离子纳米晶体阳离子交换中晶体结构变化的决定因素的发现 - 温和条件下晶体结构控制的新发现 -

京都大学
V体育
名王大学

摘要

　由京都大学化学研究所博士生李天柱、助理教授Masaaki Saruyama、教授Toshiharu Teranishi、V体育副教授Toru Asaka和名王大学副教授Yoshiyuki Tatsutsu组成的研究小组发现，离子纳米晶体在阳离子交换反应过程中发生的晶体结构变化取决于纳米晶体的形状。阳离子交换反应作为一种容易调节离子纳米晶体的元素组成的方法而引起人们的关注，但控制晶体结构被认为是困难的。
　在本研究中，具有16种不同宽度和高度的六方棱柱形六方铜_1.8CoS纳米晶体²⁺与20060_20110|₉S₈第一性原理计算表明，六方柱状六方CoS侧面的表面能大于底部，并且随着高度的增加，立方CoS稳定以避免侧面广泛暴露。₉S₈有限公司²⁺以外的阳离子观察到了不同的趋势，并且还发现该物质固有的结构稳定性在这种现象中起着重要作用。这些发现被认为会催生在温和条件下控制材料中离子排列的技术。该成果于2021年7月16日发表在美国国际学术期刊《

1。背景

　离子纳米晶由阳离子和阴离子组成，广泛用作光电转换和发光器件等光学功能材料，其性能由其组成元素和晶体结构决定。经过多年的研究，通过精确控制离子纳米晶体的尺寸和形状，已经可以化学合成一些离子纳米晶体，但其类型仍然很少，晶体结构也受到限制。
　阳离子交换反应是离子纳米晶中的阳离子与其他阳离子进行交换的反应，该反应在温和的条件下进行。因此，通过控制尺寸和形状的离子纳米晶体的阳离子交换，可以大大扩展纳米晶体的品种。但从晶体结构来看，与体积小且易移动的阳离子相比，大而难移动的阴离子形成的骨架较强，因此原有的晶体结构几乎没有改变（图1）。因此，认为阳离子交换反应产物的晶体结构由母体材料的晶体结构决定。如果我们能够在阳离子交换反应中找到改变晶体结构的因素，就有可能在温和的条件下控制离子晶体的晶体结构，这有望导致一组新物质的合成。

图1．一般阳离子交换示意图

2。研究方法/结果

　在研究离子纳米晶体的阳离子交换反应时，我们注意到产物的晶体结构根据纳米晶体的形状而变化。具体来说，六方晶系^注意1) 铜_1.8S纳米晶体铜⁺离子公司²⁺，薄板形状铜_1.8S具有相同的六方晶系服务等级生成细长的杆状铜_1.8S是立方系统^注意2)公司₉S₈
　为了详细研究晶体结构发生变化的条件，我们充分利用我们的专业合成技术来创造不同的宽度和高度16六棱柱的类型铜_1.8S我们合成了纳米晶体并进行了阳离子交换反应（图2A）。如果我们组织纳米晶体的形状和产品的晶体结构，铜_1.8S纳米晶体的“高度”是决定晶体结构的唯一因素，高度约为10 纳米，则六方晶系(服务等级) 及以上，立方系统 (公司₉S₈）中变化的关系（图2B、C）。
　我们关注纳米晶体表面的稳定性，这是晶体结构根据形状而变化的原因。第一性原理计算^注意3)结果，六棱柱型六方晶系服务等级的侧面高于底部表面能^注意4)公司₉S₈。
　有限公司²⁺之外的三种类型的阳离子，没有观察到这种形状依赖的晶体结构变化，这表明物质固有的相稳定性在这种现象中起着重要作用（图3）。

图2．（A）16类型铜_1.8S阳离子交换反应前后纳米晶体的透射电子显微镜图像（比例尺：50 纳米）、(B)铜_1.8S纳米晶的高度和宽度与产品晶体结构之间的关系，(C)铜_1.8S晶体结构随纳米晶体高度变化的示意图。

图3．阳离子交换反应中晶体结构变化的差异取决于阳离子的类型

3。连锁反应，未来计划

　作为半导体的离子晶体具有其晶体结构独特的性质，因此控制晶体结构已成为重要的研究课题。这项研究中获得的发现被认为会带来在温和条件下控制离子晶体中离子排列的技术。这次，我们研究了四种类型的阳离子，但我们认为，为了使理论系统化，有必要研究许多其他金属阳离子，我们计划从实验和计算的角度继续我们的研究。

4。关于研究项目

该研究得到了日本文部科学省的JSPS科学研究补助金：基础研究（S）、新学术领域研究“协调不对称”、挑战性研究（新兴）、特别研究员补助金、纳米技术平台项目和京都大学化学研究所国际联合利用和联合研究中心项目的支持。

术语表

注1) 六方晶系
七种晶系之一。其中一个晶轴（c轴）为6倍旋转轴或旋转轴，其他晶轴位于与c轴垂直的平面内且长度相等且形成60度角。

注2) 立方系统
是七个晶系中最对称的晶系，所有晶轴长度相同，且晶轴所成的角度均为90度。

注3) 第一性原理计算
一种根据量子力学方程通过数值计算求解材料中电子运动的方法。

注4) 表面能
材料表面原子与材料内部原子之间的能量差。表面能越高，暴露的表面变得越不稳定。

研究人员的评论

　我能够不忽视罕见的现象，顽强地阐明它们发生的原因，并得出一定的结论。自从报道了纳米晶体的离子交换反应20虽然已经过去了大约一年，但它仍然是一个有吸引力的研究课题，隐藏着尚未发现的神秘现象，我们希望继续开发有用的方法，通过仔细的合成和仔细的观察来合成新的纳米材料。

论文标题和作者

标题：阳离子交换反应中离子纳米晶体的晶体结构转变的决定因素（阳离子交换反应中离子纳米晶体的晶体结构转变的决定因素）
作者：Zhanzhao Li、Masaki Saruyama、Toru Asaka、Yasutomi Tatetsu 和 Toshiharu Teranishi
发表于：科学
DOI：

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