《美国化学学会•纳米》连续发表物理学院最新研究成果

发布时间：2019-04-11 10:31 来源：物理科学与技术学院阅读:

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新闻网讯（通讯员张一飞）物理科学与技术学院青年学者丁涛教授和张晨栋教授相继在国际著名期刊ACS NANO（《美国化学学会·纳米》）上发表研究论文。

丁涛论文题为“Photothermal-Assisted Optical Stretching of Gold Nanoparticles”（《光热辅助光学拉伸金纳米颗粒》），物理科学与技术学院博士研究生王霜霜为第一作者，丁涛为通讯作者，武汉大学为论文第一署名单位。

研究人员在利用激光辐照金纳米颗粒导致其熔融的同时，利用光学力的协同作用，使近球形的金纳米颗粒发生拉伸变成纳米棒最终断裂得到二联体（图1）。其成功的关键在于基底对纳米颗粒的粘滞作用，以及合适的温度（辐照功率）让金纳米颗粒发生软化，光学力才能够克服粘滞阻力对金颗粒产生拉伸作用。通过对温度以及光学力的模拟，他们发现梯度力以及光压力的水平分量对于金颗粒的拉伸起到主要作用。这一发现为纳米颗粒形貌的光学调控提供了一种新手段。

图1：光热辅助光学力拉伸金纳米颗粒形成纳米棒以及二联体结构

不仅如此，在高功率下，金属熔融液滴的表面张力作用占主导地位，这些被拉伸的金纳米棒或二联体可以重新转变为球形的金颗粒（图2），这种可擦写的形貌变化，为基于纳米颗粒的信息存器件提供新思路。

图2：可重复擦写的颗粒形貌以及等离激元共振峰变化

张晨栋论文题为“Engineering Point-Defect States in Monolayer WSe2”（《单层二硒化钨点缺陷的能级调制工程》），张晨栋为第一作者和共同通讯作者，武汉大学为论文第一署名单位。团队的研究工作由德克萨斯大学奥斯汀分校Chih-Kang Shih教授、中国人民大学季威教授、阿卜杜拉国王科技大学Lain-Jong LI教授和香港大学姚望教授多个团队合作完成。

研究人员结合扫描隧道显微镜/扫描隧道谱和第一性原理计算，研究了单层WSe₂中单钾原子修饰的钨空位的原子-电子结构。该工作首先利用分子束外延技术，通过对动力学热力学窗口的精确控制，获得大面积均一结构的单钾原子修饰的钨空位缺陷[图3(b)]。结合多种模式的扫描隧道谱表征，在实验上首次直接观测到单层TMD材料点缺陷的多重隙间能级（图4）。与第一性原理计算结合，提出单层TMD中本征点缺陷态难以被观测的原因在于其原子轨道构成及z方向波函数缺乏交叠。单个钾原子的电子注入效应，对缺陷态能级和波函数分布进行了显著调制，为实验上对点缺陷的观测提供了窗口（例如，在该工作中澄清了扫描探针测量对缺陷类型的判定）。

图3：(a)单层WSe2中钨空位的原子分辨STM图像。(b)大面积均一的钾原子修饰缺陷

此外与理论计算结合，该工作预言了钾原子贡献的未配对电子会在自由状态的材料体系中导致局域磁矩（~1mB）的产生，该磁矩依赖于奇-偶数电子填充状态，可能通过外电场实现调控开关状态。实验上对于“关”状态的能级结构观测与理论预言精确符合。值得注意的是，二维TMD材料点缺陷的磁性近期也在其它实验工作中获得一定证实，为二维半导体材料在自旋器件应用和能谷-自旋-偏振结合的光电器件开发提供了新的可能。

该工作揭示了二维半导体材料中点缺陷的原子-电子结构关联，演示了单原子尺度上的点缺陷修饰调控，对扫描探针技术在该方向研究中的一些关键问题进行了澄清，并为在二维半导体材料中自旋自由度的应用提供了新的可能。