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2018 Nature/Science十大高引材料類論文,回顧年度研究熱點(diǎn)

2019-01-08  瀏覽量:3406

來源:材料牛

 
 
我們首先來關(guān)注納米生物技術(shù)方面的兩篇高引文章。納米材料的尺寸一般比生物體內(nèi)的細(xì)胞小得多,這就為納米載藥和納米傳感等方面提供了新的途徑。日本RIKEN腦科學(xué)研究所Thomas J. McHugh團(tuán)隊(duì)和新加坡國立大學(xué)的Xiaogang Liu團(tuán)隊(duì)合作,將上轉(zhuǎn)換納米顆粒的光學(xué)特性應(yīng)用到了光遺傳學(xué)技術(shù)上[1] 。光遺傳學(xué)是探索神經(jīng)元回路的一項(xiàng)革命性技術(shù),但在臨床應(yīng)用等方面仍有局限性。由于可見光無法穿透到大腦深層結(jié)構(gòu),往往需要在腦部植入很長的光纖,造成組織損傷。上轉(zhuǎn)換納米顆??梢詫⒔M織通透性較強(qiáng)的近紅外光(NIR)轉(zhuǎn)換為可見光,控制特殊標(biāo)記的細(xì)胞(圖1)。他們?cè)诟箓?cè)被蓋區(qū)通過上轉(zhuǎn)化納米顆粒釋放藍(lán)光來誘發(fā)多巴胺釋放、癲癇終止、記憶召回等生理現(xiàn)象。這項(xiàng)上轉(zhuǎn)換顆粒在光遺傳學(xué)中的應(yīng)用有助于實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)光學(xué)神經(jīng)操控,并可應(yīng)用于遠(yuǎn)程治療。
 
圖1. 上轉(zhuǎn)化顆粒將NIR轉(zhuǎn)換為藍(lán)光后刺激神經(jīng)元;腹側(cè)被蓋區(qū)共聚焦影像。
 
 
第二篇文章報(bào)道了柔性電子器件的新進(jìn)展。類皮膚電子器件可緊密附著于人體皮膚,并在健康監(jiān)測、醫(yī)療診斷等人機(jī)交互技術(shù)中有很大應(yīng)用前景。器件的可拉伸功能,不僅可以增強(qiáng)穿戴舒適度,更可以增大接觸面積來提升信號(hào)的保真度。然而制造可拉伸的類皮膚器件并非易事,不僅需要復(fù)雜的制造技術(shù),而且器件的密度會(huì)大幅減少。美國斯坦福大學(xué)的Zhenan Bao團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型工藝[2] ,制備了晶體管密度高達(dá)347/ cm2的可拉伸聚合物晶體管陣列。該陣列的平均載流子遷移率與非晶硅相似,在經(jīng)過1000次應(yīng)變測試后也只有輕微改變,并無電流-電壓遲滯(圖2)。這種工藝為制造下一代可拉伸類皮膚電子器件提供了有力的支持。
 
圖2. 可拉伸聚合物晶體管陣列;基于可拉伸聚合物晶體管陣列的脈搏放大傳感器。
 
 
下面我們來關(guān)注催化材料的一大研究成果。由于多孔材料在催化和氣體分離等應(yīng)用中起著關(guān)鍵作用,合成有序的微孔金屬有機(jī)框架有重大的意義。華南理工大學(xué)的Yingwei Li和美國德州大學(xué)圣安東尼奧分校的Banglin Chen團(tuán)隊(duì)在金屬有機(jī)框架(MOF)單晶內(nèi)構(gòu)建了高度定向和有序的微孔(圖3)。[3] 該方法依賴于聚苯乙烯納米球模板的強(qiáng)大成型效果,以及雙溶劑誘導(dǎo)的異相成核方法。與傳統(tǒng)的多晶無序大孔 ZIF-8 相比,這種分層框架結(jié)構(gòu)的傳質(zhì)特性和單晶性質(zhì)使其展現(xiàn)出更勝一籌的催化活性。
 
圖3. 有序微孔結(jié)構(gòu)的STEM圖像
 
 
鈣鈦礦無疑是近年來的熱點(diǎn)材料之一。和等其他種類的太陽能電池相比,鈣鈦礦太陽能電池成本低、具有柔韌性且易于調(diào)制。鈣鈦礦在信息存儲(chǔ)、光電器件方面也有很大應(yīng)用潛力。下面的兩篇文章展示了研究者們對(duì)鈣鈦礦發(fā)光機(jī)理的最新認(rèn)識(shí)。瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Maksym V. Kovalenko、David J. Norris和Gabriele Rainò以及美國海軍科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)所Alexander L. Efros團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)銫鉛鹵化物鈣鈦礦中的最低激子具有很高的發(fā)光率[4] 。無機(jī)半導(dǎo)體中能量最低的激子釋放光子緩慢,被稱為“暗激子”。人們一直在探索存在明亮的最低激子的無機(jī)半導(dǎo)體材料。在這項(xiàng)研究中,他們首先利用有效質(zhì)量模型和群理論來證明鈣鈦礦存在這種能態(tài)的可能性,然后,將模型應(yīng)用于 CsPbX3 納米晶體(圖4) ,并在單納米晶體水平上測量了熒光強(qiáng)度和尺寸與組分的關(guān)系。這些材料的光子發(fā)射速率在室溫和低溫下分別比其它半導(dǎo)體晶體快20 到 1000 倍。這一成果為發(fā)掘更多具有明亮激子的半導(dǎo)體提供了指導(dǎo),也對(duì)光電子器件的發(fā)展有著重大意義。
 
圖4. CsPbBr3晶體結(jié)構(gòu);光致發(fā)光衰減曲線
 
 
在另一篇報(bào)道中,英國劍橋大學(xué)的Samuel D. Stranks團(tuán)隊(duì)通過在鈣鈦礦表面和晶界上修飾鹵化鉀鈍化層,來大幅減弱非輻射損耗和離子遷移[5] 。外部量子效率達(dá)66%,內(nèi)部量子效率達(dá)到95%(圖5)。在達(dá)到高發(fā)光率的同時(shí),遷移率仍可以保持在40cm2/V/s 。這項(xiàng)成果無疑是金屬鹵化物鈣鈦礦在光電子應(yīng)用中的一大進(jìn)展。
 
圖5. 光致發(fā)光衰減曲線;外部熒光量子效率和鉀含量(x)關(guān)系
 
 
除了鈣鈦礦太陽能電池外,有機(jī)太陽能電池也有巨大進(jìn)展。有機(jī)太陽能電池性能較低的根本原因之一是有機(jī)材料的低電荷遷移率,因?yàn)樗拗屏嘶钚詫雍穸群凸馕招?。南開大學(xué)的Yongsheng Chen團(tuán)隊(duì)和國家納米中心的Liming Ding團(tuán)隊(duì)通過半經(jīng)驗(yàn)?zāi)P头治觯捎么?lián)電池這一策略(圖6),成功克服了這些問題[6]  。他們利用有機(jī)材料能帶結(jié)構(gòu)易于調(diào)控的特點(diǎn),制備了雙端單片的串聯(lián)有機(jī)太陽能電池,其能量轉(zhuǎn)化效率創(chuàng)紀(jì)錄的達(dá)到了17.3%。
 
圖6. 串聯(lián)電池結(jié)構(gòu);電流密度-電壓曲線
 
 
最后,我們來關(guān)注物理學(xué)家們?cè)诓煌牧现械男掳l(fā)現(xiàn)。首先介紹的是馬約拉納(Majorana)費(fèi)米子的研究成果。馬約拉納對(duì)稱性預(yù)測零偏壓峰的高度為量子化普通電導(dǎo)值(2e2/h)。荷蘭代爾夫特理工大學(xué)Leo P. Kouwenhoven課題組和合作者通過銻化銦納米線實(shí)驗(yàn)對(duì)馬約拉納態(tài)電導(dǎo)模型進(jìn)行了量子化[7] 。他們觀測到馬約拉納零偏壓峰值高度非常接近2e2/h(圖7)。這項(xiàng)研究不僅捕捉到了令人信服的馬約拉納費(fèi)米子存在的證據(jù), 而且為今后的實(shí)驗(yàn)和拓?fù)淞孔佑?jì)算的發(fā)展鋪平了道路。
 
圖7. 器件示意圖,中部灰色部分為銻化銦納米線;馬約拉納零偏壓曲線
 
 
在另一項(xiàng)研究中,美國麻省理工的Pablo Jarillo-Herrero團(tuán)隊(duì)在100開爾文的溫度下,在單層二碲化鎢(WTe2)晶體中觀察到了量子自旋霍爾效應(yīng)[8] 。單層結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出每邊e2/h的標(biāo)志性傳輸電導(dǎo)(圖8)。科學(xué)家們?cè)A(yù)測一些二維拓?fù)浣^緣體在高溫下存在量子自旋霍爾效應(yīng), 而這一結(jié)果成功驗(yàn)證了這一猜想,并有助于進(jìn)一步探索單原子層晶體的拓?fù)湎唷?/div>
 
圖8. 四探針電導(dǎo)測量;邊緣電導(dǎo)和溫度關(guān)系
 
 
2018年度最具影響力的科研成果當(dāng)屬美國麻省理工學(xué)院的Yuan Cao和他所在Pablo Jarillo-Herrero團(tuán)隊(duì)的成員在魔角扭曲的雙層石墨烯中發(fā)現(xiàn)的新的電子態(tài)[9,10] 。范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)由二維單元垂直堆疊而成,通過控制不同層間的扭曲角度,可以調(diào)控范德華異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)。當(dāng)兩個(gè)石墨烯片扭曲接近理論預(yù)測的“魔角”時(shí),由于層間的強(qiáng)耦合,接近零費(fèi)米能量的能帶結(jié)構(gòu)變得平坦(圖9)。這些扁平帶在半填充時(shí)表現(xiàn)出絕緣狀態(tài),類似于Mott絕緣體。這種魔角扭曲雙層石墨烯的獨(dú)特性質(zhì)為研究更多類似的關(guān)聯(lián)材料鋪平了道路 。
 
圖9. 魔角扭曲的雙層石墨烯示意圖;電導(dǎo)-溫度曲線
 
 
Yuan Cao和Pablo Jarillo-Herrero團(tuán)隊(duì)在魔角石墨烯超晶格絕緣性的結(jié)果基礎(chǔ)上,進(jìn)一步調(diào)節(jié)載流子濃度來對(duì)該絕緣態(tài)進(jìn)行摻雜, 使體系表現(xiàn)出反常的超導(dǎo)特性,最高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度約為1.7?K(圖10)。魔角石墨烯超晶格體系相對(duì)于其他超導(dǎo)體系來說,更易于表征和調(diào)控。對(duì)這一體系進(jìn)行深入研究有望幫助科學(xué)家們探索高溫超導(dǎo)機(jī)制這一物理難題。
 
圖10. 魔角扭曲的雙層石墨烯示意圖;電阻-溫度曲線
 
 
參考文獻(xiàn):
[1] Near-infrared deep brain stimulation via upconversion nanoparticle-mediated optogenetics. Science 359, 679-684
[2] Skin electronics from scalable fabrication of an intrinsically stretchable transistor array. Nature 555, 83–88
[3] Ordered macro-microporous metal-organic framework single crystals. Science 359, 206-210
[4] Bright triplet excitons in caesium lead halide perovskites. Nature 553, 189–193
[5] Maximizing and stabilizing luminescence from halide perovskites with potassium passivation. Nature 555, 497–501
[6] Organic and solution-processed tandem solar cells with 17.3% efficiency. Science 361, 1094-1098
[7] Quantized Majorana conductance. Nature 556, 74–79
[8] Observation of the quantum spin Hall effect up to 100 kelvin in a monolayer crystal. Science 359, 76-79
[9] Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices. Nature 556, 80–84
[10] Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices. Nature 556, 43–50
 
本文由材料人科技顧問Dr.Y供稿,編輯部編輯。
 
 
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