Adv.Mater.基於V2–VI3二維納米片的定性自組裝工程以及熱電研究

【成果簡介】

精確控制具有特定組份和功能的定向異質結構的選擇性生長是一個新興並且極具挑戰性的課題。來自Wake Forest University(維克森林大學)的Chaochao Dun博士（第一作者）和David Carroll教授（通訊作者）等人報道了基於定向自主裝V2-VI3的納米片的熱電發電器件，相關論文以題為「Self-Assembled Heterostructures: Selective Growth of Metallic Nanoparticles on V2–VI3 Nanoplates」於2017年8月11日在線發表於Advanced Materials。

Carroll團隊首先通過密度函數理論系統研究了基於層狀V2-VI3納米結構的金屬-半導體異質結構之間的結合能的差異。與垂直方向的異質結相比，所有側向構型顯示出較低的結合能，這意味著金屬納米粒子具有潛在的選擇性生長的能力。實驗上，通過溶液法合成，Carroll團隊等成功的在p型碲化銻和n型碲化鉍納米片側面位置合成了自組裝的Ag / Cu納米顆粒裝飾，支撐了理論計算結果。基於精準調控的反應時間和前驅體濃度，Carroll團隊揭示了具體的成核機制以及生長動力學。不僅如此，對材料的研究表明，在本體半導體片保留完整拓撲結構和電子傳輸的同時，由於在載流子注入之前的預能量過濾效應，邊緣修飾實驗了電導率的顯著提高。在此基礎上，Carroll團隊利用Cu /Ag金屬裝飾的碲化銻和碲化鉍作為p-n單位構建了具有Zig-Zag形貌的熱電發電機，以利用垂直方向的溫度梯度，比如人體與環境的溫差。基於此類方法，使用類似硫族化物納米片作為構建塊，對摻雜劑金屬納米顆粒或半導體進行精確控制，被認為可以廣泛適用於具有各種新應用的其它異質結體系中。

【圖文導讀】

圖（1）: 基於第一性原理的表面能和結合能

計算。

通過計算碲化銻納米片表面能以及不同位置金屬-半導體結合能的差異，結果表明，與垂直方向的異質結相比，側向構型顯示出較低的結合能，這意味著金屬納米粒子具有潛在的選擇性生長的能力。

圖（2）基於TEM和高分辨TEM的材料刻畫。

碲化銻和碲化鉍納米片側面位置合成了自組裝的Ag / Cu納米顆粒裝飾清晰可見，支撐了理論計算結果。

圖（3）：定向異質節生長機制以及不用Cu

濃度的異質節局部TEM。

結果表明，通過利用較為活躍的半導體邊緣，不僅可以定向生長金屬納米顆粒，而且可以根據不同的反應量實現納米棒的生長，甚至將納米棒轉變為具有更好帶隙匹配的半導體，譬如，Cu2-xTe或者其他半導體。這樣的結構，不僅在熱電領域，在其他領域如催化領域也有潛在的應用價值。

圖（4）：基於橫向異質節納米片的柔性薄膜

（實物圖），SEM截面放大圖和熱電性能測

試

通過簡單的手指觸摸， 單片熱電薄膜可以產生大約0.6 mV的電壓。電壓的大小和正負可以通過溫差的大小和手指觸摸的位置決定。這種結構不僅可以溫差發電，也可以實現快速感測。

圖（5）：基於p-n型薄膜的zig-zag小型發電

器。

不同的電壓可以通過控制p-n節的數量和溫差的大小來實現。不僅如此，根據對電流和電壓的需要，可以設計多樣的並聯和串聯電路，從而滿足實際應用時的不同要求。

文獻鏈接：Self-Assembled Heterostructures: Selective Growth of Metallic Nanoparticles on V2–VI3 Nanoplates（Adv.Mater.,2017.DOI: 10.1002/adma.201702968）

本文由Wake Forest大學Carroll團隊博士生Chaochao Dun 供稿，材料牛整理編輯。材料牛網專註於跟蹤材料領域科技及行業進展，這裡彙集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對於跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部大家庭。

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