Chem. Mater. & Adv Mater. 一杯水中的納米世界：低維半導體的綠色合成研究

【引言】

以石墨烯、MXene、h-BN等為代表的二維納米材料在光、電子領域廣為流行，一方面得益于尺度效應賦予它們的獨特性能；另一方面，可以歸功于這些層狀結構材料易于合成，甚至可以通過機械剝離的方法快速獲得。在二維材料的繁華背后，傳統光、電功能材料，如金屬氧化物半導體，本應同享盛譽，但是由于它們通常以三維晶體結構穩定存在，其低維化較為困難。目前的高能合成方法過程復雜、成本高、且具有潛在的環境不友好因素，導致原子尺度的低維金屬氧化物材料發展緩慢，它們在尺度效應下可能具有的獨特魅力還不為人所盡知。目前仍需要快速、簡便、綠色的合成方法幫助研究者開展低維金屬氧化物半導體的研究，以便揭開它們潛藏特性的面紗。

【成果簡介】

東華大學王宏志教授領銜的AFMG課題組與丹麥技術大學緊密合作，設計了一種通用的“無試劑化學合成”方法用以制備低維金屬氧化物半導體納米材料（Reagent-Free Synthesis and Plasmonic Antioxidation of Unique Nanostructured Metal-Metal Oxide Core-Shell Microfibers, Advanced Materials, 2016, 28, 4097-4104）。這種方法僅需要金屬電極、一杯清水、一個電池，在室溫下半小時內即可完成合成反應。人人都能使用這種方法隨時隨地獲得一杯無色透明、但是飽含低維金屬氧化物的“礦泉水”。通過金屬電極材料晶體結構的選擇，研究團隊合成了僅1nm厚（~8個原子層）、數十微米大小的自支撐氧化鋅納米薄膜，這是迄今最薄的自支撐金屬氧化物材料之一（Reagent-Free Electrophoretic Synthesis of Few-Atom-Thick Metal Oxide Nanosheets, Chemistry of Materials, 2017, 29, 1439-1446）。由此引發的尺度效應極大地提高了氧化鋅薄膜的帶隙，測量值（~4.1eV）超出了同類材料已有報道的范圍，這為氧化鋅納米薄膜在光、電子領域的應用提供了新的可能。

【圖文導讀】

圖1 ?“無試劑”化學合成金屬氧化物納米材料的示意圖

目標金屬用作陽極，而不同種類的導電材料可以用作陰極，盡管只有Pt被豁免。兩個電極之間的間隙從微米變化到厘米（3-26Vcm^-1的直流場強度，但不限于該范圍）。

圖2 ?“無試劑”化學合成的1nm厚氧化鋅納米薄膜

（a）覆蓋在電極上的透明ZnO水凝膠薄層的照片。插頁示出了放大的圖像，其中ZnO水凝膠層在電極的邊緣是可見；

（b）來自（110）面衍射斑點的IFFT圖像，示出了良好排列（100）面和排列（002）面。IFFT圖像對應于面板d;

（c）優化QD的原子成像。從厚度方向看側面。該厚度與ZnO（0.52nm）c軸中單位參數的值的兩倍相匹配。表明量子點，納米帶和納米片只有9原子厚，即2D原子材料。

圖3 ?從0維到3維：“無試劑”化學合成的多種形態金屬氧化物半導體材料

圖示：0維到3維：“無試劑”化學合成的多種形態金屬氧化物半導體材料及顯示ZnO氣凝膠的3D多孔結構的SEM圖像

【小結】

該研究團隊首次觀察到純水反應池中材料從零維量子點、一維納米線、二維納米薄膜到三維宏觀纖維及凝膠的組裝過程。通過高分辨的過程研究，團隊提出了晶面極性誘導組裝和電偶極矩誘導組裝兩種機理，可解釋不同晶體結構的低維金屬氧化物的合成。該綠色合成方法也被證實適用于多種過渡金屬氧化物半導體納米材料的制備。

文獻鏈接：Reagent-Free Electrophoretic Synthesis of Few-Atom-Thick Metal Oxide Nanosheets?(Chem. Mater.,?2017, DOI: 10.1021/acs.chemmater.7b00188）

Reagent-Free Synthesis and Plasmonic Antioxidation of Unique Nanostructured Metal-Metal Oxide Core-Shell Microfibers(Adv Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201505990)

【王宏志教授簡介】

王宏志，工學博士，現任東華大學材料科學與工程學院副院長，纖維改性國家重點實驗室纖維改性國家重點實驗室教授，博士生導師，先進功能材料課題組組長。中國材料研究學會青年理事會常務理事，中國硅酸鹽學會特種陶瓷分會理事，國家眼鏡玻璃搪瓷制品質量監督檢驗中心技術委員會委員，上海稀土學會理事，《Scientific Reports》編委會成員(2015)。上海市高校特聘教授(東方學者)跟蹤計劃、教育部新世紀優秀人才支持計劃、上海市曙光學者、浦江人才計劃獲得者。1998年在上海硅酸鹽研究所獲得博士學位后，于2000年前往日本產學技術綜合研究所工作5年，并于2005年歸國進入東華大學工作。多年來針對多種無機光電功能材料，深入開展了無機材料的組分設計、微觀結構控制、宏觀形態組裝以及光電性能調控的研究，在纖維的智能顯色與變色、基于微流控快速生物檢測器件、LED用熒光纖維膜/玻璃、石墨烯基柔性超級電容器/傳感器等方面開展了一系列創新性的工作，推動了相關領域的學術發展。目前，以通訊作者身份在Chemical Society Reviews, Advanced Materials, Science Advances，Advanced Functional Materials, Nano Energy, Small，NPG Asia Materials等期刊發表SCI收錄論文近200篇，申請中國發明專利60項，其中授權39項，擔任承擔國家級、省部級科研項目10余項，指導博士生研究生21人，指導碩士生29人。課題組網址：http://afmg.dhu.edu.cn/。

本文由王宏志教授課題組侯成義講師投稿，感謝推薦。歡迎加入材料人編輯部納米材料學術交流群（228686798）！

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