這項成果最深遠的影響在于，它使原本只能生長在剛性晶圓上的氮化鎵等材料，具備了“溶液可加工性”。
7月21日消息，國際頂級學術期刊《自然》近日刊發(fā)了一項材料學重磅突破：美國芝加哥大學與阿貢國家實驗室團隊成功攻克了金屬氮化物納米晶體合成的世界性難題。由Dmitri Talapin教授領銜的研究團隊，首次將氮化鎵（GaN）、氮化鈦（TiN）、氮化鈮（NbN）等關鍵材料制備成膠體納米晶體，打破了該領域長達三十年的沉寂。
納米晶體是指在納米尺度下表現(xiàn)出獨特物理化學特性的微觀晶體。2023年諾貝爾化學獎便授予了量子點（納米晶體的一種）的發(fā)現(xiàn)與合成領域。然而，長期以來，科學家僅能利用有限的材料種類制備納米晶體，金屬氮化物便是其中之一。
首次用氮化鎵制造出的納米晶體 圖源：芝加哥大學
金屬氮化物是現(xiàn)代工業(yè)的基石，其兼具高硬度、耐熱、耐腐蝕及生物相容性，廣泛應用于LED照明、醫(yī)療植入物及超導材料等領域。但其極高的穩(wěn)定性也成了合成的“攔路虎”。
“晶體生長時，離子需要像舞伴一樣不斷交換位置，但金屬氮化物內(nèi)部的化學鍵極其牢固，就像跳探戈時極難更換舞伴。”Talapin教授形象地比喻道。由于金屬-氮鍵過于穩(wěn)定，傳統(tǒng)溶劑無法提供足夠的能量打斷化學鍵進行重組，導致產(chǎn)物往往是一堆無用的燒結粉末，而非規(guī)整的納米晶體。
該研究團隊顛覆了傳統(tǒng)合成路徑。他們摒棄了常規(guī)有機溶劑，轉(zhuǎn)而采用熔融無機鹽作為反應介質(zhì)，并將反應溫度提升至500℃。最關鍵的一步在于精準調(diào)控氨氣壓力。
實驗數(shù)據(jù)顯示，在三氯化釩反應中，0.1兆帕的低壓下產(chǎn)物是團聚顆粒；而當壓力提升至2.0兆帕時，奇跡發(fā)生了——反應體系成功生長出分散良好、形態(tài)均一的納米晶體。理論計算證實，高壓氨氣在晶體表面構建了富氮保護層，有效抑制了顆粒團聚。
借助這一通用型合成方法，團隊不僅造出了氮化鎵納米晶體，還成功制備出包括TiN、VN、NbN、Mo?N等在內(nèi)的近十種金屬氮化物膠體納米晶體。這項成果最深遠的影響在于，它使原本只能生長在剛性晶圓上的氮化鎵等材料，具備了“溶液可加工性”。
這一突破的意義遠不止于實驗室，其研究的突破點與應用價值體現(xiàn)在：
一是合成技術突破：傳統(tǒng)有機溶劑溫度低于400℃，不足以打破堅固的金屬-氮鍵。該團隊引入了加壓熔融無機鹽介質(zhì)，在約500℃及特定氨氣壓力下，成功讓材料成核并生長為規(guī)整的納米晶體。
二是潛在應用前景：此項成果使氮化鎵等材料具備了溶液加工性，將極大推動下一代印刷電子、柔性照明、顯示技術以及生物醫(yī)療植入物的研發(fā)。
您可能感興趣
