香港城大&麥吉爾大學Matter：超薄4H相金納米帶的熱效應和瑞利不穩定性

木文韜 4年前 (2019-11-30) 5499瀏覽

【引言】

近十年來，各種直徑小于10 nm的超薄金屬納米線被合成為一種新型的一維（1D）納米材料，它們表現出獨特的物理化學性質，具有廣泛的應用前景。特別是超薄金（Au）納米結構因其優異的熱穩定性、電學和機械性能以及化學惰性而被認為是未來納米電子應用最有前途的候選者之一。最近，張華教授等合成了一種亞穩六方（4H）相的超薄金納米帶（NRBs），它不同于普通金的面心立方（FCC）相，具有很好的電催化析氫等電催化應用前景。值得注意的是，4H相和FCC相沿其緊密堆積方向在特征堆疊順序（即“ABCB”代表4H，“ABC”代表FCC）方面彼此不同。然而，對它們未來的實際應用至關重要的高溫下的熱穩定性還沒有得到系統的研究。

【成果簡介】

近日，香港城市大學的張華教授、陸洋教授和麥吉爾大學的宋俊教授合作，利用透射電子顯微鏡(TEM)下原位可控電子束(E-Beam)輻照加熱和微機電系統(MEMS)芯片加熱這兩種手段，系統地研究了超薄4H金納米帶的幾何結構和相結構在中低溫(≤400 K)和高溫(800-1600 K)下的熱響應。結果發現，在電子束輻射加熱到400 K以下時，可以逐漸觀察到樣品幾何結構明顯的“瑞利失穩”現象（Plateau–Rayleigh instability，或簡稱“瑞利不穩定性”，其本身是一種流體的現象，近年來有報道存在于納米金屬（Nano Res. 11(2), 625-632, 2018））— 外形由光滑平直呈現出周期正弦狀，且整體變厚，然而其特殊的4相依然保持穩定。而當使用MEMS加熱芯片使溫度達到800 K時，超薄金納米帶會發生從4H相到FCC相的相變，并且整個過程與分子動力學(MD)模擬獲得的結果非常吻合。該研究展現了超薄金屬納米結構獨特的“固液并存”狀態以及4H晶體相的熱穩定性，這也使得具有4H相的超薄金納米結構成為未來多種獨特應用的理想選擇。相關成果以題為“Thermal Effect and Rayleigh Instabilityof Ultrathin 4H Hexagonal Gold Nanoribbons”發表在了Matter上。深圳大學李培峰副研究員、香港城市大學韓英博士生和麥吉爾大學周嘯博士為共同第一作者，宋俊教授，張華教授和陸洋教授為論文的共同通訊作者。

【圖文導讀】

圖1?4H Au NRBs和兩種原位TEM加熱方式的TEM分析

（A,B）超薄4H Au NRBs的高放大倍率TEM圖像（A）和HRTEM圖像（B）。插圖：（A）典型的折疊Au NRBs的TEM圖像；（B）相應的FFT模式。

（C）超薄4H Au NRBs在電子束輻照加熱下的示意圖。

（D）超薄4H Au NRBs在MEMS芯片誘導加熱下的示意圖。

圖2?中溫下超薄4H Au NRBs的瑞利不穩定性和相穩定

（A,B）電子束照射前（A）和照射15分鐘后（B）的超薄4H Au NRB。

（C）電子束照射前后Au NRBs形狀演變的示意圖。

(D-F)另一種超薄4H?Au NRB在電子束照射15?min（E）和45?min （F）前后的幾何形狀和晶體相位演變。（D）至（F）中的插圖顯示了相應的FFT模式。

圖3?高溫下超薄4H Au NRBs從4H到FCC的相變

（A）MEMS芯片加熱前的超薄4H Au NRBs的TEM圖像。

（B-D）在MEMS芯片800 K下加熱2 min（B），4 min（C）和5 min（D）時，超薄4H Au NRBs的晶相演變。插圖：（A）虛線白色區域中初始Au NRBs的HRTEM放大圖像；（D）加熱5?min后（白色）虛線白色區域（上）中的Au NRBs的高倍率HRTEM圖像，紅色紅色區域（下）中相應的FFT模式。

圖4 超薄4H Au NRBs在不同溫度下的相變的MD模擬

（A）4H Au NRB晶胞及俯視圖晶體模型的示意圖。沿[001] 4H方向的密集面呈現“ ABCB”特有的堆疊順序。

（B）FCC Au NRs的晶胞及俯視圖晶體模型的示意圖。

（C）在600 K下對超薄4H Au NRBs的熱效應的MD模擬。

（D-G）在800 K和不同時間下超薄4H Au NRBs的熱效應的MD模擬：（D）5 ps，（E）2 ns，（F）12 ns和（G）20 ns。在MD模擬中，Au NRB模型的厚度、寬度和長度分別為1.3 nm、9.9 nm和38.6 nm。

（H）在800 K下加熱4H Au NRBs時，相應寬度隨時間的變化。

【小結】

綜上所述，通過原位TEM系統地研究了超薄4H Au NRBs在加熱下的幾何形狀和晶相演變。在電子束照射的熱效應下，即使在中等加熱至低于400 K的溫度下，超薄4H Au NRBs也會發生瑞利不穩定性。當通過專用MEMS芯片加熱達到約800 K的溫度時，Au NRBs發生了從4H到FCC的相變。利用MD模擬對上述實驗結果進行了合理解釋。結果表明，盡管存在幾何瑞利不穩定性，但經過適當加熱后，4H相可以相當穩定，使具有獨特4H相的超薄Au納米結構成為未來各種實際應用的理想選擇。

文獻鏈接：Thermal Effect and Rayleigh Instabilityof Ultrathin 4H Hexagonal Gold Nanoribbons（Matter，?2019，DOI:10.1016/j.matt.2019.10.003）

【團隊介紹】

（1）?團隊介紹；張華課題組（https://www.cityu.edu.hk/chem/profile/hzhang.html）；陸洋課題組（http://www.cityu.edu.hk/mne/yanglu/）；宋俊課題組（https://www.mcgill.ca/materials/people-0/faculty/jun-song）

第一作者：?李培峰，原香港城大博士后，現深圳大學副研究員；韓英，香港城大博士生；周嘯；麥吉爾大學博士；其他重要作者還包括范戰西博士，原南洋理工大學博士，現香港城市大學助理教授

（2）?團隊在該領域工作匯總；

張華教授，現香港城市大學胡曉明講座教授，致力于納米材料晶相工程學研究，其團隊首次報道了制備超薄4H金納米帶材料；陸洋課題組致力于微納米力學，特別是借助原位電鏡手段研究材料結構性質；宋俊課題組致力于計算材料學及分子動力學模擬。此前他們關于超細金納米線的形變機制做過深入研究

https://link.springer.com/article/10.1007/s12274-017-1667-3

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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