2017年终盘点: 中国学者Science成果！

新的一年将至，材料牛为您精选2017年以来材料领域中，中国学者（通讯单位为国内机构）发表在顶级期刊Science上的优秀工作。

这是对2017年的一个总结，也是对新一年的勉励！

1、北大彭练矛&张志勇：5nm碳纳米管CMOS器件打破传统硅基极限

北京大学彭练矛和张志勇（共同通讯作者）等人制备了10nm栅长（对应5nm技术节点）的顶栅碳纳米管场效应晶体管，在相同尺寸下，其性能已经超越硅基互补金属-氧化物半导体（CMOS）FETs。通过对栅长尺寸缩小影响器件性能的研究发现，相比硅基器件，使用石墨烯接触的碳纳米管场效应晶体管表现出更优的性能，包括更快的响应速度、更低的驱动电压（碳纳米管0.4 V，硅0.7 V）、亚阈值摆幅更小（73 mV/decade）。p型和n型器件的亚阈值摆幅均为70 mV/DEC（DEC表示倍频程）；器件性能不仅远远超过已发布的所有碳管器件，并且在更低的工作电压（0.4 V）下p型和n型晶体管的工作性能均超过了目前最好的硅基CMOS器件在0.7 V电压下的性能（英特尔公司的14 nm节点）；特别是碳管CMOS晶体管本征门延时仅0.062 ps，相当于14 nm硅基CMOS器件（0.22 ps）的1/3。5纳米CNT FETs已经接近场效应晶体管的量子极限，实现场效应晶体管的单电子开关操作。与此同时，课题组研究接触尺寸缩减对器件性能的影响，探索器件整体尺寸的缩减，将碳管器件的接触电极长度缩减至25 nm，在保证器件性能的前提下，实现了整体尺寸为60 nm的碳管晶体管，并且成功演示了整体长度为240 nm的碳管CMOS反相器，这是目前所实现的最小的纳米反相器电路。

文献链接：Scaling carbon nanotube complementary transistors to 5-nm gate lengths（Science，2017，DOI: 10.1126/science.aaj1628）

材料牛资讯详戳：北大彭练矛-张志勇Science重磅：首次实现5nm碳纳米管CMOS器件 打破传统硅基极限

2、中科院金属所卢柯：晶界稳定调控—强化极微纳米晶强度新机制！

中科院金属所的卢柯院士（通讯作者）等最新研究中揭开了这种反常现象，并发现纳米晶金属中的塑性变形机制及其硬度可通过调节晶界（GB）的稳定性实现。利用电沉积获得的纳米晶Ni-Mo合金样品，当晶粒尺寸在10 nm以下时，由于晶界调控过程而出现软化。但通过弛豫和Mo偏析使晶界稳定后，纳米晶样品则实现超高硬度，塑性变形机制则由新出现的外延局部位错进行调控。由此可见，除了晶粒尺寸，晶界稳定性提供了另一晶粒强化机制，为产生具特殊性能的新型纳米晶金属提供理论基础。

文献链接：Grain boundary stability governs hardening and softening in extremely fine nanograined metals（Science，2017，DOI：10.1126/science.aal5166）

材料牛资讯详戳：卢柯院士最新Science：晶界稳定调控—强化极微纳米晶强度新机制！

3、中科大吴文彬：氧化物基反铁磁性材料重大进展

中国科学技术大学吴文彬教授（通讯作者），第一作者陈斌斌博士与团队成员克服了氧化物反铁磁性设计的难题，最新报道了将超薄但具铁磁性的La_2/3Ca_1/3MnO₃层与绝缘的CaRu_1/2Ti_1/2O₃垫片结合实现反铁磁性层间交换耦合（AF-IEC）。这种层状磁开关结构导致阶梯状的磁滞回线，磁化平台则取决于这种双层结构的堆垛重复数。同时这种磁化结构能在好几百个奥斯特的磁场下有效调制转换。另外，用La_2/3Sr_1/3MnO₃作为磁性层构成的AF-IEC具有近于室温的居里温度。该研究将为具有氧化物界面的电子设备增加研究基础。

文献链接：All-oxide–based synthetic antiferromagnets exhibiting layer-resolved magnetization reversal（Science，2017，DOI: 10.1126/science.aak9717）

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4、南京理工大学胡炳成：首次合成五唑阴离子盐高能含能材料

南京理工大学化工学院胡炳成与陆明教授（共同通讯作者）首次合成并表征了稳定的五唑阴离子盐(N₅)₆(H₃O)₃(NH₄)₄Cl。这种阴离子是利用间氯过氧苯甲酸和甘氨酸亚铁直接切断多取代芳基五唑的C-N键得到。并通过单晶X射线衍射进行结构表征，分析其各类盐的稳定性。同时该稳定全氮阴离子盐的分解稳定则高达116.8℃。

文献链接：Synthesis and characterization of the pentazolate anion cyclo-N₅- in (N₅)₆(H₃O)₃(NH₄)₄Cl（Science，2017，DOI：10.1126/science.aah3840）

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5、中山大学张杰鹏：控制客体构象用于丁二烯的纯化

中山大学化学学院的张杰鹏（通讯作者）等人提出使用准离散型孔穴限制柔性客体分子处于能量较高的顺式构象，利用客体构型变化的能耗差异，弱化丁二烯相对于其它C4烃类的吸附，从而获得与常规多孔材料相反的吸附选择性；通过混合气体吸附突破实验、单组分气体吸附实验、单晶衍射实验和计算机模拟等手段对系列典型MOF材料进行了概念验证，并发现一例亲水性MOF [Zn₂(btm)₂] (简称Zn-BTM或MAF-23)可实现最佳的吸附选择性顺序。常温常压下，C4烃类混合物流过以MAF-23作为填料的固定床吸附装置时，1,3-丁二烯分子首先流出，其次是丁烷、丁烯和异丁烯。因此，1,3-丁二烯可以常温常压下实现简易有效的纯化（≥99.5%），并避免高温环境下可能导致的聚合。

文献链接：Controlling guest conformation for efficient purification of butadiene（Science，2017，DOI：10.1126/science.aam7232）

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6、北大马丁：Au/α-MoC高效催化低温水煤气变换产氢！

北京大学马丁、布鲁克海文国家实验室的José A. Rodriguez、大连理工大学的石川（共同通讯作者）和中国科学院大学周武以及山西煤化所/中科合成油温晓东等人为了在低温下实现高WGS活性，设计了能够低温有效解离水的催化剂，并在低温下能有效催化表面羟基与吸附态的CO之间的反应。 研究发现，面心立方（fcc）结构的α-MoC负载的二维层状Au团簇可以在低于423K的反应条件下表现出比之前报道的催化剂高至少一个数量级的活性。α-MoC衬底和外延生长的Au原子层具有强相互作用，调制了Au与CO的良好结合，同时，与α-MoC中的相邻Mo位点的协同作用可以在低温下有效活化水。

文献链接：Atomic layered Au clusters on α-MoC as catalyst for the low temperature water gas shift reaction（Science，2017，DOI: 10.1126/science.aah4321)

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7、上海交大宋杰：重组DNA构型搭建分子机器

上海交通大学青年千人宋杰研究员与美国普渡大学Chengde Mao及艾莫利大学Yonggang Ke（共同通讯作者）等人基于可自由变化的四臂DNA单元（anti-junction），通过有序排列将DNA单元组装成2D或者3D的阵列，得到一种全新的可变DNA分子机器 。由于每个构成单元都是可以自由变化的，进而通过触发某个特定位置的构象变化，能够产生级联反应，类似于“多米诺（Domino）骨牌”效应，实现长距离的信息传输和递送。同时，该可变DNA结构也能够可编程化地研究各中间态的转换过程。这种新型可变DNA纳米结构能够为化学反应的中间态研究以及生命活动中分子信号调控提供有力的研究工具。

文献链接：Reconfiguration of DNA molecular arrays driven by information relay（Science，2017，DOI: 10.1126/science.aan3377）

材料牛资讯详戳：上海交大宋杰课题组与美国研究人员合作在Science上发表DNA分子机器相关成果

8、北京科技大学&香港大学：D&P钢中高位错密度引起高延性

香港大学的黄明欣博士与北京科技大学的罗海文教授（共同通讯作者）发展了一种变形分区（D&P）策略来解决上述问题。研究人员利用轧制和低温回火过程将中锰钢成功发展为超级钢（10%锰，0.47%碳，2%铝，0.7%钒）。这其中锰和碳原子都是奥氏体稳定剂，而铝的作用是抑制了回火过程中渗碳体的析出，钒的加入则可以形成碳化物来增强对滞后断裂的抵抗性。通过引入大量的可移动位错，研究人员成功地证明了提高位错密度能够同时提高材料强度和延展性。

文献链接：High dislocation density–induced large ductility in deformed and partitioned steels（Science，2017，DOI: 10.1126/science.aan0177）

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9、湖南大学段镶锋：2D异质结、多异质结以及超晶格的可控外延生长

湖南大学（第一单位）及加州大学洛杉矶分校的段镶锋教授和湖南大学段曦东（共同通讯作者）等人报道了一种能控制多种异质结、多异质结和超晶格2D原子晶体生长的普适性合成方法。通过改性气相沉积，在连续的气相沉积过程，温度浮动期间加以反向气流，可以冷却存在的2D晶体以防止不需要的热降解和不可控的均相成核，因此能实现高度稳健的逐块外延生长。同时，不限于单一的异质结，更多不同的2D异质结（如WS₂-WSe₂和WS₂-MoSe₂）、多异质结（如WS₂-WSe₂-MoS₂和WS₂-MoSe₂-WSe₂）和超晶格（如WS₂-WSe₂-WS₂-WSe₂-WS₂）通过精确的空间调制成功制备。所制备的WSe₂- WS₂表现出很好的二极管特性，整流比高达105。

文献链接：Robust epitaxial growth of two-dimensional heterostructures, multiheterostructures, and superlattices（Science，2017，DOI: 10.1126/science.aan6814）

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10、东南大学熊仁根：具备超高压电响应性能的有机-无机钙钛矿铁电体

东南大学的熊仁根教授与游雨蒙教授，美国托莱多大学的Yanfa Yan教授以及中国科学院深圳先进技术研究院的李江宇教授（共同通讯作者）报道发现了一种单相有机-无机钙钛矿压电体Me₃NCH₂ClMnCl₃(TMCM-MnCl₃)。这铁电晶体展现出了优异的压电响应性能（d33 =185 pC/N），与BTO的压电系数（d33 =190 pC/N）十分接近。而其相变温度Tc也达到了406K，可在室温合成并且无毒性金属成分，这些特点都使得该种铁电晶体在医学、微机械等领域拥有广阔的应用前景。

文献链接：An organic-inorganic perovskite ferroelectric with large piezoelectric response（Science，2017，DOI: 10.1126/science.aai8535）

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11、上海微系统所&西安交大：降低晶体形核随机性以获得亚纳秒级数据存储速度

中科院上海微系统与信息技术研究所饶峰副研究员和西安交通大学的张伟教授（共同通讯作者）合作开展了相关研究工作，报道了通过材料计算设计的方法来调控相变材料的晶核形成速率，合成新型相变材料钪锑碲(ScSbTe)，大幅降低形核时间，达到超高速的写入速度，仅为0.7纳秒。同时钪锑碲器件的操作功耗相比于传统锗锑碲器件降低了近90%。通过材料计算，研究人员清晰地揭示了钪锑碲超快结晶化以及超低功耗的微观机理。

文献链接：Reducing the stochasticity of crystal nucleation to enable subnanosecond memory writing (Science，2017，DOI:10.1126/science.aao3212 )

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本文由材料人学术组大黑天供稿，材料牛编辑整理。

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