頂刊動態 | Science/Nature子刊/AM等納米材料學術進展匯總【160611期】

1、Science：光子自旋控制多功能共用孔徑天線陣列

圖1 共享孔徑概念的示意圖

在雷達應用領域，開發的共享孔徑天線陣列是增加光電功能的一種有效方法，它是在共享孔徑中可以同時執行一系列任務的多功能平面系統。尤其是基于稀疏相控陣天線的現代射頻傳感、通信、成像系統在不同的頻帶、偏振、掃描方向等條件下均能被控制。共享孔徑概念和自旋軌道相互作用所產生的幾何相位現象之間的聯系提供了一個合成光子自旋控制多功能超材料表面的方法，揭示了多功能波前控制的自旋的方式。

以色列理工學院的Elhanan Maguid（第一作者及通訊作者）等人采用薄化技術合成了共享孔徑，并且研究了交叉稀疏的納米天線基體和自旋非對稱諧波響應，從而實現螺旋度控制多個結構化波陣面，如攜帶軌道角動量的渦旋光束。通過使用復用幾何相位譜同時測量光譜特性和光的偏振態，在集成芯片上進行偏振光譜分析。共享孔徑超材料表面的平臺開辟了一條新型納米光子功能化的路徑。

文獻鏈接：Photonic spin-controlled multifunctional shared-aperture antenna array（Science，2016，DOI:10.1126/science.aaf3417）

?2、Nature Communications：粘彈性剪切處理使納米顆粒大范圍有序化

圖2 膠體與顆粒系統的聚合物蛋白石比較

從膠體到顆粒體系，具有納米結構特性的材料可以組裝成普適性的復合材料。目前，雖然可以精心設計出各種納米顆粒，但將其組裝成有規律的超結構和光子材料仍然具有挑戰性。

劍橋大學的Qibin Zhao和?Jeremy J. Baumberg（通訊作者）等人展示了在輥軋過程中，如何使用彎曲引起的振蕩剪切技術來堆疊聚合物納米顆粒的柔性膜。對于亞微米級球形納米顆粒而言，這種技術使得彈性光子晶體即聚合物蛋白石表現出極強的可調結構色。隨著振蕩應變振幅達到300%，結晶先壁上開始，然后迅速發展橫穿過整個塊體，但也就局限于五個主體中振蕩。通過雙向剪切和交換兩平面之間的方向可增加隨機六邊形密排層結構。他們的理論框架解釋了即使擴散完全不存在，隨著每層的有序性增加，剪切粘度也會逐漸減少。粘彈性介質剪切排序的這個一般原則提供了制造光子材料的新方法，并且可以作為制備有序納米顆粒的通用工具。

文獻鏈接：Large-scale ordering of nanoparticles using viscoelastic shear processing（Nature Communications，2016，DOI: 10.1038/ncomms11661）

3、Advanced Materials：壓電效應調制AlGaN/AlN/GaN異質結構微米線電子氣

圖3? AlGaN/AlN/GaN異質結構微米線的結構特征

一維半導體納米線（NWs）如發光二極管、激光器、場效應晶體管、納米發電機等由于其獨特的結構和相應平面的一維量子限閾效出現，增加了NWs的流動性，這引起了人們對它應用的廣泛關注。然而，由于帶電摻雜中心的散射造成的載流子遷移率退化，長期以來一直是摻雜NWs器件實際應用不可避免的障礙。為了克服這個問題，對半導體異質結構納米線中觀察到的低維載流子（電子或空穴）氣體，如Ge/Si，AlGaAs/AlGaAsh和AlGaN/AlN/GaN，進行了深入的研究。在這幾種Ⅲ-氮化物異質結構中，AlGaN/GaN由于本征極化強，創造出異質結電子氣（HEG），被廣泛應用于高電子遷移率晶體管（HEMT）和其他高性能量子器件中。

最近，華南師范大學的Shuti?Li（通訊作者）和中國科學院北京納米能源與系統研究所的Zhong Lin Wang（通訊作者）等人利用壓電效應改變HEG相應的物理性質和基于HEMTs的AlGaN/GaN異質結器件的電輸運性質。這種方法是一種科學而又全新、應用簡單的技術，在設備制造過程中不增加額外成本。這使人們對壓電效應調制低維電子氣異質結構納米材料有了更加深入的理解，指明了其在HEMs和MEMS/NEMS中的潛在應用。

文獻鏈接：Piezotronic Effect Modulated Heterojuction Electron Gas in AlGaN/AlN/GaN Heterostructure Microwire （Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201601721）

4、JACS：圖案化石墨烯的Diels-Alder反應

圖4 晶體結構、拉曼光譜表征及DA反應示意圖

作為一個高度共軛的sp²碳原子組成的二維原子晶體，石墨烯具有優異的電學、熱學和力學性能，并展現出了巨大的應用前景。化學功能化是控制能帶結構、創建新的石墨烯衍生物和操縱石墨界面特性的有前途的方法之一。

中國科學院化學研究所的王棟、陳傳峰和萬立駿（通訊作者）等人設計了具有兩個二氫萘骨架的順式二烯烴，通過Diels-Alder（DA）反應來修飾石墨烯表面。部分二烯基團引入到非平面分子結構中形成順式構象，能快速（5分鐘）在石墨烯和二烯組之間發生DA反應。亞微米分辨率的圖案化石墨烯可以通過在室溫下將聚合物（甲基丙烯酸甲酯）掩蔽的石墨烯浸泡在羥基取代順式二烯溶液中得到。在較高溫度下進行反應，可進一步控制功能化程度。本研究結果揭示了石墨烯功能化過程對分子構象的影響，并提供了一個有效簡便的石墨烯功能化方法。

文獻鏈接：Click and Patterned Functionalization of Graphene by Diels-Alder Reaction?（JACS?，2016，DOI: 10.1021/jacs.6b02209）

5、ACS Nano：納米結構bijel纖維的原位力學測試

圖5 bijel纖維的抗張強度測試

雙連續界面夾層乳膠（bijels）是一種具有獨特結構、力學和輸運性質的軟質材料，在醫療保健、食品、能源及反應工程等領域有著廣泛的應用前景。為了實現其潛在應用價值，就需要掌握制備、表征和操縱bijel力學性能的方法。

來自美國賓夕法尼亞大學的Daeyeon Lee和Kathleen J. Stebe（通訊作者）等人開發了一種基于溶劑轉移誘導相分離（STRIPS）的方法，利用微流控平臺及一批液體和納米顆粒制備出分層結構的bijel纖維。研究人員介紹了一種可表征bijel纖維在微流控裝置中的形成初期和末期力學性能的原位技術。通過操控施加于纖維上的流體應力，將其置于張力下，直到斷裂，分析應力場可以推斷出斷裂強度；隨納米顆粒含量不同，斷裂強度可高達幾千帕。這些發現拓寬了 bijels纖維的潛在應用。該原位力學表征方法也適用于其他由水凝膠、毛細管懸浮液、膠體凝膠、高相乳液或高內相乳液組成的軟纖維材料。

文獻鏈接：In Situ Mechanical Testing of Nanostructured Bijel（ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b02660）

6、Advanced Materials：具有超低電滲濾閾值的凝膠–石墨烯納米復合材料

圖6 凝膠-石墨烯納米復合材料薄片的制備過程示意圖

隨著生物納米技術的發展，導電生物高分子納米復合材料（CPCs）的應用日益廣泛。CPCs材料是由導電填料嵌入絕緣的生物高分子基質中制備而成。為了制備具有更低的電滲濾閾值的CPCs材料，就需要適當的分散這些納米導電粒子。對于石墨烯基CPCs材料，為了保證其生物活性，同時改善它的機械性能、電性能和功能性，可以將石墨烯材料分散進入生物高分子基質中。凝膠作為一種結構蛋白，具有尚未被開發的廣闊前景，可應用于制備具有較低電滲濾閾值石墨烯基CPCs凝膠材料，使材料具有優異的導電性、生物降解性以生物相容性。

來自德黑蘭大學和芝加哥大學的Nader Taheri Qazvini（通訊作者）及蘇黎世聯邦理工學院的Raffaele Mezzenga（通訊作者）等人采用一種新穎的制備方法，制備了具有良好生物相容性和導電性的聚合物納米復合材料，其石墨烯納米顆粒在凝膠基體中分散性良好。該納米復合材料的電學性能優于前人的文獻報道值，其滲流閾值比文獻報道的石墨烯納米復合材料的最低值（0.06 vol%）以及導電生物高分子納米復合材料的最低值（0.15 vol%）還要低。這一前所未有的低閾值為尋找光學透明電極等提供了新的機會。此外，由于凝膠基質的水吸附特性，相應的石墨烯納米復合材料可用于生物傳感器和由相對濕度變化而引發的刺激響應系統等。

文獻鏈接：Gelatin–Graphene Nanocomposites with Ultralow Electrical Percolation Threshold（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201601115）

7、AFM：二維插層配位聚合物改性超細合金納米粒子及其催化性能研究

近日，新加坡國立大學化學與生物分子工程系的曾華淳團隊在國際著名期刊Advanced Functional Materials上報道了一種制備支撐型多金屬合金納米粒子的新方法，突破了傳統方法的局限性。

支撐型多金屬合金納米粒子由于具有其組成金屬的多功能性，以及顯著的增強了物理化學性能和一些甚至其原始組成金屬不具備的優異性能，從而使得其具有在多領域應用的潛力。然而，利用傳統的濕化學法合成這種金屬納米粒子一直存在一個瓶頸無法突破。這里，這篇文章報道了一種利用層狀雙氫氧化物（layered double hydroxides，LDH）或層狀雙金屬氧化物（layered double oxides，LDO）能有效的、功能化的用于合成多金屬合金納米粒子。在這種方法中，不同的金屬前驅物被分步插入LDH的層間空隙。金屬之間進行配位反應的同時，二維氰橋配位聚合物被限制于LDH的空隙中。之后，支撐型多金屬合金納米粒子可以通過液相還原或熱力學自還原方法獲得。由于金屬能夠在二維 配位聚合物中均勻混合，所以能夠獲得具有大顆粒均勻性和成分可調的超細合金納米粒子。支撐型多金屬合金納米粒子表現出多用途應用潛力。

文獻鏈接：Ultrafine Alloy Nanoparticles Converted from 2D Intercalated Coordination Polymers for Catalytic Application（Advanced Functional Materials，2016，DOI: 10.1002/adfm.201601174）

8、Nature communications：石墨烯基彈性有機發光二極管

近日，在Nature Communications上，韓國浦項工業大學的Tae-Woo Lee（通訊作者）及韓國科學技術院的Seunghyup Yoo（通訊作者）等人報道了他們基于協同作用原理設計的一種石墨烯基彈性有機發光二極管，并對其性能進行了測試。

石墨烯基有機發光二極管（organic light-emitting diodes，OLEDs）已經成為了下一代顯示器和照明用具的關鍵部件，這主要是由于它們具有高彈性光源。然而，它們的最好效率也只是接近于傳統上的氧化銦錫基光源。這里，他們團隊基于協同作用原理設計了一種以高指數的TiO₂層與低指數的空穴注射層構造的三明治型石墨烯電極結構，獲得了較理想的結果，使得空腔共振出現最大化。該方法使得OLEDs呈現出超高的額外量子效率，對于單結和多結器件其數值分別達40.8%和62.1%（有半球透鏡時分別為64.7%和103%）。石墨烯基OLEDs的反復彎曲度可達2.3mm，部分原因在于TiO₂層通過裂紋偏轉增韌，耐彎應變可高達4%。

文獻鏈接：Synergetic electrode architecture for efficient graphene-based flexible organic light-emitting diodes（Nature Communications，2016，DOI: 10.1038/ncomms11797）

該文獻匯總由材料人編輯部學術組Sea、Carbon和謝暢供稿，材料牛編輯整理。

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