一杯水中的纳米世界：低维半导体的绿色合成研究

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。在二维材料兴起的背后，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，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，它们在尺度效应下具有的独特魅力还有待发掘。人们目前仍需要发展快速、简便、绿色的合成方法帮助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。

东华大学纤维材料改性国家重点实验室的王宏志教授、侯成义博士与丹麦技术大学的Qijin Chi教授密切合作，设计了一种通用的“无试剂化学合成”方法用于制备低维金属氧化物半导体纳米材料。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”。

图1. “无试剂”化学合成金属氧化物纳米材料的示意图

通过金属电极材料晶体结构的选择，研究团队合成了仅1 nm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。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（~4.1 eV）超出了同类材料已报道的范围，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2. “无试剂”化学合成的1 nm厚度氧化锌纳米薄膜

此外，该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，他们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低维金属氧化物的合成。该绿色合成方法也适用于多种过渡金属氧化物半导体纳米材料的制备。上述成果的第一作者兼通讯作者为东华大学的侯成义。

图3. 从零维到三维：“无试剂”化学合成多种形态的金属氧化物半导体材料

该论文作者为：Chengyi Hou, Minwei Zhang, Lili Zhang, Yingying Tang, Hongzhi Wang and Qijin Chi

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Reagent-Free Electrophoretic Synthesis of Few-Atom-Thick Metal Oxide Nanosheets

Chemistry of Materials, 2017, 29, 1439–1446, DOI: 10.1021/acs.chemmater.7b00188

侯成义博士简介

侯成义，2014年于东华大学取得博士学位，2016年获得欧盟“玛丽居里学者”，目前就职于东华大学；研究领域是环境响应型的低维材料与器件，在Science Advances、Advanced Materials、Chemistry of Materials、Nano Energy 等期刊发表30余篇SCI论文，获得了7项中国发明专利授权；成果曾被Science、Nature、C&EN、欧洲化学出版协会、教育部科技发展中心等专题报道。

http://www.x-mol.com/university/faculty/17558