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实时成像!记录超晶格形成全过程
金陵 2017-09-11
导语

“解释这个过程如何发生、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。”

研究人员首次通过实时成像记录了纳米晶体高速形成超晶格的过程。这项全新的技术不仅可以观察纳米晶体如何在几秒内形成超晶格,还可以寻找新的办法控制超晶格结构,进一步提高超晶格的电子性能。

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

超晶格是指纳米材料层层交替、整齐排列组成的晶体结构。普通方法制造超晶格,一般需要消耗数十年的时间,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快得多。

而在前不久,《自然》杂志上发表的研究显示,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。

“解释这个过程如何发生、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)在接受采访时说。

首次发现晶体快速生长的行为,是在去年合成钯纳米晶体的时候。初步的研究也证明了相似的机理可以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,唯一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和所在的团队认为,成像观察该晶体生长过程,有利于控制晶体生长。

“我们现在已经理解了其中与力相关的一些原理,现在正在研究自组装过程中遵循的原理,”与Cargnello共同领导该研究的Chris Tassone在采访中说,“发现基本原理后,我们就能在更复杂的体系中准确地应对这个过程,尤其是在那些拥有多种类型的纳米晶体的体系中。这些体系中可能存在更复杂,属性更奇特的超级晶体。”

不过,科学家们也承认,要实现这个目标还有很长的路要走,研究同质体系中自组装过程也需要投入大量的精力。

“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,这些微小的结构是如何相互作用,如何存储能量或者信息的,以及如何在新组成的材料组中实现光吸收和电子传递的。”Cargnello说。

不过这项研究涉及到的很多根本性问题还没有解决。例如,纳米晶体是如何在有序组合体中继续生长的,以及它们应该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它们的特性,而且在成像的过程中获取的信息,也让他们获得了意想不到的收获。

给晶体生长过程成像时用到了一种叫做小角X射线散射的技术。这种技术的工作原理是先用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)“反射”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)。

“这并不是一项全新的技术。相反,这种技术在应用于观察溶液中的纳米晶体时,已经很有几年了。但是,这是首次把这项技术用在实时观察纳米晶体的生长上,而且是在实验室制备纳米晶体的同一溶液中进行的观察,”Cargnello说,“现在,我们能全程观察纳米晶体生长的过程,所以我们可以理解很多之前不明白的原理,比如为什么它能在生长过程中组成有序材料(超晶格),并且一直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。

在最后,Cargnello还说:“我们现在对催化过程极为感兴趣,因为在催化过程下,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其他必须的化学品,为可持续的未来创造机遇。”

文章链接:

Liheng Wu,et al, "High-temperature crystallization of nanocrystals into three-dimensional superlattices," Nature 548, 197–201 (10 August 2017) doi:10.1038/nature23308

(本文来源:微信号“创新地标”,翻译:赵小娜,e科网经授权转载;)

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  • 超晶格
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作者 金陵

本科生

北京大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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