探索量子尺寸材料的异常电子状态和光学性质

时间：2022-05-25 17:25:04 来源：

该研究的科学插图由东京技术科技博士博士创作，被选为美国化学学会杂志的补充封面艺术。

东京理工学院（东京技术）科学家（东京技术）用特定的大分子模板合成具有精确控制的铟和锡的亚纳米粒子。通过跨越不同金属比的筛选过程，它们发现了源自尺寸小型化和元素杂交的异常电子状态和光学性质。它们的方法可以是具有独特功能和电子，磁性和催化应用的亚纳米颗粒的第一步。

功能纳米材料的发展是材料科学史上的主要地标。与其散装材料对应物相比，具有5至500nm的直径的纳米颗粒具有前所未有的性质，例如高催化活性。此外，随着颗粒变小，异国量子现象变得更加突出。这使科学家能够生产具有仅梦寐以求的特性的材料和设备，特别是在电子，催化和光学领域。

但如果我们越来越小，怎么办？粒径约为1nm的亚纳米颗粒（SNP）现在被认为是由于量子效应的优势导致具有不同性质的新类材料。SNP的未开发的潜力引起了Tokyo Tech的科学家的注意力，目前正在进行这一主要是未开发的领域所产生的挑战。在最近发表于美国化学学会杂志的一项研究中，由Takamasa Tsukamoto博士领导的化学和生命科学实验室的科学家团队展示了一种寻找有前途的SNP的新型分子筛查方法。

图1。亚纳米粒子（SNPS）的合成和筛选。使用树枝状体作为分子模板以产生金属离子的佩戴物布置，可以容易地获得约1nm的直径为约1nm的SNP，可以容易地获得精确的铟锡比。

随着人们的期望，SNP的合成通过技术困难困扰，甚至更有含有多个元素的困难。Tsukamoto博士解释：“甚至含有两个不同元素的SNP已经几乎已经研究过，因为产生亚域尺度的系统，需要对组成比和具有原子精度的粒度进行微量控制。”然而，这支科学家团队已经开发出一种新的方法，通过该方法，可以从不同的金属盐制成SNP，以极端控制的原子总数和每个元素的比例。

它们的方法依赖于树枝状大分子（见图1），一种对称分子，其径向向外分支，如树木发芽形成公共中心。树枝状大分子作为模板，可以在所需分支的底部精确积聚金属盐。随后，通过化学降低和氧化，SNP精确地合成树枝状体支架。科学家们在最近的研究中使用了这种方法，以产生具有各种比例的铟和氧化锡的SNP，然后探索其物理化学性质。

图2。SNP中的异常电子国家。（左）扫描透射电子显微镜图像IN12SN16氧化物SNP。（右）当铟 - 锡比率为3：4时出现异常的电子国家（即，具有12个铟原子和16锡原子的SNP）。该比率标有p的绿色星。

一种特殊的发现是，异常的电子状态和氧含量以铟至锡含量为3：4（见图2）。即使在具有受控尺寸和组成的纳米颗粒的研究中，这些结果也普遍存在，并且科学家归因于亚纳米级的物理现象。此外，他们发现，具有这种元素比例的SNP的光学性质不仅不同于具有其他比率的SNP，还具有相同比例的纳米颗粒。如图3所示，具有该比率的SNP是黄色而不是白色，并且在紫外线照射下表现出绿色光致发光。

图3。光学性质的差异。虽然大多数SNP是白色的，但只有含有铟至锡铟比例的那些浅黄色，并且在紫外线照射下表现出绿色光致发光。认为这些特殊的特征是由大小小型化和元素杂交的齐心果作用引起的。

在亚纳米规模的探索材料特性将最有可能导致其在下一代电子和催化剂中的实际应用。然而，这项研究只是亚纳米材料领域的开始，正如Tsukamoto博士的结论：“我们的研究通过连续的筛选搜索标志着SNP中的独特功能和他们的底层原则。我们相信我们的调查结果将作为迄今为止未知量子尺寸材料发展的最初步骤。“亚纳米的世界等待着！

参考：Takamasa Tsukamoto的顺序筛查技术探讨杂阳，Akiyoshi Kuzume，Masanari Nagasaka，Tetsuya Kambe和Kimihisa Yamamoto，9月8日，美国化学学会.DOI：
10.1021 / jacs.0c06653

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