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郑州华晶金刚石股份有限公司

《自然》《科学》一周(4.23-4.29)材料科学前沿要闻

关键词 自然科学 , 材料前沿|2018-05-02 09:45:51
摘要 1.杂环芳烃的催化对映选择性Minisci型加成(CatalyticenantioselectiveMinisci-typeadditiontoheteroarenes)材料名称:...

       1. 杂环芳烃的催化对映选择性 Minisci 型加成

       (Catalytic enantioselective Minisci-type addition to heteroarenes)

       材料名称:杂环芳烃

       研究团队:英国剑桥大学Phipps研究组

       基础的杂环芳烃是药物和生物活性分子具有的普遍特征,Minisci 型自由基亲核加成是其制备的主要方法。尽管有许多 Minisci 型的方案能够促使形成立体中心,但想要在这些中心对绝对立体化学施加控制仍然是未实现的挑战。Proctor 等人报道了一种将氨基酸衍生物生成的前手性基团添加到吡啶和喹啉中的方法。这一方法可以很好地控制对映选择性和区域选择性。光活性的纯手性 Brønsted 酸催化剂既可以激活底物,也可以诱导不对称,而铱光催化剂则可以调解所需的电子转移过程。Proctor 等人预计这种方法将会促进获得带有多用基本杂环的选择性对映体的小分子构建块。(Science DOI: 10.1126/science.aar6376)

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       2. 单层 MoS2 纳米带的气液固生长

       (Vapour–liquid–solid growth of monolayer MoS2 nanoribbons)

       材料名称:单层 MoS2 纳米带

       研究团队:新加坡国立大学Eda研究组

       二维材料的化学气相沉积通常涉及以气-固-固模式将蒸气前驱体转化为固体产物。对此,Li 等人报道了单层 MoS2 的气液固体生长方法,能够产生宽度为几十到几千纳米的高度结晶的带状物。这种气液固体生长是由 MoO3 和 NaCl 之间的反应触发的,该反应会致使形成熔融的 Na-Mo-O 液滴。这些带状物局部的明确取向揭示了在生长过程中液滴规则水平运动的原因。利用原子分辨率扫描透射电子显微镜和二次谐波显微镜,Li 等人展示出了带状物在单层 MoS2 上的同质生长(主要是 2H 或 3R 型堆叠)。这一研究结果突出介绍了用于纳米电子器件的原子级厚度纳米结构阵列的可控生长,以及独特的混合维结构的发展前景。(Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0055-z)

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       3.对双层 CrI3 中二维磁性的电控制

       (Electrical control of 2D magnetism in bilayer CrI3)

       材料名称:CrI3

       研究团队:美国华盛顿大学Xiaodong Xu研究组

       通过电场控制磁性解决了磁现象和相变的基本问题,并且使得电耦合自旋电子器件(例如具有低操作能量的压控磁存储器)的发展成为可能。此前对稀土磁性半导体如(Ga,Mn)As 和 (In,Mn)Sb 的研究已经通过改变磁各向异性和交换相互作用证明了居里温度和矫顽场的大幅调节。因为其具有独特的磁性,最近报道的二维磁体为研究这些特征提供了一个新的系统。例如,双层三碘化铬(CrI3)表现为具有磁场驱动的超磁转变的层状反铁磁体。Huang 等人通过磁光克尔效应(MOKE)显微镜检测,展示了对双层 CrI3 中磁性的静电门控制。并在临近超磁转变的固定磁场下,实现了反铁磁和铁磁状态之间的电压控制切换。在零磁场下,Huang 等人演示了时间反转的一对呈现自旋层锁定的分层反铁磁状态,导致其 MOKE 信号与具有相反斜率的栅极电压呈现线性相关性。这一研究结果促进了对基于 2D 材料的新磁电现象和范德华自旋电子学方向的探索。(Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-018-0121-3)

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       4. 半导体纳米晶体中由等离激元诱导的载流子极化

       (Plasmon-induced carrier polarization in semiconductor nanocrystals)

       材料名称:等离子体半导体纳米晶

       研究团队:加拿大滑铁卢大学Radovanovic研究组

       自旋电子学和谷电子学是新兴的量子电子技术,它们利用电子自旋和带结构(谷)的多个极值,来分别作为额外的自由度。半导体纳米结构中电子的集体性质,也可能会应用在多功能量子器件中。具体而言,等离子体半导体纳米晶体为等离激元与激子之间的无界面耦合提供了机会。但由于受限的等离振荡通常不与激子跃迁共振,所以单相半导体纳米晶体中的等离激元-激子的耦合仍然具有挑战性。Yin 等人展示了由回旋磁光等离子模式与费米能级处的激子的非共振耦合实现的,简并掺杂In2O3 纳米晶体中的强电子极化。Yin 等人利用磁性圆二色光谱表明了,固有的等离激元-激子耦合可以允许间接激发的磁光等离子模式,以及之后激子态的塞曼分裂。而选择性载流子极化和带状态的分裂可以通过自旋轨道耦合进一步进行控制。这一研究结果有效地展开了等离子体电子学领域,而这一领域涉及到固有等离激元-激子和等离激元自旋相互作用产生的现象。此外,载流子极化的动态控制在室温下很容易实现,这使得可以利用磁质模式作为实际光子、光电子和量子信息处理设备的新自由度。(Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-018-0096-0) 

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       5. 基于钙-锡合金化反应的室温下稳定运行的高电压钙离子电池

       (Reversible calcium alloying enables a practical room-temperature rechargeable calcium-ion battery with a high discharge voltage)

       材料名称:钙离子电池

       研究团队:中国科学院金属研究所和深圳先进技术研究院研究团队

       Ca2+ 具有接近于 Li+ 的极化和还原电位(Ca2+ 相对于标准氢电极(SHE) 为 -2.87V,而 Li+ 相对于 SHE 为 -3.04V),且保证了用于全电池的宽电压窗口,因此钙离子电池(CIB)具有成为高效率低成本储能电池的潜力。但其发展受到诸多困难的阻碍,例如缺乏用于 Ca2+ 可逆嵌入/脱嵌的合适的阴极/阳极材料,工作电压较低(<2V),循环稳定性较低,而且特别是室温下性能较差。Wang 等人报道了一种能够在室温下稳定工作的钙离子电池,这种新型电池结构利用了石墨作为正极,锡箔作为负极并同时作为集流体。这种钙离子电池工作于高度可逆的电化学反应,反应在正极处是六氟磷酸盐的插入/脱嵌,在负极处为涉及钙的合金化/去合金化反应。该钙离子电池具有优异的电化学性能,平均放电中压高达 4.45V,在室温下循环 350 次后的容量保持率达到 95%。(Nature Chemistry DOI: 10.1038/s41557-018-0045-4)

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       6. 用于单层 MoS2 高度定向发光的硅 Mie 氏谐振器

       (Silicon Mie resonators for highly directional light emission from monolayer MoS2)

       材料名称:单层 MoS2和硅

       研究团队:美国斯坦福大学Brongersma研究组

       对量子发射器光发射的控制具有许多重要的应用,范围涉及到从固态照明和显示到纳米级单光子源。光学天线已经成为了一种不需要笨重的外部光学器件便能够在发射器位置实现这种控制的很有前景的工具。对于这一目的来说半导体纳米天线非常实用,因为其简单的几何形状(诸如线状或球状),便能支持多个简并的光学共振。Cihan 等人对用于平面波照明的 Mie 氏散射理论进行修改,用来描述偶极子发射的散射。然后,利用这个理论和实验来演示了若干能够实现对方向性、偏振态和光谱辐射(其依赖于发射偶极子与硅纳米线光学共振的相干耦合)进行控制的途径。通过将其与硅纳米线光学耦合实现的单层 MoS2 在 680nm 处的电偶极子发射,显示出的前向后向比为 20。(Nature Photonics DOI: 10.1038/s41566-018-0155-y)

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       7. 用于光伏固体材料中均匀量子点耦合的 2D 矩阵调控

       (2D matrix engineering for homogeneous quantum dot coupling in photovoltaic solids)

       材料名称:胶体量子点

       研究团队:加拿大多伦多大学Sargent研究组

       胶体量子点(CQD)具有由纳米晶体大小控制的宽范围可调谐的吸收光谱,是一种很有前景的光伏(PV)材料。其带隙可调性不仅可以优化单结电池,还可以制造补充钙钛矿和硅的多结电池。2016 年随着器件结构以及表面钝化技术的进步,功率转换效率(PCE)提升至了 11%。如果可以增加设备的厚度以在高填充因子(FF)下最大化光捕获,便能够进一步获得性能的提高。但目前活性层厚度被与之相伴的光载流子扩散长度限制在了约 300nm。截止目前,比这更厚的 CQD 器件,通常会表现出短路电流(JSC)和开路电压(VOC)下降。对此,Xu 等人报告了一种 CQD 固体的矩阵调控策略,它能够显著增强光载流子扩散长度。Xu 等人发现一种混合无机胺配位化合物,使得能够生成高质量的二维(2D)受限无机基质,并且该无机基质能够在原子尺度上对纳米微粒的间距进行编程。这种策略可以在减少固体中结构和能量紊乱的同时提升 CQD 填料的密度和均匀性。由此得以制造出了具有接近两倍有源层厚度(约600nm)和超记录 JSC(32mA•cm-2)值的平面器件。而且 VOC 会随着电流的增加而改善。Xu 等人最后还展示了认证记录效率为 12% 的 CQD 太阳能电池。(Natrue Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-018-0117-z)

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