本文根據東京都立大學成果發佈編譯整理而成
爲實施新一代電子元件和能量轉換元件等，厚度僅幾個原子的薄膜和細線等奈米材料備受關注。日本東京都立大學理學研究科物理可用能學專業的Lim Hong En特任助教、柳和弘教授和宮田耕充副教授，與日本產業技術綜合研究所極限功能材料研究部門的劉崢高級主任研究員、名古屋大學工學研究科應用物理可用能學專業的蒲江助教和竹延大志教授，以及築波大學數理物質系的丸山實那助教和岡田晉教授等人組成的研究團隊，開發出了僅擁有3個原子左右的超細結構的過渡金屬——單硫族化合物（TMC，圖1）的全新合成技術，並首次成功合成了大面積薄膜，形成了原子細線的束狀結構等，還應答了其光學響應性和電導特性。利用這種微細的細線束和薄膜，有望查清並控制一維區域内的電子的特殊性質，實施微細的佈線和透明柔軟的電極，還有望應用於以非常小的電力驅動的電子器件、感測器以及高效率能量轉換元件等。
圖1：（a）TMC原子細線結構的示意圖。藍色對應過渡金屬原子，灰色對應硫族元素原子。
已知的結構均勻的原子細線有由鉬（Mo）和鎢（W）等過渡金屬原子，與硫（S）、硒（Se）和碲（Te）等硫族元素原子構成的過渡金屬單硫族化合物（TMC，圖1），憑藉直徑僅3個原子左右的終極細結構和金屬導電率等備受關注。根據大量過渡金屬原子與硫族元素原子的組合、細線的聚集狀態，以及細線間存在的異種元素等的不同，TMC原子細線可實施半導體、金屬和超導體等多種性質。
研究詳情
爲利用具備高結晶性的TMC原子細線形成大面積薄膜，研究團隊採用了以氣相方式向基底層上供應此前開發的原料（過渡金屬和硫族元素）的化學氣相沉積法。利用該方法探索了成長條件，成功地在釐米級基底層上合成了由聚集數十~數百條TMC原子細線形成的奈米纖維構成的網狀薄膜（圖2a）。另外還發現，利用基底層表面的晶體結構可獲得奈米纖維沿一個方向排列的薄膜（圖2b）。而且，利用該方法合成的單個TMC原子細線及其聚集體具有高結晶性（圖2c），並且能形成細線呈二維排列的單層或雙層薄膜，以及高度方向也有細線堆疊的三維束狀結構。
圖2：在基底層上合成的（a）聚集TMC原子細線形成的奈米纖維隨機網狀薄膜的電子顯微鏡影像，與（b）控制方向沿一個方向成長的奈米纖維的原子力顯微鏡影像。（c）向同一個方向聚集的TMC原子細線奈米纖維的電子顯微鏡影像與結構模式。
研究團隊測量了TMC原子細線的光散射，應答其具有反應一維結構的光學響應性。另外，還透過實驗證明，這種細線束及其網狀薄膜表現出高電導率及低溫電阻降低等金屬性質，應答與第一原理電子結構計算的預測結果一致。
研究意義
此次研究首次實施了由具備高結晶性的TMC原子細線構成的大面積薄膜，應答原子細線能形成二維單層或雙層薄膜結構及三維束狀結構等多種聚集狀態，還查清了其金屬電導特性及各向異性光學響應性。利用這種3個原子左右的微細細線及其二維薄膜和三維束狀聚集結構，有望瞭解和控制一維及二維區域内的電子的特殊性質，實施微細的佈線和透明柔軟的電極，還有望應用於以非常小的電力驅動的電子器件、感測器以及高效率能量轉換元件等。
論文資訊
題目：Wafer-Scale Growth of One-Dimensional Transition-Metal Telluride Nanowires
期刊：Nano Letters
URL：doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c03456
日語發佈資料
編譯：JST客觀日本編輯部
