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DOI : 10.2240/azojomo0124

Mo6SxI9-x 分子 Nanowires の構造および物理的性質

DESYGN IT - 特集号

産業技術のための Nanotubes のデザイン、統合および成長

D. Dvorsek、 D. Vengust、 V. Nicolosi、 W.J. Blau、 J.C. Coleman および D. Mihailovic

版権の AZoM.com の Pty 株式会社。

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入れられる: 2007 年th 11 月 6 日

掲示される: 2007 年th 11 月 16 日

カバーされるトピック

概要

導入

方法および材料

Nanowire の構成

構造特性

Nanowire の自己組み立てられた水晶の構造

物理的性質の概要

Nanowires の機械特性

Nanowires の輸送特性

Nanowires の光学的性質

結論

確認応答

参照

概要

私達はモリブデン硫黄ヨウ素分子 nanowires の原子および電子構造の簡潔な概要を示します。 私達はまた彼らの基本的な輸送の、光学および機械特性を要約します。

導入

基本的な nanomaterials の特性を理解することはナノテクノロジーの使用のために重大に重要です。 最後のディケイドの最も広く調査された材料の 1 つとして、カーボン nanotubes は (CNT)いくつかの興味深い特性を表わします。 ただし、ナノテクノロジーの CNT の広まった使用は大きさによって総合される材料の本質的な異種によって妨げられます。 総合された材料から金属および半導体の nanotubes を分ける難しさは同じ特性が付いている同一のブロックが必要となるアプリケーションの CNT の使用を防ぎます。 ナノテクノロジーアプリケーションの CNT の使用を用いるもう一つの問題は追加界面活性剤の使用なしに低沸点ポイント溶媒の悪い分散の特性です。 これらの問題は強く代わりとなる nanomaterials の調査に動機を与えます。

統合が 2004 年に最初に [1] 報告された新しく有望な材料の 1 つは、モリブデン硫黄ヨウ素 nanowires です。 CNTs がおよび予想通り、発見以来技術の広い範囲と、材料研究され、ずっと可能な産業アプリケーションの検索を含む多数および多様な調査の主題、であるより大いにより少なくデマンドが高いです統合および準備は。 材料なりましたあるため行ないます 1 次元分子ワイヤーそっくり nanomaterial 普通現われるで命令される束ねる [2,3] 共通の溶媒 [4,5] の範囲でよい dispersability がある、多くの点で CNTs に機能的に非常に類似した。 触媒 [1] のない要素からの材料の比較的簡単な統合は産業技術の材料の生産そしてそれ故に適用の可能性を位取りするための可能性を与えます。 分子電子工学から行なうことおよび tribological 合成物まで及ぶいくつかの可能なアプリケーションは現在追求されています。

方法および材料

この記事で私達はモリブデン硫黄ヨウ素 nanowires の基本的な特性の異なった調査のコレクションで報告します。 調査は構造調査から機械、輸送および光学的性質の調査まで及びます。 構造は X 線の粉の回折の測定 (XRD)、 X 線の吸収の微細構造の実験 (XAFS)、分析原子ペア分布関数の (PDF)、高解像の透過型電子顕微鏡およびスキャンの透過型電子顕微鏡を含んでいた実験技術 (HRTEM)の組合せと調査されました (STEM)。 実験技術は原則の計算と補足されます。 光学的性質の調査は反射力の測定を含み、吸光度はの機械的に薄膜、解決のバルクサンプルをまたは方向づけました。

Nanowire の構成

調査された nanowires に化学式 MoSI があります69-xx (3 つは遷移金属の chalcogenides に基づいてクラスタ混合物のグループに < x < 6) 属し。 こののほとんどのクラスタが結晶の混合物三次元ネットワークを形作る間、 MoSI (MoSIx)69-xx のクラスタは 1 次元鎖で配列されます。 要素から MoSIx の nanowire 進むシングル・ステップの統合が通常束、詰まったが束で controllably 分散することができ、個々の分子ワイヤー [5] が付いている安定した分散を形作ると見つけられました。 これらの調査で使用された MoSIx の nanowires は会社 Mo6 によって供給され、洗浄、分散および沈降によって処理されました。

Nanowires の構造特性

MoSI の nanowires の69-xx 構造は X 線回折 [1] と最初に調査されました。 技術の他の技術か組合せが構造の詳しい決定のために必要であることはすぐに明確になりました。 X 線スペクトルからの異なったサイトの原子占有の正確な決定は個々の nanowires が頻繁に束の中の互いに関連して完全に発注されないし、束自身がねじれるか、または変形するので、妨げられました。

基本的な構造は X 線の粉の回折の測定 [6] からの平均構造情報と XAFS からのローカル構造情報を結合することによって定められました。 得られた構造 (図 1) は共有に区切られた Mo chalcogenide ハロゲン化物クラスタの鎖で Mo (S、 I) 3 つので一緒に結合される単位陽イオン6によって構成される構成される6 1 次元ポリマーの点では最もよく記述されています (S または I)。 Meden 等 [6] 単位格子内の MoSI 3 本の平行ワイヤーが付いている束の構造に相当して P63 として636 空間群を、定めました。 密度汎関数理論の計算によって補足された (DFT)調査はまた個々の nanowires 間に共有結合がないことを示しました、個々の分子 nanowires に驚くべき 1 次元特性および容易な分散の原因となる。 この特性は個々の nanowire の繊維が束の内で互いに滑るときパッキング無秩序をもたらします。

図 1。 Mo6S3I6 nanowires の原子構造。 (a) 連結の位置 B の S 原子が付いている個々の Mo6S3I6 分子鎖および (b) 結晶 c の軸線に沿う投射の側面図。 早い X 線回折の実験は六角形 P63 spacegroup12 (実線と示されている単位格子) に従って明記しましたチェーン命令を

XRD の実験のサンプルの preferrential オリエンテーションが考慮に入れられたときに、 Meden によって等提案されたモデルとの一致は [6] あらゆる合理的疑いを越えるバックボーンの構造、しかしバックボーンの S のない占有および I を確認するには十分によかったです。 ペア分布のファンクション分析 [7] による (PDF)補足の構造調査は骨格を確認しましたが、同時に異なった位置の S そして I の人口に関する不確実性を上げました。 調査は両方とも連結の S の存在に平になります一致します (位置 B) および位置 A のためのヨウ素は、そこに原子 C として示されている図 1. の中央連結の位置の占有に関する矛盾のようですが。 XRD がもっとまたはより少なく専有されていないためにこれを示す一方 PDF の調査は他では提案します。 この矛盾は C のサイトの占有を示さなかった HRTEM および茎の調査によって外見上解決しました。 

Nanowire の自己組み立てられた水晶の構造

HRTEM および茎の調査は MoSI (または 12-9-9) および MoSI の Nicolosi によって高度の64.54.5 techniqes の特に環状の暗視野イメージ投射636 を使用して [8] 等 (ADF)行われました。  異常訂正された茎を使用して ADF イメージ投射が MoSI のために自己組み立てられた nanowire の水晶の構造を特に非常に正確に定めるのに使用されました636。 図 2 に示すように異なった角度に沿う計算され、観察された構造 TEM の画像の非常に詳しい比較に基づいて、著者は nanowires のパッキングに P-1 があることを (#2) 前に提案される R-3 (#148) または P63 (#173) 空間群よりもむしろ構造、幾分微妙な効果、即ち三斜晶格子で起因するワイヤーに沿う回転対称の不在が原因で結論を出しました。

図 2. (a) は個々の nanowires から、 (b) 束の HRTEM の画像アセンブルしました。 (c) - (h) 実験 ADF のペアは画像 (最初列) および 3 つの高対称の方向のためになされるシミュレーション (第 2 列) からの画像を止めます。

著者は nanowires が 6 つの原子平面から成っている明示されている単位格子のシリーズアレイそれぞれから成っていることを示しました (最初に提案されるよりより少なく対称的な上部構造に導く図 3) を見て下さい [6]。  I 原子は図 1 に示すように A のサイトに S 原子が B のサイトを占める間、割り当てられました。 位置を繋ぐ本部 (サイト C) は占められませんでした。

図 3。 茎の measurments [8]636 によって定められる MoSI の nanowire の構造。 ブラケットは 12 Mo を (赤い) 含んでいる nanowire の単位格子を 6 S (黄色)、 12 個の I (紫色の) 原子定義します。

非常に nanoscale の構造決定の技術は X 線回折を使用して前の試みが不成功がおよび/または不十分に正確 S および I のサイトの占有の微妙な相違を定めると証明したので、必要でした。  MoSI の別の化学量論を用いる構造の安定性は69-xxまた 4.5 の範囲で密度汎関数理論の計算 (DFT)によって < x < 6. 非常に確認されました、 S および私が比較的自由に交換するかもしれないあったりおよびまた個々の nanowires 間に非常に弱い相互作用だけあることを確認することを示す異なる化学量論の間のエネルギーに少しだけ相違が (同じバックボーンで) ことを計算はまた示しました。 Meden からの構造の DFT の計算は 12-9-9 のための Tomanek 等 [10] と 636 のための Vilfan そして Nicolosi による等 nanowire の軸線の方向に沿う狭帯域の金属であるために [6] そしてまた計算等 [9] 材料を予測しますが nanowires を渡る輸送のための非金属文字が本質的にあります。

物理的性質の概要

Nanowires の機械特性

nanowire 間に非常に弱い結束だけ残す - MoSIx の nanowires の展示品の非常に異方性機械特性あることをに従って示した計算 -。 MoSIx の nanowires の機械測定はヤングの係数は高かったが、せん断の係数が特別に 16-89 MPa の順序で小さかった、 430 まで GPa [11] ことを示しました。 これらの再生可能な高い値の起源は 100-150 GPa [10] の等級のまだ計算が幾分より小さいヤングの係数を予測したので、理解されていません。 これらの結果を見通しに入れて私達は個々の nanowires 間の力は CNTs かグラファイトでより大幅に弱いがヤングの係数が最もよい SWCNTs よりより少したった 2-3 回であることを見ます。 MoSIx の nanowires が実際のところ見つけられる 1 次元材料へ最もよい近似の 1 つであることを非常に小さいせん断の係数 [11,13] 意味します。 合成物および減らされた摩擦 [13] の機械補強のための MoSIx の nanowires、それぞれ大きいヤングの係数および小さいせん断の係数からの茎の使用。

Nanowires の輸送特性

抵抗の組織的測定はバルク (押された餌) と個々の nanowire の束 [2,3] で行われました。  いずれの場合も MoSIx の異なった nanowires と現在電圧特性は線形であり、抵抗の温度の依存は指数関数的に原始的な (unpurified) サンプルのために (T0/T の) 形式の (VRH)σ =σ0 Exp. βの動作を、β = ¼、および 500 C の上の温度の真空でアニールされたサンプルのために図 4. に示すようにβ = ½ 望む可変的範囲に従がって低温で、増加すると見つけられました。 説明者の転換は伝導性の増加と伴われ -、間質性のヨウ素の取り外しが穴のキャリア集中を高めることをより高い伝導性に終って提案します。  三次元からの間質性のヨウ素の取り外しによって引き起こされる 1 次元 VRH への説明者のこの変更はクロスオーバーの点では理解されるかもしれません。 結果は最終的に州の有限な密度がフェルミエネルギーにあること、そして輸送が州間の非結合ホッピングによって支配されることを示します。 ローカリゼーションの起源はまだ理解されていませんが、ローカリゼーションが欠陥が原因で発生するかもしれないことを nanowires の強い 1D 文字は提案します。 全く最近の実験は T 依存は束の直径に依存するようであるがサンプル0の改善された純度が 105 S/m Luttinger 液体動作は重要であるかもしれませんという印かなりより高いσを高く与えるかもしれないことを示しました

図 4。 Mo6S3I6 nanowire の束のための温度の機能として抵抗は (a) の前にそして (b) アニーリングの後で測定しました。 差込みはログを示します (R) 対 (a)−1/4 およびログのための T (R) 対それぞれ−1/2 (b) のための T。 (a) の差込みの直線はβと適合を = それぞれ (b) のための 1/4 そして 1/2 表します

Nanowires の光学的性質

1 つは異なった調査によって観察された nanowires の 1D 性質がまた光学スペクトルの鋭い機能として光学的性質で示すと期待します。 特にそのような機能は州の密度の電子バンドそして比較的鋭い機能の 1 次元文字にもかかわらず観察されませんでした。 私達が調べたのでこれの理由の 1 つは E. からの領域の ± 2 の eV に多数の属する Mo によって d 得られる軌道関数にあるであり、狭い副帯があることF

MoSI の nanowires の方向づけられた薄膜の光吸収636 スペクトルは E//c および E⊥c. のための図 6 (a) で示されています。 私達は E//c についてはいくつかの明確なピークおよび E⊥c. については単調に増加する背景を見ます。 オリエンテーションの高度を機械オリエンテーションプロセスによって達成することができることを提案するスペクトルに共通機能がないことをようではないです。

方向づけられた薄膜の光吸収の図 5. (a) 測定。  分子軸線 c は分極に 1 つのケースによって方向づけられた平行と他の垂直にありました。 実線は実験 (任意のスケール) から RPA で、他のライン計算されますあります。 (b) さらに異なった溶媒の Mo6S3I6 nanowires の吸収スペクトルおよび IPA の Mo6S4.5I4.5 nanowires のスペクトル。

MoSI の計算されたスペクトル636 (また図で 6 つは (a)) E のための幾分特徴のない下の ~ 4 の eV です示されている、測定されたスペクトルのよう、 | c. ~ 4 の eV の上貢献するべき鎖の開始間の光学転移。 E//c のための吸収スペクトルは計算されたスペクトルが ~1.2 によってエネルギーで位取りされれば一方ではより多くの構造がそこに計算と実験間のかなり十分な一致であることを示し。 位取りのための必要性は一般にバンドギャップを過少見積りする DFT の計算の問題の結果です。

解決の吸光度スペクトルは乾燥したフィルムとして同じような機能を示します、但し例外としては ~ 0.15 の eV によって hypochromically 移ります。 のイソプロパノールと水、 complexation の動作から起こるために提案されたが厳密な起源は未知です 5.5 eV 頃機能の追加機能拡張が (220 nm) あります。

図 6 で私達は MoSI の原始的な、アニールされた押された餌のサンプルで測定される光学反射力を示します636。 両方とも低周波で明確な血しょうに端そっくりの機能を示します。 しかし 2 間の相違はかなりマーク付き、非アニールされたサンプルよりかなり高い反射力を示すアニールされたサンプルです。 計算された反射力は [また図 6 (a) で示されている] サンプルの予測された金属伝導性によって支配される低周波で実験ものより大幅に高いです、特に。 これは十分に私達の標本の Au コーティングとのデータくりこみによってを説明されない大きい表面の分散が主に原因、です。 それにもかかわらず、計算された反射力の全面的な形は測定されたものに類似しています。 図 6 (b) はサンプル 1. の光学1伝導性の実質部品のσを示します。 光学伝導性の全面的な傾向は semimetal を表した多くです。

図 6. (a) アニールされるの反射力 R (ω) (サンプル 1) および unannealed (任意分極のためのサンプル 2) サンプルそして計算された R (ω)。 (b) サンプル 1 の1光学伝導性のσ (ω得られる)、 R (ω) から。

結論

私達は MoSIx のずっと比較的最近検出された nanowires の基本的な特性の決定の進歩がことの注意によって結論を出します非常に急速であることを。 解決の nanowires の難しさにもかかわらずバックボーンの構造を定められました適度な正確度と構成して下さい。 またある意外な結果を持って来た性格描写は、実験しま、 MoSIx の分子 nanowires の強い 1D 文字を確認します。 比較的容易な統合および分散と組み合わせた観察された特性はこの材料を商業的に魅力的にさせます。 実際に MoSIx の nanowires の実用性は領域で既にそのような電池の電極 [12]、トライボロジー [12] およびフィールド放出表示 [14] 調査されてしまいました。 結果は汎用約束にありましたが、成長のメカニズムおよび化学量論制御のそれ以上の研究は、特にこの材料に基づいて商品の開発のために必要です。 理論的な計算 [6,8,10,15] 構造を定めることと MoSi のずっと nanowires のさまざまな物理的性質を予測することにおいて非常に重要です。 いくつかの理論的な予言、特に magnetoelasticity および電歪特性はまだ調査されるべきです。

確認応答

この作業は EU の細目によって目標とされた研究計画 DESYGN-IT (NMP4-CT-2004-505626 無し) によってサポートされました。

参照

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Damjan Dvorsek

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Date Added: Nov 14, 2007 | Updated: Jun 3, 2015

Last Update: 3. June 2015 07:38