杨培东Nano Letters：超薄金纳米线的原子结构

【摘要】

最近美国加州大学伯克利分校杨培东等人利用硅烷调节的方法制备了高质量的超薄金纳米线，并且用球差矫正高分辨电镜测定了含有配体的纳米线的表面形貌。他们发现纳米中存在大量的层错，当用电子束照射时层错会发生变化同时纳米线发生颈缩和断裂。他们还得出了纳米线合并的动力学机制。

【解读】

超薄金纳米线由于其高表面积和优异的性能成为纳米科学的研究热点，但现在合成高质量的超薄纳米线还有一定的困难，并且它的生长机制还不是很清楚，另外用高分辨透射电镜来表征它的结构是很困难的，因为在电子束的轰击下金纳米线会断裂。

目前的研究没有考虑到纳米线中的缺陷和纳米线表面的配体，实际上缺陷和配体是存在的，因此有必要研究新合成的纳米线结构。

【实验结果】

1、合成机理

用三异丙基硅烷和油胺缓慢将金从化合态还原成金属态，因为油胺优先吸附在金的{100}晶面上，限制了金核在这些方向的生长，金核只能在<111>晶向上生长，最后长成纳米线。

图1 超薄金纳米线的合成和表征：(a)金纳米线的合成示意图； (b)低倍TEM图； (c)球差矫正高分辨电镜图； (d) c图中红色方框内的放大图； (e)模拟图； (f) [111]晶向的结构模型

2、结构测定和应力分析

金纳米线主体是FCC结构，但是包含大量的孪晶界（TB）和层错（SF）（包括抽出型层错（ISF）和插入型层错（ESF））。

当用电子束照射时，纳米线上不同的地方发生沿{111}晶面的切变，使纳米线不断颈缩最终断裂成3段，断裂后纳米线会发生局部的倾斜。断裂后最上面的一段成为完全的FCC结构，而下面的两段中层错自动转化为孪晶界，这是因为孪晶界的能量比层错要低。

实验表明，纳米线断裂与孪晶界或者层错的关系不大，但与应力分布和纳米线的直径的大小有关，当纳米线断裂时里面的应力立即被释放掉并且纳米线的直径增大，可以推断纳米线的断裂机制为：宏观上表现为表面积收缩以减少自由能，微观上则是纳米线的直径不均匀并且有应力集中。

图2 用球差矫正高分辨电镜进行的缺陷和应力分析 ：（a）断裂前； （c）断裂后； （e）电子束进一步照射后；（b）（d）（f）分别为对应的应力分布。彩色条表示应变百分数，（b）中红圈为颈缩点

3、表面配体的观察和纳米线的合并

有三点实验结果可以支持表面配体的存在：第一，纳米线平行排列，它们之间的距离大约为2nm；第二，纳米线表面有链状的特征；第三，原位观察到的纳米线表面形貌的演变。

实验还研究了纳米线的合并机制：首先纳米线断裂，然后在电子束的照射下配体被破坏金属表面露出来，接着纳米片段相互靠近并且发生表面扩散，最后完全融合并且缺陷消失。

图3 金纳米线的表面配体 （a）排列整齐的纳米线和它们中间的配体 （b）a中黄色方框中的放大图，点画线为链状特征 （c）纳米线表面的单个油胺配体模拟图 （d，e）原位观察到的链状特征的移动和纳米线的断裂，箭头表示纳米点移动方向，点画线围住的为单层石墨烯薄膜。

图4 金纳米线的合并。（b）中的内置图为小方框中的放大图，清晰的表明了原子的扩散通道，（d）中的箭头指向位错。

【总结】

杨培东等人通过硅烷调节法成功合成了高质量的超薄金纳米线，并用球差矫正高分辨电镜对纳米线的结构进行了详细的研究，结果表明：纳米线中存在大量缺陷，用电子束照射时缺陷移动形成颈缩并导致纳米线断裂，断裂的主要原因是应力，纳米线的表面有链状的配体存在。

该研究成果于2016年4月12号发表在材料科学顶级期刊Nano Letters上，论文链接：Atomic Structure of Ultrathin Gold Nanowires

本文由材料人科普团队学术组CZM供稿，材料牛编辑整理。

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