Adv. Mater.：超薄金剛石納米薄膜的定向自螺旋形成三維管狀或螺旋結構

【引語】

2017年2月10日，Adv. Mater.?網站在線發表了題為“Deterministic Self-Rolling of Ultrathin Nanocrystalline?Diamond Nanomembranes for 3D Tubular/Helical Architecture”的文章。通訊作者為復旦大學的梅永豐教授和美國達特茅斯學院的Zi Chen教授。在這篇快訊（communication）文章中，研究人員報道了一種將金剛石納米薄膜設計和自組裝為三維有序結構的全新方法，這種三維金剛石有序結構可應用于力學、光學、以及電子學領域。

[致歉：小編未能找到通訊作者Zi Chen 教授確切的中文名，小編為此致以誠摯的歉意！]

【成果簡介】

三維有序結構組裝與納米薄膜的有機物和無機物的自組裝材料得到廣泛的應用。抗彎強度的減小使無機納米薄膜的厚度可減小至幾百納米，從而可形成包括管狀、螺旋狀、球狀以及彈出扣狀等復雜的三維幾何形狀。目前，金剛石已被設計構造為微米-納米梁和懸臂以應用于微米-納米機電系統、微腔、塑料電子學和量子光學等領域。當前可過自上而下的制備方法包括離子切片、電流蝕刻、角度蝕刻和離子束球磨，可制備獨立存在的金剛石絲帶和納米薄膜。然而，由于金剛石的高硬度，通過這種自上而下的方法無法實現使金剛石薄膜組裝或自組裝為微米或納米級別三維結構。為了解決上述問題，研究人員提出了一種通過薄化金剛石納米晶體薄膜的厚度以減小金剛石的抗彎強度并使其卷成包括管狀、鋸齒絲狀、嵌段管狀、嵌段環狀和螺旋狀等三維結構。金剛石管的直徑范圍可通過改變金剛石晶體薄膜的厚度和抗彎應力調整為幾個至幾百個微米。納米晶體金剛石曲棍球狀條紋布可通過剝離的方法從基底轉移至螺旋微米結構中。這種螺旋的納米晶體金剛石管狀微腔因具有明顯的且與光致發光相關的氮空位(NVs)中心而表現出高質量因子(Q因子)高達10³的光學耳語廊模式諧振。

【圖文導讀】

圖1：金剛石納米薄膜的表征

a) 自螺旋幾何圖形。I)普通塊狀金剛石光學圖；II) 納米晶體(NC-)金剛石納米薄膜的SEM圖, 標尺為10 μm；III) NC-金剛石微米管的SEM圖, 標尺為5 μm；IV) NC-金剛石微米管壁的TEM高倍率圖, 標尺為100 nm；V) 中的上圖為選區電子衍射圖；V) 中的下圖為NC-金剛石納米薄膜的TEM高倍率圖, 標尺為2 nm。

b) 二維形狀、三維預測以及5種由NC-金剛石納米薄膜構成三維有序結構的SEM圖，標尺為10 μm.

圖2：NC-金剛石納米薄膜薄化以及螺旋控制

a) 單根金剛石納米管直徑與金剛石納米膜經過反應離子蝕刻后的厚度之間的函數關系，其中插圖為不同直徑微米管對應的SEM圖。

b) 由NC-金剛石制備得到的規整微米管陣列的光學顯微鏡圖。

c)和d) 分別為反應離子蝕刻前和蝕刻后，金剛石納米膜的表面形貌圖。

e) 和f) 分別為部分膜對應反向螺旋程度的應力釋放過程的示意圖。

圖3：各向異性的金剛石納米薄膜的定性螺旋

a) 隨著傾斜角度θ的變化，二維曲棍球狀條紋布條形成過程機理圖。

b) 具有反向螺旋手性的螺旋狀金剛石的SEM圖。

c) FEM模擬圖。

d) 不同傾斜角θ時的二維圖案的光學圖，以及e)不同傾斜角θ形成的金剛石螺旋線的SEM圖。

f) 周期性改變傾斜角θ的模擬對比試驗，其中插圖為不同偏移角θ時，曲棍球狀條紋形狀的FEM位移等高線。

圖4：金剛石微米管的光學性能表征

a) 不同直徑的金剛石微米管的SEM圖：上圖為12 μm；中圖為16 μm；下圖為20μm。

b) 平面膜(黑線)和螺旋管(紅線)的光致發光圖。其中插圖表明共振峰位與外加電源的關聯性。

c) 厚度對氮空位(NVs)與管狀金剛石共振器之間耦合強度的影響；紅線表明Q-因子和管壁厚度的關系圖，黑線表明管直徑與管壁厚度的關系圖。

d) 在室溫下具有不同偏振結構的金剛石微米管的光致發光測試。

【小結】

綜上所述，研究人員已經開發出一種通過螺旋納米結晶金剛石薄膜成三維結構，包括單根的管狀、三維鋸齒絲帶、螺旋管、管中管和環中環等選擇性蝕刻嵌段物。NC-金剛石的抗張強度隨著薄膜厚度的減少而下降，從而實現更大角度范圍的螺旋或彎曲。有趣的是，在螺旋結構中發現金剛石薄可以實現定向旋轉，而且旋轉的NC-金剛石管狀微腔表現出強烈且穩定的光學感應和光致發光效應。這種新的工藝可以應用于包括金剛石在內的無機硬質材料；另外，這種卷狀螺旋工藝在自組裝以及金剛石或其他硬質納米薄膜的組裝方面具有巨大的前景。

文獻鏈接：Deterministic Self-Rolling of Ultrathin Nanocrystalline?Diamond Nanomembranes for 3D Tubular/Helical Architecture?（Adv. Mat., 2017, DOI: 10.1002/adma.201604572）

該文獻匯總由材料人編輯部納米學術組王暢供稿，材料牛編輯整理。

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