2017年終盤點: 中國學者Science成果！

新的一年將至，材料牛為您精選2017年以來材料領域中，中國學者（通訊單位為國內機構）發表在頂級期刊Science上的優秀工作。

這是對2017年的一個總結，也是對新一年的勉勵！

1、北大彭練矛&張志勇：5nm碳納米管CMOS器件打破傳統硅基極限

北京大學彭練矛和張志勇（共同通訊作者）等人制備了10nm柵長（對應5nm技術節點）的頂柵碳納米管場效應晶體管，在相同尺寸下，其性能已經超越硅基互補金屬-氧化物半導體（CMOS）FETs。通過對柵長尺寸縮小影響器件性能的研究發現，相比硅基器件，使用石墨烯接觸的碳納米管場效應晶體管表現出更優的性能，包括更快的響應速度、更低的驅動電壓（碳納米管0.4 V，硅0.7 V）、亞閾值擺幅更小（73 mV/decade）。p型和n型器件的亞閾值擺幅均為70 mV/DEC（DEC表示倍頻程）；器件性能不僅遠遠超過已發布的所有碳管器件，并且在更低的工作電壓（0.4 V）下p型和n型晶體管的工作性能均超過了目前最好的硅基CMOS器件在0.7 V電壓下的性能（英特爾公司的14 nm節點）；特別是碳管CMOS晶體管本征門延時僅0.062 ps，相當于14 nm硅基CMOS器件（0.22 ps）的1/3。5納米CNT FETs已經接近場效應晶體管的量子極限，實現場效應晶體管的單電子開關操作。與此同時，課題組研究接觸尺寸縮減對器件性能的影響，探索器件整體尺寸的縮減，將碳管器件的接觸電極長度縮減至25 nm，在保證器件性能的前提下，實現了整體尺寸為60 nm的碳管晶體管，并且成功演示了整體長度為240 nm的碳管CMOS反相器，這是目前所實現的最小的納米反相器電路。

文獻鏈接：Scaling carbon nanotube complementary transistors to 5-nm gate lengths（Science，2017，DOI: 10.1126/science.aaj1628）

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2、中科院金屬所盧柯：晶界穩定調控—強化極微納米晶強度新機制！

中科院金屬所的盧柯院士（通訊作者）等最新研究中揭開了這種反常現象，并發現納米晶金屬中的塑性變形機制及其硬度可通過調節晶界（GB）的穩定性實現。利用電沉積獲得的納米晶Ni-Mo合金樣品，當晶粒尺寸在10 nm以下時，由于晶界調控過程而出現軟化。但通過弛豫和Mo偏析使晶界穩定后，納米晶樣品則實現超高硬度，塑性變形機制則由新出現的外延局部位錯進行調控。由此可見，除了晶粒尺寸，晶界穩定性提供了另一晶粒強化機制，為產生具特殊性能的新型納米晶金屬提供理論基礎。

文獻鏈接：Grain boundary stability governs hardening and softening in extremely fine nanograined metals（Science，2017，DOI：10.1126/science.aal5166）

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3、中科大吳文彬：氧化物基反鐵磁性材料重大進展

中國科學技術大學吳文彬教授（通訊作者），第一作者陳斌斌博士與團隊成員克服了氧化物反鐵磁性設計的難題，最新報道了將超薄但具鐵磁性的La_2/3Ca_1/3MnO₃層與絕緣的CaRu_1/2Ti_1/2O₃墊片結合實現反鐵磁性層間交換耦合（AF-IEC）。這種層狀磁開關結構導致階梯狀的磁滯回線，磁化平臺則取決于這種雙層結構的堆垛重復數。同時這種磁化結構能在好幾百個奧斯特的磁場下有效調制轉換。另外，用La_2/3Sr_1/3MnO₃作為磁性層構成的AF-IEC具有近于室溫的居里溫度。該研究將為具有氧化物界面的電子設備增加研究基礎。

文獻鏈接：All-oxide–based synthetic antiferromagnets exhibiting layer-resolved magnetization reversal（Science，2017，DOI: 10.1126/science.aak9717）

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4、南京理工大學胡炳成：首次合成五唑陰離子鹽高能含能材料

南京理工大學化工學院胡炳成與陸明教授（共同通訊作者）首次合成并表征了穩定的五唑陰離子鹽(N₅)₆(H₃O)₃(NH₄)₄Cl。這種陰離子是利用間氯過氧苯甲酸和甘氨酸亞鐵直接切斷多取代芳基五唑的C-N鍵得到。并通過單晶X射線衍射進行結構表征，分析其各類鹽的穩定性。同時該穩定全氮陰離子鹽的分解穩定則高達116.8℃。

文獻鏈接：Synthesis and characterization of the pentazolate anion cyclo-N₅- in (N₅)₆(H₃O)₃(NH₄)₄Cl（Science，2017，DOI：10.1126/science.aah3840）

材料牛資訊詳戳：全氮陰離子鹽占領超高能含能材料制高點！看看胡炳成教授本人都說了些什么？

5、中山大學張杰鵬：控制客體構象用于丁二烯的純化

中山大學化學學院的張杰鵬（通訊作者）等人提出使用準離散型孔穴限制柔性客體分子處于能量較高的順式構象，利用客體構型變化的能耗差異，弱化丁二烯相對于其它C4烴類的吸附，從而獲得與常規多孔材料相反的吸附選擇性；通過混合氣體吸附突破實驗、單組分氣體吸附實驗、單晶衍射實驗和計算機模擬等手段對系列典型MOF材料進行了概念驗證，并發現一例親水性MOF [Zn₂(btm)₂] (簡稱Zn-BTM或MAF-23)可實現最佳的吸附選擇性順序。常溫常壓下，C4烴類混合物流過以MAF-23作為填料的固定床吸附裝置時，1,3-丁二烯分子首先流出，其次是丁烷、丁烯和異丁烯。因此，1,3-丁二烯可以常溫常壓下實現簡易有效的純化（≥99.5%），并避免高溫環境下可能導致的聚合。

文獻鏈接：Controlling guest conformation for efficient purification of butadiene（Science，2017，DOI：10.1126/science.aam7232）

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6、北大馬丁：Au/α-MoC高效催化低溫水煤氣變換產氫！

北京大學馬丁、布魯克海文國家實驗室的José A. Rodriguez、大連理工大學的石川（共同通訊作者）和中國科學院大學周武以及山西煤化所/中科合成油溫曉東等人為了在低溫下實現高WGS活性，設計了能夠低溫有效解離水的催化劑，并在低溫下能有效催化表面羥基與吸附態的CO之間的反應。 研究發現，面心立方（fcc）結構的α-MoC負載的二維層狀Au團簇可以在低于423K的反應條件下表現出比之前報道的催化劑高至少一個數量級的活性。α-MoC襯底和外延生長的Au原子層具有強相互作用，調制了Au與CO的良好結合，同時，與α-MoC中的相鄰Mo位點的協同作用可以在低溫下有效活化水。

文獻鏈接：Atomic layered Au clusters on α-MoC as catalyst for the low temperature water gas shift reaction（Science，2017，DOI: 10.1126/science.aah4321)

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7、上海交大宋杰：重組DNA構型搭建分子機器

上海交通大學青年千人宋杰研究員與美國普渡大學Chengde Mao及艾莫利大學Yonggang Ke（共同通訊作者）等人基于可自由變化的四臂DNA單元（anti-junction），通過有序排列將DNA單元組裝成2D或者3D的陣列，得到一種全新的可變DNA分子機器 。由于每個構成單元都是可以自由變化的，進而通過觸發某個特定位置的構象變化，能夠產生級聯反應，類似于“多米諾（Domino）骨牌”效應，實現長距離的信息傳輸和遞送。同時，該可變DNA結構也能夠可編程化地研究各中間態的轉換過程。這種新型可變DNA納米結構能夠為化學反應的中間態研究以及生命活動中分子信號調控提供有力的研究工具。

文獻鏈接：Reconfiguration of DNA molecular arrays driven by information relay（Science，2017，DOI: 10.1126/science.aan3377）

材料牛資訊詳戳：上海交大宋杰課題組與美國研究人員合作在Science上發表DNA分子機器相關成果

8、北京科技大學&香港大學：D&P鋼中高位錯密度引起高延性

香港大學的黃明欣博士與北京科技大學的羅海文教授（共同通訊作者）發展了一種變形分區（D&P）策略來解決上述問題。研究人員利用軋制和低溫回火過程將中錳鋼成功發展為超級鋼（10%錳，0.47%碳，2%鋁，0.7%釩）。這其中錳和碳原子都是奧氏體穩定劑，而鋁的作用是抑制了回火過程中滲碳體的析出，釩的加入則可以形成碳化物來增強對滯后斷裂的抵抗性。通過引入大量的可移動位錯，研究人員成功地證明了提高位錯密度能夠同時提高材料強度和延展性。

文獻鏈接：High dislocation density–induced large ductility in deformed and partitioned steels（Science，2017，DOI: 10.1126/science.aan0177）

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9、湖南大學段鑲鋒：2D異質結、多異質結以及超晶格的可控外延生長

湖南大學（第一單位）及加州大學洛杉磯分校的段鑲鋒教授和湖南大學段曦東（共同通訊作者）等人報道了一種能控制多種異質結、多異質結和超晶格2D原子晶體生長的普適性合成方法。通過改性氣相沉積，在連續的氣相沉積過程，溫度浮動期間加以反向氣流，可以冷卻存在的2D晶體以防止不需要的熱降解和不可控的均相成核，因此能實現高度穩健的逐塊外延生長。同時，不限于單一的異質結，更多不同的2D異質結（如WS₂-WSe₂和WS₂-MoSe₂）、多異質結（如WS₂-WSe₂-MoS₂和WS₂-MoSe₂-WSe₂）和超晶格（如WS₂-WSe₂-WS₂-WSe₂-WS₂）通過精確的空間調制成功制備。所制備的WSe₂- WS₂表現出很好的二極管特性，整流比高達105。

文獻鏈接：Robust epitaxial growth of two-dimensional heterostructures, multiheterostructures, and superlattices（Science，2017，DOI: 10.1126/science.aan6814）

材料牛資訊詳戳：段鑲鋒再發Science: 2D異質結、多異質結以及超晶格的可控外延生長！

10、東南大學熊仁根：具備超高壓電響應性能的有機-無機鈣鈦礦鐵電體

東南大學的熊仁根教授與游雨蒙教授，美國托萊多大學的Yanfa Yan教授以及中國科學院深圳先進技術研究院的李江宇教授（共同通訊作者）報道發現了一種單相有機-無機鈣鈦礦壓電體Me₃NCH₂ClMnCl₃(TMCM-MnCl₃)。這鐵電晶體展現出了優異的壓電響應性能（d33 =185 pC/N），與BTO的壓電系數（d33 =190 pC/N）十分接近。而其相變溫度Tc也達到了406K，可在室溫合成并且無毒性金屬成分，這些特點都使得該種鐵電晶體在醫學、微機械等領域擁有廣闊的應用前景。

文獻鏈接：An organic-inorganic perovskite ferroelectric with large piezoelectric response（Science，2017，DOI: 10.1126/science.aai8535）

材料牛資訊詳戳：東南大學熊仁根團隊Science：具備超高壓電響應性能的有機-無機鈣鈦礦鐵電體

11、上海微系統所&西安交大：降低晶體形核隨機性以獲得亞納秒級數據存儲速度

中科院上海微系統與信息技術研究所饒峰副研究員和西安交通大學的張偉教授（共同通訊作者）合作開展了相關研究工作，報道了通過材料計算設計的方法來調控相變材料的晶核形成速率，合成新型相變材料鈧銻碲(ScSbTe)，大幅降低形核時間，達到超高速的寫入速度，僅為0.7納秒。同時鈧銻碲器件的操作功耗相比于傳統鍺銻碲器件降低了近90%。通過材料計算，研究人員清晰地揭示了鈧銻碲超快結晶化以及超低功耗的微觀機理。

文獻鏈接：Reducing the stochasticity of crystal nucleation to enable subnanosecond memory writing (Science，2017，DOI:10.1126/science.aao3212 )

材料牛資訊詳戳：Science：降低晶體形核隨機性以獲得亞納秒級數據存儲速度

本文由材料人學術組大黑天供稿，材料牛編輯整理。

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