Nano Lett.┃旋转磁场诱导辐射状纳米线组装体的电荷高效分离

英文原题：Radial Nanowire Assemblies under Rotating Magnetic Field Enabled Efficient Charge Separation

通讯作者： 俞书宏，刘建伟, 中国科学技术大学

作者：Jin-Long Wang（王金龙）, Hui-Jun Jiang（江慧军）, Zhen He（何振）, Jian-Wei Liu（刘建伟）, Rui Wang（王锐）, Wei-Ran Huang（黄蔚然）, Lan-Tian Feng（冯兰天）, Xi-Feng Ren（任希锋）, Zhong-Huai Hou（侯中怀），Shu-Hong Yu（俞书宏）

近年来，通过合成特殊纳米结构，设计异质结构以及元素掺杂等方法来提高纳米材料的电荷分离效率的相关研究受到了广泛的关注。然而，这些策略仍然存在许多缺陷，例如：需要复杂的合成过程，电荷分离和传输机理的不清晰以及需要特殊波段的光或电场激发。这些缺陷阻碍了纳米材料的进一步商业化应用。众所周知，磁生电是有效的电荷分离技术并在我们日常生活具有非常重要的作用，然而却很少有人利用其来提高纳米材料的电荷分离效率，这主要是由于纳米尺度上的闭合电路难以制备。因此，发展简单、有效的纳米材料组装技术来制备相应的闭合电路并用于磁生电对于提高纳米材料的电荷分离和传输效率具有重要的研究意义。

近日，中国科学技术大学俞书宏课题组受“雨滴在旋转雨伞上的径向运动”启发，采用旋涂方法产生的流体诱导作用制备了一种具有辐射结构的纳米线组装体，并在旋转磁场辅助下成功实现了纳米线中电荷的有效分离和传输。通过调节旋涂组装参数，作者在几十秒内获得了具有不同尺寸的Ag纳米线和Te纳米线以及Te纳米管辐射结构组装体（图1）。结合大尺度的动力学模拟，作者总结出通过增加组装距离（> 0.4 cm）和提高旋涂速度（> 5000 rpm）可以有效的提高纳米线的组装有序度（有序度>85%）。通过改变纳米线分散液的浓度和体积可以实现纳米线组装密度的调控（图2）。与其他组装方法相比，该方法具有耗时少、成本低、易于操作和重复性好的优势，适合不同的1D纳米结构以及不需要对基底进行任何修饰。进一步，作者研究发现这种具有辐射结构的纳米线组装体在旋转磁场下可以实现纳米线中电荷的有效分离和传输。首先，基于这种辐射状的纳米线组装结构，作者利用微纳加工手段制备了相应的微纳圆形电极。随着磁场旋转速率或磁场强度的增加，组装在Si/SiO₂基底上的Ag纳米线电极产生的电流可以从0 nA增加到1260 nA（图3）。当把具有光导性能的半导体Te纳米线电极放在旋转磁场中时，Te纳米线电极光照时产生的电流达到了40 nA，该结果远大于单纯的光照产生的电流（2 nA）和单纯的磁场中产生的电流（17 nA）之和，这主要是电磁效应可以抑制光生自由电子和空穴的复合（图4）。上述研究结果表明，磁生电效应可以有效的提高纳米线中的电荷分离和传输，对于提高纳米线的催化、光伏转化以及光电导等性能具有重要研究意义。

图1. 通过流体诱导纳米线组装及其结构表征

图2. 流体诱导纳米线组装的随机动力学模拟和实验结果对比

图3. 基于辐射状Ag纳米线电极制备电磁发电设备及其性能表征

图4. 基于辐射状Te纳米线制备的光电探测器件及其在旋转磁场中的性能表征

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Radial Nanowire Assemblies under Rotating Magnetic Field Enabled Efficient Charge Separation

Jin-Long Wang, Hui-Jun Jiang, Zhen He, Jian-Wei Liu*, Rui Wang, Wei-Ran Huang, Lan-Tian Feng, Xi-Feng Ren, Zhong-Huai Hou, Shu-Hong Yu*

Nano Lett., 2020, 20, 2763-2769, DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c00408

Publication Date: March 3, 2020

Copyright © 2020 American Chemical Society

（本稿件来自ACS Publications）