「邊緣能」使三維納米顆粒生長成二維材料

2020-11-27 騰訊網

據美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）官網近日報導，該實驗室科學家領導的團隊，提出了有關在三維過渡金屬氧化物納米顆粒的自然「邊緣」進行二維生長的寶貴見解。

背景

2004年，英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·蓋姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）用一種簡單方法，從石墨薄片中剝離出了石墨烯，為此，他們二人也榮獲了2010年的諾貝爾物理學獎。

（圖片來源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）

從那時起，這種具有卓越強度以及電氣特性的原子級薄度材料，啟發全世界科學家去設計新型二維材料，並使之廣泛應用於各個領域，從可再生能源和催化劑到微電子器件。

用石墨烯製作的柔性超級電容（圖片來源：曼徹斯特大學）

用二硫化鉬製成的超薄柔性微處理器（圖片來源：Stefan Wachter/維也納技術大學）

像石墨烯這樣的材料中，二維結構是自然形成的。然而，某些科學家試圖通過稱為「過渡金屬氧化物」的半導體來製造二維材料。這種化合物由氧原子綁定過渡金屬例如鈷組成。但是，雖然科學家們很早就知道如何製造過渡金屬氧化物的納米顆粒，但是卻沒人找到一種可控的方法，用這些三維納米顆粒生長納米片，而這種納米片就是只有幾個原子厚度的超薄二維材料。

創新

近日，美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）的科學家領導的團隊，提出了有關在三維過渡金屬氧化物納米顆粒的自然「邊緣」進行二維生長的寶貴見解。他們的發現在《自然材料（Nature Materials）》中得到報導。

技術

這篇論文的共同通訊作者 Haimei Zheng 及其團隊，採用伯克利實驗室分子鑄造廠中的液相透射電子顯微鏡（TEM）進行實驗室，直接觀察到氧化鈷納米顆粒在溶液中的動態生長，以及它們隨後轉化為平面的二維納米片。

伯克利實驗室材料科學部門的資深科學家、這項研究的領導者 Zheng 表示：「這種三維到二維的轉變，很像在平底鍋裡煎蛋時蛋清擴散的狀況。」

三維氧化鈷納米顆粒生長成二維納米片的示意圖（圖片來源: Haimei Zheng/伯克利實驗室）

Zheng 解釋道，在之前的研究中，科學家們假設只有兩個主要因素：來自納米顆粒體積的體積能和納米顆粒的表面能，會驅動納米顆粒生長成三維形狀。

但是共同通信作者 Lin-Wang Wang 領導的計算，揭示了之前被忽略的另一種能量「邊緣能」。在一個小方面狀的矩形納米顆粒，例如過渡金屬氧化物納米顆粒中，小方面的邊緣也在為納米顆粒的生長與成形貢獻能量（在這個案例中是正能量）。但是，為了過渡金屬氧化物生長成二維納米片，表面能必須為負。

Wang 表示：「這兩個能量（一個正，一個負）之間的平衡，決定了形狀的變化。」他解釋道，對於較小的納米顆粒來說，正邊緣能獲勝，從而產生緊湊的三維形狀。但是，當氧化鈷納米顆粒長到更大時，它們最終會達到一個臨界點，使得負能量獲勝，從而生成二維納米片。伯克利實驗室材料科學部門的資深科學家 Wang 在伯克利實驗室國家能源研究科學計算中心（NERSC）的超級計算機上為這項研究進行了計算。

Zheng 補充道，揭開這些生長途徑，包括三維到二維的轉變，為採用具有不規則原子結構的成分，簡化設計這些奇異的新材料提供了新機遇。這些成分，例如過渡金屬氧化物，比石墨烯更難合成多層二維器件。

下圖所示：從溶液生長三維納米顆粒，以及三維納米顆粒轉化為二維納米片的圖解。

（圖片來源: Haimei Zheng/伯克利實驗室）

價值

Zheng 及其團隊總結道，用傳統電子顯微鏡無法完成這項研究。研究人員採用分子鑄造廠的液相 TEM，就可以將液體樣本封裝在特殊設計的液體池中，研究原子級薄度的材料在溶液中的生長情況。這個池防止了樣本在電子顯微鏡的高真空中坍塌。

論文第一作者、中國大連理工大學的 Juan Yang（這項研究期間在伯克利實驗室作為訪問博士研究員）表示：「如果沒有這種原位觀察，我們將無法了解這樣的生長途徑。這一發現將改變我們未來對於具備表面增強催化性能的材料的設計，以及未來的傳感應用。」

未來

下一步，研究人員們將專注採用液體池 TEM 生長更複雜的二維材料，例如異質結構，這種結構就像不同特性的分層材料組成的三明治。

Zheng 於2009年率先在伯克利實驗室採用了液體池 TEM。他說：「就像一名受到一棵古老巨型紅木生長方式啟發的建築師，材料科學家也受到了啟發，以設計更複雜的能量存儲結構。但是，它們為什麼會那樣生長？我們在伯克利實驗室的強項就是，可以在原子水平研究它們，並實時觀察它們的生長，並搞清楚有利於設計更好的材料的機制。」

關鍵字

二維材料、石墨烯、顯微鏡

參考資料

【1】Juan Yang et al. Formation of two-dimensional transition metal oxide nanosheets with nanoparticles as intermediates, Nature Materials (2019). DOI: 10.1038/s41563-019-0415-3

【2】https://newscenter.lbl.gov/2019/10/24/how-a-2d-material-got-its-shape/

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