Adv. Mater. 基于V2–VI3二维纳米片的定性自组装工程以及热电研究

【成果简介】

精确控制具有特定组份和功能的定向异质结构的选择性生长是一个新兴并且极具挑战性的课题。来自Wake Forest University (维克森林大学) 的Chaochao Dun 博士（第一作者）和David Carroll 教授（通讯作者）等人报道了基于定向自主装V₂-VI₃的纳米片的热电发电器件，相关论文以题为“Self-Assembled Heterostructures: Selective Growth of Metallic Nanoparticles on V2–VI3 Nanoplates”于2017年8月11日在线发表于Advanced Materials。

Carroll团队首先通过密度函数理论系统研究了基于层状V₂-VI₃纳米结构的金属-半导体异质结构之间的结合能的差异。与垂直方向的异质结相比，所有侧向构型显示出较低的结合能，这意味着金属纳米粒子具有潜在的选择性生长的能力。实验上，通过溶液法合成，Carroll团队等成功的在p型碲化锑和n型碲化铋纳米片侧面位置合成了自组装的Ag / Cu纳米颗粒装饰，支撑了理论计算结果。基于精准调控的反应时间和前驱体浓度，Carroll团队揭示了具体的成核机制以及生长动力学。不仅如此，对材料的研究表明，在本体半导体片保留完整拓扑结构和电子传输的同时，由于在载流子注入之前的预能量过滤效应，边缘修饰实验了电导率的显著提高。在此基础上，Carroll团队利用Cu /Ag金属装饰的碲化锑和碲化铋作为p-n单位构建了具有Zig-Zag形貌的热电发电机，以利用垂直方向的温度梯度，比如人体与环境的温差。基于此类方法，使用类似硫族化物纳米片作为构建块，对掺杂剂金属纳米颗粒或半导体进行精确控制，被认为可以广泛适用于具有各种新应用的其它异质结体系中。

【图文导读】

图（1）: 基于第一性原理的表面能和结合能计算。

通过计算碲化锑纳米片表面能以及不同位置金属-半导体结合能的差异，结果表明，与垂直方向的异质结相比，侧向构型显示出较低的结合能，这意味着金属纳米粒子具有潜在的选择性生长的能力。

图（2）基于TEM和高分辨TEM的材料刻画。

碲化锑和碲化铋纳米片侧面位置合成了自组装的Ag / Cu纳米颗粒装饰清晰可见，支撑了理论计算结果。

图（3）：定向异质节生长机制以及不用Cu浓度的异质节局部TEM。

结果表明，通过利用较为活跃的半导体边缘，不仅可以定向生长金属纳米颗粒，而且可以根据不同的反应量实现纳米棒的生长，甚至将纳米棒转变为具有更好带隙匹配的半导体，譬如，Cu2-xTe或者其他半导体。这样的结构，不仅在热电领域，在其他领域如催化领域也有潜在的应用价值。

图（4）：基于横向异质节纳米片的柔性薄膜（实物图），SEM截面放大图和热电性能测试。

通过简单的手指触摸， 单片热电薄膜可以产生大约0.6 mV的电压。电压的大小和正负可以通过温差的大小和手指触摸的位置决定。这种结构不仅可以温差发电，也可以实现快速传感。

图（5）：基于p-n型薄膜的zig-zag小型发电器。

不同的电压可以通过控制p-n节的数量和温差的大小来实现。不仅如此，根据对电流和电压的需要，可以设计多样的并联和串联电路，从而满足实际应用时的不同要求。

文献链接：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大学Carroll团队博士生Chaochao Dun 供稿，材料牛整理编辑。材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部大家庭。

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