頂刊動態丨Nature/EES/Nano Letters等期刊電子材料學術進展匯總（4.28-5.10）
本期導讀：
今天電子電工材料周報組邀您一起來看看Nature communications/ACS Nano/EES等期刊電子材料領域最新的研究進展。本期內容預覽：計算機下的材料：單層Be5C2有應用于電子設備的前景；利用有機鐵電體產生隧道電致電阻效應；填充電負性離子，提高方鈷礦材料熱電性；熒光納米鉆石的臺式氟化法；智能城市中太陽能和風能的有效收集；3D打印高溫高效率加熱器；一種強大磁功能的單分子磁體；接近耦合的高溫鐵磁拓撲絕緣相；SnxSb1-xTe材料低熱導率的根源；自供電的可穿戴電子產品的熱電能源產生器設計；多層石墨烯結構極大地提高了石墨烯/環氧樹脂復合材料的熱導率。
1、Nature communications: 計算機下的材料：單層Be5C2有應用于電子設備的前景
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 單層Be5C2的幾何結構及電子結構
從拓撲性質及減少維度方面設計，往往可獲得新型材料。C就是一個例子，它可與其他原子形成平面四配位結構(ptC)、平面五配位結構(ppC)和平面六配位結構(phC)，這些打破常規化學鍵的多配位C分子，常以其較低的能量結構可應用于電子設備中。但對比ptC和phC，ppC極少擴展到固體研究領域。
來自南京師范大學和波多黎各大學的研究者們對ppC能否擴展到固體領域進行了研究，并基于密度泛函理論計算，設計了二維材料——單層Be5C2。因適度的內聚能、活躍的聲子模及高熔點，單層Be5C2表現出很好的穩定性。同時Be5C2在二維空間中是最低能結構，因此很有可能實現實驗合成。單層Be5C2是一種無能隙半導體，能帶結構中具狄拉克點，泊松比為負值。因此若成功合成，將在電子及機械設備中有很大的應用前景。
2、Nature communications: 利用有機鐵電體產生隧道電致電阻效應
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 在超薄PVDF膜上的鐵電性
在鐵電體隧道結(FTJs)中，轉換兩個電極間的超薄鐵電壁壘的極化來調節隧道電阻，會引起巨大的隧道電致電阻效應(TER)，利用TER效應可制備非易失性存儲器。目前，大多數鐵電壁壘為無機的鈣鈦礦氧化物薄膜，但要實現納米尺寸，制作工藝會非常復雜，難以實現大規模生產。
由上海和法國多所院校組成的研究團隊將有機的PVDF薄膜作為鐵電壁壘，調節它的極化狀態可編碼存儲信息，并讀出隧道電流從而制備出非易失性的存儲器。對于一到二層的鐵電聚合物，僅需很低的電壓就可實現極化轉換。并且在室溫下，這些薄膜上的超微米級隧道結就能展現出1000%的隧道電致電阻效應。同時，研究者們也提出在硅或其他柔性襯底上制備有機鐵電隧道結的低成本、大規模制備的方法。
文獻鏈接：Tunnel electroresistance through organic ferroelectrics
3、Energy & Environmental Science: 填充電負性離子，提高方鈷礦材料熱電性
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?填充電負性離子后方鈷礦的形成能及晶格熱導率
通過向主框架中填充其他元素形成包合化合物可設計出具新功能的材料，而大多是向帶負電的框架中填入電正性離子。為提高方鈷礦熱電材料的性能，也可通過填充電正性離子。但向方鈷礦中填充電負性離子卻很少有研究。
來自武漢理工、上海大學及華盛頓大學的研究團隊則研究了一系列電負性離子填充至方鈷礦后表現的性能。研究表明填入VIA族元素如S、Se后，S、Se會與框架主元素形成強極性的共價鍵，對晶格動力學、元素填充后帶來的點缺陷分布都產生很大的影響，導致很低的晶格熱導率。這種具開放結構的功能包合化合物將可用于制備高效的熱電材料。
文獻鏈接：Electronegative guests in CoSb3
4、AFM： 熒光納米鉆石的臺式氟化法
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? NDs氟化的催化循環簡化方案
氟化作用能調節鉆石的光學性能和電磁學性能，并能產生疏水表面。近期的一些研究表明氟化作用還能穩定鉆石、納米鉆石的熒光NV色心。熒光NV色心作為靈敏度極高的單原子缺陷在量子物理和高分辨生物成像等一系列傳感器方面有廣泛應用。然而，傳統的碳納米材料的氟化方法實驗條件苛刻復雜，產生的疏水表面在無水環境中分散性差。
近日，Jan Havlik等人報道了一種Ag+催化的臺式氟化方法。該方法條件溫和，能將羧基全部用氟取代，從而實現納米鉆石的氟化。和其他方法相比較，這種方法產率高，不會腐蝕鉆石的碳原子，還能產生帶有C-F和C-OH端基的親水表面。C-F和C-OH官能團抑制了有害的疏水表面及其導致的納米鉆石的膠體不穩定性。研究還表明即使表面氟原子密度相對低一些也有助于增加電負性NV色心的穩定性，提高熒光發光。Jan Havlik等人的方法能同時提高表面親水性和NV色心熒光發光，這正是將熒光納米鉆石作為納米傳感器直接應用于生物環境中的量子光學和磁學測量的關鍵。
5、ACS Nano：智能城市中太陽能和風能的有效收集
a.常規風力發電機組；b.城市建筑屋頂上的集成化SC單元；c.房子屋頂上集成了納米發電機的模型示意圖
為了實現智能城市的可持續能源供給，最大化城市中的能量收集對實現一些智能設備和傳感器的自我供能功能來說是必要的。現有的技術已經可以對太陽能進行有效收集，然而，由于傳統的風能發電設備體積大，不安全，只能安裝在偏遠地區，所以城市中的風能還不能被有效利用。
近日，來自中科院的研究人員設計了一款混合納米發電機，包括一個太陽能電池和一個摩擦起電的納米發電機。這款發電機可以單獨或同時收集太陽能和風能，能在城市建筑頂部大量安裝。設備面積約為120mm×22mm時，設備中的太陽能電池最大輸出功率為8mV，而摩擦起電納米發電機最大輸出功率可達26mV。通過使用一臺轉換器降低摩擦起電發電機的阻抗實現了太陽能電池和納米發電機的阻抗匹配。和單一的太陽能電池或摩擦起電納米發電機相比，這種混合納米發電機的輸出電流更大，電性能更優異。中科院的這項研究為在城市中最大可能的收集太陽能和風能提供了可行方案。
文獻鏈接：Efficient Scavenging of Solar and Wind Energies in a Smart City
6、ACS Nano：3D打印高溫高效率加熱器
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?3D打印加熱器原理演示
高溫加熱器可以廣泛應用于材料合成和器件加工。馬里蘭大學帕克分校的研究人員開發出了三維（3D）印刷氧化還原石墨烯（RGO）型加熱器，這是一種具有高溫和超快加熱速率的高性能熱供給設備。與其他熱源如熱處理爐、激光和紅外輻射加熱器相比，3D打印加熱器具有以下的優點：（1）由于該種加熱器是以可持續高溫碳材料——還原氧化石墨烯為基礎的，其操作溫度可高達3000K；（2）加熱器的溫度可以以20000K/S的極快速度上升或者下降；（3）可以直接打印不同形狀的小尺寸加熱器，以確保不同的基體上所有區域都可以加熱。3D打印的還原氧化石墨型加熱器可廣泛地應用于納米制造，可精確地控制溫度、時間、位置和升溫速率。
文獻鏈接：Three-Dimensional Printable High-Temperature and High-Rate Heaters
7、ACS Nano：一種強大磁功能的單分子磁體
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[DyPyNO]2的分子結構
單分子磁體的組織通過表面熱升華，為未來設備的發展和利用這些磁分子來豐富自旋電子學中的磁性能提供了前提條件。然而，通過觀察發現，一些特定的表面會發生相互作用，從而使單分子磁體的性能也發生變化。
Evan Kiefl等人提出了一個單分子磁體系統的罕見例子，在金的表面可以發生熱升華而保持其完整的化學結構和磁性能。通過測量交流磁化率表明介子自旋減弱，但不同于其他的單分子磁體，薄膜狀的磁體特性與那些塊狀磁體非常相似，包括整個薄膜磁體全部表面以及附近的金屬真空接口區域。這些都展示了單分子磁體穩定的化學性能和復雜的磁性能，為單分子磁體納米結構的發展提供了線索。
文獻鏈接：Robust Magnetic Properties of a Sublimable Single-Molecule Magnet
8、Nature：接近耦合的高溫鐵磁拓撲絕緣相
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?Bi2Se3–EuS雙層結構的XRD以及高分辨率的TEM圖像
拓撲絕緣體是絕緣材料，可通過時間反演對稱性對導電表面狀態進行保護，也就是電子自旋動量被鎖定。這種獨特的性能為創造新一代的電子、自旋電子學和量子計算設備開辟了新的機遇。
Ferhat Katmis等人用自旋極化中子反射率實驗證明：在拓撲絕緣體（Bi2Se3）雙層系統中通過耦合鐵磁絕緣體使得拓撲界面磁性（EUS）增強。界面中的磁性主要由自旋軌道相互作用產生，并且拓撲絕緣體表面的自旋動量鎖定使得這種雙層系統的磁有序（居里）溫度大大的提高。由于鐵磁短距離的交互作用性質，在拓撲絕緣體的表面附近時間反演對稱性會被打破而遠離表面的不受影響。拓撲磁電機的設計就是源于這種拓撲絕緣體，可以通過一個電場有效地操縱磁化動力學，為未來以自旋為基礎的技術提供了一個高效節能的拓撲控制機制。
文獻鏈接：A high-temperature ferromagnetic topological insulating phase by proximity coupling
9、EES：SnxSb1-xTe材料低熱導率的根源
（a）為SnxSb1-xTe在10%誤差范圍內溫差電優值隨溫度的變化（b）與其他材料相比SnxSb1-xTe的韋氏硬度值
在熱電應用領域，低熱導率的無機材料引起了眾多人的興趣。通過聲子散射形成的納米結構是降低材料導熱率的重要途徑。
來自賈瓦哈拉爾·尼赫魯先進科學研究中心的科研團隊，最近發現了在SnTe中由于納米結構Sb和SnmSb2nTe3n+m交互生長使得SnxSb1-xTe具有接近最低理論晶格熱導率。在<111>方向，Sb與SnTe相互分離，導致了超點陣結構的生成。同時，該超點陣結構引起了顯著的聲子散射。另外，Sb摻雜在SnTe中會降低p型載流子密度。由于載流子密度自發減少以及由納米尺度主導的超結構的過濾問題使塞貝克系數有了很大的提高。所以，在800K，Sn0.85Sb0.15Te可以獲得最優的熱電優值，其維氏硬度大概有136Hv。
10、EES：自供電的可穿戴電子產品的熱電能源產生器設計
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 左圖為從身體中心至環境的溫度變化；右圖為單腿周圍熱阻的3-D示意圖
隨著可穿戴傳感器以及電子器件性能的提高，其在醫療和環境監測中也越來越受歡迎。熱電能源產生器利用人體熱量來實現自我供能，可是空氣界面的電阻值太大，這一問題決定著熱電能源產生器的性能。
近日，來自北卡州立大學的科研人員設計了一種理論計算有效并且準確的三維熱電發電機模式。該模式可以探索滿足剛性熱電發電機發展現狀的設計標準以及柔性組件的應用前景。Francisco?suarez等人研究了熱電材料，組件設計和維數，散熱器，填充材料，熱缸，皮膚接觸電阻對器件性能的影響；明確了材料熱傳導通過塞貝克系數和熱電阻對提高可穿戴傳感器和電子器件輸出功率的重要性。對于柔性熱電發電機，他們研究了填充材料的熱傳導。最后Francisco?suarez等用該模式設計了一款材料性能有所提高的定制熱電發電機并進行了器件設計。測試結果表明和商業熱電發電機相比，在面積相同的條件下，用該模式設計的熱電發電機輸出功率提高了近3倍，和理論計算的預測高度一致。
文獻鏈接：Designing thermoelectric generators for self-powered wearable electronics
11、NANO LETTERS：多層石墨烯結構極大地提高了石墨烯/環氧樹脂復合材料的熱導率
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 不同石墨烯層數下的熱導率隨石墨烯體積分數的變化
在現代電子設備中，快速散熱已成為一個急需解決的問題。石墨烯自被發現以來其優異的性能一直備受矚目，在散熱領域，人們期望得到一種低石墨烯含量高導熱率的環氧樹脂基復合材料。
近日，香港科技大學和清華大學的研究人員探索了多層石墨烯片的層數和尺寸對環氧樹脂基復合材料導熱率的影響。分子動力學模擬顯示當石墨烯片層數增加時多層石墨烯和石墨烯/環氧樹脂界面的導熱率增加。但是，具有高導熱率的多層石墨烯并不能使多層石墨烯/環氧樹脂具有高的導熱率，除非多層石墨烯有較大的側面尺寸使得其具有與單層石墨烯相比的高寬比。實驗揭示了使用多層石墨烯的好處在于：與相同含量的單層或少層石墨烯體積分數2.8%時的直徑為30 μm多層石墨烯（層數大于10）導熱率大概為1.5W m?1K?1。本發現為高性價比的多層石墨烯做為導熱填料在各種熱管理應用提供了指導。
本期內容由材料人電子電工材料學習小組樹苗，ZZZZ，大黑天，以亦等人編寫。材料牛編輯整理。
如果你對電子材料感興趣，愿意與電子電工領域人才交流，并且想及時掌握電子材料研究學術動態并深入剖析行業現狀，請加入材料人電子電工材料學習小組（加入方式：發送申請表和個人簡歷至msdd0816@163.com或者申請加入我們學習小組QQ群：482842474)
文章評論(0)