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近日，來自University of Illinois, University of Michigan, Pennsylvania State University的Kristen A. Fichthorn，Sharon C. Glotzer，Qian Chen作為共同通訊作者在《Nature》期刊上發(fā)表了一篇題為"Patchy nanoparticles by atomic stencilling"的文章。

研究人員提出了一種創(chuàng)新的原子模板法，用于制備表面帶有聚合物斑點(diǎn)的納米粒子（NPs）。傳統(tǒng)的模板技術(shù)主要依賴于上向下的微制造方法，如光刻技術(shù)，通過在掩膜上進(jìn)行圖案化來實(shí)現(xiàn)。然而，這些方法在進(jìn)一步縮小特征尺寸以及應(yīng)用于復(fù)雜三維表面時(shí)受到了限制。相比之下，研究者們開發(fā)的原子模板法則采用下向上的自組裝過程，通過化學(xué)反應(yīng)或物理相互作用來實(shí)現(xiàn)納米級別的精確圖案化。

在這一研究中，研究人員使用表面吸附的碘化物亞單層作為掩膜，并通過配體介導(dǎo)的方式將聚合物涂覆到未掩蔽的區(qū)域，從而成功制備了多達(dá)20種不同類型、表面帶有高均勻性聚合物斑點(diǎn)的納米粒子。通過聚合物縮放理論和分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這一方法生成的斑點(diǎn)粒子具有前所未有的獨(dú)特形貌。這些帶有聚合物斑點(diǎn)的納米粒子由于其高度均勻的斑點(diǎn)，能夠自組裝成不同的非緊密堆積超晶格。

這項(xiàng)研究不僅在納米尺度圖案化方面取得了重要突破，還為其他基底的精確化學(xué)、反應(yīng)性和相互作用控制開辟了新途徑。該技術(shù)有望在精準(zhǔn)藥物遞送、催化、微電子、集成超材料和組織工程等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

圖：碘化物包裹的八面體

近日，一項(xiàng)關(guān)于非范德瓦爾斯（non-vdW）超晶格的研究成果在《Nature》期刊上發(fā)表，題為《Non-van der Waals superlattices of carbides and carbonitrides》。北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院楊樹斌為通訊作者。

傳統(tǒng)上，人工超晶格是由原子層通過逐層堆疊或順序外延生長構(gòu)建而成，如石墨烯超晶格。這種范德瓦爾斯超晶格由于界面耦合較弱，限制了其性能的提升。本研究團(tuán)隊(duì)提出了一種高效合成方法，成功制造了一系列碳化物和碳氮化物的非范德瓦爾斯超晶格。這些超晶格通過層間的氫鍵結(jié)合，通過剛度介導(dǎo)的卷曲策略實(shí)現(xiàn)。

研究的關(guān)鍵步驟是通過在MX層中創(chuàng)造金屬空位，定制從MAX相中導(dǎo)出的原子層的彎曲剛度，從而在快速彎曲變形下觸發(fā)有序的卷曲。與范德瓦爾斯超晶格不同，這些非vdW超晶格具有氫鍵結(jié)合，提供了強(qiáng)大的層間電子耦合，高度集中的電荷載流子（10²²?cm^?3）。因此，這些超晶格表現(xiàn)出約 30,000?S cm^?1 的顯著電導(dǎo)率，是其對應(yīng)物的約22倍。

在電磁干擾屏蔽應(yīng)用中，最優(yōu)的非vdW超晶格膜展示了124dB的卓越屏蔽效果，超越了任何已知的具有相似厚度的合成材料。預(yù)計(jì)非vdW超晶格將顯著拓寬材料平臺，提供多樣的組成和晶體結(jié)構(gòu)，為人工堆疊系統(tǒng)的新發(fā)展提供可能。

圖：超晶格的TEM表征

Rensselaer Polytechnic Institute, Florida State University的Yunfeng Shi，Hanwei Gao，Jian Shi作為通訊作者發(fā)表了《Long-distance remote epitaxy》的研究成果。該研究揭示了遠(yuǎn)程外延技術(shù)的新突破，為電子和光電子器件的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇。

遠(yuǎn)程外延是一種通過遠(yuǎn)程相互作用在薄膜和基底之間建立外延關(guān)系的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量單晶外延層的生長，并將其轉(zhuǎn)移到其他重要的基底上。在傳統(tǒng)觀點(diǎn)中，遠(yuǎn)程外延的作用距離通常被認(rèn)為小于1納米，因?yàn)殡娢辉趲讉€(gè)原子距離后會(huì)迅速衰減。然而，Jian Shi教授團(tuán)隊(duì)的研究表明，遠(yuǎn)程外延的作用距離可以達(dá)到2至7納米。

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員成功實(shí)現(xiàn)了CsPbBr3薄膜在NaCl基底上的遠(yuǎn)程外延、KCl薄膜在KCl基底上的遠(yuǎn)程外延，以及ZnO微桿在GaN上的遠(yuǎn)程外延。研究發(fā)現(xiàn)，在GaN基底下每個(gè)遠(yuǎn)程外延的ZnO微桿下方都存在一個(gè)位錯(cuò)，這表明通過控制缺陷可以設(shè)計(jì)和工程化遠(yuǎn)程外延。

遠(yuǎn)程外延是一種新興的外延生長技術(shù)，預(yù)計(jì)將為設(shè)計(jì)先進(jìn)的電子和光電子器件帶來豐富的機(jī)遇，擺脫晶格匹配概念的限制。在遠(yuǎn)程外延中，典型的單層二維材料作為電靜半透明緩沖層，基底電位減弱但仍然足夠強(qiáng)大，引導(dǎo)原子的成核和生長。薄膜與基底之間的弱相互作用允許薄膜組件在后續(xù)步驟中轉(zhuǎn)移到其他化學(xué)或結(jié)構(gòu)上完全不同的基底。

研究團(tuán)隊(duì)展示了遠(yuǎn)程外延技術(shù)在不同材料上的應(yīng)用，包括GaAs、InP、GaP、VO?、SrTiO₃、BaTiO₃、CoFe?O₄、Y₃Fe₅O₁₂、Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃、CsPbBr₃、GaN、ZnO和AlN，并將遠(yuǎn)程外延薄膜應(yīng)用于各種設(shè)計(jì)和器件實(shí)現(xiàn)中，包括可重構(gòu)二極管、磁電器件、發(fā)光二極管、光電探測器和電子皮膚。

這種技術(shù)的潛在應(yīng)用不僅限于高質(zhì)量單晶薄膜的生長，還可以提高電子和光電子器件的性能和設(shè)計(jì)自由度。遠(yuǎn)程外延的這一突破為未來的材料科學(xué)和工程應(yīng)用提供了新的視角。

圖 . 在a-C/GaN上外延生長ZnO

復(fù)旦大學(xué)的周鵬, 劉春森作為通訊作者發(fā)表了《A full-featured 2D flash chip enabled by system integration》的研究成果。

論文介紹了一個(gè)由2D材料為核心的全功能NOR閃存芯片，通過原子級設(shè)備到芯片技術(shù)（ATOM2CHIP）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成。該技術(shù)結(jié)合了優(yōu)越的2D電子設(shè)備作為存儲核心，并配備了強(qiáng)大的CMOS平臺以支持復(fù)雜的指令控制。ATOM2CHIP技術(shù)藍(lán)圖包括全棧芯片工藝和跨平臺系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為從新興設(shè)備概念到適用芯片的過渡提供了完整框架。

這一全棧芯片工藝專門設(shè)計(jì)了包含平面集成、三維架構(gòu)和芯片封裝的流程，確保了94.34%的高良率。跨平臺系統(tǒng)設(shè)計(jì)處理了2D電路設(shè)計(jì)與2D-CMOS模塊兼容性驗(yàn)證設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了一個(gè)具有8位命令和32位并行的高復(fù)雜度指令驅(qū)動(dòng)的全功能芯片。

論文顯示，2D材料即使在單層厚度下也表現(xiàn)出卓越的電子特性，并且范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)使電子能帶進(jìn)行精細(xì)調(diào)控。這些特性使得2D電子設(shè)備能夠延續(xù)硅技術(shù)的縮放能力，并創(chuàng)造根本性的設(shè)備機(jī)制。作為集成電路半導(dǎo)體設(shè)備的一種展示，2D閃存表現(xiàn)出比硅閃存（主流非易失性存儲技術(shù)）更快的Fowler-Nordheim隧道編程速度和更好的通道長度縮放優(yōu)勢。

近年來，無論是工業(yè)界還是學(xué)術(shù)界，集成2D半導(dǎo)體的研究越來越受到關(guān)注。2D電子設(shè)備與成熟的硅CMOS邏輯電路結(jié)合，將是展示2D電子設(shè)備在系統(tǒng)級別的優(yōu)勢、加速新興設(shè)備從實(shí)驗(yàn)室到工廠過渡的理想途徑。論文中的研究提出了一種有效的系統(tǒng)集成策略，展示了2D電子系統(tǒng)的優(yōu)越性。

圖： 2D閃存芯片的STEM圖像

近期，上海交通大學(xué)的趙一新、陳悅天、繆炎峰和郭永勝作為共同通訊作者在《Nature》上發(fā)表了一篇題為《A matrix-confined molecular layer for perovskite photovoltaic modules》的研究文章。

鈣鈦礦材料因其優(yōu)異的光電性質(zhì)，近年來成為光伏領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。鈣鈦礦太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）逐步逼近商用硅電池，為其工業(yè)化應(yīng)用鋪平了道路。然而，目前大多數(shù)高效的倒置型鈣鈦礦太陽能電池由于自組裝分子（SAMs）的聚集和疏水性問題，仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

為了解決這一問題，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種“自組裝分子-基質(zhì)"（SAM-in-matrix）策略，通過將部分自組裝分子分布在穩(wěn)定的三（五氟苯基）硼基質(zhì)中，從而打破原有分子堆積引起的聚集問題。二維晶格蒙特卡洛模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這一策略可以形成高效的電荷傳輸通道。基于這種SAM-in-matrix空穴傳輸層（HTL）的器件展示了在各種自組裝分子中普遍更高的效率，具有緊密的表面覆蓋率、良好的導(dǎo)電性和大幅減少的埋藏納米空隙。此外，該策略在規(guī)模化生產(chǎn)中顯示出顯著的應(yīng)用潛力。

利用FTO/NiOx基板上的SAM-in-matrix HTL，有助于形成具有良好晶體質(zhì)量和增強(qiáng)導(dǎo)電性的鈣鈦礦大面積薄膜。最終，研究團(tuán)隊(duì)成功制備出面積達(dá)1m×2m的大面積鈣鈦礦太陽能模塊，并以20.05%的認(rèn)證效率創(chuàng)下了新的紀(jì)錄。

圖：鈣鈦礦在NiOx/Me4PA@BCF襯底的HRTEM圖

近日，上海科技大學(xué)于奕，比利時(shí)安特衛(wèi)普大學(xué)Timothy Pennycook，美國普渡大學(xué)Dou Letian     在《Nature》發(fā)表了一篇題為“Atomically resolved edges and defects in lead halide perovskites"的研究論文。他們的研究揭示了鉛鹵化物鈣鈦礦材料邊緣和缺陷的詳細(xì)原子結(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)特性。

鉛鹵化物鈣鈦礦是一種有機(jī)-無機(jī)半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)越的成本效益和有趣的光電性能，備受關(guān)注。然而，由于其極高的敏感性，迄今為止很難獲得其邊緣的清晰圖像。該研究團(tuán)隊(duì)采用了先進(jìn)的四維掃描透射電子顯微鏡技術(shù)，以極低的劑量進(jìn)行重疊成像，首次在原子分辨率上揭示了鈣鈦礦邊緣和內(nèi)部缺陷的結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，在甲基銨鉛碘化物（MAPbI3）中，甲基銨和碘的邊緣終止占多數(shù)，邊緣和內(nèi)部缺陷的損傷率與存在的空位濃度和類型有關(guān)，特別是碘空位的存在與更高的損傷率相關(guān)。

鈣鈦礦材料因其高效、易于制造、可調(diào)性質(zhì)和多用途而在太陽能應(yīng)用中備受關(guān)注。然而，解決邊緣、缺陷和穩(wěn)定性問題對于實(shí)現(xiàn)其潛力至關(guān)重要。鈣鈦礦材料的結(jié)構(gòu)形式為ABX3，其中A代表單價(jià)陽離子，B為金屬陽離子，X為鹵素陰離子。各元素在鈣鈦礦穩(wěn)定性中具有不同但關(guān)鍵的作用。計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究表明，B位的低配位可能是最不穩(wěn)定的，其通過各種路易斯堿分子的鈍化可顯著提高穩(wěn)定性和光伏效率。然而，由于這些高度敏感材料的原子分辨率成像挑戰(zhàn)，原子級的洞察仍然有限。

該研究不僅為理解鉛鹵化物鈣鈦礦的邊緣和缺陷提供了重要的原子級信息，也為未來提高鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩(wěn)定性提供了新的思路和方法。

圖：MAPbI₃的原子分辨成像

近日，清華大學(xué)深圳國際研究生院康飛宇、賀艷兵、呂偉、侯廷政聯(lián)合天津大學(xué)楊全紅作為通訊作者在《Nature》發(fā)表了一篇題為“A ductile solid electrolyte interphase for solid-state batteries"的研究論文。本研究針對固態(tài)鋰金屬電池（SLMBs）在實(shí)際工作條件下面臨的巨大挑戰(zhàn)提出了創(chuàng)新性的解決方案。

固態(tài)鋰金屬電池被認(rèn)為是電動(dòng)汽車和大規(guī)模能源存儲系統(tǒng)的最有前景的候選者之一。然而，在高面積容量和高電流密度的實(shí)際條件下，不受控制的鋰枝晶生長嚴(yán)重阻礙了其商業(yè)應(yīng)用。現(xiàn)有的固態(tài)聚合物電解質(zhì)（SPEs）雖然在界面親和性方面優(yōu)于固態(tài)無機(jī)電解質(zhì)，但其離子電導(dǎo)率和穩(wěn)定性不足以實(shí)現(xiàn)鋰離子的均勻快速運(yùn)輸。即使通過微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或與陶瓷混合制造復(fù)合SPEs（CSPEs）來顯著提高離子電導(dǎo)率，電池仍難以在實(shí)際SLMBs的快速充電要求下實(shí)現(xiàn)高于5 mA/cm2電流密度和5 mAh/cm2面積容量的目標(biāo)。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)富含氟化鋰（LiF）的固體電解質(zhì)界面（SEI）盡管可以抑制鋰的穿透，但其固有的脆性和鋰離子擴(kuò)散障礙使得在高電流密度和高面積容量下難以保持界面完整性，導(dǎo)致嚴(yán)重的鋰枝晶生長、副反應(yīng)和界面開裂。為此，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種富含銀硫化物（Ag?S）和氟化銀（AgF）成分的韌性SEI。這種SEI在電解質(zhì)側(cè)具有對稱的富無機(jī)結(jié)構(gòu)，而在鋰金屬側(cè)則為親鋰銀/鋰結(jié)構(gòu)，確保了在高電流密度和高面積容量下的高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和快速離子運(yùn)輸。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，即使在15 mA/cm2高電流密度和15 mAh/cm2面積容量下，采用該SEI的對稱鋰電池仍具有超過4500小時(shí)的長循環(huán)壽命。此外，即使在-30°C的低溫環(huán)境下，在5 mA/cm2和5 mAh/cm2的實(shí)際條件下，該韌性SEI仍能工作超過7000小時(shí)。

該研究為實(shí)現(xiàn)長循環(huán)壽命的固態(tài)鋰金屬電池提供了一種實(shí)用方案，即使在極端條件下仍能保持高性能。這一發(fā)現(xiàn)對于電動(dòng)汽車和大規(guī)模能源存儲系統(tǒng)的未來發(fā)展具有重要意義。

圖：SEI的冷凍電鏡圖像