顶刊动态｜AM/JACS/ACS Nano一周中国学术进展汇总【第49期】

国内周报第49期摘要：北京大学发现了高效、稳定的有机太阳能电池材料富勒烯受体的优良替代品；北京大学实现了基于纳米半导体材料的纳米自门控二极管；北京航空航天大学制备了一种含有部分单晶介孔Nb2O5纳米片的石墨烯材料；南开大学构建了一种多光源光谱分布可调谐光源的纳米材料；上海硅酸盐研究所、华东师范大学确认了一种以Mo为基础的多金属氧酸盐簇；北京大学对钙钛矿光伏器件的界面研究进程进行了综述；中科院金属所和北京大学合作研究了二维α‑Mo2C超导晶体的独特畴结构；中国科学院半导体研究所，中国科学技术大学和中国科学院大学合作揭示TiO2染料敏化太阳能电池快速电子传输的奥秘。

1、Advanced Materials：合金受体——高效、稳定的有机太阳能电池材料富勒烯受体的替代品

图1 循环伏安曲线(a)和ICBA、Alloy和PC71BM的LUMO能级(b)

PCBM是一个富勒烯衍生物，分子式是[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester。由于它的较好的溶解性，很高的电子迁移率，与常见的聚合物给体材料形成良好的相分离，已成为有机太阳能电池的电子受体的标准物。美国的Solarmer，Konarkar公司已经将含有PCBM的有机太阳能电池商业化。

北京大学高分子化学与物理教育部重点实验室的Xiaowei Zhan（通讯作者）等研究者设计并合成了一种合金受体。对应五种不同的聚合物供体，在有机太阳能电池中，该合金受体能够取代目前广泛使用的富勒烯受体。该受体具有更高的效率和更好的设备稳定性。

文献连接：Alloy Acceptor: Superior Alternative to PCBM toward Efficient and Stable Organic Solar Cells（Advanced Materials,  2016,  DOI: 10.1002/adma.201602067）

2、ACS Nano：碳纳米管自门控二极管及其在集成电路中的应用

图2 CNT SGDs示意图(a)和I-V特性曲线(b)

二极管是现代微电子和纳米电子器件的一种重要类型，几乎所有的逻辑功能和许多模拟电路可利用二极管实现。 掺杂是调整半导体性能的主要方法，以实现器件所预期的功能。然而，传统的化学掺杂并不能有效实现纳米级二极管器件的制作，应另觅他法。

北京大学电子学系、纳米器件物理与化学教育部重点实验室的Zhiyong Zhang（通讯作者）和 Lian-Mao Peng（通讯作者）等通过对半导体碳纳米管(CNTs)掺杂制备，提出、模拟并实现了基于纳米半导体材料的纳米自门控二极管(SGD)的制备。研究者们通过数值模拟和实验验证，得到了SGD的性能与材料/结构参数的关系，提出了二极管性能优化的方案，制作并证明了该SGD性能优于任何已发布的碳纳米管二极管。

文献连接：Carbon Nanotube Self-Gating Diode and Application in Integrated Circuits（ACS Nano,  2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b02126）

3、Advanced Materials：一种用于超快储钠的含有部分单晶介孔Nb2O5纳米片的石墨烯材料

图3 G-Nb2O5的透射电子显微镜照片(a)和高分辨传递电子显微镜照片(b)

钠离子电池的性能主要决定于储钠正负极材料，而储钠负极材料是其中一个重要的组成部分。在目前所研究的储钠负极材料中，碳基负极不仅具有较低的嵌钠平台、较高的容量及好的循环稳定性，还具有资源丰富、制备简单等优点，是目前最具应用前景的储钠负极材料。

北京航空航天大学空天先进材料与服役教育部重点实验室的Xiaofang Bi（通讯作者）和Shubin Yang（通讯作者）等通过一种简单的纳米浇筑方法，制备了一种含有部分单晶介孔Nb2O5纳米片的石墨烯材料。该材料具有大量的开放的小通道结构，使钠离子能够快速扩散并保留了良好的导电性，从而使材料具有更优的电化学性能和良好的储钠性能。

文献连接：Partially Single-Crystalline Mesoporous Nb2O5 Nanosheets in between Graphene for Ultrafast Sodium Storage（Advanced Materials,  2016,  DOI: 10.1002/adma.201601723）

4、Advanced Materials：一种由模块化光捕平台大分子构建的基于多光源光谱分布可调谐光源的纳米材料

图4 在UV光下(365nm)PBS缓冲液(10mm, pH=7)中的样品照片

理想的光谱分布可调谐光源可以根据需要而产生任意形状的光谱分布，利用其特性在航天、检测、科研及教学等各个领域具有重要科研价值。荧光油墨是票券印刷中应用比较多的油墨之一，其主要成分是荧光颜料。荧光颜料与高分子树脂连接料、溶剂和助剂配比，经研磨可制得荧光油墨。

南开大学元素有机化学国家重点实验室的DongSheng Guo（通讯作者）等研究者通过改变的供体/受体的比例，实现了多光源光谱能量的转移输出，构建了一种多光源光谱分布可调谐光源的纳米材料 。该材料可作为安全印刷的荧光油墨使用。

文献连接：Broad-Spectrum Tunable Photoluminescent Nanomaterials Constructed from a Modular Light-Harvesting Platform Based on Macrocyclic Amphiphiles（Advanced Materials,  2016,  DOI: 0.1002/adma.201601719）

5、JACS：具有自动适配电子结构的多金属氧酸盐簇

图5 多金属氧酸盐受酸度诱导的自组装原理示意图

光热转化器在太阳能收集、光热疗法等领域发挥着重要作用，其性能高度依赖于所使用的光热转化材料。特别是在癌症光热治疗领域，现行的以小分子和纳米材料为基础的药物存在很多问题，比如，非特异性聚集、不可避免地对正常组织产生副作用。

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所、华东师范大学的Wenbo Bu（通讯作者）等人确认了一种以Mo为基础的多金属氧酸盐簇。该多金属氧酸盐簇的二维结构能由小（1nm）变大（几十纳米），这有利于其瘤内聚集；此外，由于瘤内环境偏酸性且具有还原性，该多金属氧酸盐簇的光热转化效率得以提高，这表明该多金属氧酸盐簇可用于之前不曾实现过的肿瘤特异性光热疗法。和以纳米材料为基础的药物不同，该多金属氧酸盐簇表现出酸度诱导、还原性促进的近红外吸收现象，研究人员认为这一现象是其独特的电子结构导致的。中国科学院上海硅酸盐研究所和华东师范大学的这项研究不仅为有前景的临床药物，而且，有望为以簇为基础的光热材料的设计提供一种物理化学方法。

文献连接：A Polyoxometalate Cluster Paradigm with Self-Adaptive Electronic Structure for Acidity/Reducibility-Specific Photothermal Conversion（J. Am. Chem. Soc.，2016，DOI: 10.1021/jacs.6b03375）

6、AFM：钙钛矿太阳能电池界面设计的研究进展

图6 钙钛矿材料和常用夹层的能级示意图

有机-无机卤化物钙钛矿作为成本低、性能好的下一代光伏器件的光吸收部分而备受青睐。有机-无机卤化物钙钛矿光电性能优异，吸收系数大、带宽适中、具有双极性载流子传输能力以及承受缺陷能力强，在众多薄膜吸收材料中极具魅力。但是，有机-无机卤化物钙钛矿需要合适的电极和载流子传输材料来实现整个光伏器件有效的光电过程。因此，器件界面对决定器件光伏性能起着至关重要的作用。

北京大学的Huanping Zhou（通讯作者）等人从载流子的化学处理和光物理学的角度出发对钙钛矿光伏器件的界面研究进程进行了综述，其工作主要关注相关工作机理、界面设计基本原理以及相应载流子对整体结构的动力学控制。该综述对材料设计合理的界面进行了研究，为理解光载流子的行为（包括分离、传输和收集）奠定了基础；此外，该综述将促进以钙钛矿为基础的单结和多结光伏器件的发展，对钙钛矿太阳能电池的其他性质产生影响，比如J-V滞后现象和长期稳定性。

文献连接：The Progress of Interface Design in Perovskite-Based Solar Cells（Advanced Functional Materials，2016，DOI: 10.1002/aenm.201600460）

7、Nano Letters：二维α‑Mo2C超导晶体的独特畴结构

图7 BF-TEM成像和ED模式

畴边界会对二维材料（如：石墨烯和单层过渡金属硫化物）的性质产生强烈影响。超薄过渡金属碳化物是一种新兴的二维材料，导电能力超强，在电化学储能、催化、热电能量转化等诸多领域有应用前景。而目前对超薄过渡金属碳化物的畴结构以及畴边界对其性质的影响知之甚少。

中科院金属所的Xiuliang Ma（通讯作者）和Wencai Ren（通讯作者）等人利用原子分辨扫描透射电子显微镜和大型衍射过滤成像技术研究了不同规则形状的化学蒸镀高品质二维α-Mo2C超导晶体，如：三角形、矩形、六边形、八边形、九边形和十二边形。在所有这些晶体中，Mo原子子格以六角形密堆积的方式均匀排列，没有晶界。但是，除了矩形和八边形晶体，其余的碳原子子格均由三个或六个畴组成，由于在Mo八面体偏离中心的方向有填隙碳原子的存在，碳原子子格没有旋转对称性，也没有明确的线形畴边界。研究发现在横跨畴边界处有微小的晶格剪切应变。和单畴晶体中观察到的锐转变不同，由于畴内局部相滑移的形成，跨畴边界传输研究表明出现两种不同的转变过程的宽阻超导转变，这表明畴边界对二维材料超导性有重要影响。

文献连接：Unique Domain Structure of Two-Dimensional α-Mo2C uperconducting Crystals（Nano Letters，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01265）

8、JACS：揭示TiO2染料敏化太阳能电池快速电子传输的奥秘

图8 Marcus理论的势能图

从光活化染料分子向半导体基底的电子传输是染料敏化太阳能电池的发展的一大瓶颈。ZnO的带宽及能带位置都与TiO2相近，但其电子迁移率却更大，因此，有望取代TiO2来提高染料敏化太阳能电池的效率。

中国科学院半导体研究所、中国科学技术大学和中国科学院大学的Jun-Wei Luo（通讯作者）等通过Marcus理论第一性原理计算分别研究了从染料分子向ZnO和TiO2的电子传输。计算得到的TiO2染料敏化太阳能电池的电子迁移率约为1.15 e9 s−1，比ZnO染料敏化太阳能电池大很多，这和实验结果相一致。研究人员发现导致这一现象的原因主要是TiO2在导带边缘的态密度远大于ZnO。中国科学院半导体研究所，中国科学技术大学和中国科学院大学的这项研究也为通过半导体的高迁移率光阳极表面设计增加染料敏化太阳能电池的效率提供了设计原理。

文献连接：Revealing the Origin of Fast Electron Transfer in TiO2‑Based Dye-Sensitized Solar Cells（J. Am. Chem. Soc.，2016，DOI: 10.1021/jacs.6b03524）

以上我们列举的仅为过去一周内（6.22-6.28）我国先进材料研究的最新进展的代表。整理过程中难免存在疏忽，还望各位读者谅解并诚挚欢迎大家提出意见/建议，或推荐最新的国内材料研究新闻线索给我们：tougao@cailiaoren.com。

本期周报由国内材料周报小组以亦、矢志不渝撰写，材料牛编辑整理。