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    我国学者在超分子组装合成新型半导体纳米线气敏材料研究方面取得新进展

    日期 2020-01-08   来源:工程与材料学部   作者:陈克新 李亮  【 】   【打印】   【关闭

      在国家优秀青年科学基金项目(批准号:51422202)等资助下,复旦大学化学系与聚合物分子工程国家重点实验室邓勇辉课题组在两亲性嵌段共聚物导向合成新型气敏半导体材料研究方面取得新进展。相关研究成果以“Synthesis of Orthogonally Assembled 3D Cross-stacked Metal Oxide Semiconducting Nanowires”(正交组装三维交叉堆叠金属氧化物半导体纳米线的合成)为题,于2019年12月3日以研究长文在线发表于Nature Materials(《自然·材料》)。复旦大学化学系教授邓勇辉为通讯作者,化学系2014级硕博连读研究生任元和2017级博士生邹义冬为共同第一作者。论文链接:https://doi.org/10.1038/s41563-019-0542-x。

      研究团队采用“bottom-up”的超分子组装理念,利用实验室设计合成的富含sp2杂化碳的有机两亲性嵌段共聚物(如PEO-b-PS)与无机杂多酸簇分子(如硅钨酸)之间协同作用,在分子尺度操控有机大分子与无机小分子界面静电组装,进一步在纳米尺度下利用溶剂挥发诱导棒状胶束聚集组装,首次获得3D交叉排列的杂多酸-嵌段共聚物复合纳米线阵列。团队发现这种有机-无机复合结构具有非典型性“结构变换”行为,即伴随着有机高分子的分解,硅钨酸分子迁移至棒状胶束接触区并原位转化为Si-掺杂的氧化钨(WO3)纳米线,并最终形成三维等间距、正交排列的金属氧化物半导体纳米线多孔阵列结构。原位表征技术、光谱分析、同步辐射分析及密度泛函(DFT)理论计算结果表明,氧化钨纳米线因晶格中掺入Si元素而导致常规的γ-WO3正八面体发生局部扭曲,形成亚稳态的ε-WO3。上述超分子组装合成思路也适合于其它杂多酸体系,以合成各种杂原子原位掺杂的半导体金属氧化物交叉纳米线阵列,且展示出优异的丙酮传感性能。

      邓勇辉教授团队长期从事嵌段共聚物设计及其组装合成功能纳米结构材料研究,包括创制多种金属氧化物半导体气敏传感材料,早期研究结果发表于Small 2019, 15, 1904240;Chem. Mater., 2019, 31, 8112−8120;Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1705268.;J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 10365–10373;Chem. Mater., 2016, 28, 7997–8005;Angew. Chem.–Int. Ed., 2014, 53, 9035–9040等。应邀在Acc. Chem. Res.(2019, 52, 714–725)撰写综述,专门介绍课题组在相关研究方面的工作。本次研究成果是团队多年来在嵌段共聚物设计、组装合成纳米结构材料方面的重要研究进展。在前期研究基础上,团队探索出的这种灵活、可控的3D超分子界面组装合成思想,突破了传统的复杂多步合成和制备纳米线阵列的瓶颈。该组装方法为创制新颖半导体纳米线阵列、纳米线功能化修饰(如原位掺杂)、微纳器件原位集成等提供了全新的研究思路,也为发展先进能源器件、微纳感知电子元件、智能装备等打下重要的基础。

    图1 两亲性嵌段共聚物聚环氧乙烷-聚苯乙烯和钨硅酸组装球形胶束,进一步融合为密排交叉复合纳米线,煅烧后形成等距离垂直排列氧化钨纳米线阵列

    图2 氧化钨纳米线阵列用于气体传感研究,显示出优异的丙酮传感性能(灵敏度高、响应/恢复速度快、选择性好)




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