頂刊動態丨Nature子刊/AM/ACS Nano等電子材料最新學術進展匯總（電子周報第15期）

本期導讀：今天電子電工材料周報組邀您一起來看看ACS Nano/ Advanced Materials/ Nature Communications/ Nano Letters等期刊電子材料領域最新的研究進展。本期內容預覽：高性能鱗片狀應變傳感器，全方位探測人體運動；二維聚合物晶體管；Shiba晶格中的二維手性拓撲超導性；摩擦納米發電機驅動自供能的電化學過程在能源與環境科學中的前景分析（綜述）；缺陷工程對單個碳納米管力學性能的可逆調諧；通過共振工程實現有機半導體動態調諧的最優自適應性；三維三葉萘嵌苯螺旋槳結構組建有機電子器件；Au（111）上準自支撐MoS2納米碎片的電子結構和熒光。

1、ACS Nano：高性能鱗片狀應變傳感器，全方位探測人體運動

圖1 (a) FSG應變傳感器制備圖示，(b) 傳感器照片，(c)(d) FSG應變傳感器頂層和截面的SEM微觀形貌圖

具高延伸性、廣感應范圍及高靈敏性的應變傳感器在電子皮膚及健康監管系統等領域有著潛在的應用前景，因而對其的需求亦越來越多。要進一步實現對人體運動（包括細微的脈動到劇烈運動）進行全方位監測，探測大范圍形變時，需要應變材料在較大應變下依然能維持其內部間的結構聯系，同時細小應變材料的微觀結構亦能在微小的形變下發生顯著的變化。

清華大學的石高全（通訊作者）帶領的研究團隊設計了一種魚鱗狀，石墨烯傳感層的高性能應變傳感器。這種應變傳感器可通過拉伸/收縮氧化石墨烯和彈性帶復合薄膜來制備，使得整個過程制備簡單、成本低、節能且可大規模制備。這種傳感器可用于大范圍傳感（可高達82%的形變范圍）探測拉伸和彎曲形變、高靈敏（靈敏度可達16.2~150）、超低的探測限度（<0.1%形變量）及絕佳的可靠性和穩定性（>5000循環使用壽命）。因此，這種傳感器有著很大的實際應用前景，例如可用于全方位監測人體活動。

文獻鏈接：High-Performance Strain Sensors with Fish-Scale-Like Graphene-Sensing Layers for Full-Range Detection of Human Motions（ACS Nano，2016，DOI：10.1021/acsnano.6b03813）

2、Adv. Mater.：二維聚合物晶體管

圖2 傳統聚合物晶體管和二維聚合物晶體管比較總覽

有機場效應晶體管（OFETs）是如今不斷發展起來的低成本、環境友好型柔性電子設備的中心元件。新興發展起來的施主-受體（D-A）共聚物被證實在OFET的制備上有著潛在的應用前景，因其可溶液加工、具靈活的柔韌性及高雙極性性能。而將平面處理過程引入OFETs也有很多益處，不必擔憂會與基底接觸，通過多種技術可制備高質量、大面積、超薄的有機半導體（OSC）薄膜。另外，可自行校準的柵極及S/D電極可消除電極間重疊從而誘導寄生電容來減緩運行速度。

東國大學的Yong Xu（通訊作者）和Yong-Young Noh（通訊作者）及華東師范大學的李文武（通訊作者）帶領的研究團隊設計了經平面處理后的二維聚合物晶體管，晶體管內有效電荷的釋放及分裂單極電荷的傳輸均在聚合物薄膜表面進行，表現出前所未有的理想設備特點。這種技術帶來了針對于制備限制問題的絕佳解決方法，以及共軛聚合物晶體管在實際應用中性能上的改進。

文獻鏈接：Planar-Processed Polymer Transistors（Adv. Mater.，2016，DOI：10.1002/adma.201601589）

3、Nat. Commun.：Shiba晶格中的二維手性拓撲超導性

圖3 Shiba晶格系統中的拓撲超導性

手性p波超導體是支持非阿貝爾（non-Abelian）型任意子物質狀態的典型例子，是外源準粒子的最佳理想型，同時這也是制造拓撲量子計算機這個遠大目標的基本。盡管已有一些制備塊體手性超導體的候選材料，但他們實際的配對狀態依然是一個廣受爭議的問題。

普林斯頓大學B. Andrei Bernevig（通訊作者）的研究團隊提出一個可供選擇的在二維上獲得手性超導體的新方法，包含有用磁性雜質的二維晶格修飾后的普通超導體的表面。將磁性吸附原子薄層，如Fe或Co放入具強自旋軌道耦合的傳統s波超導體表面，如Pb，形成一個一維鏈或由鐵磁性定向的二維島。得到磁性-雜相-誘導束縛態的晶格結構，或稱Shiba晶格，表現出手性拓撲超導性及相關的手性Majorana邊界模式。在二維下，一個或多個Majorana模式的產生取決于磁性吸附原子的密度，通過隧道技術，這些模式便能檢測到。

文獻鏈接：Two-dimensional chiral topological superconductivity in Shiba lattices（Nat. Commun.，2016，DOI：10.1038/ncomms12297）

4、Adv. Energy Mater.：摩擦納米發電機驅動自供能的電化學過程在能源與環境科學中的前景分析（綜述）

圖4 近3年TENG及自供電電化學系統的發展

自王中林院士于2012年1月發現摩擦納米發電機（TENG）以來，摩擦納米發電機的基本機制及自驅動系統研究取得了多方面的突破性進展。摩擦納米發電機在傳感器和便攜式設備作為微型能源收集的應用中表現出了許多優勢。作為一種自給能源，摩擦納米發電機可與電化學過程結合，形成不使用外部電源的自供電的電化學。

來自北京科技大學的王寧副教授（通訊作者）和佐治亞理工學院的王中林院士（通訊作者）等人對摩擦納米發電機在自供電的電化學系統應用（如水分離、海水淡化、空氣污染凈化、有機污染物降解、重金屬離子收集等）的發展和該領域的發展趨勢做出了詳細的綜述。他們還展望不使用外部電源執行電化學過程的想法將會在環境科學中得到大規模應用。最后，他們重點強調了基于TENG的藍色能源收集的自供電能量轉換與利用的技術水平進展。

文獻鏈接：Triboelectric Nanogenerators Driven Self-Powered Electrochemical Processes for Energy and Environmental Science（Adv. Energy Mater.，2016，DOI: 10.1002/aenm.201600665）

5、Nano Lett.：缺陷工程對單個碳納米管力學性能的可逆調諧

圖5 碳納米材料缺陷工程

在完美蜂窩晶格面中采用超強共價C?C鍵連接的SP2碳納米材料，具有令人驚嘆的機械性能。以碳納米管（CNTs）為例，理論計算表明其無缺陷結構的楊氏模量和拉伸強度分別為~1 TPA和> 100 GPa。然而，在大多數實際測試中，上述機械性能是非常難實現的，因為在碳納米管中不可避免的存在缺陷。因此，碳納米管和石墨烯中一般都不希望有缺陷的存在，尤其是在加固應用中。而另一方面，可控的缺陷處理方法（缺陷的引入、消除），可以巧妙地應用到碳納米結構性能工程中。

來自廈門大學的王鳴生（通訊作者）等人提出了不同于以往對諧振器調諧方法（雙夾腔諧振器：改變管長或其張力；單夾腔諧振器：改變連接、封裝的金屬粒子沿碳納米管懸臂的位置），即缺陷工程路線對諧振頻率進行調諧。他們通過使用原位透射電子顯微鏡（TEM）提出了一個完全可控缺陷處理技術。諧振器的楊氏模量、品質因數和碳納米管抗拉強度可以可逆、重復調諧。可逆頻率調諧碳納米管諧振器表明上述缺陷工程技術具有獨到的精度：諧振器頻率可調諧至0.1% /分鐘的精度，與現有的方法相比提高了1個數量級。

文獻鏈接：Reversible Tuning of Individual Carbon Nanotube Mechanical Properties via Defect Engineering.（Nano Lett.，2016，DOI：10.1021/acs.nanolett.6b02287）

6、JACS：通過共振工程實現有機半導體動態調諧的最優自適應性

圖6 （1）N-P = X（X為O和S）鍵共振變化之間的相關性，B.O. 是指鍵序；（b）連接D-r-A系統的P = O和P = S雙變性的諧振特性之間的差異

目前對有機半導體靜態狀態的最佳材料特性和器件性能的探索受到在器件操作過程中動態變化的分子狀態以及電荷傳輸和能量傳遞過程的限制。

南京郵電大學的陳潤鋒（通訊作者）和黑龍江大學的許輝（通訊作者）以及南京工業大學的黃維（通訊作者）等人提出了一個簡單而成功的策略，基于共振變化動態動態調諧（RVDA），通過有機半導體材料的動態調諧的諧振變化工程在供體 - 共振 - 受體分子中實現最優的自適應性能。由這些RVDA材料制備的有機發光二極管表現出非常高的性能，具有高達21.7%外量子效率以及良好的設備穩定性。該小組的方法支持通過共振工程同時實現動態調整和選擇性增強的屬性，這說明了一種制備具有動態結構和性能調制的智能有機半導體的可行設計圖，這促進有機電子從靜態轉變到動態的研究。

文獻鏈接：Achieving Optimal Self-Adaptivity for Dynamic Tuning of Organic Semiconductors through Resonance Engineering （JACS，2016，DOI: 10.1021/jacs.6b05042）

7、JACS：三維三葉萘嵌苯螺旋槳結構組建有機電子器件

圖7 基于TPH 4b（圖a，b）和TPH-Se 6a（圖c，d）的微納OFETs的典型的轉移和輸出特性

近幾十年來，萘嵌苯染料包含擴展的共軛骨架結構得到了廣泛關注，這是由于其具有獨特的分子結構、顯著的電光性能、迷人的自組裝行為以及可作為高性能的n型有機半導體應用于各個研究領域的潛力。

中國科學院化學研究所的Yan Li（通訊作者）和王朝暉（通訊作者）以及北京航空航天大學的孫艷明（通訊作者）等人有效地合成了兩種共軛C3對稱二萘嵌苯染料，即TPH和TPH-Se。TPH和TPH-Se在300?600 nm范圍內都具有寬的強吸收區，且具有合適的約?3.8 eV的LUMO能級。單晶X-射線衍射研究表明TPH顯示出極其扭曲的三片式螺旋槳配置和獨特的3D網絡組件，在TPH分子中三個PBI亞基與相鄰TPH中的PBI亞基具有強的π?π 分子間相互作用。硒吩整合在TPH上賦予TPH-Se更扭曲的螺旋槳配置和更緊湊的三維網絡組件，這是由于SE???O相互作用。單晶晶體管證實了TPH和TPH-Se具有良好的電子傳輸能力。基于TPH和TPH-Se受體的太陽能電池分別顯示出了高達8.28%和9.28%的功率轉換效率，這主要是寬的強吸收能力、合適的LUMO能級、理想聚集、高電子遷移率以及具有聚合物施主良好的薄膜形態綜合導致的。

文獻鏈接：Three-Bladed Rylene Propellers with Three-Dimensional Network Assembly for Organic Electronics （JACS，2016，DOI: 10.1021/jacs.6b04368）

8、Nano Lett.：Au（111）上準自支撐MoS2納米碎片的電子結構和熒光

圖8 Au(111)上MoS2的表征圖像

目前許多二維材料和它們形成的異質結構正在被廣泛地研究，以期廣泛地應用于各個領域。比如，這其中過渡金屬硫化物（TMDC）由于具有在可見光范圍內的帶隙，可以應用在光電器件中。此外，當體材料的MoS2、WS2、MoSe2和WSe2減薄至單層時，量子限域效應將會引起電子能帶的移位并在K點出現直接帶隙。而這將會導致急劇增強的光子吸收和光致發光效率。因而TMDC優異的光學性能使其在二維光電探測器、傳感器或電致發光器件等方面具有很好的應用前景。

德國柏林自由大學的Christian Lotze（通訊作者）等人在晶面為（111）的Au上生長單層MoS2，發現得到的MoS2納米碎片與自支撐MoS2的模擬結果具有相似的電子結構。研究人員認為這是由于電子從Au襯底解耦并結合到完整MoS2層下方的空位群島中所導致的。MoS2碎片被來自掃描隧道顯微鏡探針的電子激發，這導致MoS2結的熒光并反映了準自支撐層的單電子能帶結構。

文獻鏈接：Electronic Structure and Luminescence of Quasi-Freestanding MoS2 Nanopatches on Au(111) （Nano Lett.，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02101）

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本期內容由材料人電子電工材料學習小組李小依、天行健和大黑天供稿，材料牛編輯整理。

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