利用半导体纳米片中的弱点来指导纳米级组装

硒化镉纳米片为创新电子材料的发展提供了有前景的基础。世界各地的研究人员对这些只有几个原子厚的微小血小板特别感兴趣，因为它们具有非凡的光学和其他特性

来自Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf（HZDR）、德累斯顿工业大学和Leibniz固态与材料研究所（IFW）的一个团队朝着系统生产这种纳米片迈出了重要一步。正如他们在Small杂志上报道的那样，研究人员能够对结构和功能之间的相互作用获得基本的见解

镉基纳米结构有助于开发二维材料，这些材料通过吸收、反射或发射光，或表现出其他光学特性，与近红外光（NIR）进行特定的相互作用

这个光谱范围对许多技术都很感兴趣。例如，在医学诊断中，由于近红外光的散射小于可见光，因此这些材料可以更深入地了解组织。在通信技术中，近红外材料用于高效光纤系统。在太阳能领域，它们可以提高光伏电池的效率

HZDR离子束物理与材料研究所的Rico Friedrich博士和德累斯顿工业大学理论化学系主任说：“专门修改材料以呈现所需光学和电子性能的能力对于所有这些应用都至关重要。”

德累斯顿工业大学物理化学系主任Alexander Eychmüller教授补充道：“过去，这是一个挑战，因为纳米化学合成更多的是通过反复试验来混合材料。”。这两位科学家共同领导了这项合作研究项目

一种创新方法：阳离子交换以产生定义明确的纳米粒子

这里的特殊挑战是在不改变其宽度和长度的情况下，具体控制纳米结构中原子层的数量及其组成（从而控制其厚度）。合成这种复杂的纳米粒子是材料研究中的一个关键挑战

这就是阳离子交换发挥作用的地方。在这种方法中，纳米粒子中的某些阳离子（带正电的离子）被其他阳离子系统地替换

Eychmüller说：“该过程使我们能够精确控制成分和结构，使我们能够生产出具有传统合成方法无法达到的特性的颗粒。然而，人们对这种反应的确切运作和起点知之甚少。”

在当前的项目中，该团队专注于纳米片，其活性角起着至关重要的作用。这些角特别具有化学反应性，这使得将血小板结合成有组织的结构成为可能。为了更好地理解这些影响，研究人员结合了复杂的合成方法、原子分辨率（电子）显微镜和广泛的计算机模拟

纳米粒子中的活性角和缺陷不仅因其化学反应性而有趣，还因其光学和电子性质而有趣。这些地方通常有高浓度的电荷载流子，这会影响它们的传输和光的吸收

Friedrich解释说：“结合交换单个原子或离子的能力，我们还可以利用单原子催化中的这些缺陷，利用单个原子的高反应性和选择性来提高化学过程的效率。”

精确控制此类缺陷对于纳米材料的近红外活性也至关重要。它们影响近红外光的吸收、发射或散射方式，为系统优化光学特性提供了方法

与超过100000名依赖Phys.org获取日常见解的订阅者一起探索科学、技术和太空的最新进展。注册我们的免费时事通讯，每天或每周获取重要突破、创新和研究的最新进展

连接纳米结构：迈向自组织的一步

这项研究的另一个成果是有可能通过纳米片的活性角系统地连接纳米片，将粒子组合成有序甚至自组织的结构。未来的应用可以使用这种组织来生产具有集成功能的复杂材料，如近红外有源传感器或新型电子元件

在实践中，这种材料可以提高传感器和太阳能电池的效率，或促进新的数据传输方法。同时，这项研究也为纳米科学的其他领域，如催化或量子材料，提供了基础见解

该团队的发现之所以成为可能，得益于最先进的合成、实验和理论方法的结合。研究人员不仅能够精确控制纳米粒子的结构，还详细研究了活性角的作用。将原子缺陷分布和成分分析实验与理论建模相结合，以全面了解材料性能 More information: Volodymyr Shamraienko et al, Weak Spots in Semiconductor Nanoplatelets: From Isolated Defects Toward Directed Nanoscale Assemblies, Small (2024). DOI: 10.1002/smll.202411112

Journal information: Small