电子材料特刊：惊呆了！花粉和电池竟然有 “奸情”？
电子材料是指以电子为载体、用于制造各种电子元器件和半导体集成电路的材料，包括介电、半导体、压电与铁电、导电金属及其合金、磁性材料及其他相关材料。电子材料是现代电子工业和科学技术发展的物质基础，其质量决定了电子元器件和半导体集成电路的性能好坏，一代电子新材料的出现将促进新一代电子产品的诞生，电子材料的发展一直受到人们的关注和重视。恰逢2016新年伊始，材料牛的编辑小伙伴们整理了近半月电子材料领域的突破新闻，邀您一览。
磁铁悬浮在铜氧化物超导体的上方，这是使得科学家发现从原子水平解释超导特性的一个开始。
来自滑铁卢大学的科学家发现超导材料中的电子云可排成一条直线并且有特定方向。他们称这种有特定方向的电子排列为nematicity。这些和超导特性相关的电子排列成不同的形状——条纹状和棋盘状，两种形状显示出不同的对称性，两种电子云共同作用，最后会提高材料的超导电性。nematicity状态通常在材料开始结晶时出现，通常可以认为这时的温度为电子轨道达到nematicity状态的临界温度。
科学家对高温超导体的研究揭示了材料超导态和材料中电荷密度涨落之间的关系，在电荷密度周期性波动的区域，相应地产生了较高密度的电子云与较低密度的电子云，这种现象普遍存在于低掺杂的铜氧化物高温超导体中。这项发现使得科学家对超导的认识更进一步，对超级计算机、磁悬浮列车、无损储能等领域的发展产生重要影响。
相关论文发表于最近一期Science。
最近研究表明，花粉过敏者的祸根——花粉，竟然可以作为锂离子电池的阳极使用。如今大多数锂离子电池的阳极采用石墨，但最近研究人员使用花粉作为电池的阳极，并控制电池的充电速率。研究人员首先把花粉在氩气保护中高温处理，使其“热解”成保留其原始花粉形状的碳颗粒，再在有氧条件下300摄氏度加热这些颗粒，最终形成了一种多孔微小碳颗粒。这种孔隙增加了碳颗粒的储能容量。最终测试表明，采用花粉阳极的电池仅用电一个小时就可充满一半以上，而普通石墨阳极电池需要充电10个小时才能充满电。研究人员将继续研究花粉阳极，并应用到实际生产中。
相关研究成果已经发表在Scientific Reports上。
威斯康星-麦迪逊大学和明尼苏达大学研究者探索了作为充电电池核心零件的新型纳米颗粒材料镍锰钴合金对常见的土壤和沉积物细菌－希瓦氏菌的影响。在降解的镍锰钴合金释放的颗粒的影响下，希瓦氏菌显示出其生长和呼吸均受到了抑制。并且镍锰钴合金的溶解并不一致，镍与钴的溶解量大于锰。
该项研究的意义在于促使我们思考锂蓄电池对生态环境的影响。
相关研究成果已经发表在Chemistry of Materials上。
美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的科研人员发明了第一种能够应用于计算由化学气相沉积制备的多晶石墨烯韧性的数理统计理论。研究人员发现多晶石墨烯的强度非常高，但是它的韧性却不高（低于钻石，稍高于纯石墨）。当晶粒达到一定尺寸后，多晶石墨烯的强度会发生改变。科研人员发明的数学模型考虑到了石墨烯的微观结构，并且对多晶石墨烯的断裂韧性做出定义。这有助于选择出韧性高的材料，以避免灾难性的断裂事故发生。
相关成果已在Nature Communications上发表。
近日，昆士兰大学和国际野生生物保护学会发布了一项新的研究成果，向人们展示了在应对气候变化的过程中的不公现象。一些并未排放大量温室气体的国家（其中大部分是岛国和非洲国家）在气候变化过程中会遭受更加严重的海洋泛滥和沙漠化的影响。研究人员发现，在17个低排放国家中，有11个在面对气候变化时时最脆弱的。而具有讽刺意味的是，具有最高排放量的36个国家中，有20个是最不用担心相关后果的。基于这个事实，研究人员呼吁有必要动员国家层面上的减排计划以帮助那些脆弱的国家应对气候变化。
相关研究成果已经发表在Scientific Reports上。
左：在氮化硼纳米管上排布的金属量子点；右：在透射电子显微镜下观察到的量子隧穿效应
近日，密歇根理工大学Yoke Khin Yap教授领导的研究项目发表了一种可用于可穿戴设备制造的电子材料的研究成果。
研究人员称，对于硅这一类的半导体材料制作成的电子元件，不仅存在过热现象，还存在导电能力差和漏电的缺点。而他们利用在绝缘的氮化硼（BNNTs）纳米管排布金属量子点的方法，制备出了可产生量子隧穿效应的纳米材料，这种材料可有效避免过热和漏电现象的发生。同时，这种纳米材料可以使晶体管具有良好的可伸缩性和可弯曲性，这为可穿戴电子设备的研发提供了便利。
相关研究成果已经发表在Scientific Reports上。
强的深谷激子在2-D半导体异质结中发生互相作用，并进行传输。
异质结是现代电子和光学设备的基础，尽管目前广为使用的是三维半导体异质结，而二维异质结因具有众多优异性质同样深受材料科研者的追捧。
近日华盛顿大学的科学家们制备出了只有几个原子厚度的二维WSe2—MoSe2半导体异质结，他们调整WSe2和MoSe2薄膜单晶的相对角度，将其精准地结合在一起来研究不同取向时的性质。科学家发现，激子在这些异质结中存在的时间比在单一晶体中存在的时间大了几个数量级，有很大的界面研究价值。
该薄膜有望应用于激光技术、发光二极管、清洁能源和其它光学装置。研究成果发表于Science。
8. 超级计算助力消除芯片中纳米级缺陷 更小更强大器件又有盼头
光阻剂是制造芯片的重要原料之一，光阻剂的选用对芯片上导线能获得的最小尺寸以及芯片上缺陷的数量有很大的影响。
芝加哥大学及美国能源部阿贡国家实验室研究人员发现缺陷的形成与嵌作为光阻剂的段共聚物的亚稳态有关，处于亚稳态的共聚物越多缺陷越多。为了让亚稳态的化合物变为稳态的化合物，他们用分子模拟的方法来计算能垒产生的原因以及亚稳态转变为稳态的途径，继而通过改变温度、溶剂和使用电（磁）场的方法来降低转变的能垒，最后制备出的芯片中的缺陷数量少于1个/100cm2。这项进展势必会促进电子设备向着更小且功能更为强大的方向发展。
核磁共振技术最初用来研究分子的结构，后续科学工作者根据金刚石中的一种氮空位（NV）的磁场特性来测试分子指纹这种技术使得核磁共振技术得到了改进。而今哈佛大学和德国乌尔姆大学的科研团队则进一步提出了两种改进办法。第一种是：把NV传感器离金刚石更近，并且外部噪音不会削弱量子相干性。第二种是：编写一种新的读出程序，这可以让科研人员在不引起改变的情况下测出NV中心的磁矩。该技术可以测试单个分子的磁场。
上述研究成果已发表在Science杂志上。
德国高端制造商Rimowa行李制造公司开发出一种电子行李箱，把手处有一块数字显示屏可显示信息。用户可在离家前对行李进行检测，结果显示在外面屏幕上，并且可通过蓝牙传送到手机上。行李内部有一个按钮激活屏幕显示，由于保密性好，安全性高，该产品适用于航空领域，一方面为航空公司节省检测时间，且能向乘客提供行李的位置等信息。
纳米多孔膜的透射电子显微镜照片
锂金属充电电池的最大制约因素是充电过程中枝晶的生长。以往，人们利用陶瓷分离器来抑制锂枝晶的生长，但这种做法限制电池运行温度在300℃至400℃。近日，康奈尔大学研究团队利用将聚环氧乙烷嫁接到二氧化硅表面的方法制备出纳米级有机混合材料。使用这种材料制成的纳米多孔膜能够在阻止锂枝晶生长的同时让液体电解质顺利透过。该纳米多孔膜具有良好的机械强度和室温离子电导率。
研究人员称，这项技术可应用于任何形状的电机上，并且为其他金属电池提升效率提供一定借鉴意义。
相关研究成果已经发表在Nature Communications上。
近日，由美国国防部高级研究计划局（DARPA）资助的高速模拟-数字转换器研究取得进展。这项进展得益于DARPA与全球晶圆（GlobalFoundries）共同研发的32纳米绝缘硅片半导体技术。
现今的模拟-数字转换器（ADC）只能在特定时间内，在有限频段中处理数据，而一些关键信息有可能会因为干扰信号的出现而被忽略。而上述新型ADC拥有十倍于传统ADC的处理速度。因此，这种ADC可在更宽的频段中处理数据，使得设备能够在现今拥挤的频谱环境下更好地运行。
在将来，随着14纳米芯片技术的应用，下一代ADC会变得更加节能，同时能在更宽的频段中工作。
本特刊由材料人电子电工材料学习小组祥彬、山山、昭铭、林海、王苗等人编写，特此感谢。
材料牛编辑整理。
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