通过环境透射电子显微镜（Environmental TEM）揭示了Cu–Sn催化剂中的等离子体驱动固液动力学过程以及硅纳米线的成核现象

《Nano Letters》：Plasma-Driven Solid–Liquid Dynamics in Cu–Sn Catalysts and Nucleation of Silicon Nanowires Revealed by Environmental TEM

　　本研究利用环境扫描透射电镜（TEM）观察等离子体自由基驱动的相变，在Cu–Sn催化剂中实现了硅纳米线（SiNW）的稳定生长。研究发现，在250°C时，H自由基诱导Cu6Sn5–Sn纳米结构形成，定义了小的成核位点；在400°C时，SiH3自由基促进纳米线成核与催化剂相分离同步发生。Sn富集的液相提供原子阶梯，使固体催化剂动态重构，导致Si台阶传播方向周期性反转。Cu3Si固相保持与SiNW的晶格取向一致，锚定液相。类似现象在Cu–In系统中复现，验证了结合高/低熔点催化剂的普适性。研究结果表明，等离子体自由基驱动的非平衡化学可用于原子级精确调控纳米线生长。

　　

我们利用环境透射电子显微镜（TEM）观察了等离子体自由基在Cu–Sn催化剂中驱动的相变过程，这些催化剂用于硅纳米线（SiNW）的生长。之前未被发现的固液动力学机制使得超薄（约7纳米）的SiNW能够稳定生长，并且这些SiNW具有交替的立方晶型和六方晶型结构。在250摄氏度时，H自由基促使Cu₆Sn₅–Sn纳米结构发生固液相变，形成了小的成核位点。在400摄氏度时，SiH₃自由基同时促进了SiNW的成核和催化剂的相分离。富含Sn的液态物质为原子台阶提供了传播途径，这些台阶会进入固态催化剂中。固态的Cu₃Si相与SiNW保持外延对齐，从而固定了液态相。这种固液催化剂会主动重新定向，导致Si台阶的传播方向周期性改变。通过Cu–In体系也观察到了类似的动态行为，这突显了结合高熔点和低熔点催化剂的多功能性。我们的研究结果表明，可以利用等离子体自由基驱动的非平衡化学反应来在原子尺度上控制纳米线的生长。