液相生长单晶胞ZnS量子线助力日盲紫外光的高灵敏和高选择性检测
单晶胞半导体纳米线（SSNW）是指线径仅为单晶胞尺寸（通常小于1.0 nm）的半导体纳米线，也是理论上最细的晶体半导体纳米线。得益于其超细的直径、超高的结构各向异性和巨大的比表面积，SSNW能够将量子限域效应和界面效应推向理论极限，从而可获得比常规超细纳米线更诱人的光电性质与更新奇的物理化学性质。因此可预期SSNW在光电纳米器件、传感检测、能源催化等领域具有广泛而诱人的应用价值。遗憾的是，目前SSNW的可控合成仍存在巨大的挑战性，其艰巨性具体体现在：1）缺少有效的方法以控制反应系统在成核阶段仅产生单晶胞尺寸的晶核；2）难以控制单晶胞尺寸的晶核在生长过程中仅沿一个特定方向高选择性生长或定位自组装；3）SSNW结构上的脆弱性和热力学上不稳定性。显然，只有巧妙地耦合多种合成策略，在反应体系中同时实现形貌控制因素、动力学控制因素以及热力学调控因素的高度协同，才有可能获得这种极其特殊的纳米结构。在国家自然基金面上项目（21273020）的资助下，近日我院范楼珍教授、李运超教授课题组和北京大学深圳研究院杨世和教授（共同通讯作者）课题组合作，报道了一种新颖的软模板协同定向自组装 “一锅”合成超细纳米线的策略，首次制备出单晶胞尺寸的ZnS量子线（平均线径为 0.8 nm）和ZnSe量子线（平均线径为 0.9 nm）。他们利用多种技术手段并结合计算模拟，证实了这种量子线的协同生长机制和单晶胞结构。有趣的是，这两种单晶胞纳米线（SSNW）都展示出类似团簇的吸收特征，具有尖锐且显著蓝移的激子吸收峰和“陡峭”的吸收边。更为重要的是，得益于极致的量子限域效应，ZnS SSNW的第一激子吸收峰已蓝移至273 nm，其能隙显著扩宽至4.35 eV，因此仅高选择性地吸收波长短于280 nm的紫外光（即日盲紫外光）。进一步利用其优异的日盲紫外光吸收特性，作者成功地构建了ZnS SSNW基自供能光电化学型日盲紫外光探测器。该探测器表现出对日盲紫外光优异的响应性能：开关比高达6008、检测灵敏度可达1.5×1012 Jones、响应度可达33.7 mA/W；关键性能参数显著优于已报道的具有类似器件构型的日盲紫外光探测器。为了实现更便捷地探测日盲紫外光，他们还构造出具有灵敏响应的Mn掺杂ZnS SSNW基光致变色卡。该工作为合成和研究超细一维纳米材料打开了一扇新的大门，创建了一类崭新的纳米材料体系；也为构建高性能光电探测器件提供了一种新思路。该研究成果以“Solution Grown Single-Unit-Cell Quantum Wires Affording Self-Powered Solar-Blind UV Photodetectors with Ultrahigh Selectivity and Sensitivity”为题发表在国际著名期刊J. Am. Chem. Soc.（2019, 141, 3480-3488）上，北京师范大学博士生李冬，硕士生郝思濛为该论文的共同第一作者；相关技术成果已申请了发明专利（中国发明专利201710558501.5）。该成果发表后，还受到知名学术平台“材料人”的专题报道（http://www.cailiaoniu.com/170253.html）。
文献链接:
Solution Grown Single-Unit-Cell Quantum Wires Affording Self-Powered Solar-Blind UV Photodetectors with Ultrahigh Selectivity and Sensitivity
(J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 3480-3488; DOI: 10.1021/jacs.8b10791
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