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郑州华晶金刚石股份有限公司

《自然》《科学》一周(4.16-4.22)材料科学前沿要闻

2018-04-23 10:34:13
摘要 1.纳米级金刚石的超大弹性形变(Ultralargeelasticdeformationofnanoscalediamond)材料名称:纳米尺度金刚石研究团队:香港城市大学Yang...

       1. 纳米级金刚石的超大弹性形变

       (Ultralarge elastic deformation of nanoscale diamond)

       材料名称:纳米尺度金刚石

       研究团队:香港城市大学Yang Lu研究组


       钻石具有相当高的硬度和耐用性,但若试图使钻石变形则通常会导致脆性断裂。Banerjee 等人展示了纳米级(〜300 纳米)单晶和多晶金刚石针的超大、完全可逆的弹性变形。对于单晶金刚石,最大拉伸应变(高达 9%)接近理论弹性极限,相应的最大拉伸应力达到约 89 至 98 千兆帕斯卡。在结合了系统计算模拟和变形前后结构特征的表征之后,Banerjee 等人将同时存在高强度和大弹性的应变归因于小体积金刚石纳米针中存在的少量缺陷以及相对于微尺度和更大尺寸样品相对更加光滑的表面。这一发现通过对金刚石的纳米结构、几何形状、弹性应变和物理性质进行优化设计,为其提供了用于新应用潜力。(Science DOI: 10.1126/science.aar4165)

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       2. 毛细作用激起的薄膜中的极端形变

       (Capillarity-induced folds fuel extreme shape changes in thin wicked membranes)

       材料名称:PVDF-HFP薄膜

       研究团队:巴黎第四大学Antkowiak研究组

       可伸缩电子、智能纺织品或着柔性生物医学装置等应用都需要柔软可变形的材料。然而,对应的耐用、低成本或生物相容材料的设计仍很有挑战性。活的动物细胞一般通过展开以微绒毛或膜褶皱的形式可获取的膜贮存器来应对极端变形。Grandgeorge 等人通过创建纳米纤维液体灌注组织(通过毛细作用诱导的折叠自发形成的类似的贮存库)综合模拟了这种特性。基于对液膜中薄膜屈曲的物理特性的了解,开发出了概念可验证的整合化学表面处理和可伸缩基本电子电路。(Science DOI: 10.1126/science.aaq0677)

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       3.集成光子学与硅纳米电子学用于下一代芯片系统

       (Integrating photonics with silicon nanoelectronics for the next generation of systems on a chip)

       材料名称:多晶硅与互补金属氧化物半导体

       研究团队:美国麻省理工学院Atabaki研究组

       从计算和移动设备到信息技术和互联网,电子和光子技术已经大大改变了我们的生活。要解决我们未来在这些领域的需求,需要分别在每种技术上进行创新,但同时也取决于我们通过集成解决方案来利用其互补物理的能力。这个目标受到以下事实的阻碍:大多数硅纳米技术(促成了我们的处理器、计算机存储器、通信芯片和图像传感器)依赖体硅基底,这是具有丰富供应链的成本效益型解决方案,但对于光子功能的集成具有很大限制。Atabaki 等人利用沉积在与晶体管并排制造的氧化硅(玻璃)岛上的多晶硅层,将光子引入了体硅的互补金属氧化物半导体(CMOS)芯片。并利用这个单一沉积层来实现光波导和谐振器、高速光学调制器和敏感雪崩光电探测器。Atabaki 等人将这个光子平台与一个 300 毫米直径晶圆微电子铸造的 65 纳米晶体管体 CMOS 工艺技术集成在了一起。然后在这个平台上实现了集成的高速光收发器,每秒可处理十千兆位,由数百万个晶体管组成,并排列在一条用于波分复用的光总线上,以满足数据中心和高性能计算中高带宽光互连的需求。通过将光子器件的形成与晶体管的形成分离开来,这种集成方法可以实现多芯片解决方案的许多目标,并同时具有“片上系统”的性能、复杂性和可扩展性。市场上晶体管尺寸已经有小于 10 纳米了,因此随着新的纳米技术的出现,这种方法可以提供一种将光子学与最先进的纳米电子学相结合的方法。(Nature DOI: 10.1038/s41586-018-0028-z)

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       4. 用于含水电池的高度可逆的锌金属阳极

       (Highly reversible zinc metal anode for aqueous batteries)

       材料名称:锌金属阳极

       研究团队:美国马里兰大学Chunsheng Wang研究组

       由于金属锌(Zn)所具有的高理论容量(820 mA•h•g-1)、低电位(相对于标准氢电极为 -0.762 V)、高丰度、低毒性和固有安全性,使其被认为是理想的水溶液电池阳极材料。但锌水化学反应一直存在些不可逆的问题,如库仑效率(CE)低和电镀/剥离过程中的枝晶生长以及持续的水消耗。Wang 等人证明了基于锌和高浓度锂盐的含水电解质是解决这些问题的一种非常有效的方法。这种独特的电解液不仅可以在几乎100% 的 CE 下实现无枝晶锌电镀/剥离,而且还可以在开放的大气中保持水分,这使得密封电池配置成为了可选项。这些优点为使用 LiMn2O4 或 O2 阴极的锌电池带来了前所未有的灵活性和可逆性,前者提供了超过 4000 次循环下原本仍能保持 80% 的容量(180 W•h•kg-1),而后者提供了超过 200 次循环的 300 W•h•kg-1(基于阴极时是 1000 W•h•kg-1)容量。(Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0063-z)

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       5. 聚合物发光二极管在电流应力下形成空穴陷阱

       (Hole trap formation in polymer light-emitting diodes under current stress)

       材料名称:聚合物发光二极管

       研究团队:德国马普所Crăciun研究组

       聚合物发光二极管(PLED)对于大面积显示器和照明面板很有吸引力,但是它们在电流应力下的稳定性有限这阻碍了其商业化。尽管过去二十年来付出了巨大的努力,但我们对退化机制的基础理解仍未完成。Niu 等人证明了恒定电流驱动的 PLED 的电压漂移是由空穴陷阱的形成引起的,这会导致自由电子和陷阱空穴之间的非辐射复合。观测到的陷阱形成速率与作为 PLED 降解主要机制的无激子空穴相互作用是一致的,这使得能够统一各种聚(对亚苯基)衍生物的降解特性。PLED 降解的原因是空穴陷阱的形成,意味着我们可以通过将发光聚合物与大能隙半导体混合来抑制空穴陷阱对电压和效率的负面影响。(Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0057-x)

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       6. 对金红石型 TiO2 光催化析氧关键障碍的鉴别

       (Identifying the key obstacle in photocatalytic oxygen evolution on rutile TiO2)

       材料名称:金红石型TiO2

       研究团队:华东理工大学Hu研究组

       析氧反应(OER)作为光催化分解水的瓶颈一度引起了人们的广泛关注,但至今其效率仍然低于预期。催化剂的活性不足(需要克服高反应障碍)是一种被广泛接受的推测。Wang 等人对此开发了第一原理方法来研究在水/TiO2(110)界面处的光催化 OER。并且证明了一种能够揭示自由基重要性的完整机制。通过动力学分析进一步使得能够定量估计过程中每个可能的障碍。Wang 等人还证明了,OER 的速率决定因子是随着到达表面的光孔(Ch+)密度而变化的。在实验条件下,TiO2(110)的固有催化活性并不是主要障碍,而是因为所有涉及光孔的步骤都由于光孔密度低而进行缓慢。这表明提高 OER 效率的关键是增加 Ch+ 直至达到估计阈值(Ch+ =〜10-4)。(Nature Catalysis DOI: 10.1038/s41929-018-0055-z)

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       7. 弛豫铁电薄膜中具有大能量密度和功率密度的热电能量转换

       (Pyroelectric energy conversion with large energy and power density in relaxor ferroelectric thin films)

       材料名称:铁电薄膜

       研究团队:加州大学伯克利分校Martin研究组


       对高效能源利用的需求,推动着对如何收集无处不在的废热的研究。Pandya 等人探索了低级热源的热电能量转换,其中这些热源利用了弛豫铁电体 0.68Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.32PbTiO3 中的强场和强温激励的极化磁化率。热电响应(高达-550μCm-2•K-1)的电场驱动增强以及介电响应(72%)的抑制产生了热电能量转换的大量优点。场以及温度相关的热电测量突出了偏振旋转和场诱导极化在调节这些效应中的作用。通过热电埃里克森循环演示了将低温热转换为电能的固态薄膜器件,并进行了优化,得到的最大的能量密度、功率密度、卡诺效率分别为 1.06J•cm-3、526W•cm-3 和 19%;为迄今报道的最高值,相当于温度变化为 10K 时热电性能有效 ZT≈1.16。这一研究结果表明,这种热电器件可能与获取低温热的热电装置相竞争(Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0059-8)

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