北京时间2023年7月13日，武汉量子技术研究院袁声军团队和西北工业大学、武汉大学、南京航空航天大学、河南省科学院、美国普渡大学合作，在《自然·材料（Nature Materials）》杂志上在线发表题为“Direct growth of single-chiral-angle tungsten disulfide nanotubes using gold nanoparticle catalysts” （基于金纳米颗粒催化的单手性角二硫化钨纳米管的直接生长）的研究论文。这是继6月29日，该团队在Science（《科学》）上发表关于里德堡莫尔激子研究成果之后的又一项突破性成果。
本研究在国际上首次提出了一种基于金纳米颗粒催化的过渡金属硫族化合物纳米管生长新机制，实现了单手性角WS2和WSe2纳米管的直接生长，并成功揭示了纳米管手性特性与其结构驰豫、光学和电学性质的关系，为过渡金属硫族化合物纳米管的结构调控和物性研究提供了新思路。
过渡金属硫化物纳米管可等效为二维过渡金属硫化物沿特定方向卷曲而成的一维管状结构，具有很多相较于其二维和三维结构的独特性质。早在1992年，过渡金属硫化物纳米管就被Reshef Tenne教授首次发现，其制备方法主要基于过渡金属氧化物纳米线表面硫化反应形成多层纳米管结构。该制备方法过程繁多，难以控制，制备纳米管结构随机，无法调控。导致过去30年过渡金属硫化物纳米管研究进展缓慢，相比于同一时期发现的碳纳米管几乎处于停滞状态。阻碍其发展的主要“瓶颈”在于缺乏对过渡金属硫化物纳米管简单有效的生长方法和手性调控策略。
本研究在实验中实现了WS2和WS2纳米管的一步生长和手性调控，其中金纳米颗粒的引入是实现一步生长的关键。将金纳米颗粒引入过渡金属硫族化合物的化学气相沉积反应中，通过反应参数不断调试和探索，实现了WS2和WSe2纳米管一步生长。进一步生长机制和动力学研究揭示了金纳米颗粒在过渡金属硫族化合物纳米管早期成核和生长过程中的独特作用。
本研究发现生长衬底温度的微小调控将导致完全不同的两种生长机制和纳米管不同的手性特性，首次实现单手性角纳米管的生长和过渡金属硫化物纳米管的手性控制，为进一步实验研究手性与其结构驰豫、光学与电学等物性之间的关系奠定了实验基础。利用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算了单手性角和多手性角硫化钨纳米管的电子能带，进一步揭示了电子能带与硫化钨纳米管层数、直径和手性角之间的关系提供了理论支持。
金纳米颗粒催化辅助的硫化钨纳米管生长示意图
本研究突破了过渡金属硫化钨纳米管过去三十年发展中的“瓶颈”， 同期Nature Materials 新闻和观点栏目（News & Views）特邀过渡金属硫化物纳米管的发现者，以色列魏尔兹曼研究所Reshef Tenne教授撰写了以“The gold ticket to achiral WS2 nanotubes ”（无手性WS2纳米管的黄金通行证）为题的评述文章，对这项研究工作给予了高度评价，称“这项研究为过渡金属硫族化合物纳米管的制备和结构可控奠定了基础，将促进对其物理研究和潜在应用的进一步探索。”“所发展的方法可推广到其他硫族化合物（TiS2 和TaSe2）纳米管的制备中, 这些纳米管一维超导性质的研究将对发展基Majorana费米子的量子技术有非常大的应用潜力”。
本研究得到了国家自然科学基金委和中央高校基本科研经费的资助支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01590-5
