楊培東Nano Letters：超薄金納米線的原子結構

【摘要】

最近美國加州大學伯克利分校楊培東等人利用硅烷調節的方法制備了高質量的超薄金納米線，并且用球差矯正高分辨電鏡測定了含有配體的納米線的表面形貌。他們發現納米中存在大量的層錯，當用電子束照射時層錯會發生變化同時納米線發生頸縮和斷裂。他們還得出了納米線合并的動力學機制。

【解讀】

超薄金納米線由于其高表面積和優異的性能成為納米科學的研究熱點，但現在合成高質量的超薄納米線還有一定的困難，并且它的生長機制還不是很清楚，另外用高分辨透射電鏡來表征它的結構是很困難的，因為在電子束的轟擊下金納米線會斷裂。

目前的研究沒有考慮到納米線中的缺陷和納米線表面的配體，實際上缺陷和配體是存在的，因此有必要研究新合成的納米線結構。

【實驗結果】

1、合成機理

用三異丙基硅烷和油胺緩慢將金從化合態還原成金屬態，因為油胺優先吸附在金的{100}晶面上，限制了金核在這些方向的生長，金核只能在<111>晶向上生長，最后長成納米線。

圖1 超薄金納米線的合成和表征：(a)金納米線的合成示意圖； (b)低倍TEM圖； (c)球差矯正高分辨電鏡圖； (d) c圖中紅色方框內的放大圖； (e)模擬圖； (f) [111]晶向的結構模型

2、結構測定和應力分析

金納米線主體是FCC結構，但是包含大量的孿晶界（TB）和層錯（SF）（包括抽出型層錯（ISF）和插入型層錯（ESF））。

當用電子束照射時，納米線上不同的地方發生沿{111}晶面的切變，使納米線不斷頸縮最終斷裂成3段，斷裂后納米線會發生局部的傾斜。斷裂后最上面的一段成為完全的FCC結構，而下面的兩段中層錯自動轉化為孿晶界，這是因為孿晶界的能量比層錯要低。

實驗表明，納米線斷裂與孿晶界或者層錯的關系不大，但與應力分布和納米線的直徑的大小有關，當納米線斷裂時里面的應力立即被釋放掉并且納米線的直徑增大，可以推斷納米線的斷裂機制為：宏觀上表現為表面積收縮以減少自由能，微觀上則是納米線的直徑不均勻并且有應力集中。

圖2 用球差矯正高分辨電鏡進行的缺陷和應力分析 ：（a）斷裂前； （c）斷裂后； （e）電子束進一步照射后；（b）（d）（f）分別為對應的應力分布。彩色條表示應變百分數，（b）中紅圈為頸縮點

3、表面配體的觀察和納米線的合并

有三點實驗結果可以支持表面配體的存在：第一，納米線平行排列，它們之間的距離大約為2nm；第二，納米線表面有鏈狀的特征；第三，原位觀察到的納米線表面形貌的演變。

實驗還研究了納米線的合并機制：首先納米線斷裂，然后在電子束的照射下配體被破壞金屬表面露出來，接著納米片段相互靠近并且發生表面擴散，最后完全融合并且缺陷消失。

圖3 金納米線的表面配體 （a）排列整齊的納米線和它們中間的配體 （b）a中黃色方框中的放大圖，點畫線為鏈狀特征 （c）納米線表面的單個油胺配體模擬圖 （d，e）原位觀察到的鏈狀特征的移動和納米線的斷裂，箭頭表示納米點移動方向，點畫線圍住的為單層石墨烯薄膜。

圖4 金納米線的合并。（b）中的內置圖為小方框中的放大圖，清晰的表明了原子的擴散通道，（d）中的箭頭指向位錯。

【總結】

楊培東等人通過硅烷調節法成功合成了高質量的超薄金納米線，并用球差矯正高分辨電鏡對納米線的結構進行了詳細的研究，結果表明：納米線中存在大量缺陷，用電子束照射時缺陷移動形成頸縮并導致納米線斷裂，斷裂的主要原因是應力，納米線的表面有鏈狀的配體存在。

該研究成果于2016年4月12號發表在材料科學頂級期刊Nano Letters上，論文鏈接：Atomic Structure of Ultrathin Gold Nanowires

本文由材料人科普團隊學術組CZM供稿，材料牛編輯整理。

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