 AlN/Al界面结构力学性能。通过计算AlN/Al界面结构的弹性常数得出结果与晶体Al相近,弹性模量值介于Al与AlN晶体之间;进而研究界面处的理想拉伸强度发现AlN/Al界面应变在0至0.012之前材料处于弹性变形阶段,此时应力应变呈现线性关系,应力随着应变的增加而增加。当应变大于0.012时随着应变的增加原子间距增加,应力急剧下降,此时AlN/Al界面处存在的键被拉断。所以最后得出AlN/Al界面的拉伸强度为530MPa。

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金刚石纳米阵列的实验制备与表面性质研究

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作者：车轩墨内蒙古科技大学

学位级别：硕士

金刚石的组成为sp3杂化的碳原子,由于金刚石独特的性能,使纳米金刚石材料在医学传感器,纳米生物探针,包括循环肿瘤细胞监测中有着具大的应用潜力。然而目前仍然存在制备方法不够完善,金刚石纳米尺寸结构和形状控制较难,以及金刚石纳米... 详细信息

金刚石的组成为sp3杂化的碳原子,由于金刚石独特的性能,使纳米金刚石材料在医学传感器,纳米生物探针,包括循环肿瘤细胞监测中有着具大的应用潜力。然而目前仍然存在制备方法不够完善,金刚石纳米尺寸结构和形状控制较难,以及金刚石纳米尺寸与性质联系尚未明确的问题。本文针对金刚石纳米阵列结构的制备方法进行深入研究,并对金刚石纳米阵列(纳米柱)的模型构建和表面性质进行探究。本文首先针对金刚石纳米阵列最常用的制备方法金属掩膜法,以铝掩膜为例进行了理论研究。通过第一性原理方法,计算了氢终止金刚石表面上铝原子的吸附与迁移行为。结果分析发现Al原子的吸附能较弱(0.2e V),但迁移性较好(激活能约为0.01 e V),这说明铝原子在金刚石表面为物理吸附。同时电荷密度的分析可知铝原子和氢原子之间没有形成化学键,只有较少电荷转移。结合分子动力学模拟实验高温退火过程,对金刚石/Al界面进行分析可知:这种界面不存在能量稳定性,在如温度场等作用下容易失稳,形成非润湿性界面。由此猜测在制备金刚石纳米阵列时,这种沉积态Al薄膜热处理后形成的纳米铝小球,其尺寸和分布主要取决基底材料的表面形貌。结合理论研究,本文通过微波等离子体化学气相沉积技术(MPCVD)制备了质量良好的金刚石薄膜,并以此通过铝掩膜法结合磁控溅射技术(PVD)和反应离子刻蚀技术(ICP)完成了金刚石纳米阵列的制备,金刚石纳米柱结构完整,呈现锥形,金刚石纳米柱高度约为492nm-1160nm。为了解决由于金刚石表面形貌导致金属铝掩膜的分布和尺寸随机的问题,本文提出一种基于阳极氧化铝(AAO)模板的金刚石纳米阵列制备方法。通过不同实验参数优化,制备了按一定规律分布,高度趋于一致,纳米柱直径约为300nm,高度约为100nm的金刚石纳米阵列。这种改进方法解决了制备金刚石纳米阵列的尺寸和分布随机的问题,实现了对金刚石纳米阵列的结构控制。最后通过MPCVD沉积法,在AAO模板当中生长制备了金刚石纳米阵列。从实验结果来看制备的阵列虽然存在部分纳米柱结构,但还存在一定制备工艺问题。金刚石纳米柱的模型结构优化发现:纳米柱尺寸较小时,结构为非稳定结构。只有当尺寸达到一定时,纳米柱才趋于稳定。金刚石表面如果不加以修饰,表面(1～2原子层)也可能发生重构。该结论对金刚石纳米结构在主要依靠表面性质的医学传感器应用中有所帮助。金刚石纳米柱表面吸附氧原子的计算发现:纳米柱上表面和柱周表面吸附性能存在差异,即柱周表面的侧面吸附位的吸附能,均大于上表面的三重洞位。侧面吸附位的吸附能约为8.214e V左右,这也说明了金刚石纳米柱拥有良好吸附性能。这种吸附性能的差异对医学传感研究,特别是肿瘤细胞的捕获,具有重要意义,同时也为金刚石基底的多元偶联复合抗体研究提供了一定的理论支撑。

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Al-X（B、C、O）合金薄膜结构与力学性能的理论研究

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作者：丁闯内蒙古科技大学

学位级别：硕士

铝合金因质轻可塑、价格较低、易导热导电等优异性能,在航空航天、汽车等各个领域都得到了广泛应用,是最重要工程材料之一。然而,较低的力学强度限制其应用范围的进一步扩大。采用合金化的方式是改善A1合金性能的重要途径。因此,研究新... 详细信息

铝合金因质轻可塑、价格较低、易导热导电等优异性能,在航空航天、汽车等各个领域都得到了广泛应用,是最重要工程材料之一。然而,较低的力学强度限制其应用范围的进一步扩大。采用合金化的方式是改善A1合金性能的重要途径。因此,研究新合金元素对Al合金性能的影响具有现实意义。研究发现,B、C、O等小原子元素形成的间隙型固溶不仅可以避免由于高合金含量带来的薄膜韧性和耐蚀性降低等问题,还可展现其独特的生长结构和超乎寻常的强化效率,同时也降低了薄膜的制备成本。因此,通过掺杂B、C、O等小原子是改善性能有效的方法之一。于是,本论文采用第一性原理方法对Al-X（B、C、O）合金的固溶结构和性能影响机制展开了研究:据固溶结合能分析,在含量不超过3at.%情况下,Al-X（B、C、O）的结合能均为负值,结构具有热力学稳定性。对比置换固溶、八面体间隙固溶和四面体间隙固溶三种形式,B和C原子以空间间隙最大的八面体间隙形式固溶于A1晶体中,而O原子以四面体间隙形式固溶于Al晶体中。间隙固溶Al-X（B、C、O）合金的力学性能较为复杂。B原子的加入,合金的弹性常数以及弹性模量总体呈现下降趋势,各向异性程度明显减弱,而Al-B的理想剪切强度还略微降低,并且通过广义层错能计算发现,B原子的掺杂使得最大广义层错增加至原来的2倍,合金在形变过程中位错滑移将变得相对困难。随着C原子的加入和含量的增加,Al-C合金的弹性常数和弹性模量呈下降趋势,各向异性程度明显减弱;并且C原子的掺杂,不仅使Al-C合金的理想强度得到了提高,而且最大应变也得到了增加;另外,C原子的加入,还降低了合金的最大层错能（降低了10.26%）,使得合金形变过程中位错滑移变得相对容易。O原子固溶情况与C原子情况类似,O原子的固溶使得Al合金弹性模量总体略微下降,各向异性程度明显减弱,当0.9at.%O含量时,合金的延展性达到峰值;在理想剪切形变过程中,应变值为0.231时,Al-O合金获得最大的剪切应力（3.37GPa）,相比纯Al,理想剪切强度明显提高。另外,固溶O原子还使得最大层错能降低了 13.97%。通过研究Al-X（B、C、O）的态密度与总态密度,在费米能级处的电子不为0,说明Al-X合金都表现出明显的金属性。我们发现B-A1间形成以共价键为主的混合键型,而C和O与A1形成的是以离子键为主的混合键型。并且费米能级处态密度值处于低位,也进一步说明Al-X（B、C、O）是稳定性结构。这些理论计算结果为优化新型Al合金的成分起了很好的导向作用,并且可以得到实验中无法得到的性能参数,也为研究Al合金材料提供一些有价值的研究成果。

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金刚石纳米阵列制备及表面性能的研究

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作者：柯龙内蒙古科技大学

学位级别：硕士

纳米金刚石因具有优异的物理化学性能以及在纳米尺度下的量子效应,在微电子、机械、生物传感器等领域具有广阔的应用前景。然而目前对纳米金刚石阵列的制备方法尚不完善,如阵列形状及分布较难控制。实验上现无纳米阵列结构的标准模型,... 详细信息

纳米金刚石因具有优异的物理化学性能以及在纳米尺度下的量子效应,在微电子、机械、生物传感器等领域具有广阔的应用前景。然而目前对纳米金刚石阵列的制备方法尚不完善,如阵列形状及分布较难控制。实验上现无纳米阵列结构的标准模型,金刚石阵列的表面性质难以获取,限制了其在工业上的应用。本文基于阳极氧化铝(AAO)和聚苯乙烯(PS)小球模板,利用反应离子刻蚀法制备出尺寸可控、分布均匀的金刚石纳米阵列,优化了不同尺寸区间内金刚石纳米阵列的制备方法。并在此基础上,采用第一性原理计算方法对纳米金刚石阵列单元的表面性质进行了研究。主要研究成果体现在:论文采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术,通过优化实验参数制备出表面粗糙度低、晶型完整的金刚石薄膜。利用AAO模板结合气相沉积金属掩膜,利用反应离子刻蚀法成功制备出直径250nm、高度500～700nm的金刚石纳米阵列,讨论了表面粗糙度、金属掩膜种类、刻蚀参数的影响;同时采用提拉法实现了单层PS小球的紧密排列,并以此为掩膜制备出直径220nm、高度140～200nm的金刚石纳米阵列。并进一步讨论了上述两种方法的工艺参数对金刚石纳米阵列直径和分布均匀性的影响,改善了在不同尺寸区间的金刚石纳米阵列制备方法。论文通过第一性原理计算,讨论不同尺寸下金刚石纳米阵列(111)表面结构变化规律,当纳米阵列尺寸小于1.94 nm时金刚石表面原子排列非晶化,当阵列尺寸大于1.94 nm时,金刚石表面原子结构呈现石墨化。同时研究了氢终金刚石表面对氧原子的吸附行为,在吸附过程中,氧原子穿过氢终端屏蔽层时,吸附能由0.536e V迅速转变为4.358e V;讨论了金刚石纳米阵列尺寸扩展至宏观尺度时,氧的吸附能逐渐增加的过程。通过表面电子结构分析,发现纳米阵列尺寸较小时同时会受到表面效应及尺寸效应的影响。该研究成果为金刚石纳米阵列的应用提供重要的理论参考。

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阳极氧化铝模板的形成机理、制备及应用研究

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作者：安泽宇内蒙古科技大学

学位级别：硕士

阳极氧化铝(Anodic aluminum oxide,AAO)具有特殊的多孔结构,并在生物、化工、纳米结构制备等领域具有广泛的应用。以AAO为模板制备纳米阵列的方法因其廉价、高效、可控而得到了广泛认可。然而在形成机理方面,现行已有多种理论对AAO的... 详细信息

阳极氧化铝(Anodic aluminum oxide,AAO)具有特殊的多孔结构,并在生物、化工、纳米结构制备等领域具有广泛的应用。以AAO为模板制备纳米阵列的方法因其廉价、高效、可控而得到了广泛认可。然而在形成机理方面,现行已有多种理论对AAO的孔道成型、固态物质输运、电场电解液作用进行了解释,仍没有一个理论可以很好的解释AAO成型过程中的所有现象。具体到固态物质输运方面,由离子扩散的快慢决定的新氧化物的形成位置尚不明确;氢在反应过程中的具体作用也依旧是关键而未解决的问题。AAO的制备工艺已较为成熟,但对使用低温乙醇混合溶剂制备AAO的探索较少,还未形成有效的经验公式。因而,本文在理论上对氧化铝形成位置的问题进行了研究,并在实验上提出了一套低温乙醇混合溶剂下AAO制备的经验公式,最后利用AAO制备了金刚石纳米阵列。采用从头算分子动力学(AIMD)对电场下非晶氧化铝及其水合层的行为进行了研究。研究主要从场强对两种物质的离子扩散能力、含水量不同的水合氧化铝的离子扩散能力、富氧/氢环境下两种结构的扩散以及电场下各结构的变化四个方面展开。研究发现非晶氧化铝在电场下基本不发生扩散,水合氧化铝的扩散较为明显。氧化物形成的位置位于非晶氧化铝/水合氧化铝界面,这是因为氧化铝基本不扩散,水合物中Al与O的离子迁移率基本一致(2.18E-4和-2.08E-4)。采用第一性原理(DFT)计算,研究了铝阳极氧化过程中H对O离子在Al表面、内部的吸附迁移过程。分析发现,H的加入使O更容易进入Al内部,也更容易在表面进行迁移。其中O进入Al晶体的能垒从1.52 e V降低到0.78 e V,O原子在四面体间隙位置之间迁移的活化能从1.23 e V降低到0.34 e V。我们认为H离子可以降低O的扩散能垒,使O更容易扩散,最后在氧化物/水合物界面处形成新的氧化物。在低温乙醇混合溶液中制备了AAO,并对孔间距、孔径的影响因素进行了研究。发现孔间距、孔径分别与电压、温度的比例关系式与现有的经验关系式不同。孔径系数从1.29降低到了0.53,孔间距从2.5降低到了2.11;温度对AAO孔径、孔间距的影响从D=1 nm/℃变为0.43 nm/℃,D=0.25 nm/℃变为0.5 nm/℃;电流曲线与典型的模型结构不同,I-t曲线表现为经历震荡后保持稳定。受电解液浓度的影响,该种现象的出现存在拐点。当草酸在混合溶液中的占比逐步增加时,I-t曲线逐渐表现出了典型的电流曲线特点;反之,则溶液I-t曲线越会表现出经历震荡后保持稳定的特点。临界比例介于1:1—2:1(V草酸:V无水乙醇)。混合电解液条件下的稳定电流与草酸和乙醇的比例相关。最后基于AAO模板法制备了金刚石纳米阵列。多孔阵列结果显示AAO起到了很好的模板效应,多孔阵列与AAO模板重合度非常高。制备了直径50 nm、柱间距140 nm的金刚石纳米柱阵列,同样表现出了AAO的模板效应。

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