頂刊動態｜Nature：7月材料前沿科研成果精選

Nature七月精選預覽：美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室設計出高效二維四方共生結構鈣鈦礦太陽能電池；瑞士洛桑聯邦理工學院利用MoS2納米孔構建納米發電機；都柏林圣三一學院利用納米折紙實現熱激活的石墨烯自組裝；以色列魏茨曼科學研究所實現以庫侖斥力為媒介的電子吸引；荷蘭萊頓大學實現帶紋理機械性能超材料的組合設計；加州大學伯克利分校發現狄拉克半金屬Cd3As2中費米弧介導手性傳遞的輸運證據；韓國基礎科學研究院和韓國科學技術院在沸石模板中鑭催化合成微孔三維石墨烯狀碳材料。

1、高效二維四方共生結構鈣鈦礦太陽能電池

圖1 n=3和4時的二維鈣鈦礦晶體結構

鈣鈦礦電池因為其獨特的光電物理特性，成為第三代太陽能電池中最具潛力的薄膜太陽能電池，從2009年的3%的效率，經過短短幾年的發展，現在已經突破22%。而今面臨的另一難題就是如何在大氣環境下制備電池并能保證電池的穩定性。有人報道的二維四方共生結構的鈣鈦礦太陽能電池，已經證實了其優異的穩定性，但是光電裝換效率只有4.73%。該電池效率低的主要原因是鈣鈦礦平面外的電子傳輸被有機基團阻擋，這就像是無機導體板中間夾雜了很多絕緣層。

美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室 Aditya D. Mohite（通訊作者）等人利用近單晶做成的層狀鈣鈦礦解決了上述問題，原因是這種無機鈣鈦礦因為單晶結構會形成一個很好的陣列式的薄膜太陽能電池板，這就促進了鈣鈦礦中電子的傳輸，從而使電池在沒有任何滯后現象的情況下，光電轉換性能達到12.52%。這種電池在未封裝的情況下，在一個太陽光下連續照射2250個小時，其性能還可以維持在60%。而封裝后的電池在相同的環境下，性能無衰減。

文獻鏈接：High-efficiency two-dimensional Ruddlesden–Popper perovskite solar cells（Nature，2016，doi:10.1038/nature18306）

2、MoS2納米孔構建納米發電機

圖2 MoS2納米孔捕獲滲透能量

利用海水和淡水之間的滲透壓力差發電是清潔、可再生能源中的一種有效方式，俗稱“藍色能源”。當電解質受到孔隙、壓力梯度或者鹽濃度梯度引起的滲透電勢的驅動作用時，往往會發生另外一種稱之為“流動電勢”的電動力學現象。由于水在膜中的傳輸性能和膜的厚度成反比，所以，在這種“流動電勢”現象中，二維材料制備的膜有望成為最高效的材料。

瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）Jiandong Feng（通訊作者）和Aleksandra Radenovic（通訊作者）等人報道了一種利用單層MoS2納米孔構建滲透式納米發電機的方法。研究人員發現，由于MoS2薄膜的原子級超薄特性，鹽濃度梯度形成的滲透壓可產生較大的電流，其能量密度高達106 W m-2。為了滿足納米電子器件和光電器件低供能的需求，往往需要設計一個相鄰的納米發電機來實現局部環境中的能量捕獲。譬如，壓電ZnO納米線陣列，或者單層MoS2。研究人員成功利用MoS2納米孔發電機為MoS2晶體管供能，從而構建了一個自供能納米系統。

文獻鏈接：Single-layer MoS2 nanopores as nanopower generators（Nature，2016，doi:10.1038/nature18593）

3、納米折紙——熱激活的石墨烯自組裝

圖3 石墨烯的自組裝

石墨烯及相關二維材料具有優異的機械性能，既可以像折紙藝術一樣進行折疊，又可以像剪紙藝術一樣進行裁剪。宏觀片層和二維材料之間的核心區別在于：二維材料的分子級超薄特性確保其大量面外運動的熱活化。熱活化可使不受約束的石墨烯片產生局部褶皺，有助于研究人員更好地從理論上理解石墨烯的熱穩定性，并產生意想不到的長程彎曲硬度。

都柏林圣三一學院Graham L. W. Cross（通訊作者）報道了熱活化對于二維材料更為重要的影響：引發大規模自發的、自驅動的從基底撕裂和剝離的行為。研究表明，可擴展的納米壓印型接觸技術可以引起成核和引導石墨烯帶的平行自組裝，在環境壓力下得到可控的形狀。根據斷裂力學模型，熱力學作用力驅動石墨烯-石墨烯界面的形成，以取代石墨烯-界面的接觸，從而實現多層石墨烯的自撕裂和自剝離。這項工作展示了石墨烯通過簡單的折疊配置，實現了利用表面的弱物理作用力撕裂強大的共價鍵作用力。這對于基于二維材料的器件的圖案化和力學驅動起到了很好的借鑒。

文獻鏈接：Self-assembly of graphene ribbons by spontaneous self-tearing and peeling from a substrate（Nature，2016，doi:10.1038/nature18304）

4、以庫侖斥力為媒介的電子吸引

圖4 模型系統及其基礎構建模塊的實驗實現

基礎物理學的一個原理認為，帶相似電荷的粒子相互排斥，但在固體中不可思議的事情卻有可能發生：電子可以聚到一起。在合適的晶格振動幫助下，電子能克服它們的排斥力形成 “界偶” (bound pair)，這是能導致超導性的一個眾所周知的效應。

以色列魏茨曼科學研究所的 Shahal Ilani（通訊作者）等人設計產生了一個在其他電子幫助下電子相互吸引的甚至更為奇特的效應。 他們是通過以亞微米的高精度將兩個碳納米管電子裝置相鄰放置做到這一點的。被約束在一個碳納米管中一個小區域內的電子之間的排斥力可以通過準確放置和調整另一個碳納米管而被轉變成吸引力。這項研究解決了關于電子配對是否可能這樣一個長期未解的基礎問題，為量子電子裝置提供了一個新穎的平臺。

文獻鏈接：Electron attraction mediated by Coulomb repulsion（Nature，2016，doi:10.1038/nature18639）

5、帶紋理機械性能超材料的組合設計

圖5 體元機械超材料

眾所周知，普通的材料，無論是電腦顯示器還是咖啡杯，甚至寵物貓，都是由原子和分子組成的。材料的狀態（固體、液體、氣體等）和它的特性（如導電率、硬度等）都是由它們的化學成分決定的。而超材料則是一種由人來設計的材料，它是由比原子或分子更大的基本單位組成的，因此其狀態和特性都是由基本單位的屬性，而非其化學成分，決定的。

荷蘭萊頓大學Corentin Coulais（通訊作者）等人提出了一種非周期性、存在空間紋理功能性的機械超材料的設計合成策略。研究者利用具有變形各向異性的立方體積木體元實施了這個設計策略，一個局部堆疊規則通過確保變形積木組合在一起，作為一個三維拼圖和三維印刷允許協作形狀的變化。這些非周期性超材料存在長程全息有序，由此，兩維像素化表面紋理表明了三維內部體素的排列。研究者指出：盡管超材料都是由相同的基本材料（分子、原子）組成的，但是構建超材料的基本單元尺寸會更大，往往以納米、微米，甚至毫米或厘米計。實際上我們人為地創造了有這些單元組成的一個結構，它的特性是由幾何結構決定的。這種可編程設計合成的超材料，這不僅可能改變殘疾人的生活，甚至有可能顛覆整個可穿戴技術和軟機器人領域。

文獻鏈接：Combinatorial design of textured mechanical metamaterials（Nature， 2016， doi:10.1038/nature18960）

6、狄拉克半金屬Cd3As2中費米弧介導手性傳遞的輸運證據

圖6 微結構的表面振蕩

處在金屬中的載流子的色散與自由電子存在著明顯差異，這是由于它和晶格之間存在相互作用。這種相互作用會產生類似高能粒子物理中無質量相對論動力學描述的準粒子，使電子的量子相轉移到拓撲非平庸節點，繼而產生受保護的、具有反常電磁特性的表面態。這些效應交織存在于我們所說的Weyl半金屬中，同時也存在于它的類似物——晶體對稱性受保護的狄拉克半金屬中。而后者在三維空間中呈現一種可由兩個Weyl方程（描述無質量相對論費米子的理論模型）表述的線性電子色散。在晶體表面，平移對稱性的破缺將導致拓撲表面態的產生，也就是所謂的“費米弧”，它是高能物理或者傳統凝聚態系統理論體系所不能解釋的。

加州大學伯克利分校物理系Philip J. W. Moll（通訊作者）和James G. Analytis（通訊作者）展示了用聚焦離子束方法制備的Cd3As2微結構中的舒勃尼科夫-德哈斯振蕩(Shubnikov–de Haas oscillations)現象，結果驗證了理論方法預測的“Weyl軌道”——也就是將費米弧與手性體態交織在一起的回旋運動的存在。與傳統的回旋軌道不同，這種運動不是由洛倫茲力的動量傳遞引起的，而是由手征從一個Weyl節點到另一個的轉移驅動的。本文的觀測結果為輸運實驗中實現對電荷拓撲性質的直觀檢測提供了證據，向著它們潛在深入的應用邁出了第一步。

文獻鏈接：Transport evidence for Fermi-arc-mediated chirality transfer in the Dirac semimetal Cd3As2（Nature，2016，doi:10.1038/nature18276）

7、在沸石模板中鑭催化合成微孔三維石墨烯狀碳材料

圖7 三維類石墨烯微孔碳的結構

具有周期性納米孔的三維石墨烯——令人想起沸石框架——由于可能結合了石墨烯和三維孔結構，引起了人們的關注。近年來，人們使用作為模板的沸石和能進入其狹窄孔隙的小分子碳氫化合物，已經合成了此類碳材料。然而，碳氫化合物的熱解碳化（產生純碳的必要步驟）需要高溫，且會在孔外造成非選擇性積碳。

韓國基礎科學研究院和韓國科學技術院的Ryong Ryoo（通訊作者）等人證明了將鑭離子嵌入沸石可以降低乙烯或乙炔碳化所需的溫度。這樣，石墨烯狀的碳結構可以在沸石模板中有選擇地形成，且沸石外表面沒有積碳。碳化作用后的沸石單晶X-射線衍射數據顯示，與碳原子相對應的電子密度沿著沸石孔隙的壁產生。將沸石模板除去之后，碳骨架展現了比無定型介孔碳高兩個數量級的電導性。鑭催化使沸石孔隙中形成小于1 nm直徑的碳骨架；同樣的，使用相應的不同孔尺寸和形狀的沸石，能夠制備出具有各種各樣拓撲結構的碳納米結構。研究者展示了使用大孔沸石（FAU, EMT和beta）、一維中孔沸石（LTL）甚至小孔沸石（MFI和LTA）進行的碳合成。催化效應是鑭、釔和鈣的共同特征，它們都是催化碳化物形成的金屬元素。研究者同時證明了此合成可以很容易的大規模進行，使其具有重要的實際應用價值，如鋰離子電池和沸石狀催化劑載體的生產。

文獻鏈接: Lanthanum-catalysed synthesis of microporous3D graphene-like carbons in a zeolite template（Nature，2016，doi:10.1038/nature18284）

本文由材料人編輯部學術組靈寸供稿，材料牛編輯整理。

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