武汉大学付磊课题组Chem：我有一个美丽的愿望，长大以后能播种……石墨烯

副标题：液态金属中金属氧化物纳米粒子自组装实现石墨烯单晶的批量播种

在原子尺度上随心所欲地实现可控有序自组装是人类的一个梦想。将纳米粒子组装成有序的阵列结构能产生基元单体不具备的集群性能，在很多领域都有着巨大的应用潜景。静电相互作用是一种远程力，在不同尺度上均发挥着关键作用，小至离子晶体的形成，大到大分子复杂的自组装。分散在水溶液中的纳米粒子由于电离作用而携带电荷是一种常见的现象，纳米粒子间的静电相互作用不仅能促使组装为超结构，还能以吸引力和排斥力的形式来调控自组装。因此，合理设计和控制粒子间的静电相互作用是实现有效自组装的一个关键。近年来，有研究工作指出金属氧化物和液态金属间由于存在功函差异会发生显著的充电现象，这不禁引人思考，纳米粒子在液态金属中是否也能如水溶液体系般发生自组装呢？

武汉大学付磊教授（点击查看介绍）的先进纳米材料实验室（LAN）率先在这一领域取得了突破，他们首次实现了金属氧化物纳米粒子在液态金属表面的自组装。他们选用的研究对象是含有氧化铝纳米粒子的工业铜，当铜在高温下处于融化状态时，液态铜与氧化铝相互接触，由于二者功函差异电子会从氧化铝流向铜直至费米能级达到平衡。液态铜的流动性使得带电氧化铝纳米粒子可以在液态铜中自由移动，粒子与粒子间的静电斥力促使它们能组装为有序的阵列结构（图1），而且其尺寸可覆盖整个基底表面。

图1. 液态金属中金属氧化物纳米粒子的自组装。图片来源：Chem

考虑到氧化铝纳米粒子可以极大降低晶体的成核能垒，研究团队将所获得的氧化铝纳米粒子阵列作为成核点，以化学气相沉积（CVD）方法生长石墨烯单晶，实现了石墨烯的大范围精确“播种”，得到了大面积的石墨烯单晶阵列（图2）。扫描电镜（SEM）结果表明，即使在如此大面积的阵列中，石墨烯单晶依然分布均匀，排列近似六边形，而且尺寸均一，表现出了很好的周期性。从放大的SEM图像中，还能清晰的看到位于石墨烯晶体中心的氧化铝纳米粒子（图2C）。

图2. 基于氧化铝纳米粒子阵列“播种”得到的石墨烯单晶阵列。图片来源：Chem

基于这种策略得到的石墨烯单晶阵列，其周期性与氧化铝纳米粒子阵列几乎完全一致，因此改变氧化铝纳米粒子阵列的周期性就能够调控石墨烯单晶阵列的周期性。研究团队通过高纯度铜（p-Cu）与工业铜（i-Cu）共同融化来降低氧化铝纳米粒子的密度，以实现对石墨烯单晶阵列周期性的调控。SEM图像显示，不同氧化铝纳米粒子密度下，石墨烯单晶阵列的周期性的确产生了受控的变化（图3）。

图3. 改变液态铜中氧化铝纳米粒子的密度从而调控石墨烯单晶阵列的周期性。图片来源：Chem

这样的“播种”策略也有望被拓展至构筑其它的二维材料单晶阵列。液态金属中金属氧化物纳米粒子阵列的自发构筑给自组装行为提供了一种新的研究视角，所获得的规整的阵列结构有望激发众多潜在的应用。这一研究成果发表在Chem 上。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Self-Assembly of Metal Oxide Nanoparticles in Liquid Metal toward Nucleation Control for Graphene Single-Crystal Arrays

Chem, 2018, DOI: 10.1016/j.chempr.2017.12.026

导师介绍

付磊

http://www.x-mol.com/university/faculty/13589

（本稿件来自Chem）