顶刊动态 | 五月份计算材料前沿科研成果精选

材料牛邀请您阅读五月份计算材料前沿科研成果精选：西安交通大学发现由非线性弹性效应引起的异质外延岛的热力学自限制生长机制；美国西北大学发现π-共轭有机半导体新单元—双苯基磺胺；奥地利维也纳大学合成史上最长的线性碳链结构；日本大阪大学通过单粒子光谱研究用于制氢的铂金三角纳米棱柱；伦敦大学综述液体中的晶核—分子动力学模拟的开放性问题和未来挑战。

1、Nano Letters: 由非线性弹性效应引起的异质外延岛的热力学自限制生长机制

图1 线性弹性机制和非线性弹性机制

自从1990年被首次发现，异质外延生长自组装3D岛因其在理解它们的复杂生长行为和作为量子点在纳米电子学和光电器件方面的应用，受到很多科学家的持续关注。异质外延岛的生长是一个应变介导和热激活的成核过程，其特征表现为任意位置生长和随机尺寸分布。通过在生长界面进行应变场预处理，可以定向控制岛形核及其生长，以实现高度有序岛阵列，并显著提高尺寸均匀性。

西安交通大学胡昊及其合作者研究了异质外延岛生长的非线性弹性效应（NLEF），研究发现非线性弹性效应会引起热力学自限制生长机制，该机制会阻碍超出最大尺寸的相干岛的应变弛豫，与在线性弹性效应增加岛尺寸的无限应变弛豫相反。这种自限制生长效应对岛侧面角有强烈的依赖性，也适用于对凹坑倾斜角有额外依赖性的衬底表面岛内凹坑图案。该工作对理解异质外延岛生长和解释过去和最近的实验现象提供了新的视角。

文献链接：Thermodynamic Self-Limiting Growth of eteroepitaxial Islands Induced by Nonlinear Elastic Effect（Nano Lett.,  2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01525）

2、 JACS：π-共轭有机半导体新单元—双苯基磺胺

图2 双苯基磺胺合成

有机半导体是新型光电技术中最重要的组成部分。由于其制造成本低，具储光、电输运的特性，并与柔性塑料基板具兼容性，所以在有机发光二极管（OLED）、光伏（OPVs）、场效应晶体管（OFETs）和电路中有所应用。

美国西北大学Ferdinand S. Melkonyan等人利用分子轨道计算和光学、电化学和晶体结构表征分析阐明了双苯基磺胺单元的体系结构和电子结构，通过研究发现π-共轭链供体-受体（D-A）聚合物具有某些特殊性能，而建立在双苯基磺胺（BTSA）单元基础上的BSTA-2t聚合物具有良好的p型有机场效应晶体管材料性能和供体材料性能。研究者相信BTSA和其他磺胺类材料未来在有机半导体材料领域是非常值得关注的。

文献链接：Bithiophenesulfonamide Building Block for π-Conjugated Donor–Acceptor Semiconductors（JACS,  2016, DOI: 10.1021/jacs.6b03498）

3、Nature Materials: 史上最长的线性碳链结构

图3  碳纳米管（灰色）中的线性碳链（红色）

碳炔是碳原子以sp1杂化，碳单键和三键交互形成的碳链，热力学稳定性极差，是碳单质同素异形体家族中默默无闻的一员。最近的理论和实验研究表明，碳炔的强度、弹性模量和刚度都远大于其他碳单质的同素异形体。其他重要未知的性质和应用还在探索当中。作为一种有潜在应用价值的新兴材料，碳炔引起了很多科学家的广泛关注。研究一种新材料，首要工作就是将它制备出来。由于碳炔的热力学稳定性很差和化学活性很活泼，关于碳炔合成的研究是一个难题。

奥地利维也纳大学Thomas Pichler团队在中空的双壁碳纳米管的内管中，制备出长达由6000多个碳原子组成的特别长且稳定的碳炔。双壁碳纳米管即是纳米反应器，又是封装和保护线性碳链的工具，成功地解决了碳链不稳定的问题。此外，研究者利用像差校正高分辨透射电子显微镜和扫描透射电子显微镜对双碳纳米管中的碳链进行了直接观察；并使用密度泛函理论计算模拟研究了长线性碳链生长过程中的局域效应。该工作不但解决了制备和保存碳炔的难题，也为研究碳炔的性质和应用提供了良好的平台。

文献链接：Confined linear carbon chains as a route to bulk carbyne（Nature materials, 2016, DOI: 10.1038/nmat4617）

相关新闻报道：New record for longest linear carbon chain

4、ACS nano: 通过单粒子光谱研究用于制氢的铂金三角纳米棱柱

图4 (a)Au TNPs、(b)Pt覆盖、(c)Pt边缘和Pt边缘的Au TNPs的TEM图像

作为用于太阳能转化的一项绿色技术，光催化因在化学能制造和环境清洁等领域的应用，吸引着学术界和工业界的广泛关注。目前，低光催化效率和被限制的可见光响应阻碍了光催化的应用。对于研究最多的由贵金属纳米颗粒和半导体组成的等离子体光催化剂，金属热电子被激发成为热电子转移至半导体，然而，热电子的超快能量弛豫导致载流子的复合，从而抑制热电子的转移，导致等离子体光催化的效率降低。相比单金属纳米颗粒，双金属纳米颗粒在催化方面具有独特优异的性能。

日本大阪大学Tetsuro Majima等人研究了三种用于制氢光催化剂的各向异性Pt覆盖、Pt边缘和Pt尖Au三角纳米棱柱（TNPs）。由于较强的电场和更多的热电子转移界面，Pt边缘Au三角纳米棱柱的制氢催化效率是Pt覆盖和Pt尖Au三角纳米棱柱的3-5倍。单粒子光致发光谱和有限差分时域（FDTD）模拟表明，Au三角纳米棱柱的偶极子界面等离子体共振增强了热电子从Au到Pt的转移，从而增强了制氢催化效率。依赖于大小的Au三角纳米棱柱的界面等离子体共振带在Pt边缘Au三角纳米棱柱的光催化活性方面扮演着非常重要的角色。

文献链接：Pt–Au Triangular Nanoprisms with Strong Dipole Plasmon Resonance for Hydrogen Generation Studied by Single-Particle Spectroscopy（ACS nano, 2016, DOI: 10.1021/acsnano.6b02494）

5、AFM: 小分子有机半导体内载流子迁移率的分子起源

图5  基于第一性原理的多尺度模型的流程图

有机半导体场致发光特性的发现促使了更多探索这些材料在能量转化应用的研究工作。有机发光二极管在显示、照明和光伏等领域有着巨大的潜在应用价值。限制有机半导体发展的主要因素之一是其较低的迁移率（10^-10~10cm2/v•s），无机半导体材料的迁移率（10^2~10^4cm2/v•s）比其高5-10个数量级。造成迁移率低的因素有很多，比如分子堆积方式、电子结构、偶极矩和极化率等。目前，量化从头算模型评估这些分子依赖特性的影响是不足的。

德国卡尔斯鲁厄理工学院Wolfgang Wenzel及其合作者提出了一种基于第一性原理的多尺度模型，该模型可以准确预测超过十个数量级范围的迁移率的实验数据，能够将载流子迁移率分解量化到单个特定分子。特性分子量化测量可以解释两个单分子特性、轨道能量对构想的依赖性和偶极诱导极化如何影响空穴输运材料的迁移率。该模型对于由大量化学成分组成的硅基显示屏在高效光电器件应用的发展有一定的推动作用。

文献链接：Molecular Origin of the Charge Carrier Mobility in Small Molecule Organic Semiconductors (Advanced Functional Materials（Advanced Functional Materials, 2016, DOI: 10.1002/adfm.201601807）

6、Chemical Reviews：液体中的晶核—分子动力学模拟的开放性问题和未来挑战（综述）

图 6 分子动力学模拟

液体中晶体的成核是自然界最普遍的现象之一，在气候变化和药物生产等领域扮演着非常重要的角色。由于成核初期阶段涉及非常短的时间和长度尺度，原子计算模拟可以为结晶的微观方面提供一个独特的视角。

伦敦大学Gabriele C. Sosso等人盘点了过去几十年里大量揭露在液体中晶体成核因素的分子动力学模拟实验。作者通过研究溶液中的结冰和微粒形核过程，以及胶体粒子和天然气水化合物，将经典形核理论和先进数值理论相结合，从而获得该领域独特而深刻的认识；通过改进原子间势能和抽样方法可使数字模拟更接近真实实验，推进了数值模拟的准确性。同时指出了经典形核理论的弊端及未来分子动力学数值模拟的方向。

文献链接：Crystal Nucleation in Liquids: Open Questions and Future Challenges in Molecular Dynamics Simulations（Chemical Reviews, 2016, DOI: 10.1021/acs.chemrev.5b00744）

本文由材料人编辑部计算材料组灵寸和大白供稿，材料牛编辑整理。

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