对于结晶学取向各向异性的半导体纳米材料来说,其不同晶面具有不同的原子、电子结构,在不同生长方向上,往往呈现出迥异的化学物理特性,因此半导体纳米材料的可控定向生长,是纳米材料制备领域中的一个重要课题。以纳米棒、纳米线、纳米管等一维纳米材料或纳米片、纳米带等二维纳米材料又或者枝晶结构的三维纳米材料为基本构造单元,采用物理和化学等方法在一维、二维和三维空间的有序组装和定向构筑成纳米阵列结构,这样不仅可以增强材料特定方向的性能,而且还可以为研制新型纳米集成器件、微型传感器和光电晶体管等提供理论和技术支持。　　 二氧化钛(TiO2)是一种典型的宽带半导体材料,由于其独特的物理化学性能,以及在催化、自清洁(润湿性)、气体传感器、光伏电池等领域的出色表现,使二氧化钛纳米阵列的合成备受关注。近年来,虽然有多种TiO2阵列材料已经被合成出来,但是复杂多级结构的纳米阵列还未见报道,比如像整齐的TiO2纳米树阵列。本出站报告选取纳米TiO2为研究对象,采用条件温和、环境友好的水热法,可控合成了一系列具有特殊形貌结构的纳米阵列结构材料。本出站报告的研究内容主要分为以下三个方面:　　 (1)采用简单的水热法,在金属钽的基片上,一步合成了单分散的金红石型掺钽二氧化钛“十字勋章”纳米阵列。对产物的结构分析表明,该“十字勋章”结构由两个十字交叉的纺锤形纳米棒和从纳米棒上生长出来的大量纳米针刺构成,所有这些纳米棒和纳米针刺都是金红石,且按等价的<110>方向对称生长,使整个“十字勋章”呈现很好的单晶性。此处金红石的<110>择优生长取向与传统的<001>生长方向完全不同,这在金红石体系中是首次发现。通过理论计算和实验结果分析,我们推断这主要是由于钽掺杂剂对其晶面表面能的改变。基于对此“十字勋章”纳米阵列场发射性能的初步研究,对比之前报道的简单金红石TiO2纳米线阵列,我们发现这种特殊结构具有更为优越的性能。　　 (2)通过对钛酸锂钾在醋酸和盐酸体系中的水热转化,选择性制备了结构新颖的TiO2纳米阵列材料:锐钛矿“纳米锯齿”和金红石“纳米竹筏”,通过XRD、SEM、TEM、HRTEM、SAED等测试手段对其结构进行表征,并与前驱体之间的晶体学关系对比,揭示了由前驱体到目标产物之间真正原子尺度上的原位拓扑学转化生长机理。通过轮流使用不同酸处理的方式,进一步合成了锐钛矿/金红石复合纳米阵列。最后通过对锐钛矿“纳米锯齿”和金红石“纳米竹筏”等TiO2特殊纳米阵列材料的光催化性能进行评价,找到了比商用P-25具有更高光催化活性的TiO2纳米材料。　　 (3)继承了水热法的低温低能耗、反应条件温和等优点,改进反应装置,尝试开发了一种在无需晶种、模板、催化剂等外加试剂的条件下,用含HCI的酸性水蒸气直接氧化金属钛的新方法(AVO法,acidic vapor oxidation)。在镀钛陶瓷基片上成功的可控合成了具有自组装纳米树、纳米簇、纳米棒等多种形态的TiO2纳米阵列薄膜,并对不同表面形貌的样品的润湿性能和光催化能力进行了对比研究。可以预见,这种方法具有普适性,可以将它推广到其它基片上生长纳米阵列的领域。