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郑州华晶金刚石股份有限公司

《自然》《科学》一周(9.4-9.10)材料科学前沿要闻

来源:中国超硬材料网   2017-09-11  加入收藏  打印  字体【 |  | 
       1. 大面积钙钛矿薄膜用于高效太阳能模块的无溶剂和无真空方法
       (A solvent- and vacuum-free route to large-area perovskite films for efficient solar modules)
       有机-无机混合钙钛矿用于光电子学的最新进展十分迅速,对于钙钛矿太阳能电池,有报导的功率转换效率已高达 22%。稳定性的改进也使得它们能够在数千小时的时间范围内进行测试。但是,这种电池想要大规模部署需要生产大面积均匀高品质钙钛矿薄膜的能力。有一个关键的挑战是要克服当小型设备放大时功率转换效率的显著降低:当约 0.1 平方厘米的通用孔径面积增加到超过 25 平方厘米时,发现转换效率会从 20% 减少到约 10%。Chen 等人报导了一种不依赖于普通溶剂或真空使用的甲基铵卤化铅钙钛矿膜的新型沉积途径:相反,它依赖于胺络合物前驱体快速转化为钙钛矿膜,然后接着是加压步骤。这样沉积的钙钛矿薄膜没有小孔且高度均匀。更重要的是,新的沉积方法可以在低温空气中进行,有利于大面积钙钛矿器件的制造。对于介孔 TiO2 基钙钛矿太阳能模块架构,达到了 12.1% 的功率转换效率,其中开孔面积为 36.1 平方厘米。(Nature DOI: 10.1038/nature23877)
         
       2.直接观测确定催化活性表面位点
       (Direct instrumental identification of catalytically active surface sites)
       反应过程中直接监测和确定异相催化的活性位点有助于实际应用中异相催化和电催化剂的发展。扫描隧道显微镜(STM)和电化学STM的发明很有希望应用于直接成像,有利于在原子尺度理解异相催化。尽管STM已经应用于表面反应的探测和激发,并且可以使某些系统的局域反应活性测量成为可能,但是,通常认为STM并不适合在反应过程中直接确定催化活性位点。Pfisterer等人演示了通常的STM能够容易地实现催化表面活性的高分辨成像:通过检测隧道电流噪声的相对变化、能够根据这些位点产氢反应或氧还原反应的活性以接近量化的形式区分活性位点。这些数据使得研究人员可以直接评估不同的缺陷或者位点对于总体催化活性的重要性和贡献。这一方法预期有利于合理设计异相催化剂。(Nature,DOI:10.1038/nature23661)
       3. 光学晶格中的超冷原子量子模拟
       (Quantum simulations with ultracold atoms in optical lattices )
       量子模拟作为量子计算中的一个分支,可以为物理或化学中困难的量子问题提供有价值的见解。光学晶格中的超冷原子代表了模拟量子多体问题的理想平台。在这种情况下,量子气体显微镜可以在大的样品中进行单原子观察和操作。已经有使用基于超冷原子的量子模拟器来探测量子磁学,实现和检测拓扑量子物质,并研究具有受控远程相互作用的量子系统。不平衡的多体系统的实验也提供了最先进的超级计算机难以获得的结果。Gross 等人回顾了近期在这一领域的实验进展,并评论了未来的发展方向。(Science DOI: 10.1126/science.aal3837)
       4. 以桌面规模实验探索粒子物理学的前沿
       (Probing the frontiers of particle physics with tabletop-scale experiments)
       粒子物理领域正处于特殊的状态。粒子理论的标准模型成功描述了实验室观察到的每个基本粒子和力,但未能解释宇宙的性质,如:暗物质的存在、暗能量的数量以及物质在反物质之上的优势。不断增加规模和成本的庞大实验仍在继续寻找可能解释这些现象的新的粒子和力。不过,这些前沿科学也在某些较小的实验室规模的“桌面”实验中进行了探索。这种方法使用来自原子、量子和凝聚态物理学的精密测量技术和器件来检测由于新的粒子或力产生的微小信号。基础物理学的发现很可能来自这种类型的小规模实验。DeMille 等人对以上内容进行了回顾综述。(Science DOI: 10.1126/science.aal3003)
       5. 冷分子:化学和量子物理在量子工程中的进展
       (Cold molecules: Progress in quantum engineering of chemistry and quantum matter)
       将原子冷却到超低温,这已经在基础物理学,精密计量学和量子科学中产生了大量的机会。由于分子结构的复杂性,将复杂的冷却技术应用于分子更具挑战性,而现在已经开启了精确控制分子内部和外部自由度以及由此产生的相互作用过程的长期目标的大门。这一研究领域可以利用基础知识,了解分子如何相互作用和发展,以便能够控制反应化学以及设计和实现一系列先进的量子材料。Bohn 等人对以上内容进行了综述。(Science DOI: 10.1126/science.aam6299)
       6.量子多体系统的高效断层扫描
       (Efficient tomography of a quantum many-body system)
       量子态断层扫描是估量小系统量子态的标准技术。但是,由于所需资源随规模增大而呈指数级增长,因此其对较大系统的应用很快就变得不切实际了。因此,已经有相当多的努力致力于开发量子多体状态的新表征工具。Lanyon 等人演示了矩阵积态断层扫描,理论上证明可以允许对广泛的量子态进行有效和准确的估计。使用这种技术来重建捕获离子量子模拟器的动态状态,可以包括多达 14 个纠缠且单独控制的自旋:远远超出量子态断层扫描的实际极限。这一研究结果揭示了纠缠的动态增长,并描述了其复杂性随相关性在淬灭期间发生扩散的关系:这是未来证明超过经典性能的必要条件。因此,矩阵积态断层扫描应该能够广泛应用于大量子多体系统的研究和量子模拟器与计算机的基准测试和验证。(Nature Physics DOI: 10.1038/NPHYS4244)
       7. 变形和分层工艺钢材中由高位错密度引起的较大延展性
       (High dislocation density–induced large ductility in deformed and partitioned steels)
       工业应用中都广泛需要高强度和高延展性的材料。可惜,增加材料强度的策略,诸如加工过程中制造线缺陷(位错),往往会降低材料的延展性。He 等人开发了一种策略能够在廉价的中等锰钢中规避这一问题。冷轧随后进行低温回火处理,开发出高度位错的马氏体基体内嵌有亚稳态奥氏体晶粒的钢。这种变形和分层工艺(D&P)产生了位错硬化,但是通过强化移动位错的滑动和允许控制马氏体转变而保持了高延展性。D&P 策略应该也适用于具有变形诱发马氏体转变的任何其他合金,这为高强度、高延展性材料的开发提供了新途径。(Science DOI: 10.1126/science.aan0177)
       8.辉碲铋矿作为热电和拓扑绝缘子
       (Tetradymites as thermoelectrics and topological insulators)
       辉碲铋矿是以菱方结构结晶的 M2X3 型化合物,其中 M 为 V 族金属,通常是 Bi 或 Sb,而 X 是 VI 族如 Te,Se 或 S 的阴离子。Bi2Se3,Bi2Te3 和 Sb2Te3 是典型的辉碲铋矿。M 和 X 元素的其他混合物会产生常见的变体,如 Bi2Te2Se。由于辉碲铋矿是基于重 p-块元素,强自旋轨道耦合极大地影响了其表面和体电子性质。辉碲铋矿的表面电子态是拓扑绝缘子相关前沿工作的基石。体能带的特征在于能隙小、群速度高且有效质量小,并且在布里渊区域中心附近能带反演。这些性能对于高效热电材料是有利的,但也使得它难以获得电绝缘体,而这是拓扑绝缘体的要求。Heremans 等人对近年来为了优化辉碲铋矿材料同时作为热电和拓扑绝缘子的性能,而在块材和薄膜辉碲铋矿材料方面取得的进展进行了回顾和综述。(Nature Reviews Materials DOI: 10.1038/natrevmats.2017.49)






 

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