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我校在国际顶级期刊《Progress in Materials Science》上发表最新综述论文

信息来源: 时间:2020-04-17 浏览次数:

近日,我校阮双琛教授和胡俊青教授基于在原位电镜和碳纳米材料研究领域的长期工作积累,受邀在国际材料科学顶级期刊《Progress in Materials Science》(CiteScore: 28.12;Impact Factor: 23.725;5-Year Impact Factor: 33.018)上在线发表了题为“原位透射电镜在一维纳米材料的研究:操纵、性质和应用”(In situ transmission electron microscope studies on one-dimensional nanomaterials: manipulation, properties and applications)的长篇综述论文(文共37页,含图25幅和260篇参考文献),其中,阮双琛教授和胡俊青教授为共同通讯作者。该综述论文系统地总结了原位电镜(In situ transmission electron microscope)技术对碳和半导体等纳米材料的操纵以及在热(加热和冷冻)、力和电等外场作用下它们的性能变化与相关纳米器件的服役表现,分析了目前原位透射技术研究中存在的问题,展望了该研究领域的未来发展方向。论文链接:https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2020.100674

纳米器件设计与制备的发展迫切需要对单体纳米材料进行操纵和加工,在线研究单体纳米材料的性能,以及在外场作用下纳米器件的功能表现,对于构建性能稳定和服役安全的纳米器件具有重要意义。然而,包括宏观电子技术和微纳加工技术在内的传统手段几乎无法对极小尺寸和特殊结构的纳米材料进行加工和研究;特别是对于一些细胞、DNA、蛋白质等生物样品,它们都存在于水溶液环境中,直接观察时样品脱水使分子变形,结构失真,失去生物活性而影响研究结果,需要对这些生物样品进行冷冻处理。在这样的背景下,原位电子显微技术作为能实现对纳米级样品进行原位操纵及研究其晶体结构、表面与界面、物理/化学性能等优势,得到了快速发展,且这一涵盖现代微纳米加工技术、器件物理和生命科学在内的研究领域已成为了前沿研究热点。原位电镜技术是通过特殊的样品杆和数据分析系统,对单个纳米材料施加外场,实时研究其微观结构、性能以及对外场的响应行为,这在一定程度上模拟了纳米器件的服役条件,从而优化纳米器件的功能表现。为满足这样的需求,目前,Nanofactory和Gatan公司先后研制出多种原位电镜样品杆和数据分析系统并实现了商业化,如,研究力学性能的TEM-AFM、研究电学性能的TEM-SEM及研究热学性能(加热和冷冻)的样品杆系统等。这些样品杆和数据系统不但实现了对纳米材料在原子尺度的精确操纵,而且促进纳米材料在光电器件、能源、生命科学等领域的应用。

碳纳米管(CNT)的修复切割及连接在CNT碳材料器件的构筑过程中具有重要意义。图1为利用电子束辐照技术实现对CNT的纳米焊接CNT。借助金属钴(Co)催化剂,Co纳米颗粒和CNT间的相互作用可修复断裂的CNT及连接直径渐变的CNT。在此过程中,尖端具有Co纳米颗粒的CNT相互接触后,在电子束原位辐照下,碳原子可溶解到Co纳米颗粒中形成新的石墨原子结构,不断移动形成新的CNT。此过程中所体现的共催化机理与过渡金属催化生长CNT的过程相似,这对CNT的催化生长研究、CNT的加工及碳材料器件制备具有重要意义。


图1. TEM下电子束辐照技术实现Co纳米颗粒共催化修复和连接多壁碳纳米管。


电学和力学性能优异的CNT可以作为传输导线广泛地运用于纳米器件,但CNT纳米器件的性能往往不如传统金属导线(如铜线)稳定。图2为在电流作用下金属电极熔化流进CNT过程中的热/动力学行为及其对器件电学性能的影响。采用TEM-STM原位操纵技术,在CNT器件中,电流加热导致金属电极材料(如Au、Ag和Pt)熔化,通过控制器件的工作电压和CNT的长度,可以调控液态金属在CNT内的流动方向和到达位置及对CNT器件的电学性能。这些对于构建性能稳定和服役安全的碳纳米管器件具有重要意义。


图2.焦耳热使金属电极材料熔化流进碳纳米管过程中的热/动力学行为及其对器件电学性能的影响。

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