南京航空航天大学首次实现了零维硼量子点的实验制备和器件构筑

近日，《美国化学学会应用材料与界面》期刊ACS Applied Materials & Interfaces（影响因子：8.456）在线发表了我校航空学院纳米科学研究所团队关于晶体硼量子点的首次实验制备及其器件应用的最新研究成果“Crystalline Semiconductor Boron Quantum Dots”。硕士二年级研究生郝金钱为第一作者，台国安教授和郭万林院士为共同通讯作者，南京航空航天大学航空学院机械结构力学及控制国家重点实验室为论文第一通讯单位。

硼作为碳的近邻元素，同碳元素类似，也有着零维、一维和二维等低维结构。硼团簇被认为是形成二维硼烯的一类单元，理论计算和X射线光电子能谱实验表明，硼团簇可以转变为硼墨烯和硼球烯（Nat. Chem. 2014, 6, 727）。自C60被发现（Nature 1985, 318, 162）以来，作为碳的最近邻元素，硼是否会形成类C60富勒烯团簇，一直是理论界研究的热点（Phys. Rev. B 1997, 55, 16426; Nat. Mater. 2003, 2, 827）。理论计算的硼团簇更倾向于形成平面、准平面或凸结构。人们通过Aufbau构造原理，即用两个基本单元的硼团簇-六角锥(B7)和五角锥(B6)可以构造出二维硼烯（Science 2015, 350, 1513；Nat. Chem. 2016, 8, 563）。尽管科学界已经开展了大量相关理论和实验工作，以期发现硼团簇，由于所探测的硼簇均处于气相，温度降低时易于凝聚，因而无法通过扫描隧道显微镜或高分辨透射电子显微镜等技术实际观察到硼团簇。

基于上述分析，研究者采用高功率超声分散体相硼粉体的方法来获得晶体硼量子点。首先，对经过超声溶剂的反复筛选与试验摸索，找到了最优的分散溶剂和浓度配比；然后，通过优化超声功率、超声时间，并对超声温度进行实时监测和控制，突破了技术瓶颈，获得了晶体硼量子点的平均尺寸为2.5 nm，产量还可以进一步放大。进而澄清了其形成机理：超声条件下有机溶剂（乙腈）中产生的偶极诱导偶极，造成体相硼破碎，从而形成了量子点。

在获得硼量子点的基础上，通过X射线衍射、高分辨电镜、紫外-可见吸收光谱和光致发光谱等手段表征发现：该量子点为一种α相硼晶体，由于强烈的量子尺寸效应，硼量子点带隙从体相的1.8 eV（红光）调制到2.46 eV（绿光）。为了证明硼量子点的器件应用潜力，研究者构筑了硼量子点- PVP非易失存储器。发现在0.1 V的读写电压下其开关比超过1.0×10³，转变电压为0.5 V。说明制得的硼量子点器件具有低电压操作特性（Small 2012, 8, 3517；Adv. Mater.2010, 22, 1731；Angew. Chem. Int. Ed.2015, 54, 3653），预示着硼量子点器件具有更低的能量消耗，有望在高性能、低能耗电子/光电器件发挥作用。相关成果发表在ACS Appl. Mater. Inter.（2020, 12, 17669-17675），其中一位审稿人认为：“…, because there are not many reports in the literature about suitable simple protocols for the synthesis of zero-dimensional crystalline boron structures...这是国际上第一篇关于零维晶体硼量子点的报道”。这些结果表明，零维硼量子点在高效率、高性能的光电、传感和存储等器件方面具有重要的应用潜力。

该研究得到国家自然科学基金项目（61774085 和51535005）、江苏省“六大人才高峰”项目（XCL-046）、南京航空航天大学基本科研业务费（NE2017101）以及江苏高校优势学科建设工程项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.9b19648

Jinqian Hao, Guoan Tai*, Jianxin Zhou, Rui Wang, Chuang Hou, Wanlin Guo*, Crystalline Semiconductor Boron Quantum Dots. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 15, 17669-17675.