Nat. Mater.近三年被引TOP5文章匯總

引言

作為材料領域的頂級刊物，Nature Materials一直致力于刊發材料科學與工程領域在全球范圍最好的研究成果。在下面的文章中，我們匯總了近三年（2017年-2019年）在Nature Materials正式發表的研究文章，并以年度為單位，基于Web of Science總結了被引次數最多的五篇文章，以饗讀者。

2017年度

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麻省理工大學的Mircea Dincǎ（通訊作者）團隊選擇Ni₃(HITP)₂MOF材料制備無導電劑和粘合劑添加的新型超級電容器。Ni₃(HITP)₂結構具有共軛π鍵，能夠展現出良好的電導率。不僅如此，該MOF具有直徑約1.5納米的孔結構，可以使電容器電解液中的四乙基四氟硼酸銨離子通過，還能避免充放電過程中電極體積膨脹而造成的電極失活。基于這種導電MOF電極可以組成新型的對稱超級電容器。測試表明，MOF電極等效串聯電阻僅為0.61Ω/cm²，超越大多數報道的還原石墨烯電極。同時超級電容充放電1萬次后容量損失不到10%，循環性能良好。該文章證明了MOF導電性能能夠用于電容器的制備，為MOF基電容器的設計開拓了可能性。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/nmat4766

石榴石型固態電解質具有高達1mS/cm的離子電導率和優異的環境穩定性，持續吸引著研究人員的關注。然而，石榴石電解質與電極材料之間存在著高度固-固界面阻抗，限制著石榴石基高性能固態電池的發展。針對這一問題，馬里蘭大學的E. D. Wachsman和胡良兵（共同通訊作者）聯合報道了一種克服界面阻抗問題的新策略。在這一策略中，研究人員利用原子層沉積法在類石榴石Li₇La_2.75Ca_0.25Zr_1.75Nb_0.25O₁₂?(LLCZN)上引入超薄的氧化鋁涂層，能夠顯著提高石榴石固態電解質的浸潤程度和穩定性。在室溫測量中發現，這一策略能夠將界面阻抗從1710?Ωcm²急劇下降到1Ωcm²。實驗和理論計算均表明，氧化物涂層能夠實現金屬鋰的浸潤，氫氧化鋰-氧化鋁界面允許鋰離子在鋰金屬電極和石榴石電解質之間的高效輸運，實現了一種基于界面化學的新型工作電池。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/nmat4821

快充能力和高功率容量式電容儲能是制備新式電容器以取代現有電池的重要依據。然而限制電化學電容器發展的主要障礙之一就是過低的能量密度，這也使得利用贗電容性能材料（如具有高理論容量的層狀斜方氧化鉬，即α-MoO₃）進行電荷存儲成為了熱門的候選材料。加州大學洛杉磯分校的S. H. Tolbert、V. Ozolins以及B. Dunn（共同通訊作者）等人研究比較了還原氧化鉬（R-MoO_3-x）以及全氧化氧化鉬（F-MoO₃）性質。文章揭示了氧空位的引入能夠增加層間距，從而提高電荷存儲動力學，并可以在鋰離子的插入/脫出過程中保留α-MoO₃的結構。而R-MoO_3-x展現出更高的比容量，這被歸因于鋰化過程中大量四價鉬離子的可逆形成。這一研究強調了在過渡金屬氧化物中引入氧空位是一種可以提高氧化還原活性材料電荷存儲動力學的有效策略。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/nmat4810

憶阻器（Memristors）是一種具有記憶功能的非線性電阻，能夠采集和處理神經活動所產生的數據。美國麻省大學的J. J. Yang（通訊作者）團隊開發了一種能夠模仿神經突觸功能的新型納米憶阻器。在生物神經突觸中，鈣離子的富集和擠出效應對突觸的彈性形變有著重要的影響。受此啟發，研究發展了一種散步型（diffusive）銀-氧化物憶阻器，能夠受激后實現與突觸鈣離子動力學類似的時間響應行為。原位高分辨透射顯微學和納米顆粒動力學研究均表明，在界面能量最低化的作用下，銀原子在電學偏壓中呈現分散行為，偏壓撤除后立即又重新組合，這一行為與鈣離子在突觸中的組裝和擠出非常相似。這一分散型憶阻器及其動力學表現能夠模擬生物突觸的短/長期可塑性變化，推動了硬件神經網絡功能化的發展。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/nmat4756

英國帝國理工學院的D.?Baran、R.?S.?Ashraf以及I.?McCulloch（共同通訊作者）等人聯合開發了一種基于雙小分子非富勒烯受體、給體聚合物P3HT以及PCE10的三元太陽能電池。雙小分子非富勒烯受體可以實現與IDFBR和IDTBR的吸收互補，分別獲得了7.7%以及11%的能量轉換效率。同時，在室溫黑暗環境中1200小時后器件仍能維持效率高達原有的80%；持續光照90小時后，效率仍能維持在85%左右。擴大化生產后的太陽能電池，其效率仍能達到6.5%，表明有機太陽能電池的工業化應用又邁進了一步。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/nmat4797

2018年度

瑞士洛桑聯邦理工學院的F. Sahli以及Q. Jeangros（共同通訊作者）等人結合硅基材料鈣鈦礦開發了一種新型串聯太陽能電池。研究人員在單晶硅的微米級表面開發了新型沉積工藝，可以共形生長頂部電池中的多種化合物，并在隨后可與晶硅異質結（SHJ）組成2T串聯器件。經過測試，該器件表現出高達25.2%的認證穩態效率。金字塔形結構的光學設計可以產生高達19.5mA/cm²的電流密度。最后，經過封裝的鈣鈦礦/SHJ串聯太陽能電池在空氣中進行MPP恒定光照跟蹤270小時后表現出優異的運行穩定性，其效率依然能夠高達初始效率的90%。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-018-0115-4

金屬鋅具有理論容量高、成本低等特點，被認為是水系電池的理想負極材料。然而，鋅電極在堿性電解質中庫侖效率低、枝狀晶體生長以及氫氧化鋅等不可逆副產物的持續出現都阻礙著鋅負極的進一步開發應用。美國馬里蘭大學的王春生教授聯合美國陸軍實驗室許康研究員（共同通訊作者）報道闡釋了基于高濃度鋅、鋰鹽的水溶性電解質能夠解決鋅電極面臨的問題。這一獨特的電解質不僅能夠實現庫侖效率達到100%的無枝狀鋅電鍍/脫出，也保證了開放環境中的水存留。利用鋰錳氧或者氧氣作為正極，鋅電池表現出出人意料的靈活性和可逆性——對于前者來說，經過超過4000次的循環仍能輸送180Wh/kg的電量并保留80%的容量；而對于后者來說，超過200次循環后依然能輸送300Wh/kg。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-018-0063-z

如何平衡強度和韌度的關系一直是材料制備中的關鍵問題。通常來說，為了實現優異的材料硬度，可能不得犧牲材料的韌度。美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的Yinmin (Morris) Wang（通訊作者）通過激光粉末基體融合技術制備了奧氏體316L不銹鋼（L-PBF 316L），其屈服強度與拉伸延展性的性能組合超越傳統316L鋼的相應性能組合。以激光束、電子束、等離子或離子束為熱源，加熱材料使之結合并直接制造零件的方法，稱為高能束流快速制造，是工業領域最為常見的增材制造方法。研究發現，通過這一增材制造技術獲得的奧氏體316L不銹鋼同時具備優異的強度和較好的拉伸性能。經分析，L-PBF 316L的高強度歸因于形成的胞狀結構、小角度晶界以及在制造過程中形成的位錯，其高延伸率則與穩定漸進的加工硬化機制有關。此外，研究人員還發現，沿著胞狀結構壁和小角度晶界的溶質偏析可以促進位錯釘扎并促進孿生，采用增材制造的方法可以獲得獨特的微觀組織結構，這些結構能帶來較好的性能組合。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/nmat5021

壓電材料是一類可以力學響應外加電場或者產生電場的材料，是機電換能器的必需部分。先前的理論研究顯示鈣鈦礦氧化物中的高壓電性能與熱力學平坦的鐵電相相關。賓夕法尼亞州立大學的李飛、陳龍慶以及Shujun Zhang（共同通訊作者）等人基于現象學理論和相場模擬，提出了一種通過引入局部結構異質性來控制界面能（與界面有關的彈性能量及靜電能）以達到自由能全景平坦化的新型策略。研究合成了稀土摻雜的PMN–PT，其中稀土摻雜劑傾向于改變鉛基鈣鈦礦鐵電體的局部結構。由此，可在居里溫度為89攝氏度的釤摻雜PMN–PT陶瓷中實現1500pC/N的超高壓電系數d₃₃和超過13000的介電常數。該研究為基于局部結構異質性設計材料性能提供了新的范式。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-018-0034-4

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利用純電學方法控制磁場是發展信息技術的關鍵挑戰之一。包括鐵磁金屬、鐵磁半導體、多鐵性/電磁材料在內的眾多材料體系已經被用于探索實現磁性的電場控制。而近來出現的二維范德華磁體則為磁性電場控制提供了新的機會。康奈爾大學的Jie Shan和Kin Fai Mak（共同通訊作者）闡明了基于雙層反鐵磁半導體碘化鉻可以實現磁性控制。利用基于小門電壓的場效應器件可以實現這一電場控制磁性行為，利用磁圓二色譜學方法則可以觀察到相應的磁化現象。外加電場創造了層間勢差，導致巨大的線性電磁效應。研究也實現了層間反鐵磁/鐵磁態的電學轉換行為。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-018-0040-6

2019年度

固態電解質界面（SEI）是鋰電池的關鍵組成，鋰金屬SEI受到電解液和金屬鋰之間的反應以及電解質電化學反應的影響，導致SEI不僅結構復雜還難以控制其生長，一直都是鋰金屬電池發展的主要挑戰之一。賓夕法尼亞州立大學的王東海（通訊作者）團隊報道了一種新型的用以穩定鋰金屬電池負極SEI的策略。研究人員利用具有化學/電化學活性的石墨烯復合材料作為前驅體，在鋰金屬表明原位生成聚合物鋰鹽、氟化鋰納米粒子以及氧化石墨烯組成的SEI。分析測試表明，這一合成SEI具有優異的穩定性和均一性，同時由于氧化石墨烯的存在，其力學強度也得到了顯著的提升。這些性能的提升保證了鋰金屬電池在貧電解質中的穩定循環行為，證明了SEI對鋰金屬電極穩定性的重要性，為電極的電化學界面設計提供了新的思路。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-019-0305-8

高階拓撲絕緣體是新近出現的一類物質拓撲相，遵循擴展的拓撲塊體-邊界對應原則（extended?topological bulk–boundary correspondence principle）。例如，二維的二階拓撲絕緣體并不像經典的二維拓撲絕緣體一樣表現出無帶隙的一維拓撲邊緣態，而是具有拓撲保護的零維角態（corner states）。浙江大學的Fei Gao、南洋理工大學的Yidong Chong以及Baile Zhang（共同通訊作者）等人在實驗中利用聲超構結構（acoustic metamaterial）實現了二階拓撲絕緣體。這一絕緣體基于具有零四極極化（quadrupole polarization）“呼吸”的kagome晶格。與此前的高階拓撲絕緣體不同，絕緣體的角態不僅取決于塊體拓撲，而且還與角形狀有關。這一形狀依賴性允許角態實現拓撲保護的、可重構局部共振。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-018-0251-x

拓撲體系對無序和擾動具有內生的抵抗作用，可在量子固體中實現無耗散的電子邊緣輸運或者在經典波系統中實現光子和聲子的無反射引導。近期，更是有研究開發了一類具有塊體極化特征的新型拓撲材料。而紐約城市大學的Andrea Alù和A.?B. Khanikaev（共同通訊作者）在理論和實驗兩個角度同時闡釋了一種3D打印二維聲學超構結構。這種結構擁有非平凡（nontrivial）塊體拓撲極化、二階零維角態以及優異的聲學性能。角態呈現出結構的手性對稱性，可以保護二階拓撲態。該研究發現為對聲的傳播和操控進行更高級的控制提供了可能性。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-018-0252-9

在二維范德華異質結構中控制層間扭角有助于設計具有可調長度的準周期摩爾超晶格。在扭轉雙層石墨烯中，摩爾超晶格表明電子帶寬可以被調節，可與魔角范德華層間作用相當，表現出強關聯行為。然而，范德華層間作用在界面產生顯著的結構重組，與層間晶格扭曲發生競爭。哈佛大學的Philip Kim（通訊作者）課題組報道了扭轉雙層石墨烯中的重構行為，并闡釋了這一行為對電子結構的作用。研究發現，當石墨烯扭角減小時，不對稱的摩爾結構會逐漸過渡到對稱域陣列。通過施加橫向電場，研究還發現了在一維拓撲通道網絡上出現電子輸運。因此，在范德華界面的原子和電子重構為連續調諧系統設計提供了新的思路。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-019-0346-z

偶聯離子-電子效應（Coupled ionic–electronic effects）有助于下一代器件和電路的發展。特別是層狀二維材料如二硫化鉬，具有高度各向異性的離子輸運性質，能夠在器件中實現可控的離子遷移和有效的離子偶聯。密歇根大學的W. D. Lu（通訊作者）團隊報道了一種對二硫化鉬薄膜實現可逆調制的方法。通過電場控制鋰離子，這一可逆調制行為與局部2H–1T′相變一致，即鋰離子濃度的增加或者減少能夠導致2H（半導體）與1T′（金屬）相之間的轉變。基于這一材料制備的器件展現出優異的憶阻器行為，通過離子交換可以實現彼此的直接偶聯，能夠導致突觸競爭和突觸配合效應。這一研究揭示了場驅動離子過程直接調制二維材料的潛力，有望實現基于偶聯離子-電子效應的新型電子/能源器件。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-018-0248-5

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