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新材料技术锦集:揭秘多功能纳米孔石墨烯 铁基超导体FeTe0.55Se0.45

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1. 自下而上方式合成多功能纳米孔石墨烯

(Bottom-up synthesis of multifunctional nanoporous graphene)

材料名称:纳米孔石墨烯

研究团队:西班牙Moreno研究团队

纳米孔隙可以将半金属石墨烯转变成半导体,并使其从不渗透性转变为最高效的分子筛膜。然而,在满足应用所需的严格结构约束的同时,还要将孔隙缩小至纳米级,这对于目前的自上而下策略来说是一个巨大的挑战。Moreno 等人报导了一种自下而上合成纳米孔石墨烯的方法,其中包含由细带分隔的有序孔阵列,且孔径可以调整至 1 纳米范围。通过对分子前驱体的设计,可以实现对孔的尺寸、密度、形态和化学组成的原子精度的精确设定。电子表征进一步揭示了其高度各向异性的电子结构,其中具有与设定的孔状态共存的,约 1 电子伏特能隙的正交一维电子带,使纳米孔石墨烯成为能够用于同时筛分和电子感测分子种类的高度通用的半导体。(Science DOI: 10.1126/science.aar2009)

2. 铁基超导体表面观测的拓扑超导性

(Observation of topological superconductivity on the surface of an iron-based superconductor)

材料名称:铁基超导体FeTe0.55Se0.45

研究团队:日本东京大学Shin研究组

拓扑超导体中预计可以存在遵循非阿贝尔统计的马约拉纳束缚态,而利用马约拉纳束缚态的非阿贝尔性质,可以实现拓扑量子计算。大多数已经提出的拓扑超导体都是在非常低的温度下难以制造的异质结构中实现的。通过高分辨率自旋分辨和角分辨光电子能谱,Zhang 等人发现铁基超导体 FeTe1-xSex(x = 0.45;超导转变温度 Tc = 14.5 开尔文)在费米能级处具有狄拉克锥型自旋-螺旋表面态;在 Tc 以下表面态表现出 s 波超导间隙。Zhang 等人的研究表明,FeTe0.55Se0.45 的表面态是拓扑超导的,这为实现马约拉纳束缚态提供了一个制备简单且超导转变温度比较高的平台。(Science  DOI: 10.1126/science.aan4596)  

3.使用机器学习预测 C-N 交叉耦合中的反应性能

(Predicting reaction performance in C–N cross-coupling using machine learning)

材料名称:C–N交叉耦合

研究团队:美国普林斯顿大学Doyle研究组

机器学习方法正逐渐成为众多学科科学探究的一部分。Ahneman 等人证明了利用通过高通量实验获得的数据,机器学习可以用来预测多维化学空间中合成反应的性能。Ahneman 等人创建了脚本来计算和提取原子、分子和振动描述符,用于钯催化的 Buchwald-Hartwig 芳基卤化物与 4-甲基苯胺在各种潜在的抑制添加剂存在下的交叉偶联。利用这些描述符作为输入并利用反应产量作为输出,Ahneman 等人表明随机森林算法提供的预测性能相比线性回归分析具有显着改进。随机森林模型也成功地应用于稀疏训练集和无样本预测,这表明了其在促进合成方法采用方面的价值。(Science  DOI: 10.1126/science.aar5169)

4. 用于准非易失性应用的基于范德瓦尔斯异构结构的半浮栅存储器

(A semi-floating gate memory based on van der Waals heterostructures for quasi-non-volatile applications)

材料名称:二维范德华异质结构

研究团队:复旦大学张卫教授和周鹏教授研究组

量子现象导致基于场效应晶体管的传统电路正在接近其物理极限,所以半浮栅晶体管已经成为另一种超快速且与硅兼容的技术。Liu 等人展示了一种准非易失性存储器,该存储器是具有能带可调控的范德华异质结构的半浮栅结构。这种二维半浮栅存储器相比于动态随机存取存储器和纳秒尺度超快速写操作,恢复时间要长出 156 倍。半浮栅结构极大地提高了写操作的性能,并且比基于二维材料的其它存储器快大约 106 倍。展示出的特性表明,准非易失性存储器有潜力弥合易失性和非易失性存储器技术之间的差距,并降低频繁恢复操作所需功耗的潜力,从而实现低功耗高速随机存取存储器。(Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-018-0102-6)

5. 用于新兴电动车市场的电池和燃料电池

(Batteries and fuel cells for emerging electric vehicle markets)

材料名称:电池和燃料电池

研究团队:加拿大滑铁卢大学陈忠伟教授业研究组

如今的电动汽车几乎全部采用锂离子电池供电,但电动汽车距离达到在全球汽车市场占据主导地位还有很长的路要走。除了政策支持外,电动汽车的广泛部署还需要高性能低成本的能量存储技术,其中不仅包括电池,还包括其他替代的电化学设备。Cano 等人对这些最有可能在商业应用中取得成功的电池和氢燃料电池进行了全面的评估。讨论了目前锂离子动力电动汽车还不能很好服务的三个部分,即远距离、低成本和高利用率的运输市场。包括比能、成本、安全和电网兼容性等必须进行改进,才能充分实现这些电动汽车市场的技术特性。Cano 等人对每个市场中六种具有这些改进特性的不同组合的储能和转换技术进行了比较并分别进行了评估。本篇综述的其余部分简要讨论了这些清洁能源技术的技术现状,并强调了必须克服的障碍。(Nature Energy DOI: 10.1038/s41560-018-0108-1)

6. 在铜上生长的石墨烯吸附层中大的局部晶格扩展

(Large local lattice expansion in graphene adlayers grown on copper)

材料名称:石墨烯

研究团队:法国Asensio研究组

晶格参数的变化可以显著改变材料的性质,特别是其电子特性。但对于石墨烯,由于其具有的高平面刚度,使其相对于石墨晶格常数变化被限制在了小于 2.5%。Chen 等人通过系统的电子和晶格结构研究,报导了通过化学气相沉积在铜上生长的石墨烯单层的晶格常数增加至其松弛值的约 7.5%。密度泛函理论计算证实,这种扩展相在能量上是亚稳态的,且其由基底和石墨烯吸附层之间增强的相互作用驱动。并且, Chen 等人还证明这个相具有独特的化学和电子特性。这一研究中揭示的在铜箔上生长的石墨烯的固有相复杂性,有可能激发对其它看似简单的异质结构体系中可能的亚稳相的研究。(Nature Materials  DOI: 10.1038/s41563-018-0053-1)

7. 利用氧化铜尖端原子力显微成像对分子间相互作用进行定量评估

(Quantitative assessment of intermolecular interactions by atomic force microscopy imaging using copper oxide tips)

材料名称:CuOx

研究团队:德国明斯特大学Mönig研究组

原子力显微镜是令人印象深刻的直接解决有机化合物键合结构的工具。该方法通常包含附着单个分子或原子如 CO 或 Xe 的化学钝化探针尖端。但是,这些探针粒子与金属尖端仅仅是弱连接,这导致了相当大的动态偏转。这种探针粒子偏转会导致明显的图像失真、系统上高估键长、并且在某些情况下甚至会出现伪类键对比特征,因此会影响数据的可靠解释。最近,有了尖端钝化的替代方法,其中将尖端稍微压入氧化铜基底中,且随后的对比分析允许验证氧终止的 Cu 尖端。Mönig 等人表明,由于末端氧原子的共价结合构造,使得该氧化铜尖端(CuOx 尖端)具有高结构稳定性,不仅允许定量测定单个键长并达到键序效应,而且还能实现可靠的分子间键的表征。特别是,在消除了此前不稳定探针粒子的局限性后,能够为独特的分子间 N-Au-N 三中心键提供确凿的实验证据了。此外,Mönig 等人还证明了 CuOx 尖端能够允许表征分子组装中单个氢键的强度和构型。(Nature Nanotechnology  DOI: 10.1038/s41565-018-0104-4)  

8. 室温柔性无机半导体

(Room-temperature ductile inorganic semiconductor)

材料名称:无机α-Ag2S 半导体

研究团队:中国科学院上海硅酸盐研究所陈立东研究组

延展性在金属和金属基合金中很常见,但在无机半导体和陶瓷绝缘体中却很少能观察到。具体而言,直到现在还没有已知的室温下的柔性无机半导体。Shi 等人报导了一种无机 α-Ag2S 半导体,在室温下表现出非凡的类金属延展性,能够实现非常高的塑性变形应变。化学键分析揭示了晶体结构中原子相互作用较弱的平面体系。银的扩散以及不规则分布的银-银和硫-银键,综合抑制了材料的裂解,从而产生了前所未有的延展性。这项工作为寻找用于柔性电子器件的柔性无机半导体/陶瓷开辟了新的可能性。(Nature Materials  DOI: 10.1038/s41563-018-0047-z)