頂刊動態｜AM/JACS/ACS Nano一周中國學術進展匯總【第49期】

國內周報第49期摘要：北京大學發現了高效、穩定的有機太陽能電池材料富勒烯受體的優良替代品；北京大學實現了基于納米半導體材料的納米自門控二極管；北京航空航天大學制備了一種含有部分單晶介孔Nb2O5納米片的石墨烯材料；南開大學構建了一種多光源光譜分布可調諧光源的納米材料；上海硅酸鹽研究所、華東師范大學確認了一種以Mo為基礎的多金屬氧酸鹽簇；北京大學對鈣鈦礦光伏器件的界面研究進程進行了綜述；中科院金屬所和北京大學合作研究了二維α?Mo2C超導晶體的獨特疇結構；中國科學院半導體研究所，中國科學技術大學和中國科學院大學合作揭示TiO2染料敏化太陽能電池快速電子傳輸的奧秘。

1、Advanced Materials：合金受體——高效、穩定的有機太陽能電池材料富勒烯受體的替代品

圖1 循環伏安曲線(a)和ICBA、Alloy和PC71BM的LUMO能級(b)

PCBM是一個富勒烯衍生物，分子式是[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester。由于它的較好的溶解性，很高的電子遷移率，與常見的聚合物給體材料形成良好的相分離，已成為有機太陽能電池的電子受體的標準物。美國的Solarmer，Konarkar公司已經將含有PCBM的有機太陽能電池商業化。

北京大學高分子化學與物理教育部重點實驗室的Xiaowei Zhan（通訊作者）等研究者設計并合成了一種合金受體。對應五種不同的聚合物供體，在有機太陽能電池中，該合金受體能夠取代目前廣泛使用的富勒烯受體。該受體具有更高的效率和更好的設備穩定性。

文獻連接：Alloy Acceptor: Superior Alternative to PCBM toward Efficient and Stable Organic Solar Cells（Advanced Materials, ?2016, ?DOI: 10.1002/adma.201602067）

2、ACS Nano：碳納米管自門控二極管及其在集成電路中的應用

圖2 CNT SGDs示意圖(a)和I-V特性曲線(b)

二極管是現代微電子和納米電子器件的一種重要類型，幾乎所有的邏輯功能和許多模擬電路可利用二極管實現。?摻雜是調整半導體性能的主要方法，以實現器件所預期的功能。然而，傳統的化學摻雜并不能有效實現納米級二極管器件的制作，應另覓他法。

北京大學電子學系、納米器件物理與化學教育部重點實驗室的Zhiyong Zhang（通訊作者）和 Lian-Mao Peng（通訊作者）等通過對半導體碳納米管(CNTs)摻雜制備，提出、模擬并實現了基于納米半導體材料的納米自門控二極管(SGD)的制備。研究者們通過數值模擬和實驗驗證，得到了SGD的性能與材料/結構參數的關系，提出了二極管性能優化的方案，制作并證明了該SGD性能優于任何已發布的碳納米管二極管。

文獻連接：Carbon Nanotube Self-Gating Diode and Application in Integrated Circuits（ACS Nano, ?2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b02126）

3、Advanced Materials：一種用于超快儲鈉的含有部分單晶介孔Nb2O5納米片的石墨烯材料

圖3 G-Nb2O5的透射電子顯微鏡照片(a)和高分辨傳遞電子顯微鏡照片(b)

鈉離子電池的性能主要決定于儲鈉正負極材料，而儲鈉負極材料是其中一個重要的組成部分。在目前所研究的儲鈉負極材料中，碳基負極不僅具有較低的嵌鈉平臺、較高的容量及好的循環穩定性，還具有資源豐富、制備簡單等優點，是目前最具應用前景的儲鈉負極材料。

北京航空航天大學空天先進材料與服役教育部重點實驗室的Xiaofang Bi（通訊作者）和Shubin Yang（通訊作者）等通過一種簡單的納米澆筑方法，制備了一種含有部分單晶介孔Nb2O5納米片的石墨烯材料。該材料具有大量的開放的小通道結構，使鈉離子能夠快速擴散并保留了良好的導電性，從而使材料具有更優的電化學性能和良好的儲鈉性能。

文獻連接：Partially Single-Crystalline Mesoporous Nb2O5 Nanosheets in between Graphene for Ultrafast Sodium Storage（Advanced Materials, ?2016, ?DOI: 10.1002/adma.201601723）

4、Advanced Materials：一種由模塊化光捕平臺大分子構建的基于多光源光譜分布可調諧光源的納米材料

圖4 在UV光下(365nm)PBS緩沖液(10mm, pH=7)中的樣品照片

理想的光譜分布可調諧光源可以根據需要而產生任意形狀的光譜分布，利用其特性在航天、檢測、科研及教學等各個領域具有重要科研價值。熒光油墨是票券印刷中應用比較多的油墨之一，其主要成分是熒光顏料。熒光顏料與高分子樹脂連接料、溶劑和助劑配比，經研磨可制得熒光油墨。

南開大學元素有機化學國家重點實驗室的DongSheng Guo（通訊作者）等研究者通過改變的供體/受體的比例，實現了多光源光譜能量的轉移輸出，構建了一種多光源光譜分布可調諧光源的納米材料?。該材料可作為安全印刷的熒光油墨使用。

文獻連接：Broad-Spectrum Tunable Photoluminescent Nanomaterials Constructed from a Modular Light-Harvesting Platform Based on Macrocyclic Amphiphiles（Advanced Materials, ?2016, ?DOI: 0.1002/adma.201601719）

5、JACS：具有自動適配電子結構的多金屬氧酸鹽簇

圖5 多金屬氧酸鹽受酸度誘導的自組裝原理示意圖

光熱轉化器在太陽能收集、光熱療法等領域發揮著重要作用，其性能高度依賴于所使用的光熱轉化材料。特別是在癌癥光熱治療領域，現行的以小分子和納米材料為基礎的藥物存在很多問題，比如，非特異性聚集、不可避免地對正常組織產生副作用。

近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所、華東師范大學的Wenbo Bu（通訊作者）等人確認了一種以Mo為基礎的多金屬氧酸鹽簇。該多金屬氧酸鹽簇的二維結構能由小（1nm）變大（幾十納米），這有利于其瘤內聚集；此外，由于瘤內環境偏酸性且具有還原性，該多金屬氧酸鹽簇的光熱轉化效率得以提高，這表明該多金屬氧酸鹽簇可用于之前不曾實現過的腫瘤特異性光熱療法。和以納米材料為基礎的藥物不同，該多金屬氧酸鹽簇表現出酸度誘導、還原性促進的近紅外吸收現象，研究人員認為這一現象是其獨特的電子結構導致的。中國科學院上海硅酸鹽研究所和華東師范大學的這項研究不僅為有前景的臨床藥物，而且，有望為以簇為基礎的光熱材料的設計提供一種物理化學方法。

文獻連接：A Polyoxometalate Cluster Paradigm with Self-Adaptive Electronic Structure for Acidity/Reducibility-Specific Photothermal Conversion（J. Am. Chem. Soc.，2016，DOI: 10.1021/jacs.6b03375）

6、AFM：鈣鈦礦太陽能電池界面設計的研究進展

圖6 鈣鈦礦材料和常用夾層的能級示意圖

有機-無機鹵化物鈣鈦礦作為成本低、性能好的下一代光伏器件的光吸收部分而備受青睞。有機-無機鹵化物鈣鈦礦光電性能優異，吸收系數大、帶寬適中、具有雙極性載流子傳輸能力以及承受缺陷能力強，在眾多薄膜吸收材料中極具魅力。但是，有機-無機鹵化物鈣鈦礦需要合適的電極和載流子傳輸材料來實現整個光伏器件有效的光電過程。因此，器件界面對決定器件光伏性能起著至關重要的作用。

北京大學的Huanping Zhou（通訊作者）等人從載流子的化學處理和光物理學的角度出發對鈣鈦礦光伏器件的界面研究進程進行了綜述，其工作主要關注相關工作機理、界面設計基本原理以及相應載流子對整體結構的動力學控制。該綜述對材料設計合理的界面進行了研究，為理解光載流子的行為（包括分離、傳輸和收集）奠定了基礎；此外，該綜述將促進以鈣鈦礦為基礎的單結和多結光伏器件的發展，對鈣鈦礦太陽能電池的其他性質產生影響，比如J-V滯后現象和長期穩定性。

文獻連接：The Progress of Interface Design in Perovskite-Based Solar Cells（Advanced Functional Materials，2016，DOI: 10.1002/aenm.201600460）

7、Nano Letters：二維α?Mo2C超導晶體的獨特疇結構

圖7 BF-TEM成像和ED模式

疇邊界會對二維材料（如：石墨烯和單層過渡金屬硫化物）的性質產生強烈影響。超薄過渡金屬碳化物是一種新興的二維材料，導電能力超強，在電化學儲能、催化、熱電能量轉化等諸多領域有應用前景。而目前對超薄過渡金屬碳化物的疇結構以及疇邊界對其性質的影響知之甚少。

中科院金屬所的Xiuliang Ma（通訊作者）和Wencai Ren（通訊作者）等人利用原子分辨掃描透射電子顯微鏡和大型衍射過濾成像技術研究了不同規則形狀的化學蒸鍍高品質二維α-Mo2C超導晶體，如：三角形、矩形、六邊形、八邊形、九邊形和十二邊形。在所有這些晶體中，Mo原子子格以六角形密堆積的方式均勻排列，沒有晶界。但是，除了矩形和八邊形晶體，其余的碳原子子格均由三個或六個疇組成，由于在Mo八面體偏離中心的方向有填隙碳原子的存在，碳原子子格沒有旋轉對稱性，也沒有明確的線形疇邊界。研究發現在橫跨疇邊界處有微小的晶格剪切應變。和單疇晶體中觀察到的銳轉變不同，由于疇內局部相滑移的形成，跨疇邊界傳輸研究表明出現兩種不同的轉變過程的寬阻超導轉變，這表明疇邊界對二維材料超導性有重要影響。

文獻連接：Unique Domain Structure of Two-Dimensional α-Mo2C uperconducting Crystals（Nano Letters，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01265）

8、JACS：揭示TiO2染料敏化太陽能電池快速電子傳輸的奧秘

圖8 Marcus理論的勢能圖

從光活化染料分子向半導體基底的電子傳輸是染料敏化太陽能電池的發展的一大瓶頸。ZnO的帶寬及能帶位置都與TiO2相近，但其電子遷移率卻更大，因此，有望取代TiO2來提高染料敏化太陽能電池的效率。

中國科學院半導體研究所、中國科學技術大學和中國科學院大學的Jun-Wei Luo（通訊作者）等通過Marcus理論第一性原理計算分別研究了從染料分子向ZnO和TiO2的電子傳輸。計算得到的TiO2染料敏化太陽能電池的電子遷移率約為1.15 e9 s?1，比ZnO染料敏化太陽能電池大很多，這和實驗結果相一致。研究人員發現導致這一現象的原因主要是TiO2在導帶邊緣的態密度遠大于ZnO。中國科學院半導體研究所，中國科學技術大學和中國科學院大學的這項研究也為通過半導體的高遷移率光陽極表面設計增加染料敏化太陽能電池的效率提供了設計原理。

文獻連接：Revealing the Origin of Fast Electron Transfer in TiO2?Based Dye-Sensitized Solar Cells（J. Am. Chem. Soc.，2016，DOI: 10.1021/jacs.6b03524）

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本期周報由國內材料周報小組以亦、矢志不渝撰寫，材料牛編輯整理。