西工大安钦伟、武大袁声军《Nat. Mater.》：基于金纳米颗粒催化的过渡金属硫族化合物纳米管生长新机制

       过渡金属硫化物纳米管可以可等效为二维过渡金属硫化物沿特定方向卷曲而成的一维管状结构，具有很多相较于其二维和三维结构的独特性质。 早在1992年，过渡金属硫化物纳米管就被Reshef Tenne教授首次发现，其制备方法主要基于过渡金属氧化物纳米线表面硫化反应形成多层纳米管结构。 该制备方法过程繁多，难以控制，制备的纳米管结构随机，无法调控。 导致过去的30年过渡金属硫化物纳米管在手性控制、手性相关的物性研究以及器件应用方面进展缓慢。 相比1991年发现的碳纳米管过去30年的蓬勃发展，过渡金属硫族化合物纳米管的发展几乎处于停滞状态。 阻碍其发展的主要“瓶颈”可以归结为： 缺乏对过渡金属硫化物纳米管简单有效的生长方法和手性调控策略。

近日， 西北工业大学物理科学与技术学院安钦伟副教授课 题组 和 武汉大学物理科学与技术学院袁声军教授课 题组 合作在 Nature Materials 上在线发表题为 “Direct growth of single-chiral-angle tungsten disulfide nanotubes using gold nanoparticle catalysts”  的研究论文。 西北工业大学 安钦伟 副教授为论文第一作者， 安钦伟 副教授和武汉大学 袁声军 教授为论文 共同通讯作者。 武汉大学博士后熊文奇和博士研究生吕鹏飞，南京航空航天大学胡峰副教授，普渡大学博士研究生俞祎康，河南科学院何小波博士和西北工业大学胡思奇博士，甘雪涛教授和赵建林教授为共同作者。

此项研究在国际上首次提出了一种基于金纳米颗粒催化的过渡金属硫族化合物纳米管生长新机制，实现了单手性角WS ₂ 和WSe ₂ 纳米管的一步生长，并成功揭示了纳米管手性特性与其结构驰豫、光学和电学性质的关系，为过渡金属硫族化合物纳米管的结构调控和物性研究提供了新的思路。

研究团队首次在实验中实现了WS ₂ 和WS ₂ 纳米管的一步生长和手性调控，其中金纳米颗粒的引入是实现一步生长的关键。金纳米颗粒作为一维半导体纳米线和碳纳米管制备中的常用催化剂，被大量应用和推广。但是金纳米颗粒对WS ₂ 和WSe ₂ 等过渡金属硫族化合物纳米管的生长是否有效，从未被提及。 研究团队 首次尝试将金纳米颗粒引入过渡金属硫族化合物的化学气相沉积反应中，通过反应参数不断调试和探索，实现了WS ₂ 和WSe ₂ 纳米管一步生长。进一步生长机制和动力学研究，揭示了金纳米颗粒在过渡金属硫族化合物纳米管早期成核和生长过程中的独特作用。

同时研究团队发现生长衬底温度的微小调控将导致完全不同的两种生长机制和纳米管不同的手性特性，首次实现单手性角纳米管的生长和过渡金属硫化物纳米管的手性控制，为进一步实验研究手性与其结构驰豫、光学与电学等物性之间的关系奠定了实验基础。武汉大学袁声军教授理论团队利用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算了单手性角和多手性角硫化钨纳米管的电子能带，进一步揭示了电子能带与硫化钨纳米管层数、直径和手性角之间的关系提供了理论支持。

图2:在不同生长温度下，二硫化钨WS2纳米管的结构特征。

图3: 金纳米粒子Au NPs催化的二硫化钨WS2纳米管生长机制和动力学。

图4:二硫化钨WS2纳米管的结构参数、螺旋度和晶面化的相关性。

图5:二硫化钨WS2多壁纳米管的光学和电子特性。

      该研究得到了国家自然科学基金青年和面上项目以及中央高校基本科研经费的资助支持。

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41563-023-01590-5