顶刊动态丨Nature子刊/AM/ACS Nano等电子材料最新学术进展汇总（电子周报第15期）

本期导读：今天电子电工材料周报组邀您一起来看看ACS Nano/ Advanced Materials/ Nature Communications/ Nano Letters等期刊电子材料领域最新的研究进展。本期内容预览：高性能鳞片状应变传感器，全方位探测人体运动；二维聚合物晶体管；Shiba晶格中的二维手性拓扑超导性；摩擦纳米发电机驱动自供能的电化学过程在能源与环境科学中的前景分析（综述）；缺陷工程对单个碳纳米管力学性能的可逆调谐；通过共振工程实现有机半导体动态调谐的最优自适应性；三维三叶萘嵌苯螺旋桨结构组建有机电子器件；Au（111）上准自支撑MoS2纳米碎片的电子结构和荧光。

1、ACS Nano：高性能鳞片状应变传感器，全方位探测人体运动

图1 (a) FSG应变传感器制备图示，(b) 传感器照片，(c)(d) FSG应变传感器顶层和截面的SEM微观形貌图

具高延伸性、广感应范围及高灵敏性的应变传感器在电子皮肤及健康监管系统等领域有着潜在的应用前景，因而对其的需求亦越来越多。要进一步实现对人体运动（包括细微的脉动到剧烈运动）进行全方位监测，探测大范围形变时，需要应变材料在较大应变下依然能维持其内部间的结构联系，同时细小应变材料的微观结构亦能在微小的形变下发生显著的变化。

清华大学的石高全（通讯作者）带领的研究团队设计了一种鱼鳞状，石墨烯传感层的高性能应变传感器。这种应变传感器可通过拉伸/收缩氧化石墨烯和弹性带复合薄膜来制备，使得整个过程制备简单、成本低、节能且可大规模制备。这种传感器可用于大范围传感（可高达82%的形变范围）探测拉伸和弯曲形变、高灵敏（灵敏度可达16.2~150）、超低的探测限度（<0.1%形变量）及绝佳的可靠性和稳定性（>5000循环使用寿命）。因此，这种传感器有着很大的实际应用前景，例如可用于全方位监测人体活动。

文献链接：High-Performance Strain Sensors with Fish-Scale-Like Graphene-Sensing Layers for Full-Range Detection of Human Motions（ACS Nano，2016，DOI：10.1021/acsnano.6b03813）

2、Adv. Mater.：二维聚合物晶体管

图2 传统聚合物晶体管和二维聚合物晶体管比较总览

有机场效应晶体管（OFETs）是如今不断发展起来的低成本、环境友好型柔性电子设备的中心元件。新兴发展起来的施主-受体（D-A）共聚物被证实在OFET的制备上有着潜在的应用前景，因其可溶液加工、具灵活的柔韧性及高双极性性能。而将平面处理过程引入OFETs也有很多益处，不必担忧会与基底接触，通过多种技术可制备高质量、大面积、超薄的有机半导体（OSC）薄膜。另外，可自行校准的栅极及S/D电极可消除电极间重叠从而诱导寄生电容来减缓运行速度。

东国大学的Yong Xu（通讯作者）和Yong-Young Noh（通讯作者）及华东师范大学的李文武（通讯作者）带领的研究团队设计了经平面处理后的二维聚合物晶体管，晶体管内有效电荷的释放及分裂单极电荷的传输均在聚合物薄膜表面进行，表现出前所未有的理想设备特点。这种技术带来了针对于制备限制问题的绝佳解决方法，以及共轭聚合物晶体管在实际应用中性能上的改进。

文献链接：Planar-Processed Polymer Transistors（Adv. Mater.，2016，DOI：10.1002/adma.201601589）

3、Nat. Commun.：Shiba晶格中的二维手性拓扑超导性

图3 Shiba晶格系统中的拓扑超导性

手性p波超导体是支持非阿贝尔（non-Abelian）型任意子物质状态的典型例子，是外源准粒子的最佳理想型，同时这也是制造拓扑量子计算机这个远大目标的基本。尽管已有一些制备块体手性超导体的候选材料，但他们实际的配对状态依然是一个广受争议的问题。

普林斯顿大学B. Andrei Bernevig（通讯作者）的研究团队提出一个可供选择的在二维上获得手性超导体的新方法，包含有用磁性杂质的二维晶格修饰后的普通超导体的表面。将磁性吸附原子薄层，如Fe或Co放入具强自旋轨道耦合的传统s波超导体表面，如Pb，形成一个一维链或由铁磁性定向的二维岛。得到磁性-杂相-诱导束缚态的晶格结构，或称Shiba晶格，表现出手性拓扑超导性及相关的手性Majorana边界模式。在二维下，一个或多个Majorana模式的产生取决于磁性吸附原子的密度，通过隧道技术，这些模式便能检测到。

文献链接：Two-dimensional chiral topological superconductivity in Shiba lattices（Nat. Commun.，2016，DOI：10.1038/ncomms12297）

4、Adv. Energy Mater.：摩擦纳米发电机驱动自供能的电化学过程在能源与环境科学中的前景分析（综述）

图4 近3年TENG及自供电电化学系统的发展

自王中林院士于2012年1月发现摩擦纳米发电机（TENG）以来，摩擦纳米发电机的基本机制及自驱动系统研究取得了多方面的突破性进展。摩擦纳米发电机在传感器和便携式设备作为微型能源收集的应用中表现出了许多优势。作为一种自给能源，摩擦纳米发电机可与电化学过程结合，形成不使用外部电源的自供电的电化学。

来自北京科技大学的王宁副教授（通讯作者）和佐治亚理工学院的王中林院士（通讯作者）等人对摩擦纳米发电机在自供电的电化学系统应用（如水分离、海水淡化、空气污染净化、有机污染物降解、重金属离子收集等）的发展和该领域的发展趋势做出了详细的综述。他们还展望不使用外部电源执行电化学过程的想法将会在环境科学中得到大规模应用。最后，他们重点强调了基于TENG的蓝色能源收集的自供电能量转换与利用的技术水平进展。

文献链接：Triboelectric Nanogenerators Driven Self-Powered Electrochemical Processes for Energy and Environmental Science（Adv. Energy Mater.，2016，DOI: 10.1002/aenm.201600665）

5、Nano Lett.：缺陷工程对单个碳纳米管力学性能的可逆调谐

图5 碳纳米材料缺陷工程

在完美蜂窝晶格面中采用超强共价C−C键连接的SP2碳纳米材料，具有令人惊叹的机械性能。以碳纳米管（CNTs）为例，理论计算表明其无缺陷结构的杨氏模量和拉伸强度分别为~1 TPA和> 100 GPa。然而，在大多数实际测试中，上述机械性能是非常难实现的，因为在碳纳米管中不可避免的存在缺陷。因此，碳纳米管和石墨烯中一般都不希望有缺陷的存在，尤其是在加固应用中。而另一方面，可控的缺陷处理方法（缺陷的引入、消除），可以巧妙地应用到碳纳米结构性能工程中。

来自厦门大学的王鸣生（通讯作者）等人提出了不同于以往对谐振器调谐方法（双夹腔谐振器：改变管长或其张力；单夹腔谐振器：改变连接、封装的金属粒子沿碳纳米管悬臂的位置），即缺陷工程路线对谐振频率进行调谐。他们通过使用原位透射电子显微镜（TEM）提出了一个完全可控缺陷处理技术。谐振器的杨氏模量、品质因数和碳纳米管抗拉强度可以可逆、重复调谐。可逆频率调谐碳纳米管谐振器表明上述缺陷工程技术具有独到的精度：谐振器频率可调谐至0.1% /分钟的精度，与现有的方法相比提高了1个数量级。

文献链接：Reversible Tuning of Individual Carbon Nanotube Mechanical Properties via Defect Engineering.（Nano Lett.，2016，DOI：10.1021/acs.nanolett.6b02287）

6、JACS：通过共振工程实现有机半导体动态调谐的最优自适应性

图6 （1）N-P = X（X为O和S）键共振变化之间的相关性，B.O. 是指键序；（b）连接D-r-A系统的P = O和P = S双变性的谐振特性之间的差异

目前对有机半导体静态状态的最佳材料特性和器件性能的探索受到在器件操作过程中动态变化的分子状态以及电荷传输和能量传递过程的限制。

南京邮电大学的陈润锋（通讯作者）和黑龙江大学的许辉（通讯作者）以及南京工业大学的黄维（通讯作者）等人提出了一个简单而成功的策略，基于共振变化动态动态调谐（RVDA），通过有机半导体材料的动态调谐的谐振变化工程在供体 - 共振 - 受体分子中实现最优的自适应性能。由这些RVDA材料制备的有机发光二极管表现出非常高的性能，具有高达21.7%外量子效率以及良好的设备稳定性。该小组的方法支持通过共振工程同时实现动态调整和选择性增强的属性，这说明了一种制备具有动态结构和性能调制的智能有机半导体的可行设计图，这促进有机电子从静态转变到动态的研究。

文献链接：Achieving Optimal Self-Adaptivity for Dynamic Tuning of Organic Semiconductors through Resonance Engineering （JACS，2016，DOI: 10.1021/jacs.6b05042）

7、JACS：三维三叶萘嵌苯螺旋桨结构组建有机电子器件

图7 基于TPH 4b（图a，b）和TPH-Se 6a（图c，d）的微纳OFETs的典型的转移和输出特性

近几十年来，萘嵌苯染料包含扩展的共轭骨架结构得到了广泛关注，这是由于其具有独特的分子结构、显著的电光性能、迷人的自组装行为以及可作为高性能的n型有机半导体应用于各个研究领域的潜力。

中国科学院化学研究所的Yan Li（通讯作者）和王朝晖（通讯作者）以及北京航空航天大学的孙艳明（通讯作者）等人有效地合成了两种共轭C3对称二萘嵌苯染料，即TPH和TPH-Se。TPH和TPH-Se在300−600 nm范围内都具有宽的强吸收区，且具有合适的约−3.8 eV的LUMO能级。单晶X-射线衍射研究表明TPH显示出极其扭曲的三片式螺旋桨配置和独特的3D网络组件，在TPH分子中三个PBI亚基与相邻TPH中的PBI亚基具有强的π−π 分子间相互作用。硒吩整合在TPH上赋予TPH-Se更扭曲的螺旋桨配置和更紧凑的三维网络组件，这是由于SE•••O相互作用。单晶晶体管证实了TPH和TPH-Se具有良好的电子传输能力。基于TPH和TPH-Se受体的太阳能电池分别显示出了高达8.28%和9.28%的功率转换效率，这主要是宽的强吸收能力、合适的LUMO能级、理想聚集、高电子迁移率以及具有聚合物施主良好的薄膜形态综合导致的。

文献链接：Three-Bladed Rylene Propellers with Three-Dimensional Network Assembly for Organic Electronics （JACS，2016，DOI: 10.1021/jacs.6b04368）

8、Nano Lett.：Au（111）上准自支撑MoS2纳米碎片的电子结构和荧光

图8 Au(111)上MoS2的表征图像

目前许多二维材料和它们形成的异质结构正在被广泛地研究，以期广泛地应用于各个领域。比如，这其中过渡金属硫化物（TMDC）由于具有在可见光范围内的带隙，可以应用在光电器件中。此外，当体材料的MoS2、WS2、MoSe2和WSe2减薄至单层时，量子限域效应将会引起电子能带的移位并在K点出现直接带隙。而这将会导致急剧增强的光子吸收和光致发光效率。因而TMDC优异的光学性能使其在二维光电探测器、传感器或电致发光器件等方面具有很好的应用前景。

德国柏林自由大学的Christian Lotze（通讯作者）等人在晶面为（111）的Au上生长单层MoS2，发现得到的MoS2纳米碎片与自支撑MoS2的模拟结果具有相似的电子结构。研究人员认为这是由于电子从Au衬底解耦并结合到完整MoS2层下方的空位群岛中所导致的。MoS2碎片被来自扫描隧道显微镜探针的电子激发，这导致MoS2结的荧光并反映了准自支撑层的单电子能带结构。

文献链接：Electronic Structure and Luminescence of Quasi-Freestanding MoS2 Nanopatches on Au(111) （Nano Lett.，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02101）

非特别说明情况下，文中出现的作者和单位皆为通讯作者和其所在单位，若某作者同属多个单位则只写第一单位，未查询到中文名的作者用英文名代替，如果您对内容设置编排等有好的意见和建议，欢迎与我们联系。

本期内容由材料人电子电工材料学习小组李小依、天行健和大黑天供稿，材料牛编辑整理。

如果您对电子材料感兴趣，愿意与电子电工领域人才交流，并且想及时掌握电子材料研究学术动态并深入剖析行业现状，请加入材料人电子电工材料学习小组（加入方式：点击此处报名或者申请加入我们QQ群：482842474)。