顶刊动态丨Nature子刊/Nano Lett.等电子材料前沿最新科研成果精选【第18期】

本期精选预览：同济大学等：ACS Nano 杂原子定点取代制备具有显著增强的光电化学性能的非晶半导体纳米线；中国科学院北京纳米能源与系统研究：ACS Nano 纳米柱阵列摩擦纳米发电机作为睡眠监测系统的自供电传感器；Adv. Funct. Mater. 从白到红：基于具有电场色度依赖性卟啉的发光电化学电池；Nat. Commun. 石墨烯等离子体丝带与金属狭缝阵列耦合中的电子可调的光传输；中国科学院福建物质结构研究所：Angew. Chem. Int. Ed. CsAg5Te3中的协同撞击导致超低的导热性和高热电性能；JACS 金属油酸盐诱导刻蚀以及半导体纳米晶体/棒的生长及其异质结构；Nano Lett. 化学气相沉积高度各向异性ReS2单层膜的区域结构和晶界；Nano Lett. 纯净水中远程控制自推进游进物的石墨烯喷射纳米发动机。

1、ACS Nano 杂原子定点取代制备具有显著增强的光电化学性能的非晶半导体纳米线

图1 晶体ZGO通过Si原子的定点取代Zn原子形成非晶ZSGO示意图

广泛研究的半导体纳米线通常都是结晶相的。非晶半导体纳米线在光电器件方面有很多优秀的性能，如更高的比表面积、更高的表面活性和更高的光捕获能力等，但是因为非晶半导体纳米线合成困难，使得其很少被研究。

同济大学的杨金虎教授（通讯作者）和香港科技大学的Shihe Yang（通讯作者）以Zn2GeO4（ZGO）为研究对象，发展了一种液相离子交替沉积方法，通过异原子在ZGO晶胞中不同位置实现定点取代，从而制备具有可调节的非晶/结晶Si掺杂的ZGO纳米线结构。当Si原子取代Zn或Ge原子的时候使得纳米线成键网络不同程度的扭曲，导致形成非晶的Zn1.7Si0.3GeO4（ZSGO）和结晶的Zn2(GeO4)0.88(SiO4)0.12 (ZGSO)纳米线，他们分别具有不同的带隙。

相对于这项工作中的结晶ZGSO和ZGO纳米线，以及以前的报到的ZGO光催化剂，非晶ZSGO纳米线阵列在光电化学分解水方面，其性能得到了显著增强的效果，例如更高和更稳定的光电流，更快的光响应和恢复速度。非晶ZSGO纳米线具有更高的捕光能力，更快的电荷分离和更高的表面催化活性，这些显著的性能使其在光电器件方面具有很大的优势。

文献链接：Amorphous Semiconductor Nanowires Created by Site-Specific Heteroatom Substitution with Significantly Enhanced Photoelectrochemical Performance（ACS Nano, 2016, DOI: 10.1021/acsnano.6b03801）

2、ACS Nano 纳米柱阵列摩擦纳米发电机作为睡眠监测系统的自供电传感器

图2 纳米柱阵列摩擦纳米发电机结构示意图

睡眠障碍是影响了许多人的主要健康问题，其常见的临床诊断是基于传感器监测气流呼吸、胸廓呼吸运动、身体运动等。这些监测设备一般需要笨重的电池组或连续使用电插头，以实现极端的敏感性。此外，准确地监测由睡眠呼吸暂停引起的身体运动，尤其是那些大量时间在睡眠中度过的孩子，这些设备是难以实现的。因此，一种无需额外的电源而自驱动的智能传感器显得非常迫切需要。

近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士（通讯作者）及孙春文研究员（通讯作者）介绍了一种解决上述问题的有效方法，即使用一种基于铝−塑料复合薄膜（APLF）的敏感摩擦纳米发电机作为身体运动传感和睡眠监测的自供电装置。此种结构类型的摩擦纳米发电机的输出电压和电流都有所增强，从而大大提高了装置的灵敏度。此外，该工作也可以扩展到其他慢性疾病的实时监测，如监测高血压、糖尿病、脑病、骨病等。

文献链接：Nanopillar Arrayed Triboelectric Nanogenerator as a Self-Powered Sensitive Sensor for a Sleep Monitoring System（ACS Nano, 2016, DOI: 10.1021/acsnano.6b04344）

3、Adv. Funct. Mater. 从白到红：基于具有电场色度依赖性卟啉的发光电化学电池

图3 （a）为LEC器件图解（b）器件工作机制（c）H2TPP和ZnTPP卟啉化学结构

红外激发的游离碱电致发光（H2TPP）和Zn修饰过的卟啉（ZnTPP）之间的不同通过电场依赖效应来看在光激发电化学电池中是合理的，他们分别可用于制备白色带和红色带设备。尽管H2TPP比ZnTPP便显出更加优异的电化学和物理特性，然而ZnTPP器件在光致发光和场致发光中其特性却突出的好，变现为红色带，而H2TPP器件并未获得预期效果表现为白色带电致发光。一些标准参数，例如降级、器件结构、器件机制以及激发状态下性质的变化已经不再被使用。

近日来自埃朗根-纽伦堡大学Michel Bockstedte（通讯作者）和的Rubén D. Costa（通讯作者）基于电化学阻抗谱和第一原理结构方法，提供了一种证明即电致发光来自于两种H2TPP的异构体，其中内内部H原子放置在共线或其附近位置。他们光学特性的组合同时为高和低能量EL提供了解释。由于Soret激发态保持较高的能量，发射激发态的性质是被归于Q带。这与传统的假设中将重点放在H2TPP照明设备中不同，因此，该工作对H2TPP的高能量EL带所属性质提供了一个新的解释，这将对关于分子基自然光激发器件的未来工作具有激励作用。

文献链接：From White to Red: Electric-Field Dependent Chromaticity of Light-Emitting Electrochemical Cells based on Archetypal Porphyrins（Adv. Funct. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adfm.201602252）

4、Nat. Commun. 石墨烯等离子体丝带与金属狭缝阵列耦合中的电子可调的光传输

图4 器件及其工作机制

金属狭缝阵列已被证明具有独特的光学传输性能，凭借其凹凸的表面，等离子体电浆创造性的促进了光传播。这种干涉发生需要复杂的平衡，并且共振传播对于环境的变化高度敏感。在过去5年中对于创造石墨烯等离子体振子基光调制器的工作已经做了很多，这些设备可以利用石墨烯独特的等离子体振子色散关系，并且表现出具有较多限制因素的可见光模式。

近日来自加州理工学院的 Harry A. Atwater（通讯作者）论证了利用可见光传输共振与静电可调的石墨烯等离子体丝带相耦合可以创造出中红外光静电调制器。位于金属狭缝内的石墨烯等离子体带状物的光学吸收可以有效阻止共振传输的耦合通道，抑制传输。通过该机制全波模拟可以预测95.7%的传输调制。实验测试中表明当波数为1397 cm-1时传输效率为28.6%。对应于没有金属狭缝阵列时传播提高了2.67倍。这项工作为提高采用贵金属电浆结构的石墨烯等离子光调制铺平了道路。

文献链接：Electronically tunable extraordinary optical transmission in graphene plasmonic ribbons coupled to subwavelength metallic slit arrays (Nat. Commun., 2016, DOI: 10.1038/ncomms12323)

5、Angew. Chem. Int. Ed. CsAg5Te3中的协同撞击导致超低的导热性和高热电性能

图5 CsAg5Te3的ZT值、晶体结构和能带宽度

热电（TE）材料可以直接讲热能转化为电能，然而在其中引入具有较高转换效率的新材料是一个极大的挑战，因为在单一材料中要求表现出相互依存的电和热传输性能组合是很罕见的。在TE中效率是由优值系数ZT=（S2σ）T /κ定义的，其中S是塞贝克系数，σ是电导率，κ是总热导率， T是绝对温度。

中国科学院福建物质结构研究所的吴立明研究员（通讯作者）和美国西北大学的Mercouri G. Kanatzidis教授（通讯作者）提出了一种新的p型热电材料，CsAg5Te3，其呈现出超低的晶格热导率（约为0.18 Wm−1 K−1），而且在727K的条件下具有大约1.5的ZT值。该材料的晶格热导率在最先进的热电材料中是最低的；它是由于一种之前未知的声子散射机制导致的，该机制涉及一组Ag离子的协同撞击作用，从而大幅度提高了材料的Grüneisen参数。

文献链接：Concerted Rattling in CsAg5Te3 Leading to Ultralow Thermal Conductivity and High Thermoelectric Performance (Angew. Chem. Int. Ed., 2016, DOI: 10.1002/anie.201605015)

6、JACS 金属油酸盐诱导刻蚀以及半导体纳米晶体/棒的生长及其异质结构

图6 (a) CdS纳米棒透射形貌 (b)高分辨率Z衬度扫描透射 (c)高倍透射 (d) CdS纳米棒上CdSe替代ZnSe生长示意图 (e) CdS纳米棒吸收发射光谱

利用常用的金属前体和金属油酸盐，在纳米晶体、纳米棒及其异质结构上进行刻蚀的研究已有报道。例如，油酸锌能够非均质地刻蚀CdS纳米棒，油酸钠能够增强蚀刻速率，但是油酸单独不起蚀刻作用，说明油酸诱导刻蚀中阳离子的重要性。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Moonsub Shim（通讯作者）等人在油酸锌溶液中加入的Se前体，可使CdS纳米棒发生局部蚀刻，最终在纳米棒上外延生长CdSe颗粒。该研究表明，通过控制油酸的过量程度和反应温度，该外延生长的组合物可以从CdSe转变为ZnSe。如利用CdSe/CdS/CdSe构成的棒/棒/棒异质结构和球形的CdS（或者CdSe/CdS核/壳结构）纳米晶体，也可以观察到类似的成分调整。该研究结果对纳米异质结的合成具有重要意义，也为改变此类材料的组成和形态研究开辟了新路线。

文献链接：Metal Oleate Induced Etching and Growth of Semiconductor Nanocrystals, Nanorods, and Their Heterostructures（JACS, 2016, DOI: 10.1021/jacs.6b03834）

7、Nano Lett. 化学气相沉积高度各向异性ReS2单层膜的区域结构和晶界

图7 （a）单层ReS2的结构示意图 光学图像呈现（b）三角形（c）方向不同的六边形（d）几乎融合的六边形（e）完全融合的单层ReS2

最近研究表明，呈各向同性的气相合成二维材料MoS2和WS2具有清晰的晶界和明显的区域结构，这和ReS2一类的二维各向异性材料差异巨大。

美国亚利桑那州立大学的Sefaattin Tongay（通讯作者）等人的研究实现了晶体各向异性的化学气相沉积ReS2，建立了高度对称ReS2片的区域结构，并在子域范围内确定了Re链方向。该研究还提供一种原子级别的ReS2晶界观察方式。结果出人意料地发现，Re链在晶界处相互作用所形成的集群和空位缺陷，能够通过改变Re链方向和沿b轴将Re链旋转180°的方式，对晶体结构产生强烈的影响。总体结果不仅显示出区域结构和各向异性二维结构系统的曙光，而且还使化学气相沉积的、各向异性生长的ReS2首次应用于实际，如需要满足二向色性和线性偏振的光子及光电子学领域。

文献链接：Domain Architectures and Grain Boundaries in Chemical Vapor Deposited Highly Anisotropic ReS2 Monolayer Films（Nano Lett., 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02766）

8、Nano Lett. 纯净水中远程控制自推进游进物的石墨烯喷射纳米发动机

图8 基于石墨烯的远程控制纳米发动机

近年来，为了克服低雷诺数区域和布朗运动产生的推进困难，一些不同种类的由外部刺激和/或化学反应推进的微/纳米游进物得到了发展。但是，这些游进物只有在过氧化氢燃料的存在下，才能呈现其自主的自我推进，这极大的限制了其应用。

近日，伊朗沙力夫理工大学的Omid Akhavan（通讯作者）首次报道了基于石墨烯的无燃料纳米发动机，其工作机理是基于纯水中质量（石墨烯片）喷射推进机构。石墨烯片成分之间的钠-水反应使得石墨烯片从钠夹层石墨游进物末端高速喷射（速度高达7000 m/s），导致局部氢气的产生，积累和爆炸, 而期间无将任何化学物质加入水中作为燃料。作者还对不同尺寸游进物的运动学和动力学进行了研究。此外，TiO2纳米粒子光催化剂装饰的游进物的运动方法可通过在UV辐射下施加磁场进行控制。

文献链接：Graphene Jet Nanomotors in Remote Controllable Self-Propulsion Swimmers in Pure Water（Nano Lett., 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02175）

本期内容由材料人电子电工学术组forest、王小瘦、Newgate、李小依供稿，材料牛编辑整理。

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