一杯水中的納米世界：低維半導體的綠色合成研究

　　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。在二維材料興起的背后，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，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，它們在尺度效應下具有的獨特魅力還有待發掘。人們目前仍需要發展快速、簡便、綠色的合成方法幫助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。

　　東華大學纖維材料改性國家重點實驗室的王宏志教授、侯成義博士與丹麥技術大學的Qijin Chi教授密切合作，設計了一種通用的“無試劑化學合成”方法用于制備低維金屬氧化物半導體納米材料。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”。

圖1. “無試劑”化學合成金屬氧化物納米材料的示意圖

　　通過金屬電極材料晶體結構的選擇，研究團隊合成了僅1 nm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。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（~4.1 eV）超出了同類材料已報道的范圍，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2. “無試劑”化學合成的1 nm厚度氧化鋅納米薄膜

　　此外，該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，他們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低維金屬氧化物的合成。該綠色合成方法也適用于多種過渡金屬氧化物半導體納米材料的制備。上述成果的第一作者兼通訊作者為東華大學的侯成義。

圖3. 從零維到三維：“無試劑”化學合成多種形態的金屬氧化物半導體材料