成果简介
一维分段异质纳米结构（one-dimensional segmented heteronanostructures, 1D-SHs）具有独特的结构、在组合物和界面之间的协同作用，其应用前景广阔。然而，开发一种简单、通用和可控的合成方法来制造1D-SHs还是一个挑战。基于此，中国科学技术大学俞书宏院士、倪勇教授和刘建伟教授（共同通讯作者）等人报道了基于化学计量条件下的反应策略，开发了一种简单而通用的溶液合成1D碲化物SHs的方法。
作者合成了大约25个周期性1D SHs，包括17个纳米线-纳米线（NW-NW）和8个涉及13种元素的纳米线-纳米管（NW-NT）纳米结构。 具体而言，作者通过相场模型建立了应力诱导的有序机制，以描述从较差有序条纹到周期性的有序演化的合理化，并进一步提出了孤立生成、条纹穿透和分段有序三阶段演化过程。为证明分段异质结构的优越性，作者选择了Ag2Te/PbTe SHs作为热电性能测试的原型。目前的方法可能会影响功能导向纳米材料的制备以及对1D复杂的纳米结构中周期性、有序性的理解。
研究背景
由于不同组分和界面之间的协同效应，1D-SHs的规则图形设计至关重要。非均相界面决定了多组分之间的电子和磁耦合，促进了光催化水分解过程中的电子/空穴输运和热电应用中的声子散射。因此，合理设计和精确合成1D-SHs对下一代纳米结构在许多领域的应用具有决定性作用。科研人员开发了气-液-固生长、液-液-固生长等方法来制造1D-SHs，但对分割组合、分段分离和接口类型的额外控制还是一个巨大的问题。同时，这些前驱体顺序添加、扩散限制有序和应变诱导的反应机制，值得进一步完善纳米尺度的生长机制。 碲化物材料在理论体积容量和导电性方面具有显著优势，使其成为不同储能和光电子应用的有希望候选者，同时碲化物的密度高，可产生更高的体积能量密度。因此，构建一个简单、可扩展的平台来形成1D碲化物SHs库，解释它们的整个演化机制，并探索它们有前景的应用，已成为一个关键问题。
图文导读
在NW溶液中，加入络合剂NH4SCN和低于化学计量量的Ag+后，反应在几分钟内完成，颜色由淡黄色变为褐色，表明制备的Te/Ag2Te NWs显示出分段的非均质纳米结构。根据EDS映射看出，Te/Ag2Te NWs具有Te轴向均匀分布和Ag离散分布的特征。晶格间距为0.194 nm和0.201 nm，分别指向Te平面和Ag2Te(100)平面。原子界面视图表明，Te和Ag2Te独立形成它们的晶格，表明Ag2Te的面与Te的{001}面结合。此外，Te/Ag2Te中Te 3d5/2的结合能为575.95 eV，Te和Ag2Te的结合能分别为575.84和576.06 eV。
图1. Te/Ag2Te SHs的形态和结构表征
图2.探究Te/Ag2Te SHs超晶格的形成过程
作者系统研究了Te/Ag2Te SHs从无序条纹纳米结构向有序分段异质纳米结构的转变，以揭示Te/Ag2Te SHs有序的潜在机制。通过理论模拟发现，距离较近的片段相互吸引并融合成一个连续体，距离较远的片段相互排斥，最终形成片段Te/Ag2Te。作者选择了两段Ag2Te（棕色）、一段Te（橄榄色）和周围的Ag+溶液（蓝色）进行研究。灰色球代表自由迁移的Ag+，白色球是已迁移到Te段的Ag+，而红色球是由于高迁移率和平衡而移回Ag2Te段的Ag，黑色箭头表示Ag+在NW固体和周围溶液之间的迁移。在产生无序条纹后，在理想的Te/Ag2Te纳米结构中Te相中没有Ag。在弛豫过程中，由于Ag的高迁移率，Ag2Te片段中的Ag扩散到邻近的Te中。
图3. Te/Ag2Te SHs的有序演化
图4.化学转化和获得的1D SHs
作者选择Ag2Te/PbTe SHs作为模型，从概念上展示轴向SHs的性能。对比PbTe基热电纳米材料的低/中温窗口，Ag2Te/PbTe SHs在625 K时的seebeck系数为159 µV K-1，功率因数达到130 µW m-1 K2。值得注意的是，由于界面的非均质性，Ag2Te/PbTe SHs比PbTe-Ag2Te NW混合物具有更高的功率因数。载流子在SHs中的轴向运动，特别是从Ag2Te到PbTe的跃迁，会在异质界面处出现能量态不匹配的问题。
图5. Ag2Te/PbTe 1D SHs的热电性能和能带结构
文献信息
Stress-induced ordering evolution of 1D segmented heteronanostructures and their chemical post-transformations. Nature Communications, 2024, DOI: 10.1038/s41467-024-47446-7.
