镉硒纳米片为创新电子材料的发展提供了一个有希望的基础。自千禧年之交以来，世界各地的研究人员对这些只有几原子厚的小片材表现出特别的兴趣，因为它们提供了非凡的光学和其他特性。来自德累斯顿-罗斯托克亥姆霍兹中心（HZDR）、德累斯顿工业大学（TU Dresden）和德累斯顿莱布尼茨固态与材料研究所（IFW）的团队已经向系统生产此类纳米片迈出了重要一步。研究人员能够获得关于结构与功能之间相互作用的基本见解，并在期刊《Small》中进行了报告。
基于镉的纳米结构非常适合开发二维材料，这些材料可以通过吸收、反射或发射光线，或展示其他光学特性，与近红外光（NIR）进行特定的相互作用。这个光谱范围对许多技术非常重要。例如，在医学诊断中，这种材料能够提供对组织的更深入见解，因为NIR光比可见光散射得更少。在通信技术中，NIR材料被用于高效的光纤系统。在太阳能领域，它们可以提高光伏电池的效率。
“能够特定地修改材料以呈现所需的光学和电子特性对所有这些应用来说至关重要，”HZDR离子束物理与材料研究所的Rico Friedrich博士说，他也是德累斯顿工业大学理论化学的主任。德累斯顿工业大学的物理化学教授Alexander Eychmüller补充道：“在过去，这是一项挑战，因为纳米化学合成通常更多是通过试错的方式混合材料。”这两位科学家共同领导了这一合作研究项目。
创新的方法：阳离子交换以生产明确界定的纳米粒子
在这里，特别的挑战是具体控制纳米结构中原子层的数量及其成分（从而控制它们的厚度），而不改变它们的宽度和长度。合成这种复杂的纳米粒子是材料研究中的一项关键挑战。阴离子交换方法在此起到了关键作用。在这种方法中，纳米粒子中的某些阳离子——带正电的离子——被系统性地替换为其他阳离子。“该过程使我们能精确控制成分和结构，从而生产出使用传统合成方法无法达到的粒子特性。然而，对于这一反应的确切机制和起始点知之甚少，”Eychmüller说。
在当前的项目中，团队聚焦于纳米片，其活跃的角落发挥了关键作用。这些角落在化学上特别活泼，这使得可以将片材结合成有序结构。为了更好地理解这些效应，研究人员结合了复杂的合成方法、原子分辨率的（电子）显微镜技术以及广泛的计算机模拟。
活跃角落和纳米粒子中的缺陷不仅因其化学反应性而引人关注，同时也因为它们的光学和电子特性。这些地方通常具有高浓度的载流子，可能影响它们的传输和光的吸收。“结合能够交换单个原子或离子的能力，我们还可以在单原子催化中利用这些缺陷，利用单个原子的高反应性和选择性来提高化学过程的效率，”Friedrich解释道。精确控制这些缺陷对于纳米材料的NIR活性也至关重要。它们影响近红外光的吸收、发射或散射，提供了系统优化光学特性的途径。
连接纳米结构：自组织的一步
这项研究的另一个结果是有可能通过活跃角落系统性地连接纳米片，将颗粒组合成有序甚至自组织的结构。未来的应用可以利用这种组织生产具有集成功能的复杂材料，例如NIR活性传感器或新型电子元件。在实践中，这种材料可以提高传感器和太阳能电池的效率，或促进新的数据传输方法。同时，这项研究也为纳米科学的其他领域（如催化或量子材料）生成了基础性的见解。
该团队的发现仅通过结合尖端的合成、实验和理论方法才得以实现。研究人员不仅能够精确控制纳米粒子的结构，还能够详细调查活跃角落的作用。原子缺陷分布和成分分析的实验与理论建模结合在一起，获得了对材料特性的全面理解。
