中科大俞书宏院士/倪勇/刘建伟,最新Nature子刊!

华算科技 2024-04-25 14:45:49

成果简介

一维分段异质纳米结构(one-dimensional segmented heteronanostructures, 1D-SHs)具有独特的结构、在组合物和界面之间的协同作用,其应用前景广阔。然而,开发一种简单、通用和可控的合成方法来制造1D-SHs还是一个挑战。基于此,中国科学技术大学俞书宏院士、倪勇教授和刘建伟教授(共同通讯作者)等人报道了基于化学计量条件下的反应策略,开发了一种简单而通用的溶液合成1D碲化物SHs的方法。

作者合成了大约25个周期性1D SHs,包括17个纳米线-纳米线(NW-NW)和8个涉及13种元素的纳米线-纳米管(NW-NT)纳米结构。 具体而言,作者通过相场模型建立了应力诱导的有序机制,以描述从较差有序条纹到周期性的有序演化的合理化,并进一步提出了孤立生成、条纹穿透和分段有序三阶段演化过程。为证明分段异质结构的优越性,作者选择了Ag2Te/PbTe SHs作为热电性能测试的原型。目前的方法可能会影响功能导向纳米材料的制备以及对1D复杂的纳米结构中周期性、有序性的理解。

研究背景

由于不同组分和界面之间的协同效应,1D-SHs的规则图形设计至关重要。非均相界面决定了多组分之间的电子和磁耦合,促进了光催化水分解过程中的电子/空穴输运和热电应用中的声子散射。因此,合理设计和精确合成1D-SHs对下一代纳米结构在许多领域的应用具有决定性作用。科研人员开发了气-液-固生长、液-液-固生长等方法来制造1D-SHs,但对分割组合、分段分离和接口类型的额外控制还是一个巨大的问题。同时,这些前驱体顺序添加、扩散限制有序和应变诱导的反应机制,值得进一步完善纳米尺度的生长机制。 碲化物材料在理论体积容量和导电性方面具有显著优势,使其成为不同储能和光电子应用的有希望候选者,同时碲化物的密度高,可产生更高的体积能量密度。因此,构建一个简单、可扩展的平台来形成1D碲化物SHs库,解释它们的整个演化机制,并探索它们有前景的应用,已成为一个关键问题。

图文导读

在NW溶液中,加入络合剂NH4SCN和低于化学计量量的Ag+后,反应在几分钟内完成,颜色由淡黄色变为褐色,表明制备的Te/Ag2Te NWs显示出分段的非均质纳米结构。根据EDS映射看出,Te/Ag2Te NWs具有Te轴向均匀分布和Ag离散分布的特征。晶格间距为0.194 nm和0.201 nm,分别指向Te平面和Ag2Te(100)平面。原子界面视图表明,Te和Ag2Te独立形成它们的晶格,表明Ag2Te的面与Te的{001}面结合。此外,Te/Ag2Te中Te 3d5/2的结合能为575.95 eV,Te和Ag2Te的结合能分别为575.84和576.06 eV。

图1. Te/Ag2Te SHs的形态和结构表征

图2.探究Te/Ag2Te SHs超晶格的形成过程

作者系统研究了Te/Ag2Te SHs从无序条纹纳米结构向有序分段异质纳米结构的转变,以揭示Te/Ag2Te SHs有序的潜在机制。通过理论模拟发现,距离较近的片段相互吸引并融合成一个连续体,距离较远的片段相互排斥,最终形成片段Te/Ag2Te。作者选择了两段Ag2Te(棕色)、一段Te(橄榄色)和周围的Ag+溶液(蓝色)进行研究。灰色球代表自由迁移的Ag+,白色球是已迁移到Te段的Ag+,而红色球是由于高迁移率和平衡而移回Ag2Te段的Ag,黑色箭头表示Ag+在NW固体和周围溶液之间的迁移。在产生无序条纹后,在理想的Te/Ag2Te纳米结构中Te相中没有Ag。在弛豫过程中,由于Ag的高迁移率,Ag2Te片段中的Ag扩散到邻近的Te中。

图3. Te/Ag2Te SHs的有序演化

图4.化学转化和获得的1D SHs

作者选择Ag2Te/PbTe SHs作为模型,从概念上展示轴向SHs的性能。对比PbTe基热电纳米材料的低/中温窗口,Ag2Te/PbTe SHs在625 K时的seebeck系数为159 µV K-1,功率因数达到130 µW m-1 K2。值得注意的是,由于界面的非均质性,Ag2Te/PbTe SHs比PbTe-Ag2Te NW混合物具有更高的功率因数。载流子在SHs中的轴向运动,特别是从Ag2Te到PbTe的跃迁,会在异质界面处出现能量态不匹配的问题。

图5. Ag2Te/PbTe 1D SHs的热电性能和能带结构

文献信息

Stress-induced ordering evolution of 1D segmented heteronanostructures and their chemical post-transformations. Nature Communications, 2024, DOI: 10.1038/s41467-024-47446-7.

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