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《自然》《科学》一周(10.2-10.8)材料科学前沿要闻

关键词 材料|2017-10-09 13:38:35|来源 中国超硬材料网
摘要   1.有机长余辉发光  (Organiclongpersistentluminescence)  长余辉发光(LPL)材料(被广泛商业化为“在黑暗中发光”的涂料)是在激发态存储激...

  1. 有机长余辉发光

  (Organic long persistent luminescence)

  长余辉发光(LPL)材料(被广泛商业化为“在黑暗中发光”的涂料)是在激发态存储激发能,并以光的形式缓慢释放这种能量。目前,大多数 LPL 材料是基于铕掺杂和镝掺杂的铝酸锶(SrAl2O4)的无机体系,发光时间超过 10 小时。然而,该系统在制造过程中需要稀土元素和高于 1000 摄氏度的温度,并且 SrAl2O4 粉末的光散射限制了 LPL 涂料的透明度。Kabe 等人展示了两种简单有机分子的有机 LPL(OLPL)系统,其不含稀有元素且易于制造,并可以在室温下持续发光超过 1 小时。此前的基于双光子电离的有机系统,需要低温和高激发强度。相比之下,Kabe 等人展示的 OLPL 系统是基于长寿命电荷分离态复合的激发复合物(exciplexes)发光,并且可以被标准的白色 LED 光源激发,甚至在高于 100 摄氏度的温度下也产生长时间发光。这种 OLPL 系统具有透明、可溶性、柔性潜能且可调色的,这为 LPL 开辟了在大面积柔性涂料、生物标记、纺织物等领域的新的应用。此外,该系统中长寿命电荷分离的研究也能促进人们对各种有机半导体器件的理解。(Nature  DOI: 10.1038/nature24010)  

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  2.通过可印刷的有机金属钙钛矿实现大面积、低剂量 X 射线成像

  (Printable organometallic perovskite enables large-area, low-dose X-ray imaging)

  医疗 X 射线成像过程要求数字平板探测器以低剂量运行,从而以减少辐射影响健康的风险。溶液处理的有机-无机混合钙钛矿,具有成为这种敏感探测器光电导层的优秀候选材料的特征。然而,因为在大面积上(探测器通常有 50cm×50cm)制备厚的钙钛矿膜(超过几百微米)一直很困难,所以这样的检测器至今尚未能在薄膜晶体管阵列上建成。Kim 等人报告了一种全基于溶液(与传统的真空处理相反)的合成途径,用以生产可印刷的多晶钙钛矿,这种多锐面大晶粒的钙钛矿具有与单晶相似的形态和光电特性。在 100 千伏的轫致辐射源照射下可实现高达 11 微库仑每空气比释动能每平方厘米(μC•mGyair-1cm-2)的高灵敏度,这比目前使用的非晶硒或铊掺杂的碘化铯检测器所达到的灵敏度至少高一个数量级。通过向常规的薄膜晶体管衬底中嵌入厚达 830 微米的钙钛矿膜和另外两个聚合物/钙钛矿复合材料中间层,来提供钙钛矿膜和控制暗电流和临时电荷载流子传输的电极之间的共形界面,Kim 等人展示了其 X 射线成像。这种全基于溶液的钙钛矿检测器可以实现低剂量 X 射线成像,并且还可以用在用于放射成像、传感和能量收集的光电导装置上。(Nature  DOI: 10.1038/nature24032) 

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  3. 多模光纤激光器中的时空模式锁定

  (Spatiotemporal mode-locking in multimode fiber lasers)

  激光器是以其谐振器(提供振荡所需的反馈)的电磁模式为基础的。以单一横向模式对激光器纵向模式相互作用的控制已经取得了巨大的进步。例如,超快科学领域便是建立在将许多纵向模式锁定在一起从而形成超短光脉冲的激光器上的。但是,激光中纵向和横向模式的相干叠加却没有受到重视。Wright 等人研究表明,光纤激光器中的模态和色散可以通过强空间和光谱滤波来抵消。这样使得能够锁定多个横向和纵向模式以产生具有多种时空分布的超短脉冲。因此,多模光纤激光器为研究非线性波传播和其应用能力方面开辟了新的方向。(Science  DOI: 10.1126/science.aao0831)

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  4. 一种费米简并三维光晶格钟

  (A Fermi-degenerate three-dimensional optical lattice clock)

  锶光晶格钟以 4×1017 的高光谱质量因子具有同时访问数百万个原子的潜力。此前,原子相互作用迫使在时钟稳定性和精确度两者间折中,前者受益于大量的原子,后者则受到与密度相关的频率偏移的影响。Campbell 等人演示了一种可扩展的解决方案,利用三维(3D)光晶格中的简并费米气体的高关联密度来防止原位相互作用转换。他们还展示了解决接触相互作用的问题,使得其对时钟偏移的贡献比以前的实验低了一个数量级。三维晶格的两个区域之间的同步时钟比对得到了在 1 小时平均时间内 5×10-19 的测量精度。(Science DOI: 10.1126/science.aam5538)

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  5. 单层 MoS2 中的激子霍尔效应

  (Exciton Hall effect in monolayer MoS2)

  量子贝利相(作为动量空间中的内部磁通量)驱动的自发霍尔效应表现出准粒子的拓扑性质,可以用于控制信息流,如自旋和能谷。Onga 等人报导了一种激子(决定半导体中光响应的电子和空穴的基本复合粒子)的霍尔效应。通过偏振分辨光致发光映射,Onga 等人直接观察到了激子在单层 MoS2 中的霍尔效应和激子在微米尺度上的谷选择性空间传输。发现激子的霍尔角比单层 MoS2 中单个电子的霍尔角大,这意味着复合粒子的量子传输受到其内部结构的显著影响。结果不仅体现出了复合颗粒中霍尔效应的根本问题,而且为探索二维材料中基于激子的谷电子学提供了途径。(Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT4996)

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  6.通过自旋轨道转矩实现无磁场确定性超快速生成磁性斯格眀子

  (Field-free deterministic ultrafast creation of magnetic skyrmions by spin–orbit torques)

  磁性斯格眀子是由外部磁场,杂散场能量,高阶交换相互作用和 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用(DMI)的组合来稳定的。最近的一种单一手性斯格眀子,其运动是由旋转轨道转矩驱动且是确定性的,这使得这种系统具有用于应用的相关 DMI。此外,非磁性重金属层可以通过旋转霍尔效应将具有横向自旋极化的垂直自旋电流注入铁磁层。这使得转矩可以用于完全转换平面外磁化铁磁元件中的磁化,但是只有在存在对称破缺的平面内的场时,这种转换才是确定性的。虽然自旋轨道转矩导致了连续膜中的畴成核和磁轨中的斯格眀子随机成核,但是还没有在集成器件设计中能够在特定位置的可控制地形成单个斯格眀子的实际方法的报导。Büttner 等人证明了亚纳秒自旋轨道转矩脉冲可以在磁赛道(确定使用与用于转换操作相同的电流路径)中的自定义位置上产生单个斯格眀子。DMI 的作用意味着不需要外部平面内磁场来实现。该实施方案了利用可以用作斯格眀子发生器的缺陷,例如磁轨中的收缩。这一概念适用于任何磁轨几何,包括三维设计。(Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/NNANO.2017.178)

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  7. 在超导电路中实现相位相干热电子学

  (Towards phase-coherent caloritronics in superconducting circuits)

  相位相干热电子学(来自拉丁文 calor,即热)的兴起,是基于通过使用超导有序参数相位差来控制热流的可能性。目标是设计和实现,能够以接近现代电子元件电荷传输所达到的准确程度,来控制能量传递的热装置。这可以通过利用超导冷凝物固有的宏观量子相干性来实现,而这可以通过约瑟夫森效应和临近效应表现出来。Fornieri 等人回顾了在实现热干涉仪和热恒电位仪方面获得的最新实验结果,并讨论了对于异质非线性相位相干热电子器件的一些建议,如热晶体管、固态存储器、相位相干热分离器、微波冰箱 、热力发动机和热阀。除了从基础物理学的角度来看,这些系统有望对许多需要能源管理的低温微电路产生巨大的影响,而且也可能为电子热逻辑的基础打下基础。(Nature Nanotechnology  DOI: 10.1038/NNANO.2017.204)

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  8.双壁碳纳米管的内外壁区分

  (Inner- and outer-wall sorting of double-walled carbon nanotubes)

  双壁碳纳米管(DWCNTs)由两个共轴单壁纳米管排列而成,以前的分类方法仅能达到外壁电子类型的选择性。Li等人提出了一种新的分类技术能够将DWCNTs分为半导体(S)或者金属(M)内外壁电子类型。内外壁间的电子耦合通常被用来改变每种DWCNT类型的表面活性剂涂层,并且水系凝胶用来分离它们。水系方法通常用来从原材料中除掉SWCNT种类,并且用来制备丰富的DWCNT片段。然后,这些丰富的DWCNT片段通过利用共聚物PFO-BPy转移到氯苯或甲苯中,产生似中内@外组合,即:M@M,M@S,S@M和S@S。这些片段的高纯度已经通过吸附测量、透射电镜、原子力显微镜和共振拉曼和高密度场效应管器件进行了验证。(Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/NNANO.2017.207)

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