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我校物理科学与技术学院青年教师安钦伟在国际顶级期刊《自然·材料》发表原创性研究结果,提出低维量子结构设计新机制!

阅读次数:日期:2023-07-14

北京时间2023年7月13日,健身房被疯狂双龙bl多大大电影网安钦伟课题组在《自然·材料(NatureMaterials)》杂志上在线发表题为“Direct growth of single-chiral-angle tungsten disulfide nanotubes using gold nanoparticle catalysts” 的研究论文。此项研究在国际上首次提出了一种基于金纳米颗粒催化的过渡金属硫族化合物纳米管生长新机制,实现了单手性角WS2和WSe2纳米管的一步生长,并成功揭示了纳米管手性特性与其结构驰豫、光学和电学性质的关系,为过渡金属硫族化合物纳米管的结构调控和物性研究提供了新的思路。

西北工业大学为第一署名单位。安钦伟副教授为论文第一作者,安钦伟副教授和武汉大学袁声军教授为论文共同通讯作者。武汉大学博士后熊文奇和博士研究生吕鹏飞,南京航空航天大学胡峰副教授,普渡大学博士研究生俞祎康,河南科学院何小波博士和西北工业大学胡思奇博士,甘雪涛教授和赵建林教授为共同作者。

“一步生长”+“ 手性可控”,30年追寻终成真

过渡金属硫化物纳米管可以可等效为二维过渡金属硫化物沿特定方向卷曲而成的一维管状结构,具有很多相较于其二维和三维结构的独特性质。早在1992年,过渡金属硫化物纳米管就被Reshef Tenne教授首次发现,其制备方法主要基于过渡金属氧化物纳米线表面硫化反应形成多层纳米管结构。该制备方法过程繁多,难以控制,制备的纳米管结构随机,无法调控。导致过去的30年过渡金属硫化物纳米管在手性控制、手性相关的物性研究以及器件应用方面进展缓慢。相比1991年发现的碳纳米管过去30年的蓬勃发展,过渡金属硫族化合物纳米管的发展几乎处于停滞状态。阻碍其发展的主要“瓶颈”可以归结为:缺乏对过渡金属硫化物纳米管简单有效的生长方法和手性调控策略。

我校青年教师安钦伟首次在实验中实现了WS2和WS2纳米管的一步生长和手性调控,其中金纳米颗粒的引入是实现一步生长的关键。金纳米颗粒作为一维半导体纳米线和碳纳米管制备中的常用催化剂,被大量应用和推广。但是金纳米颗粒对WS2和WSe2等过渡金属硫族化合物纳米管的生长是否有效,从未被提及。安钦伟首次尝试将金纳米颗粒引入过渡金属硫族化合物的化学气相沉积反应中,通过反应参数不断调试和探索,实现了WS2和WSe2纳米管一步生长。进一步生长机制和动力学研究,揭示了金纳米颗粒在过渡金属硫族化合物纳米管早期成核和生长过程中的独特作用。

同时研究团队发现生长衬底温度的微小调控将导致完全不同的两种生长机制和纳米管不同的手性特性,首次实现单手性角纳米管的生长和过渡金属硫化物纳米管的手性控制,为进一步实验研究手性与其结构驰豫、光学与电学等物性之间的关系奠定了实验基础。武汉大学袁声军教授理论团队利用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算了单手性角和多手性角硫化钨纳米管的电子能带,进一步揭示了电子能带与硫化钨纳米管层数、直径和手性角之间的关系提供了理论支持。

图1.以金纳米颗粒催化辅助的硫化钨纳米管生长示意图:步骤1-2:二维硫化钨结构在硅衬底外延生长;步骤3-4:金纳米颗粒的存在使硫化钨在其表面沉积并形成金颗粒-单层硫化钨壳层结构;不同的生长衬底温度决定两种不同的生长机制:5:界面生长模式对应单手性角纳米管的生长(~835–840 °C)和6:表面生长模式对应多手性角纳米管的生长(~840–845 °C)。

安钦伟课题组(西北工业大学新型量子结构设计和物态调控实验室)长期致力于过渡金属硫族化合物纳米管可控生长、手性调控、物性研究和量子器件研究。

课题组主页:https://www.x-mol.com/groups/an_qinwei

该研究得到了国家自然科学基金青年和面上项目以及中央高校基本科研经费的资助支持。

近年来,物理科学与技术学院深入贯彻落实中央和教育部关于基础物理研究的决策部署,鼓励拔尖青年人才挑战科学难题开展“从0到1” 原创性基础研究,依托国家重大需求和我校国防科技特色,积极开展交叉学科研究,促进“理工融合”,服务“三航”领域的科技创新。指导青年教师开展有组织科研工作,先后在材料、光学和物理等领域做出了众多原创性成果。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41563-023-01590-5

News & Views评述文章链接:https://www.nature.com/articles/s41563-023-01609-x

(文:安钦伟,闫娜:审核:晁小荣)