“边缘能”使三维纳米颗粒生长成二维材料！

导读

据美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）官网近日报道，该实验室科学家领导的团队，提出了有关在三维过渡金属氧化物纳米颗粒的自然“边缘”进行二维生长的宝贵见解。

背景

2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）用一种简单方法，从石墨薄片中剥离出了石墨烯，为此，他们二人也荣获了2010年的诺贝尔物理学奖。

（图片来源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）

从那时起，这种具有卓越强度以及电气特性的原子级薄度材料，启发全世界科学家去设计新型二维材料，并使之广泛应用于各个领域，从可再生能源和催化剂到微电子器件。

用石墨烯制作的柔性超级电容（图片来源：曼彻斯特大学）

用二硫化钼制成的超薄柔性微处理器（图片来源：Stefan Wachter/维也纳技术大学）

像石墨烯这样的材料中，二维结构是自然形成的。然而，某些科学家试图通过称为“过渡金属氧化物”的半导体来制造二维材料。这种化合物由氧原子绑定过渡金属例如钴组成。但是，虽然科学家们很早就知道如何制造过渡金属氧化物的纳米颗粒，但是却没人找到一种可控的方法，用这些三维纳米颗粒生长纳米片，而这种纳米片就是只有几个原子厚度的超薄二维材料。

创新

近日，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的科学家领导的团队，提出了有关在三维过渡金属氧化物纳米颗粒的自然“边缘”进行二维生长的宝贵见解。他们的发现在《自然材料（Nature Materials）》中得到报道。

技术

这篇论文的共同通讯作者 Haimei Zheng 及其团队，采用伯克利实验室分子铸造厂中的液相透射电子显微镜（TEM）进行实验室，直接观察到氧化钴纳米颗粒在溶液中的动态生长，以及它们随后转化为平面的二维纳米片。

伯克利实验室材料科学部门的资深科学家、这项研究的领导者 Zheng 表示：“这种三维到二维的转变，很像在平底锅里煎蛋时蛋清扩散的状况。”

三维氧化钴纳米颗粒生长成二维纳米片的示意图（图片来源: Haimei Zheng/伯克利实验室）

Zheng 解释道，在之前的研究中，科学家们假设只有两个主要因素：来自纳米颗粒体积的体积能和纳米颗粒的表面能，会驱动纳米颗粒生长成三维形状。

但是共同通信作者 Lin-Wang Wang 领导的计算，揭示了之前被忽略的另一种能量“边缘能”。在一个小方面状的矩形纳米颗粒，例如过渡金属氧化物纳米颗粒中，小方面的边缘也在为纳米颗粒的生长与成形贡献能量（在这个案例中是正能量）。但是，为了过渡金属氧化物生长成二维纳米片，表面能必须为负。

Wang 表示：“这两个能量（一个正，一个负）之间的平衡，决定了形状的变化。”他解释道，对于较小的纳米颗粒来说，正边缘能获胜，从而产生紧凑的三维形状。但是，当氧化钴纳米颗粒长到更大时，它们最终会达到一个临界点，使得负能量获胜，从而生成二维纳米片。伯克利实验室材料科学部门的资深科学家 Wang 在伯克利实验室国家能源研究科学计算中心（NERSC）的超级计算机上为这项研究进行了计算。

Zheng 补充道，揭开这些生长途径，包括三维到二维的转变，为采用具有不规则原子结构的成分，简化设计这些奇异的新材料提供了新机遇。这些成分，例如过渡金属氧化物，比石墨烯更难合成多层二维器件。

从溶液生长三维纳米颗粒，以及三维纳米颗粒转化为二维纳米片的图解（图片来源: Haimei Zheng/伯克利实验室）

价值

Zheng 及其团队总结道，用传统电子显微镜无法完成这项研究。研究人员采用分子铸造厂的液相 TEM，就可以将液体样本封装在特殊设计的液体池中，研究原子级薄度的材料在溶液中的生长情况。这个池防止了样本在电子显微镜的高真空中坍塌。

论文第一作者、中国大连理工大学的  Juan Yang（这项研究期间在伯克利实验室作为访问博士研究员）表示：“如果没有这种原位观察，我们将无法了解这样的生长途径。这一发现将改变我们未来对于具备表面增强催化性能的材料的设计，以及未来的传感应用。”

未来

下一步，研究人员们将专注采用液体池 TEM 生长更复杂的二维材料，例如异质结构，这种结构就像不同特性的分层材料组成的三明治。

Zheng 于2009年率先在伯克利实验室采用了液体池 TEM。他说：“就像一名受到一棵古老巨型红木生长方式启发的建筑师，材料科学家也受到了启发，以设计更复杂的能量存储结构。但是，它们为什么会那样生长？我们在伯克利实验室的强项就是，可以在原子水平研究它们，并实时观察它们的生长，并搞清楚有利于设计更好的材料的机制。”

关键字

二维材料、石墨烯、显微镜

参考资料

【1】Juan Yang et al. Formation of two-dimensional transition metal oxide nanosheets with nanoparticles as intermediates, Nature Materials (2019). DOI: 10.1038/s41563-019-0415-3
【2】https://newscenter.lbl.gov/2019/10/24/how-a-2d-material-got-its-shape/

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