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纳米世界,现在可用“手”摸到了

2020年03月26日 07:21 来源:未知 人气: 手机版

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李江宇(左)在工作中。

▲利用扫描探针观察到的极性非极性交替现象。

▲扫描探针。

深圳商报记者 袁斯茹

“如果我们能够按自己的意愿排列原子,将会出现何物?这些物质的性质如何?”早在1959年,诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼就曾提出这个问题。

如今,随着纳米和显微技术的快速发展,费曼的设想已经成为现实。近日,深圳先进院李江宇研究员告诉深圳商报记者,其团队成功研发高精度的扫描探针,可用于纳米层面材料的研发,目前已在钙钛矿电池结构上取得突破,相关成果于2019年发表在《自然·通讯》上。

打磨通向纳米世界的“手”

近10年来,纳米材料已经显示了诸多的优越性能。但是,1纳米仅有头发丝直径的六万分之一,在这种微小尺度下,要进一步研究材料的结构和性能间的关系,亟需发展新的技术方法。

“材料的微结构深刻影响其性能,因此两者的关系是材料科学关注的核心。目前,高性能透射电镜等显微技术已经能够在原子尺度乃至亚原子尺度确定物质的结构、成分、物相等。”李江宇介绍道,“这就像我们的眼睛,能非常清楚地分辨材料的结构。但我们还需要一只手,能在这个尺度感知材料的性能,并对其进行调控。”

过去10年中,李江宇团队便致力研究这只探寻纳米世界的“手”。

“纳米的微小直径要求‘手指’具有超高的灵敏度和精度,我们团队研发的扫描探针显微技术成功实现了这点。”李江宇告诉记者。

据悉,其研发的扫描探针技术能够在10纳米的空间精度下定量测量材料的各种响应,还能够分辨响应所对应的微观机制。

已用于钙钛矿电池结构研究

利用扫描探针技术,李江宇团队在热电材料、铁电薄膜、固态电池、生物体系等领域做了一系列研究探索,钙钛矿太阳能电池是其中之一。

钙钛矿电池被认为是新能源领域的下一个颠覆者,在短短10年内,其光电转化效率已从最初的3%提升至25%。尽管如此,从材料科学角度而言,其最基本的晶体结构仍存在着很大争议,一部分人认为它是极性的,而另一部分人则认为它是非极性的。两大阵营都有实验数据支持自己的观点。

“这两种可能的晶体结构差别非常细微,最先进的透射电镜、X光衍射等结构表征方法都难以分辨,”李江宇表示。这一难题在扫描探针下迎刃而解,“两种结构在扫描探针下的力电响应有着非常显著的差别。经过大量实验,我们观察到晶体中极性与非极性交替并存的现象。”

这一发现为该领域争议已久的问题找到了答案,相关论文在2018年发表于《自然》子刊上。

“眼睛”+“手指”

联合探秘

用“手指”摸清本质结构后,团队结合“眼睛”,也就是透射电镜进一步开展研究,这回瞄准的是钙钛矿电池商业化面临的最大挑战——稳定性问题。

据了解,钙钛矿电池虽然性能优异,却极易降解,导致性能衰退。“在材料降解退化过程中,我们与合作者利用透射电镜观察到一个新现象,即材料会经历一个中间状态的超结构。”

如果能将材料稳定在超结构下,那么就能提升材料和器件的稳定性,初步的实验印证了这一猜想。此外,团队发现超结构也具有优异的机电耦合性能,为钙钛矿电池材料和器件的进一步优化提供了方向指引。

(本文照片由受访者提供)

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本文标签:探针 结构 材料 极性 纳米

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