顶刊动态丨Nature/EES/Nano Letters等期刊电子材料学术进展汇总（4.28-5.10）
本期导读：
今天电子电工材料周报组邀您一起来看看Nature communications/ACS Nano/EES等期刊电子材料领域最新的研究进展。本期内容预览：计算机下的材料：单层Be5C2有应用于电子设备的前景；利用有机铁电体产生隧道电致电阻效应；填充电负性离子，提高方钴矿材料热电性；荧光纳米钻石的台式氟化法；智能城市中太阳能和风能的有效收集；3D打印高温高效率加热器；一种强大磁功能的单分子磁体；接近耦合的高温铁磁拓扑绝缘相；SnxSb1-xTe材料低热导率的根源；自供电的可穿戴电子产品的热电能源产生器设计；多层石墨烯结构极大地提高了石墨烯/环氧树脂复合材料的热导率。
1、Nature communications: 计算机下的材料：单层Be5C2有应用于电子设备的前景
单层Be5C2的几何结构及电子结构
从拓扑性质及减少维度方面设计，往往可获得新型材料。C就是一个例子，它可与其他原子形成平面四配位结构(ptC)、平面五配位结构(ppC)和平面六配位结构(phC)，这些打破常规化学键的多配位C分子，常以其较低的能量结构可应用于电子设备中。但对比ptC和phC，ppC极少扩展到固体研究领域。
来自南京师范大学和波多黎各大学的研究者们对ppC能否扩展到固体领域进行了研究，并基于密度泛函理论计算，设计了二维材料——单层Be5C2。因适度的内聚能、活跃的声子模及高熔点，单层Be5C2表现出很好的稳定性。同时Be5C2在二维空间中是最低能结构，因此很有可能实现实验合成。单层Be5C2是一种无能隙半导体，能带结构中具狄拉克点，泊松比为负值。因此若成功合成，将在电子及机械设备中有很大的应用前景。
2、Nature communications: 利用有机铁电体产生隧道电致电阻效应
在超薄PVDF膜上的铁电性
在铁电体隧道结(FTJs)中，转换两个电极间的超薄铁电壁垒的极化来调节隧道电阻，会引起巨大的隧道电致电阻效应(TER)，利用TER效应可制备非易失性存储器。目前，大多数铁电壁垒为无机的钙钛矿氧化物薄膜，但要实现纳米尺寸，制作工艺会非常复杂，难以实现大规模生产。
由上海和法国多所院校组成的研究团队将有机的PVDF薄膜作为铁电壁垒，调节它的极化状态可编码存储信息，并读出隧道电流从而制备出非易失性的存储器。对于一到二层的铁电聚合物，仅需很低的电压就可实现极化转换。并且在室温下，这些薄膜上的超微米级隧道结就能展现出1000%的隧道电致电阻效应。同时，研究者们也提出在硅或其他柔性衬底上制备有机铁电隧道结的低成本、大规模制备的方法。
文献链接：Tunnel electroresistance through organic ferroelectrics
3、Energy & Environmental Science: 填充电负性离子，提高方钴矿材料热电性
填充电负性离子后方钴矿的形成能及晶格热导率
通过向主框架中填充其他元素形成包合化合物可设计出具新功能的材料，而大多是向带负电的框架中填入电正性离子。为提高方钴矿热电材料的性能，也可通过填充电正性离子。但向方钴矿中填充电负性离子却很少有研究。
来自武汉理工、上海大学及华盛顿大学的研究团队则研究了一系列电负性离子填充至方钴矿后表现的性能。研究表明填入VIA族元素如S、Se后，S、Se会与框架主元素形成强极性的共价键，对晶格动力学、元素填充后带来的点缺陷分布都产生很大的影响，导致很低的晶格热导率。这种具开放结构的功能包合化合物将可用于制备高效的热电材料。
文献链接：Electronegative guests in CoSb3
4、AFM： 荧光纳米钻石的台式氟化法
NDs氟化的催化循环简化方案
氟化作用能调节钻石的光学性能和电磁学性能，并能产生疏水表面。近期的一些研究表明氟化作用还能稳定钻石、纳米钻石的荧光NV色心。荧光NV色心作为灵敏度极高的单原子缺陷在量子物理和高分辨生物成像等一系列传感器方面有广泛应用。然而，传统的碳纳米材料的氟化方法实验条件苛刻复杂，产生的疏水表面在无水环境中分散性差。
近日，Jan Havlik等人报道了一种Ag+催化的台式氟化方法。该方法条件温和，能将羧基全部用氟取代，从而实现纳米钻石的氟化。和其他方法相比较，这种方法产率高，不会腐蚀钻石的碳原子，还能产生带有C-F和C-OH端基的亲水表面。C-F和C-OH官能团抑制了有害的疏水表面及其导致的纳米钻石的胶体不稳定性。研究还表明即使表面氟原子密度相对低一些也有助于增加电负性NV色心的稳定性，提高荧光发光。Jan Havlik等人的方法能同时提高表面亲水性和NV色心荧光发光，这正是将荧光纳米钻石作为纳米传感器直接应用于生物环境中的量子光学和磁学测量的关键。
5、ACS Nano：智能城市中太阳能和风能的有效收集
a.常规风力发电机组；b.城市建筑屋顶上的集成化SC单元；c.房子屋顶上集成了纳米发电机的模型示意图
为了实现智能城市的可持续能源供给，最大化城市中的能量收集对实现一些智能设备和传感器的自我供能功能来说是必要的。现有的技术已经可以对太阳能进行有效收集，然而，由于传统的风能发电设备体积大，不安全，只能安装在偏远地区，所以城市中的风能还不能被有效利用。
近日，来自中科院的研究人员设计了一款混合纳米发电机，包括一个太阳能电池和一个摩擦起电的纳米发电机。这款发电机可以单独或同时收集太阳能和风能，能在城市建筑顶部大量安装。设备面积约为120mm×22mm时，设备中的太阳能电池最大输出功率为8mV，而摩擦起电纳米发电机最大输出功率可达26mV。通过使用一台转换器降低摩擦起电发电机的阻抗实现了太阳能电池和纳米发电机的阻抗匹配。和单一的太阳能电池或摩擦起电纳米发电机相比，这种混合纳米发电机的输出电流更大，电性能更优异。中科院的这项研究为在城市中最大可能的收集太阳能和风能提供了可行方案。
文献链接：Efficient Scavenging of Solar and Wind Energies in a Smart City
6、ACS Nano：3D打印高温高效率加热器
3D打印加热器原理演示
高温加热器可以广泛应用于材料合成和器件加工。马里兰大学帕克分校的研究人员开发出了三维（3D）印刷氧化还原石墨烯（RGO）型加热器，这是一种具有高温和超快加热速率的高性能热供给设备。与其他热源如热处理炉、激光和红外辐射加热器相比，3D打印加热器具有以下的优点：（1）由于该种加热器是以可持续高温碳材料——还原氧化石墨烯为基础的，其操作温度可高达3000K；（2）加热器的温度可以以20000K/S的极快速度上升或者下降；（3）可以直接打印不同形状的小尺寸加热器，以确保不同的基体上所有区域都可以加热。3D打印的还原氧化石墨型加热器可广泛地应用于纳米制造，可精确地控制温度、时间、位置和升温速率。
文献链接：Three-Dimensional Printable High-Temperature and High-Rate Heaters
7、ACS Nano：一种强大磁功能的单分子磁体
[DyPyNO]2的分子结构
单分子磁体的组织通过表面热升华，为未来设备的发展和利用这些磁分子来丰富自旋电子学中的磁性能提供了前提条件。然而，通过观察发现，一些特定的表面会发生相互作用，从而使单分子磁体的性能也发生变化。
Evan Kiefl等人提出了一个单分子磁体系统的罕见例子，在金的表面可以发生热升华而保持其完整的化学结构和磁性能。通过测量交流磁化率表明介子自旋减弱，但不同于其他的单分子磁体，薄膜状的磁体特性与那些块状磁体非常相似，包括整个薄膜磁体全部表面以及附近的金属真空接口区域。这些都展示了单分子磁体稳定的化学性能和复杂的磁性能，为单分子磁体纳米结构的发展提供了线索。
文献链接：Robust Magnetic Properties of a Sublimable Single-Molecule Magnet
8、Nature：接近耦合的高温铁磁拓扑绝缘相
Bi2Se3–EuS双层结构的XRD以及高分辨率的TEM图像
拓扑绝缘体是绝缘材料，可通过时间反演对称性对导电表面状态进行保护，也就是电子自旋动量被锁定。这种独特的性能为创造新一代的电子、自旋电子学和量子计算设备开辟了新的机遇。
Ferhat Katmis等人用自旋极化中子反射率实验证明：在拓扑绝缘体（Bi2Se3）双层系统中通过耦合铁磁绝缘体使得拓扑界面磁性（EUS）增强。界面中的磁性主要由自旋轨道相互作用产生，并且拓扑绝缘体表面的自旋动量锁定使得这种双层系统的磁有序（居里）温度大大的提高。由于铁磁短距离的交互作用性质，在拓扑绝缘体的表面附近时间反演对称性会被打破而远离表面的不受影响。拓扑磁电机的设计就是源于这种拓扑绝缘体，可以通过一个电场有效地操纵磁化动力学，为未来以自旋为基础的技术提供了一个高效节能的拓扑控制机制。
文献链接：A high-temperature ferromagnetic topological insulating phase by proximity coupling
9、EES：SnxSb1-xTe材料低热导率的根源
（a）为SnxSb1-xTe在10%误差范围内温差电优值随温度的变化（b）与其他材料相比SnxSb1-xTe的韦氏硬度值
在热电应用领域，低热导率的无机材料引起了众多人的兴趣。通过声子散射形成的纳米结构是降低材料导热率的重要途径。
来自贾瓦哈拉尔·尼赫鲁先进科学研究中心的科研团队，最近发现了在SnTe中由于纳米结构Sb和SnmSb2nTe3n+m交互生长使得SnxSb1-xTe具有接近最低理论晶格热导率。在<111>方向，Sb与SnTe相互分离，导致了超点阵结构的生成。同时，该超点阵结构引起了显著的声子散射。另外，Sb掺杂在SnTe中会降低p型载流子密度。由于载流子密度自发减少以及由纳米尺度主导的超结构的过滤问题使塞贝克系数有了很大的提高。所以，在800K，Sn0.85Sb0.15Te可以获得最优的热电优值，其维氏硬度大概有136Hv。
10、EES：自供电的可穿戴电子产品的热电能源产生器设计
左图为从身体中心至环境的温度变化；右图为单腿周围热阻的3-D示意图
随着可穿戴传感器以及电子器件性能的提高，其在医疗和环境监测中也越来越受欢迎。热电能源产生器利用人体热量来实现自我供能，可是空气界面的电阻值太大，这一问题决定着热电能源产生器的性能。
近日，来自北卡州立大学的科研人员设计了一种理论计算有效并且准确的三维热电发电机模式。该模式可以探索满足刚性热电发电机发展现状的设计标准以及柔性组件的应用前景。Francisco suarez等人研究了热电材料，组件设计和维数，散热器，填充材料，热缸，皮肤接触电阻对器件性能的影响；明确了材料热传导通过塞贝克系数和热电阻对提高可穿戴传感器和电子器件输出功率的重要性。对于柔性热电发电机，他们研究了填充材料的热传导。最后Francisco suarez等用该模式设计了一款材料性能有所提高的定制热电发电机并进行了器件设计。测试结果表明和商业热电发电机相比，在面积相同的条件下，用该模式设计的热电发电机输出功率提高了近3倍，和理论计算的预测高度一致。
文献链接：Designing thermoelectric generators for self-powered wearable electronics
11、NANO LETTERS：多层石墨烯结构极大地提高了石墨烯/环氧树脂复合材料的热导率
不同石墨烯层数下的热导率随石墨烯体积分数的变化
在现代电子设备中，快速散热已成为一个急需解决的问题。石墨烯自被发现以来其优异的性能一直备受瞩目，在散热领域，人们期望得到一种低石墨烯含量高导热率的环氧树脂基复合材料。
近日，香港科技大学和清华大学的研究人员探索了多层石墨烯片的层数和尺寸对环氧树脂基复合材料导热率的影响。分子动力学模拟显示当石墨烯片层数增加时多层石墨烯和石墨烯/环氧树脂界面的导热率增加。但是，具有高导热率的多层石墨烯并不能使多层石墨烯/环氧树脂具有高的导热率，除非多层石墨烯有较大的侧面尺寸使得其具有与单层石墨烯相比的高宽比。实验揭示了使用多层石墨烯的好处在于：与相同含量的单层或少层石墨烯体积分数2.8%时的直径为30 μm多层石墨烯（层数大于10）导热率大概为1.5W m−1K−1。本发现为高性价比的多层石墨烯做为导热填料在各种热管理应用提供了指导。
本期内容由材料人电子电工材料学习小组树苗，ZZZZ，大黑天，以亦等人编写。材料牛编辑整理。
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