【引言】

    以石墨烯、MXene、h-BN等為代表的二維納米材料在光、電子領域廣為流行，一方面得益于尺度效應賦予它們的獨特性能；另一方面，可以歸功于這些層狀結構材料易于合成，甚至可以通過機械剝離的方法快速獲得。在二維材料的繁華背后，傳統光、電功能材料，如金屬氧化物半導體，本應同享盛譽，但是由于它們通常以三維晶體結構穩定存在，其低維化較為困難。目前的高能合成方法過程復雜、成本高、且具有潛在的環境不友好因素，導致原子尺度的低維金屬氧化物材料發展緩慢，它們在尺度效應下可能具有的獨特魅力還不為人所盡知。目前仍需要快速、簡便、綠色的合成方法幫助研究者開展低維金屬氧化物半導體的研究，以便揭開它們潛藏特性的面紗。

    【成果簡介】

    東華大學王宏志教授領銜的AFMG課題組與丹麥技術大學緊密合作，設計了一種通用的“無試劑化學合成”方法用以制備低維金屬氧化物半導體納米材料（Reagent-Free Synthesis and Plasmonic Antioxidation of Unique Nanostructured Metal-Metal Oxide Core-Shell Microfibers, Advanced Materials, 2016, 28, 4097-4104）。這種方法僅需要金屬電極、一杯清水、一個電池，在室溫下半小時內即可完成合成反應。人人都能使用這種方法隨時隨地獲得一杯無色透明、但是飽含低維金屬氧化物的“礦泉水”。通過金屬電極材料晶體結構的選擇，研究團隊合成了僅1nm厚（~8個原子層）、數十微米大小的自支撐氧化鋅納米薄膜，這是迄今最薄的自支撐金屬氧化物材料之一（Reagent-Free Electrophoretic Synthesis of Few-Atom-Thick Metal Oxide Nanosheets, Chemistry of Materials, 2017, 29, 1439-1446）。由此引發的尺度效應極大地提高了氧化鋅薄膜的帶隙，測量值（~4.1eV）超出了同類材料已有報道的范圍，這為氧化鋅納米薄膜在光、電子領域的應用提供了新的可能。

    【圖文導讀】

    圖1  “無試劑”化學合成金屬氧化物納米材料的示意圖

    目標金屬用作陽極，而不同種類的導電材料可以用作陰極，盡管只有Pt被豁免。兩個電極之間的間隙從微米變化到厘米（3-26Vcm-1的直流場強度，但不限于該范圍）。

    圖2  “無試劑”化學合成的1nm厚氧化鋅納米薄膜

    （a）覆蓋在電極上的透明ZnO水凝膠薄層的照片。插頁示出了放大的圖像，其中ZnO水凝膠層在電極的邊緣是可見；

    （b）來自（110）面衍射斑點的IFFT圖像，示出了良好排列（100）面和排列（002）面。IFFT圖像對應于面板d;

    （c）優化QD的原子成像。從厚度方向看側面。該厚度與ZnO（0.52nm）c軸中單位參數的值的兩倍相匹配。表明量子點，納米帶和納米片只有9原子厚，即2D原子材料。

    圖3  從0維到3維：“無試劑”化學合成的多種形態金屬氧化物半導體材料

    圖示：0維到3維：“無試劑”化學合成的多種形態金屬氧化物半導體材料及顯示ZnO氣凝膠的3D多孔結構的SEM圖像

    【小結】

    該研究團隊首次觀察到純水反應池中材料從零維量子點、一維納米線、二維納米薄膜到三維宏觀纖維及凝膠的組裝過程。通過高分辨的過程研究，團隊提出了晶面極性誘導組裝和電偶極矩誘導組裝兩種機理，可解釋不同晶體結構的低維金屬氧化物的合成。該綠色合成方法也被證實適用于多種過渡金屬氧化物半導體納米材料的制備。

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責任編輯：殷鵬飛

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