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我团队成员连续在世界著名期刊Nano Letters, Advanced Materials上发表论文

    近日,我团队王现英、杨俊和老师与美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室、加州大学圣地亚哥分校、加州大学默塞德分校等单位,经过两年多的合作研究,完成的科研论文Matrix-assisted energy conversion in nanostructured piezoelectric arraysBatteryless chemical detection with semiconductor nanowires分别在Nano Letters (2010, 10(12):pp4901) Advanced Materials (2011, 23(1):pp117)期刊上发表,其中Advanced Materials文章在2011年第一期以内封面的形式报道。

        Nano Letters是国际纳米科学技术领域权威学术期刊,近五年平均影响因子为11.52,Advanced Materials是材料学领域的权威学术期刊之一,近5年平均影响因子为9.84。这两个期刊分别是化学和材料学等领域的ISI-JCR一区期刊。
        近年来,随着纳米科学技术的发展,各种各样的纳米电子器件不断出现,如何设计一个与这些纳米电子器件尺度相匹配的电源系统成为迫切需要解决的问题,若是这些纳米电子器件仍以庞大的电源来供电,那么将无法做到系统集成,更无法发挥纳米器件的尺寸优势。半导体纳米线具有压电、热电、光伏等效应,有望能够将自然界中机械能、热能等转换为电能,制备出“纳米发电机”或“纳米电源”等器件,因此近年来基于半导体纳米线的能量转换器件成为研究热点。
        Nano Letters论文中,作者们巧妙地设计了一种有机/无机复合纳米能量转换器件,以具有压电效应的ZnO半导体纳米线阵列和对环境温度敏感的聚合物材料为基本工作单元, 温敏聚合物感应环境温度变化而发生膨胀或收缩变形,导致镶嵌在聚合物基质中的成千上万根ZnO纳米线同时发生拉伸、收缩、弯曲等变形,由于ZnO纳米线本身的压电效应,在纳米线上下两端就会产生电荷积累,用外电路连接器件上下电极,即有电流输出,收获电能,器件即可实现热能到电能的转变。文中指出,该器件的最大输出功率随环境温度升高而增大,在环境温度为60℃左右时,器件输出电流可达几百nA。
        审稿人一致认为,该器件的设计具有很大的创新性,以聚合物为媒介,将环境热能转变为电能,突破了以往基于ZnO 纳米线的“纳米发电机”只能转换机械能的局限。该研究能够启发研究者将各种具有环境敏感性(如光敏、PH敏感型)的聚合物、液晶、凝胶等与ZnO纳米线阵列复合,实现环境中光能、化学能等各种能量到电能的转变,有望据此合成出多功能能量转换器件,提高器件工作效率。
        Advanced Materials论文中,作者们展示了一种自供电的纳米化学传感器器件,利用极性有机分子与半导体纳米线相互所用时的空间电荷效应及半导体功函数的变化,使半导体纳米线暴露于有机分子和未暴露的部分产生电势差,这个电势差可以达到几十甚至几百毫伏的量级,非常容易探测,而且它的大小和半导体纳米线器件本身的性质、有机分子的种类(极性大小)及浓度有关,因此可以实现定性、定量的检测各种有机分子。论文中以垂直排列的ZnO纳米线阵列和随机排列的Si纳米线为例制备了器件,在不同浓度的有机分子(以乙醇为例)暴露时,这两种器件均实现了相应信号的检出。作者还根据密度泛函理论开展了量子力学计算,从理论上解析了这种器件的工作原理。这种纳米化学传感器具有自供电、灵敏度高、反应快速、设计简单等优点,有望今后能实现在化学物质检测方面的应用,尤其是在某些电能无法输送的极端环境下(如生物体内),这类自供电的传感器将会发挥其独特的优势。这项工作由于其新颖性和在传感器领域的重大突破,被Advanced Materials 在2011年第一期以内封面的形式报道。
        这两项工作得到了国家973基础前沿项目、国家自然科学基金、上海市青年科技启明星项目及上海市纳米专项的支持。

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