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科研人员首次实时成像纳米晶体形成超晶格过

2019-03-05 18:52:24

导语:纳米级别的晶体性质往往打破常规,在纳米空间级别观察晶体尺度变化、结晶过程和结晶结构变化对于理解纳米材料光电等性质尤为重要。上个月,美国SLAC实验室和斯坦福的研究人员首次实时成像了纳米超晶体形成超晶格的过程。

关键词:纳米材料; 超晶格;

图中纳米晶体正在有序组成“超晶格”

插图来源:Greg Stewart/SLAC国家加速器实验室

历史上头一回,研究人员将纳米晶体高速形成超晶格的过程实时成像。这项观察纳米晶体如何在几秒内形成超晶格的新技术将帮助人们更好地控制超晶格结构、进一步提高超晶格电子性能。

超晶格是指纳米材料层层交替、对准排列组成的晶体结构。早在几十年前,人们就了解了超晶格的形成过程,但是去年SLAC国家加速器实验室和斯坦福的研究人员发现,这些结构的成型过程可能比此前估计的速度要快得多。

前不久在Nature上发表的研究中,SLAC和斯坦福的研究员们使用了SLAC-斯坦福同步加速器辐射光源的X射线束观察纳米晶体快速生长形成超晶体的实时过程。

“解释这一过程如何发生、如何受合成参数影响,以及如何利用该过程制造所需的组件,都是我们研究的关键点,”斯坦福化学工程副教授Matteo Cargnello(该研究论文的共同作者之一)在IEEE Spectrum的电子邮件采访中如是说。

在去年合成钯纳米晶体的时候,人们次发现晶体快速生长行为。初的研究也证明了相似的机理也适用于其他金属体系(比如铁)和半导体材料(碲化铅)。

“现在,我们认为纳米晶体生长和组装的这种机制广泛存在。而且很多其他胶体系统中也极有可能存在这种机制,的区别就是不同材料系统的纳米晶体生长温度和条件不同,”Cargnello说。

Cargnello及其团队认为将该晶体生长过程成像将有利于控制晶体生长。

“我们现在已经理解了其中所涉及力的范围和平衡,正在探究自组装过程中的准则,”与Cargnello共同领导该研究的Chris Tassone在采访中对《IEEE Spectrum》说,“该准则将使我们能够在更复杂的体系中准确地处理该过程,尤其是在拥有多种类型纳米晶体的体系中。这些体系中可能存在更为复杂、拥有奇特属性的超级晶体。

科研人员首次实时成像纳米晶体形成超晶格过

不过,这些科学家承认实现该目标还有很漫长的路要走,研究同质体系中自组装过程还需要投入大量精力。

“这些有序材料还有很多迷人的用途等着我们去发掘和理解——例如,这些微小的物件如何相互作用、如何存储能量/信息,以及如何在新组成的材料组中实现光吸收和电子传递,”Cargnello说。

研究人员也承认现在仍有根本性问题尚未解决,例如纳米晶体是如何在有序组合体中继续生长的,以及如何形成多材料组合体。尽管如此,研究人员坚信了解有序体系的组成模式有利于研究其特性,而且该成像中获取的信息可能带来意想不到的进展。

该晶体生长过程成像中所用的技术一般被称为小角X射线散射。其工作原理是先用X射线照射含有前驱体的溶液,再分析样品中所含材料(例如纳米晶体)“反弹”出的X射线。因为X射线的散射情况随样品中材料的尺寸变化而改变,所以可以测出溶液中不同材料的尺寸、材料尺寸如何变化,以及材料之间如何相互作用形成更大的组合体(超晶格)。

“这并非新技术。相反,该技术应用于观察溶液中的纳米晶体已经有不少年了。但是,这是该技术首次用于实时观察纳米晶体生长,而且是在实验室制备纳米晶体的同一溶液中进行观察。”Cargnello说。“因为我们一直在实时观测纳米晶体生长的过程,所以我们能够理解它们为什么能够在生长过程中不仅能组成有序材料(超晶格),还能保持自身尺寸不断增加。”

在接下来的研究中,研究人员计划开发扩展晶体结构和分析材料特性的连续反应器。

Cargnello补充道:“我们现在对催化过程极为感兴趣——在催化过程下这些精细材料可以用于研究物质变性,还可以用于选择性生产燃料和化学品为可持续未来创造机遇。”

本文观点仅代表作者,不代表《科学美国人》。

(翻译:赵小娜;审校:杨玉洁)

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