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)換納米顆粒可以將組織通透性較強(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）。他們在腹側(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、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鈣鈦礦發(fā)光機(jī)理的最新認(rèn)識。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，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?，采用串?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)家們在不同材料中的新發(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)淞孔佑嬎愕陌l(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）?？茖W(xué)家們曾預(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>

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