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www.mgm4858.com王牧教授和彭茹雯教授研究组成功实现任意形状衬底上3D金属纳米结构的构建

南京大学物理学院王牧教授和彭茹雯教授研究组,通过其自主研发的超薄电化学沉积系统,首次成功地实现了任意形状衬底上的三维金属纳米线的构建,他们的题为“Construction
of 3D Metallic Nanostructures on an Arbitrarily Shaped
Substrate”的论文最近在线发表于《Advanced Materials》(DOI: 10.1002
/adma.201602049);相关链接为:

自Nature 系列杂志《Scientific
Reports》报道我校格莱特纳米科技研究所夏晖课题组关于复合氧化物纳米线阵列用于超级电容器的研究成果(Hierarchically
Structured Co3O4@Pt@MnO2Nanowire Arrays for High-Performance
Supercapacitors, Scientific Reports 3, 2013,
2978)之后。近日,夏晖课题组在另一Nature系列杂志《NPG Asia
Materials》上发表题为“Facile synthesis of chain-like LiCoO2 nanowire
arrays as three-dimensinal cathode for
microbatteries”有关三维纳米结构微电池的研究论文。《NPG Asia
Material》(自然-亚洲材料,影响因子9.902),为自然出版集团材料科学刊物,在亚太地区材料科学刊物中排名第1,这为我校首次在NPG
Asia Materials上发表论文。

近期,中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所微纳技术与器件研究室研究员李越课题组和南京大学教授周勇合作,在单分散颗粒制备及其可控自组装功能器件研究方面取得新进展,相关成果发表在约翰威立出版社的《先进材料界面》上(Advanced
Materials Interfaces
, 2015, 2,1500167)。
由于具有均一的形状和尺寸,单分散微纳米颗粒在材料的形状和尺寸依赖物性研究方面具有重要的作用。同时,这些单分散结构也是组装宏观功能微纳米有序阵列的理想构筑单元。由单分散微纳米颗粒自组装的薄膜,相比于不规则形状颗粒薄膜,具有更高的结构重复性和优越的功能稳定性。因此,单分散微纳米颗粒的合成与组装,一直以来都是材料科学研究的热点。近年来,科学家们发展了多种方法用于自组装单分散颗粒,并获得不同花样的结构阵列、三维超结构等,如朗缪尔-布洛杰特法,旋涂法,垂直沉积法,水/油界面组装法等。相比于传统刻蚀法的微纳加工技术,通过这些自组装方法获得纳米结构阵列薄膜,可极大地降低制作成本,具有很好的实用性。然而,现有报道的自组装方法各具优缺点和局限性。因此,发展一种简单快速、大面积均匀、结构参数可控的单分散微纳米颗粒薄膜的普适自组装方法,仍然为人们所期待。
最近,合肥研究院固体所李越课题组和南京大学物理学院周勇,在单分散微纳米颗粒的合成制备及其大面积均匀薄膜的界面自组装方面取得新进展。他们首先以五氯化铌和TBA为原料,采用一步水热法合成了单分散的Nb2O5微球;然后,基于正丁醇辅助气/水界面组装法,可快速获得大面积均匀密排的单层Nb2O5微球薄膜。通过层层堆积的方式,该方法同样可用于制作层数可控的薄膜。为了进一步提高其气体感知性能,科研人员新发展了一种气/溶液界面组装法,在金属盐溶液界面处组装Nb2O5微球薄膜,将其转移到气敏衬底并退火,即可获得MOx/
Nb2O5微球的复合薄膜。通过调节溶液成分,便可获得不同种类的金属氧化物/Nb2O5微球异质结薄膜。研究发现,所获得的In2O3
/
Nb2O5异质结构阵列表现出了较好的气敏性能,为高性能异质结器件的设计研制提供了新思路。相关研究结果发表在www.mgm4858.com ,Advanced
Materials Interfaces
杂志上,并被选为当期的内封面。

三维微纳加工技术是实现未来高密度、高效率、低能耗的三维信息存储及处理的基础,是未来信息技术的发展方向。目前的三维微纳加工技术如双光子、氧化铝模板法等受限于成本、效率等因素不适合大规模应用,新的低成本的三维微纳加工技术是目前科学研究和商业应用上的迫切需求。

www.mgm4858.com王牧教授和彭茹雯教授研究组成功实现任意形状衬底上3D金属纳米结构的构建。www.mgm4858.com王牧教授和彭茹雯教授研究组成功实现任意形状衬底上3D金属纳米结构的构建。不同于普通的锂离子电池,全固态薄膜锂离子电池采用固体电解质,其正负极、电解质材料以薄膜的形式依次沉积在导电衬底上,整个电池的厚度可以达到10
μm,具有超薄、可弯曲、高安全性、寿命长等特点。薄膜微电池可以设计成任意形状和大小集成在IC电路中,在微电子机械系统、植入型医疗装置、超级智能卡、微型传感器以及微型国防技术装备上具有广阔的应用前景。然而,具有二维平面结构的薄膜电池,受限于几何结构,单位面积的能量密度和功率密度难以得到有效提高,限制了其在微电子器件上的进一步应用。三维微电池结构的设计通过利用空间高度而实现单位面积较高的能量密度和功率密度,是目前微电子器件微型电源的研究热点。然而构建自支撑三维纳米结构的正极材料仍然是目前三维微电池研究的一个难点,其在很大程度上制约了三维微电池的进一步发展。

相关工作得到了国家科技部“973”计划、国家自然科学基金、中组部“青年千人计划”及中科院“交叉与创新团队”等科研项目的资助。

www.mgm4858.com王牧教授和彭茹雯教授研究组成功实现任意形状衬底上3D金属纳米结构的构建。最近,王牧教授和彭茹雯教授研究组在其独一无二的超薄电化学沉积系统的基础上,引入交变信号叠加于恒压信号进行电化学沉积,结合离子束刻蚀实现了大范围的金属纳米线阵列的制备。通过电化学沉积参数的调制,可以实现对纳米线阵列周期及线宽的精细调控。并且这一独特的电化学沉积技术可以被应用到任意形状的衬底上进行制备,通过设计不同结构的衬底,可以实现特定的三维结构的金属纳米线阵列的构建。如图二显示,他们在光栅结构表面实现了周期起伏的金属纳米线阵列的制备;在粗糙硅片表面,实现了具有较锐尖角的纳米线阵列的制备。通过对衬底结构的设计,他们还可以得到想要的三维空间的纳米线阵列的制备。该方法对于自旋电子学、微电子学具有重要影响,并将激发人们未来三维器件的设计与研究。该工作受到了《Advanced
Materials》的评审人一致好评(“The topic of the work was interesting
especially with regards to the development of nanofabrication”;“It is
really a good job exhibiting both in novelty and paper-writing”;“The
work is well done.”)

最近,夏晖课题组在构建自支撑三维纳米结构LiCoO2正极材料的研究上取得重要进展。在本工作中,夏晖课题组设计了一种两步水热法,在金属衬底上成功制备出自支撑LiCoO2纳米线阵列。该纳米线阵列由具有纳米尺寸的LiCoO2晶粒首尾相连组成,呈现出独特的“链条”结构
。这种三维LiCoO2纳米线阵列,具有大的表面积和快速离子传输的性能,在单电极电化学性能的测试中,表现出优越的电化学性能,其单位面积的比容量可达到0.27
mAh/cm2,远远高于二维LiCoO2薄膜电极的报道值。该研究成果为三维微电池的构建提供了新思路和新方法,而自支撑LiCoO2纳米线阵列在三维微电池中具有潜在的应用前景。具体内容请参考:NPG
Asia Materials 6, e126;相关链接:

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www.mgm4858.com王牧教授和彭茹雯教授研究组成功实现任意形状衬底上3D金属纳米结构的构建。图一、超薄电化学沉积系统得到钴纳米线阵列示意图及形貌、结构表征

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www.mgm4858.com王牧教授和彭茹雯教授研究组成功实现任意形状衬底上3D金属纳米结构的构建。Advanced Materials Interfaceswww.mgm4858.com王牧教授和彭茹雯教授研究组成功实现任意形状衬底上3D金属纳米结构的构建。 杂志封面

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图一,本工作中设计的LiCoO2纳米线阵列,其中“链条”结构的高温LiCoO2阵列表现出优异的电化学性能。

图二、光栅结构和粗糙硅片表面的规则纳米线阵列的构建。

近两年来,随着格莱特纳米科技研究所的创立,为年轻学者的发展提供了强大的研究平台支持。夏晖课题组自2012年底加盟格莱特研究所之后发展迅速,除在Nature子刊发表论文之外,其研究工作还在Chemical
Communication 2014, 50, 2876-2878 (影响因子6.718), Nano Research
2014,
2012)上做邀请报告(Invited
Talk),在2014年新加坡第六届国际功能材料会议上做大会(ISFM
2014)主题报告(Invited Keynote Talk,
图二)。并受邀担任第一届全国材料新技术发展研究会理事。

此项工作的实验部分主要由南京大学陈飞博士和李井宁硕士完成,他们是该论文的第一和第二作者。于方方、赵地、王帆等同学也参与了该工作。彭茹雯教授和王牧教授是该论文通讯作者,陈延彬副教授帮助测量了样品的透射电镜图。该项研究受到国家自然科学基金委以及科技部的重点资助。

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(物理学院 科学技术处)

图二,夏晖副教授在新加坡第六届国际功能材料会议上做大会主题报告(Invited
Keynote Talk)

由于工作出色,并且在领域内影响力的不断扩大,夏晖应邀担任《Scientific
Reports》的编委,成为我校担任Nature系列杂志编委第一人。

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