客观日本

东京都立大学成功合成由超微原子细线构成的大面积薄膜

2020年12月28日 电子电气

本文根据东京都立大学成果发布编译整理而成

为实现新一代电子元件和能量转换元件等,厚度仅几个原子的薄膜和细线等纳米材料备受关注。日本东京都立大学理学研究科物理学专业的Lim Hong En特任助教、柳和弘教授和宫田耕充副教授,与日本产业技术综合研究所极限功能材料研究部门的刘峥高级主任研究员、名古屋大学工学研究科应用物理学专业的蒲江助教和竹延大志教授,以及筑波大学数理物质系的丸山实那助教和冈田晋教授等人组成的研究团队,开发出了仅拥有3个原子左右的超微细结构的过渡金属——单硫族化合物(TMC,图1)的全新合成技术,并首次成功合成了大面积薄膜,形成了原子细线的束状结构等,还确认了其光学响应性和电导特性。利用这种微细的细线束和薄膜,有望查清并控制一维区域内的电子的特殊性质,实现微细的布线和透明柔软的电极,还有望应用于以非常小的电力驱动的电子器件、传感器以及高效率能量转换元件等。

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图1:(a)TMC原子细线结构的示意图。蓝色对应过渡金属原子,灰色对应硫族元素原子。

已知的结构均匀的原子细线有由钼(Mo)和钨(W)等过渡金属原子,与硫(S)、硒(Se)和碲(Te)等硫族元素原子构成的过渡金属单硫族化合物(TMC,图1),凭借直径仅3个原子左右的终极微细结构和金属导电性等备受关注。根据大量过渡金属原子与硫族元素原子的组合、细线的聚集状态,以及细线间存在的异种元素等的不同,TMC原子细线可实现半导体、金属和超导体等多种性质。

研究详情

为利用具备高结晶性的TMC原子细线形成大面积薄膜,研究团队采用了以气相方式向基板上供应此前开发的原料(过渡金属和硫族元素)的化学气相沉积法。利用该方法探索了生长条件,成功地在厘米级基板上合成了由聚集数十~数百条TMC原子细线形成的纳米纤维构成的网状薄膜(图2a)。另外还发现,利用基板表面的晶体结构可获得纳米纤维沿一个方向排列的薄膜(图2b)。而且,利用该方法合成的单个TMC原子细线及其聚集体具有高结晶性(图2c),并且能形成细线呈二维排列的单层或双层薄膜,以及高度方向也有细线堆叠的三维束状结构。

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图2:在基板上合成的(a)聚集TMC原子细线形成的纳米纤维随机网状薄膜的电子显微镜图像,与(b)控制方向沿一个方向生长的纳米纤维的原子力显微镜图像。(c)向同一个方向聚集的TMC原子细线纳米纤维的电子显微镜图像与结构模型。

研究团队测量了TMC原子细线的光散射,确认其具有反应一维结构的光学响应性。另外,还通过实验证明,这种细线束及其网状薄膜表现出高电导率及低温电阻降低等金属性质,确认与第一原理电子结构计算的预测结果一致。

研究意义

此次研究首次实现了由具备高结晶性的TMC原子细线构成的大面积薄膜,确认原子细线能形成二维单层或双层薄膜结构及三维束状结构等多种聚集状态,还查清了其金属电导特性及各向异性光学响应性。利用这种3个原子左右的微细细线及其二维薄膜和三维束状聚集结构,有望了解和控制一维及二维区域内的电子的特殊性质,实现微细的布线和透明柔软的电极,还有望应用于以非常小的电力驱动的电子器件、传感器以及高效率能量转换元件等。

论文信息
题目:Wafer-Scale Growth of One-Dimensional Transition-Metal Telluride Nanowires
期刊:Nano Letters
URL:doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c03456

日语发布资料
编译:JST客观日本编辑部

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