Adv. Mater.：超薄金刚石纳米薄膜的定向自螺旋形成三维管状或螺旋结构

【引语】

2017年2月10日，Adv. Mater.网站在线发表了题为“Deterministic Self-Rolling of Ultrathin Nanocrystalline Diamond Nanomembranes for 3D Tubular/Helical Architecture”的文章。通讯作者为复旦大学的梅永丰教授和美国达特茅斯学院的Zi Chen教授。在这篇快讯（communication）文章中，研究人员报道了一种将金刚石纳米薄膜设计和自组装为三维有序结构的全新方法，这种三维金刚石有序结构可应用于力学、光学、以及电子学领域。

[致歉：小编未能找到通讯作者Zi Chen 教授确切的中文名，小编为此致以诚挚的歉意！]

【成果简介】

三维有序结构组装与纳米薄膜的有机物和无机物的自组装材料得到广泛的应用。抗弯强度的减小使无机纳米薄膜的厚度可减小至几百纳米，从而可形成包括管状、螺旋状、球状以及弹出扣状等复杂的三维几何形状。目前，金刚石已被设计构造为微米-纳米梁和悬臂以应用于微米-纳米机电系统、微腔、塑料电子学和量子光学等领域。当前可过自上而下的制备方法包括离子切片、电流蚀刻、角度蚀刻和离子束球磨，可制备独立存在的金刚石丝带和纳米薄膜。然而，由于金刚石的高硬度，通过这种自上而下的方法无法实现使金刚石薄膜组装或自组装为微米或纳米级别三维结构。为了解决上述问题，研究人员提出了一种通过薄化金刚石纳米晶体薄膜的厚度以减小金刚石的抗弯强度并使其卷成包括管状、锯齿丝状、嵌段管状、嵌段环状和螺旋状等三维结构。金刚石管的直径范围可通过改变金刚石晶体薄膜的厚度和抗弯应力调整为几个至几百个微米。纳米晶体金刚石曲棍球状条纹布可通过剥离的方法从基底转移至螺旋微米结构中。这种螺旋的纳米晶体金刚石管状微腔因具有明显的且与光致发光相关的氮空位(NVs)中心而表现出高质量因子(Q因子)高达10³的光学耳语廊模式谐振。

【图文导读】

图1：金刚石纳米薄膜的表征

a) 自螺旋几何图形。I)普通块状金刚石光学图；II)纳米晶体(NC-)金刚石纳米薄膜的SEM图, 标尺为10 μm；III)NC-金刚石微米管的SEM图, 标尺为5 μm；IV)NC-金刚石微米管壁的TEM高倍率图, 标尺为100 nm；V)中的上图为选区电子衍射图；V) 中的下图为NC-金刚石纳米薄膜的TEM高倍率图, 标尺为2 nm。

b) 二维形状、三维预测以及5种由NC-金刚石纳米薄膜构成三维有序结构的SEM图，标尺为10 μm.

图2：NC-金刚石纳米薄膜薄化以及螺旋控制

a) 单根金刚石纳米管直径与金刚石纳米膜经过反应离子蚀刻后的厚度之间的函数关系，其中插图为不同直径微米管对应的SEM图。

b) 由NC-金刚石制备得到的规整微米管阵列的光学显微镜图。

c)和d) 分别为反应离子蚀刻前和蚀刻后，金刚石纳米膜的表面形貌图。

e) 和f) 分别为部分膜对应反向螺旋程度的应力释放过程的示意图。

图3：各向异性的金刚石纳米薄膜的定性螺旋

a) 随着倾斜角度θ的变化，二维曲棍球状条纹布条形成过程机理图。

b) 具有反向螺旋手性的螺旋状金刚石的SEM图。

c) FEM模拟图。

d) 不同倾斜角θ时的二维图案的光学图，以及e)不同倾斜角θ形成的金刚石螺旋线的SEM图。

f) 周期性改变倾斜角θ的模拟对比试验，其中插图为不同偏移角θ时，曲棍球状条纹形状的FEM位移等高线。

图4：金刚石微米管的光学性能表征

a) 不同直径的金刚石微米管的SEM图：上图为12 μm；中图为16 μm；下图为20μm。

b) 平面膜(黑线)和螺旋管(红线)的光致发光图。其中插图表明共振峰位与外加电源的关联性。

c) 厚度对氮空位(NVs)与管状金刚石共振器之间耦合强度的影响；红线表明Q-因子和管壁厚度的关系图，黑线表明管直径与管壁厚度的关系图。

d) 在室温下具有不同偏振结构的金刚石微米管的光致发光测试。

【小结】

综上所述，研究人员已经开发出一种通过螺旋纳米结晶金刚石薄膜成三维结构，包括单根的管状、三维锯齿丝带、螺旋管、管中管和环中环等选择性蚀刻嵌段物。NC-金刚石的抗张强度随着薄膜厚度的减少而下降，从而实现更大角度范围的螺旋或弯曲。有趣的是，在螺旋结构中发现金刚石薄可以实现定向旋转，而且旋转的NC-金刚石管状微腔表现出强烈且稳定的光学感应和光致发光效应。这种新的工艺可以应用于包括金刚石在内的无机硬质材料；另外，这种卷状螺旋工艺在自组装以及金刚石或其他硬质纳米薄膜的组装方面具有巨大的前景。

文献链接：Deterministic Self-Rolling of Ultrathin NanocrystallineDiamond Nanomembranes for 3D Tubular/Helical Architecture（Adv. Mat., 2017, DOI: 10.1002/adma.201604572）

该文献汇总由材料人编辑部纳米学术组王畅供稿，欧洲足球赛事 编辑整理。

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