《自然》《科学》一周（08.29-09.04）材料科学前沿要闻

1.高活性析氧催化剂IrOx/SrIrO3

（A highly active and stable IrOx/SrIrO3 catalyst for the oxygen evolution reaction）

氧电化学在可再生能源技术（如：燃料电池和电解槽）的应用中起着重要作用，但是，析氧反应（OER）缓慢的动力学限制了这些器件的性能和商业化应用。最近，美国斯坦福大学的Jaramillo研究小组，通过电化学过程中SrIrO3薄膜表面Sr的部分浸析获得了IrOx/SrIrO3析氧催化剂。这种催化剂在酸性环境中电流密度10mA/cm2时的过电势仅有270-290 mV且能持续保持30小时。密度泛函理论计算也表明Sr析出过程中IrO3或锐钛矿IrO2高活性表面形成。他们合成的IrOx/SrIrO3析氧催化剂的性能超出了已知的IrOx和RuO=体系。（Science DOI: 10.1126/science.aaf5050）

2.四吡咯功能化石墨烯边界

（Fusing tetrapyrroles to graphene edges by surface-assisted covalent coupling）

前驱体分子在表面辅助下的共价链接使低维纳米结构（如：石墨烯纳米带）合成成为可能。构建功能化的多组分系统的方法往往涉及有机异质分子横向链接到石墨烯上。最近，He等人报导了在相同的金属基底上脱氢偶联单卟啉到石墨烯边缘。这种共价链接通过扫描探针技术在亚分子分辨率上变得可视化，揭示了成键的形态和电子特征。不同的构型可以通过热处理两个吡咯环、调整单体方向融合到石墨烯边界。而且，他们通过与金属基底的作用成功地实现了大环金属取代和轴向结合物的结扎。这一过程与石墨烯纳米结构合成结合能够创造出复杂的功能化材料系统。（Nature Chemistry DOI: 10.1038/NCHEM.2600）

3.金属锡量子片用于高效率CO2还原

（Metallic tin quantum sheets confined in graphene toward high-efficiency carbon dioxide electroreduction）

超薄金属片易于被氧化能够用作高活性的CO2电化学还原催化剂。中国科技大学谢毅院士课题组构筑了石墨烯限域超薄高活性金属片的模型，并通过石墨烯限域高活性金属锡量子片作为例子进行了演示。高活性电化学面积使其表现出高于块状金属锡9倍的CO2吸附能力，同时高导电性的石墨烯促进了CO2转化为自由基离子的电子转移过程。X射线吸收精细结构谱揭示了降低的Sn-Sn配位数。另外，羟基离子吸附电势降低0.13V表明将量子片限域于石墨烯有效地稳定了CO2自由基离子。这一成果为设计用于电解燃料合成的有效稳固的催化剂提供了新的思路。（Nature Communications DOI: 10.1038/ncomms12697）

4.范德华异质结用作二端浮栅存储器

（Two-terminal floating-gate memory with van der Waals heterostructures for ultrahigh on/off ratio）

非易失性存储器取代传统闪存存储器的概念受到材料可靠性低和截止电流高的阻碍，并且在闪存中使用厚的刚性氧化物层会进一步限制其垂直方向的扩展。Vu等人提出了一种二端浮栅存储器，它是由单层二硫化钼、六方氮化硼（hBN）、单层石墨烯垂直堆叠制成的隧道随机存取存储器。该器件利用二端子电极实现二硫化钼沟道中的电流流动，同时用于通过hBN隧穿势垒实现对石墨烯浮动栅极的充放电。该存储器件展现出10-14 A的超低的开路电流，这也使其具有超过109的超高开关比，该值高于其他二端存储器约103倍。此外，由于没有厚的刚性氧化物材料使其具有很高的伸缩性（419%），可用于柔性电子器件。（Nature Communications DOI: 10.1038/ncomms12725）

5.石墨烯封装实现二维氮化镓

（Two-dimensional gallium nitride realized via graphene encapsulation）

二维（2D）层状材料的光谱为研究凝聚态物理中的新现象提供了一个良好的平台。在这些材料中，层状六方氮化硼（hBN）因其具有的宽能隙（约 5.0-6.0 eV），预示着了二维氮化物是发展二维器件的重要材料。然而，氮化硼之外的二维氮化物的实验与理论预测之间仍存在着一定差距。Zakaria等人利用外延石墨烯通过迁移增强封装生长（MEEG）技术合成了二维氮化镓（GaN），结合理论预测和实验验证发现通过MEEG生长合成的二维GaN的原子结构与现有理论明显不同。他们还指出石墨烯在稳定二维卡扣结构的直接能隙（接近 5.0 eV）中起关键作用。该结果为通过传统合成方法难以制备的二维氮化物的发现和稳定提供了基础。（Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT4742）

6.声学拓扑绝缘体以及强单向声音传输

（Acoustic topological insulator and robust one-way sound transport）

材料的拓扑设计使其具有拓扑对称性，以利于无背向散射波的传输。但是，在空气声学中，声音极化的内在纵向本质使得常规的自旋轨道相互作用机制不可能实现波段反转。最近，He等人报导在双狄拉克锥处实现了声学能带反转，并提供了声学拓扑绝缘体的实验范例。通过控制这种新的拓扑材料中相邻原子的跳变相互作用，成功地证明了声学量子自旋霍尔效应，其特点是赝自旋依赖的单向边界声音传输。该结果为实验探究拓扑现象和相关应用提供了新的途径。（Nature Physics DOI: 10.1038/NPHYS3867）

7.氧化物界面上高效可调的自旋-充电转换

（Highly efficient and tunable spin-to-charge conversion through Rashba coupling at oxide interfaces）

自旋轨道相互作用使电子的运动耦合它们的自旋。因此，充电电流穿过具有强自旋轨道耦合的材料形成横向自旋电流（自旋霍尔效应，SHE），反之亦然（逆自旋霍尔效应，ISHE）。基于充电-自旋相互转换机制的SHE和ISHE的出现提供了多种新的自旋电子功能和器件，其中有一些不需要任何铁磁材料。然而，SHE和ISHE的相互转换效率作为整体性质很少超过10%，且没有利用普遍存在于自旋电子异质结构和介孔结构中的界面和低维效应。Lesne等人在氧化物二维电子体系（2DES）laAlO3/SrTiO3中利用界面驱动自旋轨道耦合机制，即Rashba效应，实现了空前效率的自旋-充电转换效率。通过自旋激励，从NiFe膜向氧化物2DES中注入了一个可以通过栅极电压来调制的自旋电流，并检测了所得到的充电电流。Lesne等人基于2DES的电子结构讨论了效果的幅值和栅极依赖性，并强调了长散射时间对于实现高效的自旋-充电相互转换的重要性。（Nature Materials  DOI: 10.1038/NMAT4726）

8.掩埋电子界面的无损成像

（Non-destructive imaging of buried electronic interfaces using a decelerated scanning electron beam）

纳米技术的最新进展使得能够在多层结中制造原子突变界面，从而允许在处理器中增加晶体管的数量。然而，结中存在的局部缺陷致使在整个界面上很难实现均匀的电子传输，从而导致局部发热和迁移率的下降。迄今为止，对于结的均匀性的评估主要还是利用横截面的透射电镜，而这个过程所需的切片和研磨步骤会潜在地引入附加损坏和变形。因此必须要开发一种非破坏性的方法。Atsufumi等人展示了一种利用扫描电子显微镜来映射掩埋结性质的非破坏性技术。通过控制电子束能量，他们展示了一定深度下局部结电阻的对比成像。这种技术可以应用于现有的半导体和金属器件，以及有机器件的所有掩埋结中。（Nature Communications  DOI: 10.1038/ncomms12701） 

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