Chem. Mater. & Adv Mater. 一杯水中的纳米世界：低维半导体的绿色合成研究

【引言】

以石墨烯、MXene、h-BN等为代表的二维纳米材料在光、电子领域广为流行，一方面得益于尺度效应赋予它们的独特性能；另一方面，可以归功于这些层状结构材料易于合成，甚至可以通过机械剥离的方法快速获得。在二维材料的繁华背后，传统光、电功能材料，如金属氧化物半导体，本应同享盛誉，但是由于它们通常以三维晶体结构稳定存在，其低维化较为困难。目前的高能合成方法过程复杂、成本高、且具有潜在的环境不友好因素，导致原子尺度的低维金属氧化物材料发展缓慢，它们在尺度效应下可能具有的独特魅力还不为人所尽知。目前仍需要快速、简便、绿色的合成方法帮助研究者开展低维金属氧化物半导体的研究，以便揭开它们潜藏特性的面纱。

【成果简介】

东华大学王宏志教授领衔的AFMG课题组与丹麦技术大学紧密合作，设计了一种通用的“无试剂化学合成”方法用以制备低维金属氧化物半导体纳米材料（Reagent-Free Synthesis and Plasmonic Antioxidation of Unique Nanostructured Metal-Metal Oxide Core-Shell Microfibers, Advanced Materials, 2016, 28, 4097-4104）。这种方法仅需要金属电极、一杯清水、一个电池，在室温下半小时内即可完成合成反应。人人都能使用这种方法随时随地获得一杯无色透明、但是饱含低维金属氧化物的“矿泉水”。通过金属电极材料晶体结构的选择，研究团队合成了仅1nm厚（~8个原子层）、数十微米大小的自支撑氧化锌纳米薄膜，这是迄今最薄的自支撑金属氧化物材料之一（Reagent-Free Electrophoretic Synthesis of Few-Atom-Thick Metal Oxide Nanosheets, Chemistry of Materials, 2017, 29, 1439-1446）。由此引发的尺度效应极大地提高了氧化锌薄膜的带隙，测量值（~4.1eV）超出了同类材料已有报道的范围，这为氧化锌纳米薄膜在光、电子领域的应用提供了新的可能。

【图文导读】

图1  “无试剂”化学合成金属氧化物纳米材料的示意图

目标金属用作阳极，而不同种类的导电材料可以用作阴极，尽管只有Pt被豁免。两个电极之间的间隙从微米变化到厘米（3-26Vcm^-1的直流场强度，但不限于该范围）。

图2  “无试剂”化学合成的1nm厚氧化锌纳米薄膜

（a）覆盖在电极上的透明ZnO水凝胶薄层的照片。插页示出了放大的图像，其中ZnO水凝胶层在电极的边缘是可见；

（b）来自（110）面衍射斑点的IFFT图像，示出了良好排列（100）面和排列（002）面。IFFT图像对应于面板d;

（c）优化QD的原子成像。从厚度方向看侧面。该厚度与ZnO（0.52nm）c轴中单位参数的值的两倍相匹配。表明量子点，纳米带和纳米片只有9原子厚，即2D原子材料。

图3  从0维到3维：“无试剂”化学合成的多种形态金属氧化物半导体材料

图示：0维到3维：“无试剂”化学合成的多种形态金属氧化物半导体材料及显示ZnO气凝胶的3D多孔结构的SEM图像

【小结】

该研究团队首次观察到纯水反应池中材料从零维量子点、一维纳米线、二维纳米薄膜到三维宏观纤维及凝胶的组装过程。通过高分辨的过程研究，团队提出了晶面极性诱导组装和电偶极矩诱导组装两种机理，可解释不同晶体结构的低维金属氧化物的合成。该绿色合成方法也被证实适用于多种过渡金属氧化物半导体纳米材料的制备。

文献链接：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)

【王宏志教授简介】

王宏志，工学博士，现任东华大学材料科学与工程学院副院长，纤维改性国家重点实验室纤维改性国家重点实验室教授，博士生导师，先进功能材料课题组组长。中国材料研究学会青年理事会常务理事，中国硅酸盐学会特种陶瓷分会理事，国家眼镜玻璃搪瓷制品质量监督检验中心技术委员会委员，上海稀土学会理事，《Scientific Reports》编委会成员(2015)。上海市高校特聘教授(东方学者)跟踪计划、教育部新世纪优秀人才支持计划、上海市曙光学者、浦江人才计划获得者。1998年在上海硅酸盐研究所获得博士学位后，于2000年前往日本产学技术综合研究所工作5年，并于2005年归国进入东华大学工作。多年来针对多种无机光电功能材料，深入开展了无机材料的组分设计、微观结构控制、宏观形态组装以及光电性能调控的研究，在纤维的智能显色与变色、基于微流控快速生物检测器件、LED用荧光纤维膜/玻璃、石墨烯基柔性超级电容器/传感器等方面开展了一系列创新性的工作，推动了相关领域的学术发展。目前，以通讯作者身份在Chemical Society Reviews, Advanced Materials, Science Advances，Advanced Functional Materials, Nano Energy, Small，NPG Asia Materials等期刊发表SCI收录论文近200篇，申请中国发明专利60项，其中授权39项，担任承担国家级、省部级科研项目10余项，指导博士生研究生21人，指导硕士生29人。课题组网址：http://afmg.dhu.edu.cn/。

本文由王宏志教授课题组侯成义讲师投稿，感谢推荐。欢迎加入材料人编辑部纳米材料学术交流群（228686798）！

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