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      鄭州華晶金剛石股份有限公司

      《自然》《科學》一周(9.18-9.24)材料科學前沿要聞

      關鍵詞 新材料 , 材料科學|2017-09-25 09:36:56|來源 新材料在線
      摘要 1.將二維材料逐層組裝成晶片級異質結構具有垂直構造的高性能半導體薄膜,其設計達到的原子尺度精度,為現代集成電路和新材料發現奠定了基礎。逐層組裝是實現這種薄膜的一種方法,其中原子厚度...

             1. 將二維材料逐層組裝成晶片級異質結構

             具有垂直構造的高性能半導體薄膜,其設計達到的原子尺度精度,為現代集成電路和新材料發現奠定了基礎。逐層組裝是實現這種薄膜的一種方法,其中原子厚度的二維構建塊被垂直堆疊,并通過范德華相互作用結合在一起。通過這種方法,分別代表一個和三個原子厚度二維結構單元的石墨烯和過渡金屬二硫屬元素,被用于實現獨特物理性質且以往無法實現的異質結構。然而,目前還沒有能夠在生成原始層間界面的同時保持這些二維構件固有特性的大規模組裝方法,因而逐層組裝方法被限制在了小規模驗證演示中。Kang 等人報導了具有非常高水平空間均勻性和原始界面的晶片級半導體膜的生產。這些膜的垂直組成和性質,是在原子尺度上利用真空下二維結構單元的層疊組裝而設計實現的。他們制造了幾種大規模、高質量的異質結構膜和器件,包括具有逐層成型設計的超晶格膜,批量制造的電阻可調諧四個數量級的隧道器件陣列,以及能帶工程異質結構隧道二極管,和毫米級超薄膜與窗口。堆疊的薄膜是可拆卸的、可懸掛的,并且與水或塑料表面兼容,這將使其能夠與先進的光學和機械系統集成。(Nature DOI: 10.1038/nature23905)  


             2.超過 8×1018 eV 的宇宙射線到達方向中大尺度各向異性的觀測

             宇宙射線是由外部空間所來的自然界中觀察到的最高能量的原子核。關于它們起源的線索主要通過研究其到達時方向的分布來得出。利用由皮埃爾?奧格天文臺(Pierre Auger Observatory)記錄下的總曝光量為 76,800 km2 sr yr 的能量高于 8×1018 電子伏特的 3×104 的宇宙射線,皮埃爾?奧格宇宙線觀測站人員合作協同確定了宇宙射線到達方向各向異性的存在。檢測出的各向異性超過 5.2σ的顯著水平,可以由相對赤經 αd = 100±10 度且赤緯δd = -24+12 -23 度具有 6.5+13 -0.9 % 振幅的偶極子來描述。該方向表示了這些超高能粒子的河外星系起源。(Science  DOI: 10.1126/science.aan4338) 

             3. 碳納米孔中離子液體庫侖有序的部分破壞

             離子液體是由等量的正離子和負離子組成的。在體材料的情況下,由于庫侖有序使這些液體中呈現電中性,其中交替電荷的離子殼形成在中心離子周圍。對于它們在封閉結構中的了解尚不清楚。這阻礙了離子液體在技術應用中的廣泛使用。Futamura 等人利用散射實驗對其結構進行了廣泛使用的離子液體(EMI-TFSI)被限制在納米多孔碳內的情況進行了解析。結果表明,當孔隙只能容納單層離子時,庫侖有序降低。相反,由于在碳孔壁中的感應反向電位而形成等電荷的離子對。在存在外部電位的情況下,這種非庫侖有序會進一步增強。這一發現為設計更好的電化學應用材料打開了大門。(Nature Materials  DOI: 10.1038/NMAT4974)   

             4. 在納米尺度上解析有機固體中的超快激子遷移

             基于分子的光采集的有效性,依賴于激子到電荷轉移位點的輸運。然而,由于納米尺度上遷移長度和衍射極限之間的不匹配,使得測量激子遷移一直很有挑戰性。Penwell 等人沒有使用塊狀基質淬火的方法,而是以亞衍射分辨率全光學定義了淬滅邊界,從而表征了其天然的納米和皮秒級的時空激子遷移。通過將受激輻射損耗顯微鏡轉化為時間分辨超快速方法,測得了聚(2,5-二(己氧基)氰基對苯二亞甲基)共軛聚合物膜中 16 nm 的遷移長度。并結合蒙特卡羅激子跳躍模擬,表明了由于內在發色團能量紊亂與發色團不均勻展寬相當,這些膜中的遷移本質上是擴散的。該方法能夠使得先前無法相互關聯的本地材料結構與激子遷移特性實現關聯,不僅適用于光伏發電或顯示有機半導體,而且可用于解釋光合作用中顯示出的典型激子遷移。(Nature Materials  DOI: 10.1038/NMAT4975)   

             5. 在陽離子缺陷的銳鈦礦 TiO2 中可逆地插入鎂離子和鋁離子

             與單價鋰離子或鈉離子相反,多價離子如 Mg2+ 和 Al3+ 要實現可逆地插入電極材料中仍然是一個難以實現的目標。Koketsu 等人展示了一種新的策略來實現 Mg2+ 和 Al3+ 可逆地插入銳鈦礦 TiO2,即,通過異丁基摻雜從而引入大量可用作插層位置的鈦空位。他們通過廣泛的實驗和理論表征,展示了相比于純 TiO2,多價離子優先插入鈦空位能夠獲得更大的容量。該結果突出了使用缺陷化學開啟已知材料電化學活性的可能性,為實際的多價電池材料的化學設計提供了新的策略。(Nature Materials  DOI: 10.1038/NMAT4976)

             6.可拉伸且防水的彈性體涂覆有機光伏裝置

             可紡織的光伏發電裝置,作為持續的電源在可穿戴設備中發揮著關鍵性作用。相比于其它類型的能量收集器,可紡織的光伏發電可以利用布自身作為光伏發電平臺來獲得足夠的電力(約為毫瓦),從而用于可穿戴設備。對于可紡織品的光伏發電技術很重要的特征有三個,即環境穩定性、足夠的能量效率和機械穩定性。然而,由于襯底和超薄覆蓋物的低阻氣性,想要同時實現這三項仍然很困難。Jinno 等人報導了雙面涂有彈性體的超柔性有機光伏,同時實現了在水中的拉伸性和穩定性,并保持了 7.9% 的高效率。雙面涂層的器件在水中浸泡 120 分鐘后效率僅下降 5.4%。此外,即使在水中 100 分鐘并經歷循環 20 次的 52% 機械壓縮后,器件的效率仍能保持在初始值的 80%。(Nature Energy  DOI: 10.1038/s41560-017-0001-3)  

             7. 自我復制材料中的指數生長和選擇

             在選擇壓力下的自我復制和進化是生活中的固有現象,但很少有人工系統表現出這些現象。He 等人設計了一個 DNA 折疊筏系統,以指數方式復制源圖案,在每個類似晝夜的溫度和紫外線照射周期中能夠將副本加倍,在 24 個周期內能夠產生超過 700 萬份拷貝。又通過在兩個亞群中引入對 pH 敏感的結合來展示增長種群中的環境選擇。在第一個物種中,pH 敏感的三重 DNA 鍵可實現親-子模板的形成,而在第二種物種中,三重結合抑制了雙鏈 DNA 模板的形成。在 pH 5.3 時,物種 I 的復制速率比物種 II 的快 1.3-1.4 倍。在 pH 7.8 時,復制速率則相反。當混合一個小瓶中時,物種 I 的后代優先在 pH 7.8 下復制;類似的在 pH 5.3 時,物種 II 的后代接管系統。這種可尋址的選擇性應該能夠適用于納米級至微觀尺寸范圍內的多組分自復制材料的選擇和演變。(Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT4986) 

             8.對全球水電技術和經濟潛力的高分辨率評估

             水電是迄今為止最重要的可再生能源,在全球可再生能源中占 72% 以上。然而,只有有限的信息,可以用于水電的全球潛在供應及相關成本。Gernaat 等人提供了一個高分辨率的評估水電在接近全球范圍內的技術和經濟潛力的圖表。利用 15”×15” 的放電和 3”×3”的數字地形高度圖,在全球 380 萬個站點上建造了虛擬水電站,并通過成本優化方法計算了其潛力。通過這種方式,確定了超過 6 萬個合適的站點,這些站點共同表現出僅存的全球潛力為 9.49 PWh yr-1,成本低于 US$ 0.50 kWh-1。剩下的最大潛力地區是亞太地區(39%),南美洲(25%)和非洲(24%),其中很大一部分可以低成本生產(< US$ 0.10 kWh-1)。在生態安全的情景下,這一潛力下降至 5.67 PWh yr-1。(Nature Energy DOI: 10.1038/s41560-017-0006-y) 

       

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