扭曲GeS纳米线：新型光电材料的突破!

【研究背景】

近年来，扭曲材料因其在光电子器件、柔性电子和纳米技术等领域的潜在应用而备受关注。特别是扭曲的范德华（vdW）材料，因其优异的机械和电子性能，与传统的二维材料相比，具有更好的灵活性和可调性。然而，扭曲结构的合成仍面临诸多挑战，包括如何有效控制材料的形态和扭曲角度等。

近日，加州大学伯克利分校/劳伦斯伯克利国家实验室Jie Yao团队在vdW材料的研究中取得了新进展。该团队通过化学气相传输法成功合成了扭曲的锗硫（GeS）结构。这一研究不仅实现了对GeS材料的扭曲设计，还开辟了合成具有不同扭曲形态的vdW结构的新方法。

通过利用Eshelby扭曲机制，该团队显著提高了GeS纳米线的性能。研究结果表明，所合成的扭曲GeS晶体在结构上具有清晰的螺旋形态，其扭曲周期范围从2微米到20微米，总长度可达数百微米。此外，研究还通过同步辐射X射线Laue微衍射分析揭示了这些扭曲结构的结晶特性，证实了其沿c轴的扭曲。

【表征解读】

本文通过扫描Laue X射线微衍射（μSXRD）分析发现了扭曲结构的晶体特性与取向，从而揭示了其在纳米线中的独特生长机制。通过在劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源同步辐射源12.3.2束流线进行亚微米空间分辨率的测量，作者对样品进行了0.5 μm的步长扫描，在每一步都收集了Laue图样。通过XMAS软件对Laue图样进行索引，得到了样品的取向图谱，这为后续的微观机制研究提供了重要的基础。

针对扭曲现象，作者利用透射电子显微镜（TEM）进行样品制备，从而实现对中尺度和纳米尺度扭曲GeS结构的微观机理表征。作者使用FEI Strata 235双束聚焦离子束（FIB）系统和FEI Nova 600 FIB制备了横截面TEM样品。为尽量减少侧壁损伤并使样品达到电子透明，作者采用900 eV的低能氩离子研磨。随后，作者将垂直生长的自由悬垂纳米线机械转移到铜TEM载物网格上进行TEM分析。

在电子显微镜成像方面，作者利用Zeiss Gemini Ultra-55分析电子显微镜进行扫描电子显微镜（SEM）成像，同时在FEI Strata 235双束FIB上进行电子背散射衍射（EBSD）分析，EBSD取向图谱通过OIM软件进行生成和分析。TEM分析则使用FEI TitanX、JEOL 3010原位TEM、阿贡染色像差校正TEM（ACAT）以及FEI Titan 80-300 ST进行。这些高分辨率的HAADF-STEM图像是通过劳伦斯伯克利国家实验室的单色化、像差校正TEAM 0.5 TEM在200 keV下获得的，进一步揭示了材料的微观结构特征。

在光学表征方面，采用Horiba Jobin Yvon LabRAM ARAMIS自动扫描共聚焦拉曼显微镜进行了光致发光测量和成像。这些表征手段的结合使作者能够深入探讨材料的光电性能与结构之间的关系。

在理论模型方面，作者构建了一个半定量模型来解释纳米线中扭转边界的间距。模型根植于Eshelby扭转及相关的应变能理论，并结合纳米线与基板的结合状态以及错位的临界厚度概念。作者假设纳米线始终可以被建模为一个半径为R的圆柱体，并在轴向的螺旋位错的作用下迅速生长。随着纳米线生长到超出金滴的半径，其生长速度减缓，采用直接沉积机制。此时，螺旋位错引入的净扭转导致纳米线的总扭转速率固定，进而导致扭转应变能的过量储存。作者假设，扭转边界的引入可以有效降低这种应变能，从而推动了新材料的制备。

通过上述多种表征手段，作者深入分析了扭曲结构的微观特征及其对材料性能的影响，进而制备出新型的扭曲GeS材料。这一进展不仅推动了对扭曲材料的理解，也为相关领域的研究和应用提供了新的思路和技术路径。总之，经过综合的表征与分析，本文为探索和开发新型功能材料奠定了基础，推动了相关技术的进步。

【图文速递】

图1：中尺度扭曲 GeS 晶体的结构。

图2：中尺度 GeS 结构中的扭曲界面和扭曲角度。

图3：具有 Eshelby 扭曲的 GeS 纳米线。

图4: 扭曲 GeS 的形成机制。

【科学启迪】

本研究揭示了 Eshelby 扭曲在范德瓦尔斯材料中的重要作用，开创了合成具有多样化扭曲形态的新方法。通过观察和研究扭曲 GeS 结构，研究者们展示了在纳米尺度上引入螺旋扭曲的可能性。这种扭曲不仅改善了材料的性能，还为设计具有特定拓扑结构的纳米材料提供了新思路。利用化学气相输送法成功合成的扭曲 GeS 纳米线，展示了极具前景的结构特征和应用潜力。

此外，本文通过系统的表征方法，如扫描电子显微镜和透射电子显微镜，提供了对扭曲结构的深入理解。研究表明，扭曲结构中层与层之间的扭转可以显著影响其光学和电学性能，这为探索新型电子器件和光电应用开辟了新领域。这一发现不仅丰富了对范德瓦尔斯材料的认识，也为未来的纳米材料设计和应用提供了理论依据和实践指导，推动了材料科学的发展。整体而言，本研究不仅具有基础研究价值，还展现出巨大的应用潜力，为相关领域的研究提供了新的方向。

参考文献：Liu, Y., Wang, J., Kim, S. et al. Helical van der Waals crystals with discretized Eshelby twist. Nature 570, 358–362 (2019). https://doi.org/10.1038/s41586-019-1308-y