普渡大学武文倬:纳米压印用于一维手性半导体材料制备及其应变工程研究

Parallel Nanoimprint Forming of One‑Dimensional Chiral Semiconductor for Strain‑Engineered Optical Properties

Yixiu Wang, Shengyu Jin, Qingxiao Wang, Min Wu, Shukai Yao, Peilin Liao, Moon J. Kim, Gary J. Cheng*, Wenzhuo Wu*
Nano‑Micro Lett.(2020)12:160
https://doi.org/10.1007/s40820-020-00493-3
本文亮点

1. 成功利用溶液法制备出高纯度的一维碲纳米线,并通过Langmuir-Blodgett法实现了纳米线的高效组装,得到了密排的纳米线阵列
2. 利用空白CD和DVD唱片,拓展出了一种高效的,成本低廉的纳米压印法,并成功对一维组装碲纳米线阵列施加了一个周期性的应变场;
3. 通过度泛函理论计算(DFT)和实验验证,详尽论述了应变对于碲纳米材料结构和各项异性光学性质方面的影响。
内容简介

近年来,纳米压印法作为一种能够可控地对一维纳米材料施加指定方向和大小以及固定周期性压力的方法,而受到广泛的关注。相比较于传统的微影技术(光刻, 电子束刻蚀,聚焦离子束刻蚀),纳米压印法具有快速成型,精度高,成本低等诸多方面的优势。但目前有关将纳米压印法应用于一维半导体材料应变工程方面的报道尚不多见。作为一种在压电,热电,和传感器领域应用广泛的手性半导体材料,碲(Te)纳米材料的应变工程也吸引了诸多研究热点。普渡大学工业工程学院武文倬教授团队通过简单的空白CD和DVD唱片,成功的拓展出一种价格低廉,方便快捷的纳米压印法,摆脱了传统铭刻法需要光刻胶的束缚,并利用该方法对密排纳米线阵列施加了一个大小,方向以及周期性可控的应变场。研究表明,应变场的大小可以通过压印时施加压力的大小,纳米线的直径和基底的图案来进行调控。研究团队进一步利用拉曼光谱揭示了晶格振动与外部应变场的关系。该项工作表明了碲纳米材料在柔性电子器件和光电子器件,穿戴式设备等方面广阔的应用前景,并为其他纳米材料应变工程提供了一个良好的思路。
图文导读

纳米线的合成和组装
通过水热法合成了高纯度的一维纳米碲线,并利用SEM,XRD,HTEM对其结构和性质进行了表征。碲纳米线的原子结构是由众多的单链组成。DFT计算结果表明,在[0001]链长方向,两个最近邻的Te原子之间的键长为2.909埃米,同时两条链之间的键角为101.9°。而在被赋予了2.3%的拉伸应力以后,键长的大小变为了2.919或者2.918埃米,而键角则转为103.5°。拉曼光谱的两个峰值出现在121 cm⁻¹和143 cm⁻¹。
图1. 纳米线的表征。(a) Te的扫描电子显微镜(SEM)照片;(b) Te纳米线边缘的高精度透射电子显微镜照片(HTEM);(c) X射线衍射结果表征(XRD);(d) 无应变状态下和有应变状态下Te原子结构示意图;(e) Te纳米线拉曼光谱。
II 纳米压印法制备流程和结果显示
通过LB法得到密排的纳米线阵列,然后利用空白的CD或者DVD唱片来对纳米阵列进行了压印化处理。得到了图2c所示的周期性格栅结构。由此纳米线在高度方向上实现了周期性的正弦波状的起伏排布。原子力显微镜(AFM)结果表明,在1 M的压力下,起伏的幅度为30到38纳米,而在4 M的压印下,起伏的幅度转变为了45至55纳米。
图2. 一维Te纳米线阵列的压印制备和形貌表征。(a-c) 压印法制备垂直方向成波浪状的密排Te纳米线阵列示意图;(d) 一维密排Te纳米线阵列的TEM;(e) Te纳米线的直径分布图;(f) 光盘的AFM扫描照片;(g) 压印后的Te纳米线排布在基底上的SEM照片;(h) Te纳米线的形变幅度与其直径大小关系图。

III 应变场计算结果

AFM扫描结果显示Te纳米线在基底垂直方向上呈现了正弦状的排列。力学计算结果表明,Te纳米线的峰值应变和Te纳米线的直径和压印时压力大小均成正相关关系。

图3. 一维纳米线压印后在CD和DVD上排布的形变分析。(a) 形变后Te纳米线在光盘上的排布的AFM的照片;(b) 形变大小的扫描结果;(c) 形变后Te纳米线应变的分析结果;(d) 峰值应变与Te纳米线直径和压印应力大小的关系图。

IV 应变工程与光学性质表征

拉曼光谱表征显示,应变的引入会造成Te纳米线的拉曼振动峰的偏移。对于A¹模式,其偏移率为1.1cm⁻¹ %⁻¹,对于E²模式其偏移率为1.2 cm⁻¹ %⁻¹。

图4. 形变后Te纳米线的拉曼光谱表征。(a) Te原子结构的拉曼振动模式示意图。(b) 形变后的Te纳米线的光学照片和拉曼强度扫描图。(c) Te纳米线不同应变下的拉曼图谱。(d) 量化分析拉曼偏移与应变量大小的关系。
作者简介

王一休

本文第一作者

普渡大学 博士

主要研究领域

一维二维纳米材料的生长以及其在电子器件领域的应用。

主要研究成果

在Nature Electronics, Advanced Materials, Nano Energy等高影响力学术期刊以第一作者发表论文多篇。获得美国材料协会Materials Research Society研究生银奖Silver Award。

Gary Cheng

本文通讯作者

普渡大学 教授

主要研究领域

激光纳米光刻,激光诱导相变,激光辅助溶液法生长,激光强化,增材化制造,纳米尺度应变工程。

主要研究成果

在Science, Nature Communications, Advanced Materials, Materials Today, Nano Today, Nano Letters, ACS Nano, Acta Materialia等高影响力学术期刊以第一作者或通讯作者发表论文百余篇。曾获2007年Office of Naval Research (ONR) Young Investigator Award, 2006年National Science Foundation (NSF) CAREER Award, 2007年Society of Manufacturing Engineer (SME) Outstanding Young Manufacturing Engineer Award, 2012年American Society of Mechanical Engineers (ASME) Chao & Trigger Young Investigator Award, 2013 年被评为ASME Fellow。

武文倬

本文通讯作者

普渡大学 助理教授

主要研究领域

一维纳米材料和二维纳米材料的设计,制造与集成以及在能源,电子,光电子和可穿戴设备方面的应用。

主要研究成果

在Science, Nature, Nature Review Materials, Nature Electronics, Chemical Society Reviews, Advanced Materials, Advanced Functional Materials等高影响力学术期刊以第一作者或通讯作者发表论文数十篇。曾获2016年Oak Ridge Associated Universities (ORAU) Ralph E. Powe Junior Faculty Enhancement Award, 2017年IOP Semiconductor Science and Technology Best Early Career Research,2019年Society of Manufacturing Engineers (SME) Barbara M. Fossum Outstanding Young Manufacturing Engineer Award和2019年Journal of Materials Chemistry A Emerging Investigator。
撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报》编辑部

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