頂刊動態 | 五月份計算材料前沿科研成果精選

材料牛邀請您閱讀五月份計算材料前沿科研成果精選：西安交通大學發現由非線性彈性效應引起的異質外延島的熱力學自限制生長機制；美國西北大學發現π-共軛有機半導體新單元—雙苯基磺胺；奧地利維也納大學合成史上最長的線性碳鏈結構；日本大阪大學通過單粒子光譜研究用于制氫的鉑金三角納米棱柱；倫敦大學綜述液體中的晶核—分子動力學模擬的開放性問題和未來挑戰。

1、Nano Letters: 由非線性彈性效應引起的異質外延島的熱力學自限制生長機制

圖1 線性彈性機制和非線性彈性機制

自從1990年被首次發現，異質外延生長自組裝3D島因其在理解它們的復雜生長行為和作為量子點在納米電子學和光電器件方面的應用，受到很多科學家的持續關注。異質外延島的生長是一個應變介導和熱激活的成核過程，其特征表現為任意位置生長和隨機尺寸分布。通過在生長界面進行應變場預處理，可以定向控制島形核及其生長，以實現高度有序島陣列，并顯著提高尺寸均勻性。

西安交通大學胡昊及其合作者研究了異質外延島生長的非線性彈性效應（NLEF），研究發現非線性彈性效應會引起熱力學自限制生長機制，該機制會阻礙超出最大尺寸的相干島的應變弛豫，與在線性彈性效應增加島尺寸的無限應變弛豫相反。這種自限制生長效應對島側面角有強烈的依賴性，也適用于對凹坑傾斜角有額外依賴性的襯底表面島內凹坑圖案。該工作對理解異質外延島生長和解釋過去和最近的實驗現象提供了新的視角。

文獻鏈接：Thermodynamic Self-Limiting Growth of eteroepitaxial Islands Induced by Nonlinear Elastic Effect（Nano Lett., ?2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01525）

2、 JACS：π-共軛有機半導體新單元—雙苯基磺胺

圖2 雙苯基磺胺合成

有機半導體是新型光電技術中最重要的組成部分。由于其制造成本低，具儲光、電輸運的特性，并與柔性塑料基板具兼容性，所以在有機發光二極管（OLED）、光伏（OPVs）、場效應晶體管（OFETs）和電路中有所應用。

美國西北大學Ferdinand S. Melkonyan等人利用分子軌道計算和光學、電化學和晶體結構表征分析闡明了雙苯基磺胺單元的體系結構和電子結構，通過研究發現π-共軛鏈供體-受體（D-A）聚合物具有某些特殊性能，而建立在雙苯基磺胺（BTSA）單元基礎上的BSTA-2t聚合物具有良好的p型有機場效應晶體管材料性能和供體材料性能。研究者相信BTSA和其他磺胺類材料未來在有機半導體材料領域是非常值得關注的。

文獻鏈接：Bithiophenesulfonamide Building Block for π-Conjugated Donor–Acceptor Semiconductors（JACS,? 2016, DOI: 10.1021/jacs.6b03498）

3、Nature Materials: 史上最長的線性碳鏈結構

圖3 ?碳納米管（灰色）中的線性碳鏈（紅色）

碳炔是碳原子以sp1雜化，碳單鍵和三鍵交互形成的碳鏈，熱力學穩定性極差，是碳單質同素異形體家族中默默無聞的一員。最近的理論和實驗研究表明，碳炔的強度、彈性模量和剛度都遠大于其他碳單質的同素異形體。其他重要未知的性質和應用還在探索當中。作為一種有潛在應用價值的新興材料，碳炔引起了很多科學家的廣泛關注。研究一種新材料，首要工作就是將它制備出來。由于碳炔的熱力學穩定性很差和化學活性很活潑，關于碳炔合成的研究是一個難題。

奧地利維也納大學Thomas Pichler團隊在中空的雙壁碳納米管的內管中，制備出長達由6000多個碳原子組成的特別長且穩定的碳炔。雙壁碳納米管即是納米反應器，又是封裝和保護線性碳鏈的工具，成功地解決了碳鏈不穩定的問題。此外，研究者利用像差校正高分辨透射電子顯微鏡和掃描透射電子顯微鏡對雙碳納米管中的碳鏈進行了直接觀察；并使用密度泛函理論計算模擬研究了長線性碳鏈生長過程中的局域效應。該工作不但解決了制備和保存碳炔的難題，也為研究碳炔的性質和應用提供了良好的平臺。

文獻鏈接：Confined linear carbon chains as a route to bulk carbyne（Nature materials, 2016, DOI: 10.1038/nmat4617）

相關新聞報道：New record for longest linear carbon chain

4、ACS nano:?通過單粒子光譜研究用于制氫的鉑金三角納米棱柱

圖4 (a)Au TNPs、(b)Pt覆蓋、(c)Pt邊緣和Pt邊緣的Au TNPs的TEM圖像

作為用于太陽能轉化的一項綠色技術，光催化因在化學能制造和環境清潔等領域的應用，吸引著學術界和工業界的廣泛關注。目前，低光催化效率和被限制的可見光響應阻礙了光催化的應用。對于研究最多的由貴金屬納米顆粒和半導體組成的等離子體光催化劑，金屬熱電子被激發成為熱電子轉移至半導體，然而，熱電子的超快能量弛豫導致載流子的復合，從而抑制熱電子的轉移，導致等離子體光催化的效率降低。相比單金屬納米顆粒，雙金屬納米顆粒在催化方面具有獨特優異的性能。

日本大阪大學Tetsuro Majima等人研究了三種用于制氫光催化劑的各向異性Pt覆蓋、Pt邊緣和Pt尖Au三角納米棱柱（TNPs）。由于較強的電場和更多的熱電子轉移界面，Pt邊緣Au三角納米棱柱的制氫催化效率是Pt覆蓋和Pt尖Au三角納米棱柱的3-5倍。單粒子光致發光譜和有限差分時域（FDTD）模擬表明，Au三角納米棱柱的偶極子界面等離子體共振增強了熱電子從Au到Pt的轉移，從而增強了制氫催化效率。依賴于大小的Au三角納米棱柱的界面等離子體共振帶在Pt邊緣Au三角納米棱柱的光催化活性方面扮演著非常重要的角色。

文獻鏈接：Pt–Au Triangular Nanoprisms with Strong Dipole Plasmon Resonance for Hydrogen Generation Studied by Single-Particle Spectroscopy（ACS nano, 2016, DOI: 10.1021/acsnano.6b02494）

5、AFM:?小分子有機半導體內載流子遷移率的分子起源

圖5 ?基于第一性原理的多尺度模型的流程圖

有機半導體場致發光特性的發現促使了更多探索這些材料在能量轉化應用的研究工作。有機發光二極管在顯示、照明和光伏等領域有著巨大的潛在應用價值。限制有機半導體發展的主要因素之一是其較低的遷移率（10^-10~10cm2/v?s），無機半導體材料的遷移率（10^2~10^4cm2/v?s）比其高5-10個數量級。造成遷移率低的因素有很多，比如分子堆積方式、電子結構、偶極矩和極化率等。目前，量化從頭算模型評估這些分子依賴特性的影響是不足的。

德國卡爾斯魯厄理工學院Wolfgang Wenzel及其合作者提出了一種基于第一性原理的多尺度模型，該模型可以準確預測超過十個數量級范圍的遷移率的實驗數據，能夠將載流子遷移率分解量化到單個特定分子。特性分子量化測量可以解釋兩個單分子特性、軌道能量對構想的依賴性和偶極誘導極化如何影響空穴輸運材料的遷移率。該模型對于由大量化學成分組成的硅基顯示屏在高效光電器件應用的發展有一定的推動作用。

文獻鏈接：Molecular Origin of the Charge Carrier Mobility in Small Molecule Organic Semiconductors (Advanced Functional Materials（Advanced Functional Materials, 2016, DOI: 10.1002/adfm.201601807）

6、Chemical Reviews：液體中的晶核—分子動力學模擬的開放性問題和未來挑戰（綜述）

圖 6 分子動力學模擬

液體中晶體的成核是自然界最普遍的現象之一，在氣候變化和藥物生產等領域扮演著非常重要的角色。由于成核初期階段涉及非常短的時間和長度尺度，原子計算模擬可以為結晶的微觀方面提供一個獨特的視角。

倫敦大學Gabriele C. Sosso等人盤點了過去幾十年里大量揭露在液體中晶體成核因素的分子動力學模擬實驗。作者通過研究溶液中的結冰和微粒形核過程，以及膠體粒子和天然氣水化合物，將經典形核理論和先進數值理論相結合，從而獲得該領域獨特而深刻的認識；通過改進原子間勢能和抽樣方法可使數字模擬更接近真實實驗，推進了數值模擬的準確性。同時指出了經典形核理論的弊端及未來分子動力學數值模擬的方向。

文獻鏈接：Crystal Nucleation in Liquids: Open Questions and Future Challenges in Molecular Dynamics Simulations（Chemical Reviews, 2016, DOI: 10.1021/acs.chemrev.5b00744）

本文由材料人編輯部計算材料組靈寸和大白供稿，材料牛編輯整理。

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