《自然》《科学》一周（1.16-1.22）材料科学前沿要闻

Original 2017-01-23 新材料在线 新材料在线

1.高效钙钛矿发光二极管

（Efficient perovskite light-emittingdiodes featuring nanometre-sized crystallites）

有机-无机混合钙钛矿材料正在成为非常吸引人的用于光电子学的半导体材料。除了它们在光伏中的应用之外，鉴于其具高色纯度、低非辐射复合率和可调带隙，钙钛矿有希望用于发光二极管（LED）。Xiao 等人报导了利用纳米尺寸微晶自组装形成的高效钙钛矿 LED。添加到钙钛矿前驱体溶液中的长链卤化铵充当了表面活性剂，在膜形成期间明显地限制了 3D钙钛矿颗粒的生长，产生尺寸 10nm 且膜粗糙度小于 1nm 的微晶。用较长链的有机阳离子涂覆这些纳米尺寸的钙钛矿颗粒产生高效的发射源，使得 LED对于甲基铵碘化铅体系具有10.4％的外量子效率，对于甲基铵溴化铅体系9.3％的外量子效率，并具有显著改善的操作稳定性。（Nature PhotonicsDOI: 10.1038/NPHOTON.2016.269）

2.翘曲状二维单元素烯

（Buckled two-dimensional Xene sheets）

硅烯、锗烯和锡烯都是的单元素类的二维（2D）晶体（称为二维X-烯，X = Si、Ge、Sn等）的一部分，由类似于石墨烯但具有不同程度的翘曲的IVA 族原子蜂窝晶格排列组成。它们的配体官能化衍生物称为 X-烷。它们的电子结构取决于衬底、化学官能化和应变，范围则从简单的绝缘体到具有可调节间隙的半导体、半金属。预计会出现十几种不同的拓扑绝缘体状态，包括室温下的量子自旋霍尔状态，如果实现，将会使新类型的纳米电子和自旋电子器件（例如拓扑场效应晶体管）成为可能。例如，可以通过改变IVA 族元素、自旋轨道耦合度、官能化化学或基底来调节电子结构，使得二维X-烯系统成为用于纳米技术的富有前景的多功能二维材料。（Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT4802）

3.原子级超薄半导体的光-谷电子成像

（Opto-valleytronic imaging ofatomically thin semiconductors）

过渡金属二硫化物半导体代表着层状异质结构的基本组成部分，在常规光电子学及以外的最新技术中具有重要应用。在单层形式中，它们以量子化的圆周运动和相关的谷极化和谷相干作为光-谷电子功能的关键元素来承载电子。Neumann 等人介绍了以二维偏振仪作为单层过渡金属二硫化物中谷赝自旋自由度直接成像的工具。Neumann 等人用 MoS2 作为具有谷选择性光学过渡的代表性材料，建立起了定量图像分析的伸展晶体的偏振图谱，并将谷极化和谷相干作为结晶紊乱的灵敏探针。此外，他们还发现垂直磁场中谷偏振激子的位点相关热和非热的机制。最后，他们展示了广域偏振测量用于快速检查基于原子级超薄半导体和异质结构光电子器件的潜力。（Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/NNANO.2016.282）

4.可重构棱状结构材料的合理设计

（Rational design ofreconfigurable prismatic architected materials）

制造技术的进步使得能够生产性能空前的构筑材料。大多数这样的材料的特征在于固定的几何形状，但在一些材料的设计中，可以与能够重构其空间架构的内在机制相结合，并且以这种方式实现可调谐功能。受到折线折纸技术构造的棱状几何的结构多样性和可折叠性的启发，Overvelde 等人引入了基于多面体的空间填充镶嵌的设计策略来创建三维可重构材料，其中包括刚性板块和弹性铰链的周期性组装。通过数值分析和物理原型的引导，Overvelde 等人系统地探索设计结构的迁移率，并确定了各种质量不同的变形和内部重排。考虑到基本原理是与尺度无关的，该策略可以应用于下一代可重构结构和材料的设计，包括从米尺度可变结构到纳米尺度可调光子系统。（Nature DOI: 10.1038/nature20824）

5.栅极长度5nm的碳纳米管互补晶体管

（Scaling carbon nanotubecomplementary transistors to 5-nm gate lengths）

Qiu 等人报导了相同规模下比硅互补金属氧化物半导体（CMOS）FET 性能更好的，栅极长度为 5 纳米的高性能顶栅式碳纳米管场效应晶体管（CNT FET）。缩放趋势研究显示，使用石墨烯触点的基于CNT 的器件可以在更低的电源电压（相对与 0.7 伏为更低的 0.4 伏）下工作得更快，并且具有小得多的亚阈值斜率（通常 73mV/Dec）。5 纳米 CNT FET 已经接近 FET的量子极限，其每次开关操作仅使用一个电子。此外，CNT CMOS 器件的接触长度也缩小到 25 纳米。并且，他们还展示了总间距尺寸 240 纳米的 CMOS 反相器。（Science DOI: 10.1126/science.aaj1628）

6.体合金转化为氧化物纳米线

（Transformation of bulk alloys to oxidenanowires）

一维（1D）纳米结构为增强功能材料和复合材料的电、热和机械性能提供了很好的选择，但是它们的合成方法通常既复杂又昂贵。Lei 等人展示了在不使用催化剂或任何外部刺激的环境条件下，将散装材料直接转换成纳米线。纳米线是通过使化学反应前沿的边界应变能最小化而形成的。Lei 等人展示了铝或镁合金的多尺寸大小的颗粒转变成可调尺寸的醇盐纳米线，在空气中加热时进一步转化为氧化物纳米线。基于氧化铝纳米线制造的隔板提高了锂离子电池的安全性和倍率性能。他们的方法可以实现超低成本可扩展合成一维材料和膜。（Science DOI: 10.1126/science.aal2239）

7.轻质三维石墨烯组装体的力学行为和设计

（The mechanics and design of alightweight three-dimensional graphene assembly）

关于三维石墨烯组装体的研究已经展示了比空气还轻的固态多孔材料。这种固态材料由于具有很强的机械性能，可以在极端条件下应用，例如作为飞行气球中所填充氦的替代品。然而，关于多孔石墨烯组装体的弹性模量和强度的知识却很少，这阻碍了对于其应用可行性的评价。Qin等人将由下到上的计算模拟与基于3D-打印的模型实验相结合，研究了多孔3D石墨烯的力学行为。尽管3D石墨烯在相对高的密度具有极高的强度，但是它的力学性能随着密度的增加而快速减小，比聚合物泡沫还要快速。他们的研究结果给出了3D石墨烯组装体的临界密度，低于这个密度值它开始失去机械性能的优越性。（ScienceAdvances DOI：10.1126/sciadv.1601536）

8.二维碳化物和氮化物（MXenes）在能量存储中的应用

（2D metal carbides and nitrides (MXenes)for energy storage）

二维过渡金属碳化物、碳氮化物和氮化物（统称为MXenes）已经从2011报导的Ti3C2快速扩展开来。这些材料总是具有表面钝化，如羟基、氧或氟，赋予了表面超亲水性。大约20种不同的MXenes已经被合成，十几种的结构与性质已经在理论上进行了预测。这些固溶体的可获取性、表明钝化的可控性和多过渡金属层状MXenes的最新发现为很多新结构的合成提供了机会和可能。Mxenes多种多样的化学性质使其可以在能源存储、电磁干涉屏蔽、复合强化、水处理、传感器、润滑和光电化学催化等领域广泛应用。Gogotsi等人综述了MXenes的合成、结构和性质，以及它们在能量存储及相关方面的应用。（Nature Reviews Materials, DOI:10.1038/natrevmats.2016.98）

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