中國科大在一維分段異質納米結構可控合成研究中取得重要進展

2024/6/2 18:30:29

一維分段異質納米結構異質界面對電子傳輸、磁耦合和聲子散射產生很大影響，在光電催化、熱電等領域有著巨大的應用潛力。因此，其精確設計和可控合成對功能納米材料的應用至關重要。雖然已經發展了氣-液-固生長、液-液-固生長和外延生長等合成方法，但難以實現對一維周期性軸向異質結構的可控合成。目前，一維分段異質納米結構的合成主要集中在硫化物和硒化物方面，對碲基材料的研究相對較少，而碲化物具有高的理論體積容量和優異的導電性，在能量存儲和光電子領域具有重要的應用前景。然而，碲化物一維分段異質納米結構材料的可控合成一直難以實現。

近日，中國科學技術大學俞書宏院士團隊基于應力誘導軸向有序化，并結合可控的化學后轉化過程，發展了一種可控合成一維分段異質納米結構的普適方法，并通過連續相場模型追蹤了應力和應變能在周期性有序結構演化過程中的變化規律。相關成果以“Stress-induced ordering evolution of 1D segmented heteronanostructures and their chemical post-transformations”為題發表在《自然·通訊》上(Nat. Commun.2024, 15, 3208)。俞書宏院士、劉建偉教授、倪勇教授為通訊作者，陳慶霞博士后、陸宇陽博士后、楊陽碩士為該論文的共同第一作者。

首先，研究人員選用高長徑比的碲納米線（Te NWs）為模型結構單元，將其分散在乙二醇中并加入絡合劑NH₄SCN以及欠化學計量比的金屬銀離子Ag⁺，迅速形成具有明顯規則分段結構的Te/Ag₂Te一維分段異質納米結構（圖1）。為了驗證其分段異質性質，研究人員利用透射電子顯微鏡、能量色散X射線能譜等技術觀察其分段均勻性并確定元素分布情況。進一步利用X射線衍射譜、拉曼光譜和X射線光電子能譜等方法驗證了Te/Ag₂Te分段異質結構的雙相性質。此外，通過原位液相透射電鏡實驗，研究人員總結了Te/Ag₂Te一維分段異質納米結構經歷了島嶼生成、不規則條狀結構和有序分段等三個階段的形成過程。

圖1. Te/Ag₂Te一維分段異質納米結構的形貌和結構表征。

為了探究Te/Ag₂Te一維分段異質納米結構形成過程中的能量變化和應力分布，研究人員與中國科學技術大學工程學院倪勇教授課題組合作進行了連續相場模型計算研究。他們成功重現了Ag₂Te島嶼結構形成、長大和有序化的過程，動態跟蹤了周期性有序結構的整個演化過程。模擬結果顯示，最初生成的Ag₂Te島嶼同時受到徑向的拉應力和軸向的壓應力的影響，因此促使島嶼沿著徑向生長，形成條狀結構。在不規則條狀結構之間存在一個臨界間距，當間距小于該值時，兩個分段之間表現出吸引力；而當間距大于該值時，兩個分段之間表現出排斥力。因此，不規則條狀結構逐漸演化成規則的有序分段結構。這一相場模擬闡明了Ag₂Te與Te之間的界面能和錯配應變能的相互競爭在周期性分段結構形成過程中的關鍵作用，同時闡明了從不規則條形結構到規則分段結構的動態轉變。

在此基礎上，研究人員利用相同的方法成功合成了一系列碲化物一維分段異質納米結構，包括Pd、Cu、Bi、Cd等材料。除此之外，結合簡單的化學后轉化過程，例如kirkendall反應、陽離子交換反應、硒化反應等，他們還制備并構建了涉及到元素周期表中的13種元素（Ag, Te, Cu, Pt, Pb, Cd, Sb, Se, Bi, Rh, Ir, Ru, Zn）的一維軸向分段異質結構材料庫（圖2）。