一維分段異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)異質(zhì)界面對電子傳輸,、磁耦合和聲子散射產(chǎn)生很大影響,，在光電催化、熱電等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力,。因此,，其精確設(shè)計和可控合成對功能納米材料的應(yīng)用至關(guān)重要。雖然已經(jīng)發(fā)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(xiàn)對一維周期性軸向異質(zhì)結(jié)構(gòu)的可控合成。目前,，一維分段異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)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(yōu)異的導(dǎo)電性,，在能量存儲和光電子領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景,。然而，碲化物一維分段異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)材料的可控合成一直難以實現(xiàn),。
近日,，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團隊基于應(yīng)力誘導(dǎo)軸向有序化，并結(jié)合可控的化學(xué)后轉(zhuǎn)化過程,，發(fā)展了一種可控合成一維分段異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)的普適方法,，并通過連續(xù)相場模型追蹤了應(yīng)力和應(yīng)變能在周期性有序結(jié)構(gòu)演化過程中的變化規(guī)律。相關(guān)成果以“Stress-induced ordering evolution of 1D segmented heteronanostructures and their chemical post-transformations”為題發(fā)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(jié)構(gòu)單元，將其分散在乙二醇中并加入絡(luò)合劑NH4SCN以及欠化學(xué)計量比的金屬銀離子Ag+,，迅速形成具有明顯規(guī)則分段結(jié)構(gòu)的Te/Ag2Te一維分段異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)（圖1）,。為了驗證其分段異質(zhì)性質(zhì)，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(shù)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(zhì)結(jié)構(gòu)的雙相性質(zhì),。此外,，通過原位液相透射電鏡實驗，研究人員總結(jié)了Te/Ag2Te一維分段異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了島嶼生成,、不規(guī)則條狀結(jié)構(gòu)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(zhì)納米結(jié)構(gòu)的形貌和結(jié)構(gòu)表征。
為了探究Te/Ag2Te一維分段異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)形成過程中的能量變化和應(yīng)力分布,，研究人員與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程學(xué)院倪勇教授課題組合作進行了連續(xù)相場模型計算研究,。他們成功重現(xiàn)了Ag2Te島嶼結(jié)構(gòu)形成、長大和有序化的過程，動態(tài)跟蹤了周期性有序結(jié)構(gòu)的整個演化過程,。模擬結(jié)果顯示,，最初生成的Ag2Te島嶼同時受到徑向的拉應(yīng)力和軸向的壓應(yīng)力的影響，因此促使島嶼沿著徑向生長,，形成條狀結(jié)構(gòu),。在不規(guī)則條狀結(jié)構(gòu)之間存在一個臨界間距，當(dāng)間距小于該值時,，兩個分段之間表現(xiàn)出吸引力,；而當(dāng)間距大于該值時，兩個分段之間表現(xiàn)出排斥力,。因此,，不規(guī)則條狀結(jié)構(gòu)逐漸演化成規(guī)則的有序分段結(jié)構(gòu)。這一相場模擬闡明了Ag2Te與Te之間的界面能和錯配應(yīng)變能的相互競爭在周期性分段結(jié)構(gòu)形成過程中的關(guān)鍵作用,，同時闡明了從不規(guī)則條形結(jié)構(gòu)到規(guī)則分段結(jié)構(gòu)的動態(tài)轉(zhuǎn)變,。
在此基礎(chǔ)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(zhì)納米結(jié)構(gòu),，包括Pd,、Cu、Bi,、Cd等材料,。除此之外，結(jié)合簡單的化學(xué)后轉(zhuǎn)化過程,，例如kirkendall反應(yīng),、陽離子交換反應(yīng)、硒化反應(yīng)等,，他們還制備并構(gòu)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(zhì)結(jié)構(gòu)材料庫（圖2）,。
圖2.碲化物一維分段異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)的化學(xué)后轉(zhuǎn)化途徑及材料庫。
研究人員提出了一種簡單的溶液相方法合成一維分段異質(zhì)納米結(jié)構(gòu),，并結(jié)合簡單的化學(xué)后轉(zhuǎn)變過程,，合成了包括17種納米線-納米線和8種納米線-納米管納米結(jié)構(gòu)的25種一維分段異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)。借助連續(xù)相場模型,，揭示了一維分段異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)形成過程中的能量變化和應(yīng)力分布,，詳細闡述了有序分段結(jié)構(gòu)的三階段演化過程。
以上研究創(chuàng)新性地通過應(yīng)力誘導(dǎo)的有序化機制,，成功合成了一系列一維分段異質(zhì)納米結(jié)構(gòu),，并通過連續(xù)相場模擬闡述了有序分段的三階段演化過程。這一工作不僅豐富了一維分段異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)的材料庫,，還為精準(zhǔn)制備功能導(dǎo)向的納米材料以及探索異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)的有序重構(gòu)提供了新途徑,。
此項工作得到新基石研究員項目,、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金重點項目,、中國博士后科學(xué)基金等項目資助,。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47446-7
（化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心,、科研部）
