孙晓明团队通过氧调制合成小于2纳米厚度的铝纳米片丨CellPress论文速递
近年来，作为地壳储量最大的金属元素，金属铝纳米材料在光学，电子学，能源存储等领域引起了广泛关注。和金、银、钯等贵金属类似，铝也被发现具有独特的等离子体性质，并且该表面等离子体共振可根据尺寸、形貌、周围介质等因素调节，从深紫外区覆盖至近红外区域，具有巨大应用潜力。但由于铝的活泼金属的特性，通常湿法化学获得的铝纳米材料难以通过动力学调控实现独特的取向生长，并且拥有不少于2到4纳米厚度的表面氧化层。
近日，北京化工大学孙晓明教授团队首次报道了通过氧的调制作用实现小于2纳米厚度的铝纳米片的湿法化学合成策略。利用氧在面心立方结构的铝(111)晶面的高选择性吸附，可简便的根据合成环境中氧气浓度调控铝纳米片的厚度，同时这种氧吸附钝化作用赋予了铝纳米片良好的稳定性，带来了从可见到近红外区的表面等离子体共振吸收峰的调节以及显著的双光子发光特性。这一策略为可控制备铝基等离子体金属超薄纳米材料提供了有效的方案，并为其他活泼金属纳米材料的合成开辟了新的视野。相关成果于12月9日发表于Cell Press细胞出版社旗下化学旗舰期刊Chem上。
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对于金属等离子体纳米材料，其光学特性对材料的尺寸形貌具有强烈的依赖性，因此可控合成至关重要。然而和传统的贵金属纳米材料不同，铝的金属活泼性要强得多，大多数合成都是物理方法为主，难以获得具有取向晶面的晶态结构，并且在铝表面都会形成不少于2纳米的氧化层。目前，通过动力学调控制备铝的超薄纳米结构仍是巨大挑战。
孙晓明教授团队研究人员利用氧对金属铝(111)晶面的优先吸附特性，在湿法合成过程中引入氧气气氛，通过氧浓度调节实现铝纳米片的厚度调控。基于该特异性吸附，铝纳米片也主要暴露(111)晶面，厚度可从18纳米调控至1.5纳米。
研究人员通过X射线光电子能谱 (XPS)发现氧对铝(111)晶面的吸附也同时赋予了该超薄纳米片优异的稳定性。与新鲜制备的铝纳米片相比，室温空气环境中保存一周的铝纳米片，表面氧化程度仍然有限。主要是由于氧在铝(111)晶面吸附钝化形成致密结构，极大的抑制了对内层原子结构的继续氧化。基于对保存一周的铝纳米片堆垛结构的XPS切片分析，Al3+和Al0峰强度比值和厚度依赖的周期性，进一步证实了该超薄铝纳米片的稳定性。结合同步辐射的对分布函数(Pair distribution function)分析，随着纳米化程度的加剧，超薄纳米片结构中几种典型铝原子间距会随着氧原子的吸附介入有所展宽，产生了晶格膨胀的现象。
研究表明，基于该稳定特性，使得超薄晶态的铝纳米结构的光学应用成为可能。从单颗粒暗场散射观察不同厚度铝纳米片散射光谱，发现随着纳米片厚度的降低，片状结构的长径比增大，其表面等离子体共振峰位置在632-810 nm区间内红移，与理论模拟结果相当。在800 nm的激光激发下，铝纳米片也展现了优于金纳米棒（长径比为4）的厚度依赖的双光子发光特性。主要是由于铝具有优异的二阶和三阶非线性光学系数，得益于超薄纳米结构带来的近红外表面等离子体共振与激发光800 nm 波长吻合，从而极大的增强了双光子激发效率。
因此研究团队认为，这种和合成活泼金属纳米材料时规避氧气的传统相反的策略，不仅为铝基纳米晶态材料的合成提供了确切的答案，也为其他活泼金属纳米材料的合成开辟了新的视野。
论文通讯作者介绍
关于 孙晓明 教授
孙晓明，北京化工大学教授，国家杰出青年科学基金资助获得者、国家“万人计划”科技创新领军人才。2000年和2005年于清华大学分别获得学士和博士学位，2005–2008年在美国斯坦福大学从事博士后研究工作，2008年加入北京化工大学工作。2008年入选教育部“新世纪人才支撑计划；2011年获国家杰出青年科学基金资助；2017年入选科技部创新人才推进计划；2019年入选“牛顿高级学者基金”资助，并入选第四批国家“万人计划”科技创新领军人才。主要从事无机功能纳米材料、碳纳米材料的可控合成、结构调控、分离纯化、有序组装以及在能源化学中的应用。于2014～2018年被Elsevier出版社评为材料学领域高被引学者，2015～2017年被英国皇家化学会选为top 1%中国高被引学者, 2018年和2019年被科睿唯安（web of science）选为全球高被引学者。受邀担任Science Bulletin副主编和其他国际刊物编委会成员。
相关论文信息
论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Chem上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文
论文标题：
Synthesis and Properties of Stable Sub-2-nm-Thick Aluminum Nanosheets: Oxygen Passivation and Two-Photon Luminescence
论文网址：
https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(19)30514-5
DOI:
https://doi.org/10.1016/j.chempr.2019.11.004
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