Nature/Science盘点: 六月材料领域重大进展

1、Nature：石墨烯-氮化物微谐振器中的栅极可调谐频梳

加州大学洛杉矶分校的姚佰承、Shu-Wei Huang、Chee Wei Wong以及段镶锋（共同通讯作者）团队将栅极可调的光导与氮化硅光子微谐振器耦合，通过改变费米能级来调制其二阶和更高阶色散从而证明并实现了石墨烯基光学频率梳的门控腔内可调谐性。研究进一步证明了从周期性孤子晶体到具有缺陷的晶体的电压可调谐转换，这种结合了单原子层纳米科学和超快光电子的异质石墨烯微腔将有助于提高我们对动态频率梳和超快光学的理解。

文献链接：Gate-tunable frequency combs in graphene–nitride microresonators（Nature，2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0216-x）

材料牛资讯详戳：Nature：石墨烯氮微谐振器中的栅极可调谐频梳

2、Nature：铂表面一氧化碳氧化动力学

德国普朗克生物物理化学研究所的Theofanis N. Kitsopoulos（通讯作者）等人研究发现利用分子束可控引入试剂和离子成像可以绘制产物分子的速率矢量，从而反映出活性位点的对称性和取向，并最终实现了不同位点反应速率的同时观测。利用这一速率分辨的动力学方法，研究人员成功地绘制了一氧化碳在铂表面的氧化速率分布，并观测到不同温度对活性位点的影响。这一方法对加深异质反应的理解和先进催化剂的设计均有深远的意义。

文献链接：Velocity-resolved kinetics of site-specific carbon monoxide oxidation on platinum surfaces（Nature, 2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0188-x）

材料牛资讯详戳：普朗克生物物理化学研究所Nature：铂表面活性位点处CO氧化速度的动力学特征

3、Science：测量界面水的介电常数

英国曼彻斯特大学 A. K. Geim和L. Fumagalli（共同通讯作者）等使用具有狭缝状通道的电容电路对内部水的面外介电常数进行测量确定。研究人员利用石墨和六方氮化硼晶体（hBN）的范德瓦尔斯组装来制造实验器件，这些器件通过图案化形成不同高度的狭缝状通道，用水填充这些通道后通过电学测量可以揭示具有极小极化的界面层的存在。一系列的实验结果为描述水介导的表面相互作用和界面水行为的理论提供了思路，并展示了一种方法来研究在极限条件下的其他流体和固体的介电性质。

文献链接：Anomalously low dielectric constant of confined water（Science, 2018, DOI：10.1126/science.aat4191）

材料牛资讯详戳：Science又发表范德瓦尔斯研究的最新应用：新突破——测量界面水的介电常数

4、Science：范德华异质结构中的巨隧道磁电阻

在美国华盛顿大学Xiaodong Xu教授，香港大学姚望教授和美国卡耐基梅隆大学Di Xiao（共同通讯作者）等报告了基于范德华（vdW）异质结构的多自旋过滤器磁隧道结（sf-MTJs）的基本结构，其由两个原子级薄CrI3隧道势垒隔开的几层石墨烯接触组成。该团队展示了隧道磁阻随着CrI3层厚度的增加而急剧增加的现象，特别是在低温下使用四层sf-MTJs的磁性多层结构达到创纪录的19000％。使用磁性圆二色性测量发现将这些现象归因于原子级CrI3的本征逐层反铁磁有序性。该团队的工作揭示了将磁信息存储推向原子极限的可能性，并且突出显示了CrI3作为vdW异质结自旋电子器件的最高磁隧道势垒。

文献链接：Giant tunneling magnetoresistance in spin-filter van der Waals heterostructures（Science, 2018, DOI：10.1126/science.aar4851）

材料牛资讯详戳：今日Science头条：巨隧道磁电阻带来不一样的数据存储技术

5、Nature：具有程控铁磁畴的3D打印软材料

麻省理工学院赵选贺（通讯作者）等报道了软材料中程控铁磁畴的3D打印，通过磁驱动实现复杂3D形状之间的快速转换。研究方法是基于含有铁磁微粒的弹性体复合材料的直接墨水书写。通过在打印时向分配喷嘴施加磁场，研究人员沿着施加的场重新定向粒子以将打印的细丝赋予图案化的磁极性。这种方法能够在复杂的3D打印软材料中程控铁磁畴，从而实现一系列先前无法获得的转换模式。

文献链接：Printing ferromagnetic domains for untethered fast-transforming soft materials（Nature, 2018,  DOI: 10.1038/s41586-018-0185-0）

材料牛资讯详戳：MIT赵选贺今日Nature封面：连3D打印机器人都是爱你的形状

6、Science：用于分子检测的超表面技术

瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）Hatice Altug教授（通讯作者）等报道了一种基于全介电高Q超表面元素的中红外纳米光电传感器。该团队设计的超表面中的高Q共振利用了Mie共振的集合行为，且高Q共振频谱无需额外的共振背景，因此允许高光谱选择性增强富含光谱的分子指纹信息。进一步来说，该团队实现了一个高Q值的二维阵列，其中各个元像素的共振位置在中红外指纹范围内线性变化。这种构造允许将每个共振位置分配给变换表面的特定像素，从而建立光谱和空间信息之间的一对一映射。通过比较涂覆目标分析物分子前后空间编码的振动信息，证明了化学特性的分子条形码适用于化学鉴定和成分分析。

文献链接：Metasurfaces for molecular detection（Science, 2018, DOI：10.1126/science.aas9768）

材料牛资讯详戳：Science头条：用于分子检测的超表面技术

7、Science：狄拉克源晶体管

北京大学的张志勇教授、彭练矛教授（通讯作者）课题组团队提出了一种可以替代MOS晶体管的新型超低功耗场效应管。这种场效应管采用具有特定掺杂的石墨烯作为一个“冷”电子源，用半导体碳纳米管作为有源沟道，并以高效的顶栅结构构建出狄拉克源场效应晶体管，最终在实验上实现了室温下40 mV/DEC左右的亚阈值摆幅。狄拉克源晶体管的发明在保持传统MOS晶体管的高性能的前提下突破了晶体管室温亚阈值摆幅的热发射理论极限，有望将集成电路的工作电压降低到0.5 V及以下，为未来的集成电路技术提供解决方案。

文献链接：Dirac-source field-effect transistors as energy-efficient, high-performance electronic switches（Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aap9195）

8、Nature：范德华异质结构中的异质界面效应

哈佛大学Philip Kim（通讯作者）团队研究使用透射电子显微镜、原位磁阻和光谱学技术，以及低温磁场量子振荡测量和从头计算法，解决了锂在不同范德华层的各个原子界面层面的电子插层问题。该研究构建了基于堆叠六方氮化硼、石墨烯和钼硫族化合物（MoX₂; X = S，Se）层的范德华异质结构的电化学装置。这一装置中，石墨烯和MoX₂之间形成的范德华异质界面，相比MoX₂ / MoX₂同质界面，MoX₂中电荷的积累量增加了十倍以上，并且强化了至少0.5V的插层电势。该研究结合实验和计算方法操纵和表征分层系统电化学行为，开辟了控制二维电子和光电子器件中电荷密度的新途径。

文献链接：Heterointerface effects in the electrointercalation of van der Waals heterostructures（Nature, 2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0205-0）

材料牛资讯详戳：继Science后，范德瓦尔斯研究又双叒叕发Nature了： 哈佛大学今日新作看一眼？

9、Science：钙钛矿太阳能电池新突破

北京大学朱瑞研究员、牛津大学Henry J. Snaith教授和英国萨里大学张伟博士（共同通讯作者）等报道了通过使用溶液处理的二次生长（SSG）技术，在膜的顶部表面附近提供更宽的带隙区域，并形成更多的n型钙钛矿膜，从而导致开路电压（V_oc）大幅增加。该团队使用非化学计量的配方(FA_0.95PbI_2.95)0_.85(MAPbBr₃)_0.15制备混合阳离子铅混合卤化物钙钛矿层，这种方法产生了更宽的带隙顶层和更多的n型钙钛矿薄膜，从而减少非辐射复合，导致V_oc增加高达100毫伏。团队在不牺牲光电流的情况下实现了1.21V的高V_oc，对应于1.62V带隙下0.41V的电压不足。这一改善使得最大功率点的稳定输出功率接近21％。

文献链接：Enhanced photovoltage for inverted planar heterojunction perovskite solar cells（Science, 2018, DOI：10.1126/science.aap9282）

材料牛资讯详戳：Science又发表钙钛矿太阳能电池新突破：不一样的二次生长（SSG）技术

10、Science：单晶二维COFs的合成

美国西北大学的William R. Dichtel（通讯作者）等人利用分步方法实现了对二维COFs的可控合成。在这一方法中，单体被缓慢加入以充当纳米颗粒晶种，之后COF便可在这些纳米颗粒上进行晶种生长。这类COFs均为单晶，尺寸在微米级水平上。这种单晶纳米颗粒在瞬态吸收光谱的信号质量比多晶粉末有2到3个数量级的提升，其激子扩散长度更胜于传统方法合成的材料。这些发现拓展了对合成类二维聚合物的结构和性能探索。

文献链接：Seeded growth of single-crystal two-dimensional covalent organic frameworks（Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aar7883）

11、Science：仿生触觉神经系统

斯坦福大学的鲍哲楠教授、首尔大学的Tae-Woo Lee以及南开大学的徐文涛（共同通讯作者）等人报道了一种新型的基于柔性有机电子器件的仿生触觉神经系统。这一系统由电阻式压力传感器、有机环振荡器以及突触晶体管组成，压力传感器接受的触觉信号，随后被有机环振荡器收集，最后该信号可被突触晶体管转变为电流信号，最终完成类神经系统行为。这一仿生神经系统具有非常高的灵敏度，将在机器人手术、义肢感触等领域发挥重要作用。

文献链接：A bioinspired flexible organic artificial afferent nerve（Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aao0098）

12、Nature：超小无机笼

康奈尔大学的Ulrich Wiesner（通讯作者）等人利用冷冻电子显微学和颗粒3D重建系统报道了一种新型的具有十二面体的超小硅笼。这种十二面体硅材料具有类笼形态，尺寸不大于10nm并且结构具有高度对称性。研究人员认为，在带相反电荷的表面活性剂胶束的表面对超小硅簇进行排列即可发生自组装行为，从而构建这一类笼形态的硅材料。这一发现为构建纳米尺度无机笼状材料开辟了新的道路。

文献链接：Self-assembly of highly symmetrical, ultrasmall inorganic cages directed by surfactant micelles（Nature, 2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0221-0）

13、Nature：二维通道中的分子传输

曼彻斯特大学的A. K. Geim和B. Radha（共同通讯作者）等人构建了具有原子级厚度壁的埃级尺度二维通道并将其利用做气体传输的材料。这一通道材料由石墨烯或者氮化硼组成，原子级壁层则由二硫化钼构成，由于壁层的不规整表面导致不同气体分子的渗透速度也有所不同。通过镜面表面反射理论，研究人员还解释了分子的弹道传输现象以及超快的气体流动。这些研究结果为分子渗透的原子机制找到了实验证据并证明了在超小尺度下讨论气体传输机制的可能性。

文献链接：Ballistic molecular transport through two-dimensional channels（Nature, 2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0203-2）

本文由材料人学术组NanoCJ供稿，材料牛编辑整理。

材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部。欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaokefu。