随着纳米技术研究不断发展,纳米材料基于其独特的物理化学性能,对能源高效存储、生物化学信号精确检测等产生了极大的推动力。在电化学储能领域,纳米材料具有大的表面积、相比于传统块体电极材料离子短的脱嵌距离等特点,利用纳米材料与技术可有效提高电极材料的电活性、能量密度和倍率特性;在纳电子生物探针领域,纳米半导体材料,如硅纳米线场效应管,可充分利用其体积小、灵敏度高的优势,实现对细胞、组织的高精度微创检测。然而,纳米材料的高活性和大比表面积,加速了纳米材料及其器件在电化学储能反应或生物化学信号检测过程中自身结构的劣化、在溶液中的溶解,限制了储能器件的循环性能与使用寿命、纳电子生物探针的检测寿命和灵敏度。本文针对纳米电极材料在长时间充放电过程中自身晶体扭曲破坏与膨胀碎裂、纳电子生物探针关键材料在生理体液中腐蚀溶解以及探针器件难以大规模可控组装的难题,在保持纳米材料优势的前提下,从材料本征结构入手,探索纳米材料与器件的稳定化策略,提高储能器件循环性能、延长生物探针在生理体液中的使用寿命并实现阵列化可控组装。具体研究内容包括:1.针对脱嵌反应电极材料在长时间反复脱嵌锂过程中材料晶体扭曲破坏、性能劣化的问题,本文提出了恰当尺寸碱金属离子预嵌入策略:（1）先以钒氧化物为框架晶体,层间嵌入不同尺寸碱金属离子,获得A-V-O（A=Li,Na,K,Rb）结构,研究不同尺寸离子嵌入对电化学的影响;（2）利用最新的3D电子衍射技术,获得离子嵌入后精确的晶格结构,研究循环稳定性、倍率特性与晶体结构相关性;（3）结合密度泛函理论,计算不同离子嵌入的晶体结构对扩散离子的扩散势垒影响,揭示层间碱金属离子嵌入对增强离子扩散和晶体结构在充放电中稳定化机理;（4）以钼、锰、钴、磷酸铁基氧化物或其锂盐为对照框架晶体,获得20余种电极材料A-M-O（M=V,Mo,Co,Mn,Fe-P）,研究离子嵌入对不同框架晶体的影响。2.针对转换反应电极材料充放电过程中电极材料整体膨胀收缩导致材料碎裂、性能劣化的问题,提出高弹性、可自适应调节缓冲应力的三维褶皱石墨烯制备与包覆技术:（1）使用两步水浴-水热法,制备出三维褶皱石墨烯包覆硫化镍电极,利用高分辨透射电镜、X射线光电子能谱等分析褶皱石墨烯结构、形貌,结合分子动力学模拟,提出基于固液收缩应变机理的三维褶皱石墨烯制备新方法;（2）研究包覆结构电极循环、倍率等电化学性能,实现在恒流限容充放电下循环1000圈,容量保持350 mAh g^–1不衰减,与未包覆结构相比性能提高近一个数量级;（3）利用原位和非原位电镜表征技术,结合分子动力学模拟计算,发现三维褶皱石墨烯随电极材料体积变化而自发展开-折叠、并可根据活性材料体积变化自适调节缓冲应力的稳定化机制。3.针对纳电子生物探针关键材料在生理体液中腐蚀溶解、以及探针器件难以大规模可控组装的难题,开发了新型纳米线阵列化可控组装技术,结合表面稳定化策略,为实现硅纳米线生物探针的多位点、信号的长期稳定检测提供了可能:（1）利用硅纳米线可塑性弯曲的特性,开发了新型的纳米线形状位置可控的大规模有序组装技术,将纳米线定位、弯折、组装在纳米线组装过程中同时实现,并利用该技术制备获得具有高信噪比的、向上弯折的U形硅纳米线生物探针阵列;（2）利用原子层沉积技术和后期退火处理、以及纳米线组装技术,获得U形Al₂O₃/Si核壳结构纳米线生物探针,显著增强了生物探针在生理体液中的稳定性,为硅纳米线生物探针在体外生理体液和活体组织内长期、稳定检测提供了可能。