材料前沿最新綜述精選(2018年3月第2周)
1、Advanced Functional Materials?綜述：有機場效應晶體管中的電雙斜率非理想性
場效應晶體管（FET）可以說是現代電子中最重要的電路元件之一。最近，在各種新興應用中已經開發出對于柔性電子產品的需求，包括貼身健康監護設備、柔性顯示器和靈活的射頻識別標簽。有機FET（OFET）是生產這種柔性器件的可行候選者，因為它們包含半導體π共軛材料，小分子和共軛聚合物，其本質上柔軟并且與柔性襯底機械相容。然而，對于OFET在工業上的可行性，它們不僅必須實現高電荷載流子遷移率，而且還要實現理想和可理解的電特性。近日，加州大學圣芭芭拉分校的Thuc-Quyen Nguyen、Guillermo C. Bazan（共同通訊）等人對OFET傳輸曲線中的非理想雙斜率特性（即在低柵極電壓下的高斜率和在高柵極電壓下的低斜率）引起的爭論，總結了不同的機理。本綜述重點介紹一般觀察結果，機理理解以及與導致具有雙斜率特性的FET現象相關的可能解決方案。通過調查和系統總結單一來源的有關雙斜率問題的相關文獻，提供了解釋和避免OFETs中電子非理想性的實驗框架和理論基礎。
圖1 超級電容器模型
文章鏈接：Electrical Double-Slope Nonideality in Organic Field-Effect Transistors (Adv. Funct. Mater.,2018,?DOI:)
2、Angewandte Chemie International Edition 綜述：膠體量子納米結構：顯示應用的新興材料
膠體半導體納米晶體（SCNCs）或更廣泛地說膠體量子納米結構構成了用于研究尺寸和尺寸效應的優秀模型系統。 它們的納米級尺寸導致量子限域效應，從而調整其光學和電子性質。 因此，通過控制其表面化學性質，發光顏色控制具有的窄的光致發光光譜，寬的吸收光譜和出色的光穩定性，再加上其化學加工性，導致SCNCs成為當前和下一代顯示器的優秀材料。 近日，希伯來大學的Uri Banin（通訊作者）等人介紹了SCNCs的基本化學和物理特性，隨后描述了不同膠體量子納米結構在顯示應用中的優勢，解決了光學活動面臨的挑戰， 描述了使用SCNC的光致發光和電致發光顯示器場景。
圖2 膠體量子納米結構模型
文章鏈接：Colloidal Quantum Nanostructures: Emerging Materials for Display Applications (Angew. Chem. Int. Ed.,2018,?DOI:)
3、Advanced ?Materials 綜述：用于癌癥精密醫學的納米材料
最近醫學科學已經進展到診斷和治療可以以高精度進行，甚至在分子水平上。因此，出現了一個新的“精密醫學”領域，具有特定的臨床意義和挑戰，可以通過新開發的納米材料得到很好的解決。近日，上海交通大學的Zhang Zhiyuan、同濟大學醫學院的時東陸（共同通訊）等人提供了一種納米科學的精準醫學方法，重點放在癌癥治療上，基于“分子定義的癌癥”的新概念。引入了“下一代測序”來鑒定癌基因，該癌基因與一類癌癥有關。這種新方法與所有依賴于發現腫瘤的解剖起源診斷的所有傳統癌癥療法都有根本的不同。為了在分子水平上治療癌癥，利用納米載體并應用最近開發的“微RNA替代療法”，以調節驅動癌癌基因，這是癌癥精確治療的核心。此外，納米調控的致癌調節的結果必須通過基因特征，患者衍生的異種移植模型進行準確評估。以這種方式進行癌癥治療是精準醫學的典型例子，它在材料結構設計、表面功能化，基因/藥物儲存和輸送，細胞靶向和醫學成像方面面臨著新問題，給材料界帶來了諸多挑戰。
圖3 癌癥治療設計過程
文章鏈接：Nanomaterials for Cancer Precision Medicine(Adv.Mater., 2018,? DOI:)
4、Nature Reviews Materials 綜述：用于非易失性記憶體的碳納米材料
碳可以產生具有顯著的電子，光學，機械和熱性能的各種低維納米結構。這些特性使碳納米材料特別適用于下一代存儲器和存儲設備，如電阻式隨機存取存儲器，相變存儲器，自旋轉移力矩磁隨機存取存儲器和鐵電隨機存取存儲器。非易失性存儲器在比特密度和能量效率方面極大地受益于碳納米材料的使用。近日，德克薩斯大學圣安東尼奧分校的Ethan C. Ahn（通訊作者）等人討論了sp2雜化碳基低維納米結構，如富勒烯、碳納米管和石墨烯在非易失性記憶體中的應用。在非易失性存儲器件和結構的背景下，碳納米材料可以作為存儲電極，界面工程層，電阻切換介質和可擴展的高性能存儲器選擇器進行應用。最后，本文比較了不同的存儲技術在寫入能量和時間方面的差異，突出了物理機制和材料屬性的制造，集成和理解方面的主要挑戰。
圖4 石墨烯作為界面工程層
文章鏈接：Carbon nanomaterials for non-volatile memories?(Nat. Rev. Mater., 2018,? DOI:10.1038/natrevmats.2018.9)
5、Chemical Society Reviews 綜述：二維過渡金屬二硫族化合物：界面和缺陷工程
二維（2D）過渡金屬二硫族化合物（TMDCs）已被認為是下一代納米電子學的有希望的候選者。由于其原子級薄的結構和高表面積與體積比，基于TMDC的器件所涉及的接口在確定器件性能方面發揮著主導作用，例如在金屬/ TMDC接口處的電荷注入/采集以及在介質/ TMDC接口的應用。另一方面，TMDCs的晶體結構富集了各種內在缺陷，包括空位，吸附原子，晶界和替代雜質。接口和缺陷的定制設計和工程設計為調節TMDCs的性能提供了一種有效的方法，最終提高了器件的性能。近日，新加坡國立大學的陳偉和東南大學的倪振華（共同通訊）等人總結并重點介紹了TMDCs的界面和缺陷工程及其在電子和光電子器件中應用的最新進展和最新技術。概述了TMDCs的各種界面工程方法，包括表面電荷轉移摻雜，TMDC /金屬接觸工程以及TMDC /介電界面工程。隨后，文章介紹了TMDC中不同類型的結構缺陷，總結了用于調制TMDCs的光學和電子特性的缺陷工程策略以及開發高性能和功能器件的研究進展。最后，作者重點介紹了用于電子和光電子材料的TMDC材料界面和缺陷工程所面臨的挑戰和機遇。
圖5 TMDCs微觀結構
文章鏈接: Two-dimensional transition metal dichalcogenides: interface and defect engineering (Chem.Soc.Rev. , 2018,? DOI: 10.1039/C8CS00024G)
6、Chemical Society Reviews 綜述：水凝膠機械和擴散行為的實驗表征和數學建模
由于水凝膠的生物相容性及其機械和運輸特性，所以水凝膠被廣泛用于多個領域，特別是在生物醫學，制藥和營養保健領域。已知有幾種方法可以評估它們的性質，但以數學方式描述它們的行為，就材料如何回應機械刺激以及如何摻入活性物質被釋放而言只有幾種方法正在開發中。近日，薩勒諾大學的G. Lamberti（通訊作者）等人總結了水凝膠的主要性質，并研究了結構 - 性質關系（即大分子結構如何影響由水凝膠制成的宏觀樣品的性質）。基于三個特征時間的比較提出了選擇標準：弛豫時間、擴散時間和處理時間。然后，結合最先進的數學模型，聯系水凝膠的力學和運輸特性，特別關注粘彈性和多孔彈性行為，文章總結了研究水凝膠特性的最常用實驗方法。
圖6 水凝膠機械和運輸特性
文章鏈接:?Hydrogels: experimental characterization and mathematical modelling of their mechanical and diffusive behaviour (Chem.Soc.Rev. , 2018,? DOI: 10.1039/C7CS00638A)
7、Chemical Society Reviews 綜述：金屬有機框架材料在作為捕獲有毒和放射性金屬離子優質吸附劑中的應用
由于其對人類健康和環境的有害影響，高效去除金屬離子污染物，例如有毒和核廢料相關的金屬離子，從生物學和環境角度來看，都是一項重要的任務。最近，高度多孔的金屬有機框架（MOFs）因為具有優異的化學穩定性和豐富的官能團，因此為捕獲各種有害金屬離子污染物提供了新的補充。近日，華北電力大學的王祥科,波鴻魯爾大學的Zhao Guixia,中國科學院等離子體物理研究所的陳長倫（共同通訊）等人重點介紹了MOFs和MOF基復合材料作為高效去除有毒和核廢物相關金屬離子優良吸附劑的最新進展。系統地總結了與金屬離子和MOF基材料相互作用機理有關的方面，包括宏觀批量實驗、微觀光譜分析和理論計算。文章評估了各種MOF基材料的吸附性能并與其他廣泛使用的吸附劑進行了比較。最后，作者對未來的研究機遇和挑戰提出其個人見解，希望能夠激勵更多的研究人員參與這一以MOF為基礎的材料在新環境污染管理領域的應用。
圖7 MOF的形成及增強MOF吸附性能的方法
文章鏈接: Metal–organic framework-based materials: superior adsorbents for the capture of toxic and radioactive metal ions (Chem.Soc.Rev. , 2018,? DOI: 10.1039/C7CS00543A)
8、Chemical? Reviews 綜述：金屬有機框架成核和生長的原位、時間分辨和機理研究
金屬 - 有機框架（MOFs）的化學和結構多樣性為特定的催化或分離應用量身打造了令人興奮的“晶體工程”MOFs。然而，人們發現，優化和MOF合成放大的過程仍然極具挑戰性，這給綜合實現許多有前途的MOF結構帶來了重大障礙。對MOF成核和生長的基本過程以及反應參數與合成結果之間的關系的重要新見解已通過對MOF結晶的強大原位、時間分辨和/或機理研究得出。近日，威斯康星大學麥迪遜分校的J.R. Schmidt（通訊作者）等人提供了這些和其他相關的“直接”MOF成核和生長的“直接”研究結果的總結和相關的批判性分析，特別強調了儀器技術的最新進展，這些研究和主要假設，理論以及用于解釋MOF形成的模型。并且概括了文章中總結的文獻中獲得的主要見解，并總結了其對潛在富有成效的調查新方向的看法。
圖8 MOF研究領域
文章鏈接:? In Situ, Time-Resolved, and Mechanistic Studies of Metal–Organic Framework Nucleation and Growth (Chem.Rev. , 2018,? DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00582)
9、Accounts of Chemical Research 綜述：具有超低貴金屬負載的核殼型納米粒子催化劑合理設計的原理和方法
商業和新興的可再生能源技術以貴金屬催化劑為基礎，可將反應物轉化為有用的產品。然而，貴金屬（NMs）是巖石圈中最不豐富的元素，使得它們對于未來的全球規模技術而言過于稀缺且昂貴。因此，密集的研究工作應致力于消除或基本上減少NM在各種催化應用中的加載量。這些努力已經導致超出傳統支持的球形納米粒子的大量非均相NM催化劑形態。在許多這些新型結構中，如成形、高折射率和雙金屬顆粒，少于20％的負載NM可用于執行催化轉換。大多數NM原子是次表面的，僅通過幾何和配位效應與活性表面NM原子一起提供次要催化作用。少數架構可以達到100％的NM利用率，但是嚴重的缺點限制了一般的適用性。通過核殼納米粒子（CS NPS）作為設計高活性，穩定和低成本材料的高載量納米材料，可用于熱電催化和電催化。許多新興NM架構的獨特優勢可以保留下來，而它們的基本局限性可以通過核 - 殼形態重構來克服。然而，CS NPs的商業實現仍然具有挑戰性，需要在理論和制造方面取得協同進展。近日，麻省理工學院的Sean T. Hunt和Yuriy Román-Leshkov（共同通訊）討論了開發新的熱、淬火和剝離（HQE）密度泛函理論（DFT）技術來模擬異質金屬界面，同時開發了一種合成方法，該方法可實現可調CS NP配置的高溫自組裝。
圖9?NM原子結構
文章鏈接:?Principles and Methods for the Rational Design of Core–Shell Nanoparticle Catalysts with Ultralow Noble Metal Loadings (Acc. Chem. Res. , 2018,? DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00510)
10、Accounts of Chemical Research 綜述：石墨烯生長的原子級模擬：從動力學到機理
外延生長是生產高質量石墨烯樣品的有前途的策略。同時，這種方法對于工業放大具有很大的靈活性。為了優化增長協議，了解潛在的增長機制至關重要。通過用第一性原理參數進行動力學Monte Carlo（kMC）模擬，可以直接模擬石墨烯生長過程，從而了解生長機制。近日，中國科技大學的李震宇（通訊作者）等人的模擬表明，碳二聚體是Cu（111）和Cu（100）表面上石墨烯的外延生長中的主要進料物質，這使人們能夠理解為什么反應擴散限制在Cu（111）上，但附著有限發生在Cu（100）上。當模擬明確考慮氫氣時，氫氣在石墨烯生長中的中心作用就被揭示出來了，這解決了為什么氫氣應該被送入石墨烯的化學氣相沉積中的長期困擾。這些研究表明，原子模擬可以明確地產生或再現關于石墨烯生長的動力學信息，這對于理解增長機制和設計更好的生長方案是關鍵的。類似的策略可以用于其他二維原子晶體的生長機制研究。
圖10 石墨烯生長速率模擬圖
文章鏈接:?Atomistic Simulations of Graphene Growth: From Kinetics to Mechanism (Acc. Chem. Res. , 2018,? DOI:10.1021/acs.accounts.7b00592 )
本文由材料人編輯部高分子學術組水手供稿，材料牛編輯整理。
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