《自然》《科学》一周（08.22-08.28）材料科学前沿要闻

Original 2016-08-29 新材料在线 新材料在线

1.反演对称破坏和二代狄拉克锥引起异质结的带隙

（Gaps induced by inversion symmetry breaking and second-generation Dirac cones in graphene/hexagonal boron nitride）

石墨烯/六方氮化硼（h-BN）已经成为一种典型的范德滑异质结构，其晶格失配和结晶方位引起的超晶格势引起了各种新的量子现象，如自相似霍夫斯塔特蝴蝶状态。虽然新产生的第二代狄拉克锥（SDCs）被认为对于理解这种有趣的现象十分重要，但其中对于SDCs的基础认识，如位置和分散性以及反演对称性破坏对带隙的作用，由于缺乏直接的实验结果仍存在着很大的争议。Wang等人利用角分辨光电子能谱得出并展示了0°对齐的石墨烯/h-BN异质结构中SDCs分散的直接实验结果。实验数据清楚地揭示了SDCs位于超晶格布里渊区的拐角处，且只在两个超晶格谷中的一个。另外，在SDCs和原始石墨烯狄拉克锥处分别观察到了约100meV和160meV的能隙。他们的工作强调了反转对称破坏扰动势在石墨烯/h-BN物理学中的重要作用，并利用超晶格势填补了狄拉克费米子能带结构调控中的关键知识空白。（Nature Physics DOI:10.1038/NPHYS3856）

2.用胶状量子点制造器件

（Building devices from colloidal quantum dots）

手机和交互计算的持续增长要求器件具有低成本的加工制造过程、能够兼容大面积和柔性的因素，以及附加的功能。Cherie等人综述了利用胶状半导体量子点（QDs）设计电子和光电子器件的最新进展。量子点组成的材料，其特性可能不仅仅有原子组成决定，还可能由单个量子点的大小、形状和表面功能化以及量子点之间的交互作用来决定。量子点表面的化学和物理性质和量子点器件中的界面尤为重要，而且有了这些才能基于溶液制备低成本大面积柔性的功能器件。Cherie等人讨论了实现溶液加工功能性光电纳米材料所必须要解决的难题。（Science DOI: 10.1126/science.aac5523）

3.氧化界面上出现的纳米级超顺磁性

（Emergent nanoscale superparamagnetism at oxide interfaces）

原子急剧氧化的异质结构表现出一系列母体化合物中不存在的新奇的物理现象。其中一个显著的例子是LaAlO3和SrTiO3之间的界面处表现出高导电性和超导状态。Anahory等人展示了在LaMnO3/SrTiO3界面处，反铁磁莫特绝缘体突然转变成纳米级不均匀磁状态的新现象。在增加锰酸镧厚度同时，Anahory等人的扫描纳米超导量子干涉显微镜显示自发形成了分离开来的磁性纳米岛，这表明在面内磁场的影响下热激活的磁矩发生反转。观察到的超顺磁性状态证明了热力学电子相分离的出现，其中在金属铁磁岛绝缘反铁基质中开始形核。（Nature Communications DOI: 10.1038/ncomms12566）

4.用于水下监听的水凝胶麦克风

（Hydrogel microphones for stealthy underwater listening）

在海洋中探索丰富的资源需要能够探测远距离低频声音和零反射的高灵敏水声探测器。Gao等人将金属纳米粒子形成的易形变网络集成于水凝胶基质中作为无内腔麦克风，满足了上述需求。因为金属纳米颗粒能够致密地植入基质中，并且能够形成相干阵列，所以这种麦克风能够从不同角度探测到静态载荷和轻微的气流，以及振幅低至4Pa的20赫兹到3000赫兹水下声音信号。与介电电容器和空腔基麦克风不同，这种水凝胶器件能够响应双电层暂态调制信号，从而不需要任何信号放大就能够达到极高的灵敏度（偏压1V时217 nF/kPa或24uC/N）（Nature Communications DOI: 10.1038/ncomms12316）

5.非晶金属氧化物电致变色网络中的线性拓扑结构

（Linear topology in amorphous metal oxide electrochromic networks obtained via low-temperature solution processing）

非晶过渡金属氧化物被认为是可以动态调制太阳光辐射和提高建筑节能效率的电致变色窗体涂层的主要候选材料。然而，这种薄膜的制备通常要通过高能耗的溅射技术或高温溶液处理方法，这增加了制造的成本和复杂性。Anna等人提出了一种室温下通过酸催化聚铌酸盐团簇缩合反应的溶液处理方法，来制造氧化铌（NbOx）玻璃和“含有纳米晶体的玻璃”复合材料（即锡掺杂的氧化铟纳米晶体（ITO）嵌入到NbOx玻璃中）的电致变色膜。X射线散射和光谱表征以及理论仿真表明：这种处理方法产生了一种独特的一维链状NbOx结构，与通过常规高温热处理方法得到的典型三维NbOx网络相比，其电致变色性能有显著的增强。Anna等人还展示了自组装ITO-in-NbOx复合膜如何成功集成到高性能柔性电致变色器件。（Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT4734）

6.第一性原理计算模拟砷烯和锑烯的场效应晶体管的性能

（Performance of arsenene and antimonene double-gate MOSFETs from first principles）

在发展高性能超缩放设备的竞争中，二维材料的原子层厚度能够抑制短沟道效应从而提供了一种替代范式。因此，研究现实状态中最具研究前景的候选材料十分必要。Giovanni等人多尺度模拟了基于单层砷烯和锑烯作为通道的场效应晶体管。他们将第一性原理方法描述电子特性的准确性和基于最大局部化沃尼埃函数的紧束缚哈密顿方法相结合，计算了器件输运特性的高效率。这些模拟第一次提供了高木近似中电子和空穴速率的上限，包含自旋轨道和多谷效应，并展示出了超缩放设备在亚-10纳米尺度下满足行业要求的观测性能。（Nature Communications DOI: 10.1038/ncomms12585）

7.聚合物贴片纳米粒子的表面图案化

（Surface patterning of nanoparticles with polymer patches）

化学或形貌不同的表面域胶体颗粒图案构型引起了广泛的研究兴趣。现在生成微米和亚微米尺寸斑片状胶体的效率已经很高了，但几十纳米量级尺寸的无机胶体纳米颗粒的表面图案还比较少。这种纳米粒子表现出具有尺寸和形状依赖性的光学、电子和磁学特性，并且他们的组装体表现出新的集体特性。目前，纳米颗粒图案受限于双贴片纳米粒子和具有表面波纹或“树莓”表面形貌纳米粒子的生成。Rachelle等人报导了，利用热力学驱动聚合物配位体分离的方法来制备纳米粒子的表面图案。该方法提供了控制贴片尺寸的能力，它们的空间分布和每个纳米粒子贴片的数量均与理论模型一致。这种方法的通用性通过具有不同尺寸、形状和组分的纳米颗粒图案进行了证实。这些缀块纳米胶体在基础研究以及纳米材料的自组装、诊断、传感和胶体稳定性方面具有潜在的应用。（Nature DOI:10.1038/nature19089）

8.范德华异质结构中气泡的形状和压力

（Universal shape and pressure inside bubbles appearing in van der Waals heterostructures）

受限于二维晶体和原子尺度平整的基底之间的物质能够导致气泡的形成。这些气泡的大小、形状和内部压力由晶体对基底的范德华力吸引力和形变所需的弹性能决定，因此可以利用其中的气泡来研究二维晶体的弹性性质和限域条件。Khestanova等人利用原子力显微镜，分析了石墨烯、氮化硼和二硫化钼单层间的各种气泡。这些气泡表现出普适的尺度规律，与基于薄膜弹性理论的分析相一致。他们测量了限域导致的静水压力，发现亚微米的气泡内部压力值达到了几十Mpa。这与理论估计相一致，说明即使更小的亚-10纳米的气泡，其压力降接近1GPa，可能会影响材料的性能。（Nature Communications DOI: 10.1038/ncomms12587）