Исследователи Сколтеха определили, что дефекты управляют ростом нанокристаллов

Одномерные нанокристаллы, по-другому их еще называют нанопроволока, нанопровода или наноусы являются перспективным материалом для компонент в новых высокоэффективных электронных приборах, таких как солнечные батареи, устройства полевой эмиссии, лазеры, химические и биологические сенсоры и др. Есть вероятность, что в ближайшем будущем массовое производство одномерных нанокристаллов найдет свое широкое применение в развивающихся технологиях, включая батареи, суперконденсаторы и прозрачные проводящие электроды.

Несмотря на значительный интерес со стороны ученых, возможность синтеза одномерных кристаллов сводится лишь к нескольким методам, в которых зачастую используются катализаторы, чаще всего наночастицы золота. Некаталитические методы менее популярны, но позволяют получить более чистый материал с минимальным количеством технологических операций. К сожалению, механизмы роста одномерных нанокристаллов мало изучены. В последнее время оспаривалась даже сама возможность получения таких одномерных наноструктур без наличия катализатора. Предолагалось, что процесс роста должен сопровождать наночастицу самого материала, который не может быть обнаружен методами электронной микроскопии после роста кристалла.

Ранее исследователи из университета Аалто (Финляндия) предложили новый метод роста одномерных нанокристаллов оксидов различных металлов простым окислением металлов на воздухе, т.е. без использования катализатора (рисунок 1). Однако механизм формирования таких структур не был подробно изучен и понят. Последние достижения в области электронной микроскопии позволяют изучать наносистемы в процессе химических реакций практически без внешнего воздействия.

Сотрудники Сколковского института науки и технологий (Россия), университета Аалто (Финляндия), Технического университета Дании и Кемеровского Государственного Университета провели ряд уникальных экспериментов по росту одномерных нанокристаллов оксида меди непосредственно в электронном микроскопе. Впервые процесс роста нанокристаллов в результате окисления металла был прослежен от начала и до конца. Это исследование однозначно ответило на многие открытые вопросы, связанные с механизмом роста таких кристаллов. Было показано, что рост нанопроволоки действительно происходит без частиц катализатора. Кроме того, эти наблюдения обнаружили, что все нанокристаллы содержат плоские дефекты двойникования, которые оказывают очень важное влияние на образование нанокристалла и можно сказать управляют их ростом (рисунок 2). Исследования на атомном уровне показали, как новые слои оксида меди образуются (нуклеируют) только в определенной позиции, связанной с дефектами двойникования, и упорядочаются на кончике растущего кристалла. Это работа может положить начало исследованию контролируемого роста нанопроволоки с помощью дефектов, точно таким же образом, как это делается с помощью катализатора.

“Несмотря на то, что мы изучали образование нанопроволоки, состоящего только из одного материала (оксида меди), аналогичные механизмы роста могут быть также применимы для некаталитического роста практически любых других ионных кристаллов”, – говорит доктор философии Симас Рачкаускас.

“Некаталитические методы привлекают внимание благодаря своей простоте и отсутствию необходимости предварительного получения катализатора и последующей очистки получаемого материала. Теперь, когда некаталитический механизм роста одномерных нанокристаллов раскрыт, следующим логическим шагом был бы контролируемый синтез одномерных кристаллов с высокой чистотой и особыми свойствами для их массового применения”, – предложил профессор Сколковского интитута науки и технологий, д.т.н. Альберт Насибулин.

Результаты были опубликованы в известном научном журнале Nano Letters http://dx.doi.org/10.1021/nl502687s

  1. S. Rackauskas, H. Jiang, J. B. Wagner, S. D. Shandakov, T. W. Hansen,E. I. Kauppinen, and A. G. Nasibulin. In Situ Study of Noncatalytic Metal Oxide Nanowire Growth. Nano Letters. Article ASAP DOI: 1021/nl502687s.
Screen Shot 2014-10-08 at 1.29.53 PM

Изображения растрового электронного микроскопа различных одномерных кристаллов, синтезированных путем нагрева металлов на воздухе. Источник: Nanotechnology 20, 165603 (2009).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Screen Shot 2014-10-08 at 1.30.01 PM

Рост одномерного кристалла начинается с нуклеации слоя на границе дефекта двойника и продолжает формирование и упорядочение атомных слоев вдоль дефекта и по всей поверхности кристалла. Картинки показывают изображения просвечивающего электронного микроскопа дефектов границ двойника в нанопроволоке и механизм ее послойного роста (Источник: Nano Letters.Article ASAP DOI: 10.1021/nl502687s).

 

 

Tweet about this on Twitter0Share on Facebook0Pin on Pinterest0Share on Tumblr0Share on VK