頂刊動態丨Nature子刊/Nano Lett.等電子材料前沿最新科研成果精選【第18期】

本期精選預覽：同濟大學等：ACS Nano 雜原子定點取代制備具有顯著增強的光電化學性能的非晶半導體納米線；中國科學院北京納米能源與系統研究：ACS Nano 納米柱陣列摩擦納米發電機作為睡眠監測系統的自供電傳感器；Adv. Funct. Mater. 從白到紅：基于具有電場色度依賴性卟啉的發光電化學電池；Nat. Commun. 石墨烯等離子體絲帶與金屬狹縫陣列耦合中的電子可調的光傳輸；中國科學院福建物質結構研究所：Angew. Chem. Int. Ed. CsAg5Te3中的協同撞擊導致超低的導熱性和高熱電性能；JACS 金屬油酸鹽誘導刻蝕以及半導體納米晶體/棒的生長及其異質結構；Nano Lett. 化學氣相沉積高度各向異性ReS2單層膜的區域結構和晶界；Nano Lett. 純凈水中遠程控制自推進游進物的石墨烯噴射納米發動機。

1、ACS Nano 雜原子定點取代制備具有顯著增強的光電化學性能的非晶半導體納米線

圖1 晶體ZGO通過Si原子的定點取代Zn原子形成非晶ZSGO示意圖

廣泛研究的半導體納米線通常都是結晶相的。非晶半導體納米線在光電器件方面有很多優秀的性能，如更高的比表面積、更高的表面活性和更高的光捕獲能力等，但是因為非晶半導體納米線合成困難，使得其很少被研究。

同濟大學的楊金虎教授（通訊作者）和香港科技大學的Shihe Yang（通訊作者）以Zn2GeO4（ZGO）為研究對象，發展了一種液相離子交替沉積方法，通過異原子在ZGO晶胞中不同位置實現定點取代，從而制備具有可調節的非晶/結晶Si摻雜的ZGO納米線結構。當Si原子取代Zn或Ge原子的時候使得納米線成鍵網絡不同程度的扭曲，導致形成非晶的Zn1.7Si0.3GeO4（ZSGO）和結晶的Zn2(GeO4)0.88(SiO4)0.12 (ZGSO)納米線，他們分別具有不同的帶隙。

相對于這項工作中的結晶ZGSO和ZGO納米線，以及以前的報到的ZGO光催化劑，非晶ZSGO納米線陣列在光電化學分解水方面，其性能得到了顯著增強的效果，例如更高和更穩定的光電流，更快的光響應和恢復速度。非晶ZSGO納米線具有更高的捕光能力，更快的電荷分離和更高的表面催化活性，這些顯著的性能使其在光電器件方面具有很大的優勢。

文獻鏈接：Amorphous Semiconductor Nanowires Created by Site-Specific Heteroatom Substitution with Significantly Enhanced Photoelectrochemical Performance（ACS Nano, 2016, DOI: 10.1021/acsnano.6b03801）

2、ACS Nano 納米柱陣列摩擦納米發電機作為睡眠監測系統的自供電傳感器

圖2 納米柱陣列摩擦納米發電機結構示意圖

睡眠障礙是影響了許多人的主要健康問題，其常見的臨床診斷是基于傳感器監測氣流呼吸、胸廓呼吸運動、身體運動等。這些監測設備一般需要笨重的電池組或連續使用電插頭，以實現極端的敏感性。此外，準確地監測由睡眠呼吸暫停引起的身體運動，尤其是那些大量時間在睡眠中度過的孩子，這些設備是難以實現的。因此，一種無需額外的電源而自驅動的智能傳感器顯得非常迫切需要。

近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士（通訊作者）及孫春文研究員（通訊作者）介紹了一種解決上述問題的有效方法，即使用一種基于鋁?塑料復合薄膜（APLF）的敏感摩擦納米發電機作為身體運動傳感和睡眠監測的自供電裝置。此種結構類型的摩擦納米發電機的輸出電壓和電流都有所增強，從而大大提高了裝置的靈敏度。此外，該工作也可以擴展到其他慢性疾病的實時監測，如監測高血壓、糖尿病、腦病、骨病等。

文獻鏈接：Nanopillar Arrayed Triboelectric Nanogenerator as a Self-Powered Sensitive Sensor for a Sleep Monitoring System（ACS Nano, 2016, DOI: 10.1021/acsnano.6b04344）

3、Adv. Funct. Mater. 從白到紅：基于具有電場色度依賴性卟啉的發光電化學電池

圖3 （a）為LEC器件圖解（b）器件工作機制（c）H2TPP和ZnTPP卟啉化學結構

紅外激發的游離堿電致發光（H2TPP）和Zn修飾過的卟啉（ZnTPP）之間的不同通過電場依賴效應來看在光激發電化學電池中是合理的，他們分別可用于制備白色帶和紅色帶設備。盡管H2TPP比ZnTPP便顯出更加優異的電化學和物理特性，然而ZnTPP器件在光致發光和場致發光中其特性卻突出的好，變現為紅色帶，而H2TPP器件并未獲得預期效果表現為白色帶電致發光。一些標準參數，例如降級、器件結構、器件機制以及激發狀態下性質的變化已經不再被使用。

近日來自埃朗根-紐倫堡大學Michel Bockstedte（通訊作者）和的Rubén D. Costa（通訊作者）基于電化學阻抗譜和第一原理結構方法，提供了一種證明即電致發光來自于兩種H2TPP的異構體，其中內內部H原子放置在共線或其附近位置。他們光學特性的組合同時為高和低能量EL提供了解釋。由于Soret激發態保持較高的能量，發射激發態的性質是被歸于Q帶。這與傳統的假設中將重點放在H2TPP照明設備中不同，因此，該工作對H2TPP的高能量EL帶所屬性質提供了一個新的解釋，這將對關于分子基自然光激發器件的未來工作具有激勵作用。

文獻鏈接：From White to Red: Electric-Field Dependent Chromaticity of Light-Emitting Electrochemical Cells based on Archetypal Porphyrins（Adv. Funct. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adfm.201602252）

4、Nat. Commun. 石墨烯等離子體絲帶與金屬狹縫陣列耦合中的電子可調的光傳輸

圖4 器件及其工作機制

金屬狹縫陣列已被證明具有獨特的光學傳輸性能，憑借其凹凸的表面，等離子體電漿創造性的促進了光傳播。這種干涉發生需要復雜的平衡，并且共振傳播對于環境的變化高度敏感。在過去5年中對于創造石墨烯等離子體振子基光調制器的工作已經做了很多，這些設備可以利用石墨烯獨特的等離子體振子色散關系，并且表現出具有較多限制因素的可見光模式。

近日來自加州理工學院的?Harry A. Atwater（通訊作者）論證了利用可見光傳輸共振與靜電可調的石墨烯等離子體絲帶相耦合可以創造出中紅外光靜電調制器。位于金屬狹縫內的石墨烯等離子體帶狀物的光學吸收可以有效阻止共振傳輸的耦合通道，抑制傳輸。通過該機制全波模擬可以預測95.7%的傳輸調制。實驗測試中表明當波數為1397 cm-1時傳輸效率為28.6%。對應于沒有金屬狹縫陣列時傳播提高了2.67倍。這項工作為提高采用貴金屬電漿結構的石墨烯等離子光調制鋪平了道路。

文獻鏈接：Electronically tunable extraordinary optical transmission in graphene plasmonic ribbons coupled to subwavelength metallic slit arrays (Nat. Commun., 2016, DOI: 10.1038/ncomms12323)

5、Angew. Chem. Int. Ed. CsAg5Te3中的協同撞擊導致超低的導熱性和高熱電性能

圖5 CsAg5Te3的ZT值、晶體結構和能帶寬度

熱電（TE）材料可以直接講熱能轉化為電能，然而在其中引入具有較高轉換效率的新材料是一個極大的挑戰，因為在單一材料中要求表現出相互依存的電和熱傳輸性能組合是很罕見的。在TE中效率是由優值系數ZT=（S2σ）T /κ定義的，其中S是塞貝克系數，σ是電導率，κ是總熱導率， T是絕對溫度。

中國科學院福建物質結構研究所的吳立明研究員（通訊作者）和美國西北大學的Mercouri G. Kanatzidis教授（通訊作者）提出了一種新的p型熱電材料，CsAg5Te3，其呈現出超低的晶格熱導率（約為0.18 Wm?1?K?1），而且在727K的條件下具有大約1.5的ZT值。該材料的晶格熱導率在最先進的熱電材料中是最低的；它是由于一種之前未知的聲子散射機制導致的，該機制涉及一組Ag離子的協同撞擊作用，從而大幅度提高了材料的Grüneisen參數。

文獻鏈接：Concerted Rattling in CsAg5Te3 Leading to Ultralow Thermal Conductivity and High Thermoelectric Performance (Angew. Chem. Int. Ed., 2016, DOI: 10.1002/anie.201605015)

6、JACS 金屬油酸鹽誘導刻蝕以及半導體納米晶體/棒的生長及其異質結構

圖6 (a) CdS納米棒透射形貌 (b)高分辨率Z襯度掃描透射 (c)高倍透射 (d) CdS納米棒上CdSe替代ZnSe生長示意圖 (e) CdS納米棒吸收發射光譜

利用常用的金屬前體和金屬油酸鹽，在納米晶體、納米棒及其異質結構上進行刻蝕的研究已有報道。例如，油酸鋅能夠非均質地刻蝕CdS納米棒，油酸鈉能夠增強蝕刻速率，但是油酸單獨不起蝕刻作用，說明油酸誘導刻蝕中陽離子的重要性。

伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的Moonsub Shim（通訊作者）等人在油酸鋅溶液中加入的Se前體，可使CdS納米棒發生局部蝕刻，最終在納米棒上外延生長CdSe顆粒。該研究表明，通過控制油酸的過量程度和反應溫度，該外延生長的組合物可以從CdSe轉變為ZnSe。如利用CdSe/CdS/CdSe構成的棒/棒/棒異質結構和球形的CdS（或者CdSe/CdS核/殼結構）納米晶體，也可以觀察到類似的成分調整。該研究結果對納米異質結的合成具有重要意義，也為改變此類材料的組成和形態研究開辟了新路線。

文獻鏈接：Metal Oleate Induced Etching and Growth of Semiconductor Nanocrystals, Nanorods, and Their Heterostructures（JACS, 2016, DOI: 10.1021/jacs.6b03834）

7、Nano Lett. 化學氣相沉積高度各向異性ReS2單層膜的區域結構和晶界

圖7 （a）單層ReS2的結構示意圖 光學圖像呈現（b）三角形（c）方向不同的六邊形（d）幾乎融合的六邊形（e）完全融合的單層ReS2

最近研究表明，呈各向同性的氣相合成二維材料MoS2和WS2具有清晰的晶界和明顯的區域結構，這和ReS2一類的二維各向異性材料差異巨大。

美國亞利桑那州立大學的Sefaattin Tongay（通訊作者）等人的研究實現了晶體各向異性的化學氣相沉積ReS2，建立了高度對稱ReS2片的區域結構，并在子域范圍內確定了Re鏈方向。該研究還提供一種原子級別的ReS2晶界觀察方式。結果出人意料地發現，Re鏈在晶界處相互作用所形成的集群和空位缺陷，能夠通過改變Re鏈方向和沿b軸將Re鏈旋轉180°的方式，對晶體結構產生強烈的影響。總體結果不僅顯示出區域結構和各向異性二維結構系統的曙光，而且還使化學氣相沉積的、各向異性生長的ReS2首次應用于實際，如需要滿足二向色性和線性偏振的光子及光電子學領域。

文獻鏈接：Domain Architectures and Grain Boundaries in Chemical Vapor Deposited Highly Anisotropic ReS2 Monolayer Films（Nano Lett., 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02766）

8、Nano Lett. 純凈水中遠程控制自推進游進物的石墨烯噴射納米發動機

圖8 基于石墨烯的遠程控制納米發動機

近年來，為了克服低雷諾數區域和布朗運動產生的推進困難，一些不同種類的由外部刺激和/或化學反應推進的微/納米游進物得到了發展。但是，這些游進物只有在過氧化氫燃料的存在下，才能呈現其自主的自我推進，這極大的限制了其應用。

近日，伊朗沙力夫理工大學的Omid Akhavan（通訊作者）首次報道了基于石墨烯的無燃料納米發動機，其工作機理是基于純水中質量（石墨烯片）噴射推進機構。石墨烯片成分之間的鈉-水反應使得石墨烯片從鈉夾層石墨游進物末端高速噴射（速度高達7000 m/s），導致局部氫氣的產生，積累和爆炸, 而期間無將任何化學物質加入水中作為燃料。作者還對不同尺寸游進物的運動學和動力學進行了研究。此外，TiO2納米粒子光催化劑裝飾的游進物的運動方法可通過在UV輻射下施加磁場進行控制。

文獻鏈接：Graphene Jet Nanomotors in Remote Controllable Self-Propulsion Swimmers in Pure Water（Nano Lett., 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02175）

本期內容由材料人電子電工學術組forest、王小瘦、Newgate、李小依供稿，材料牛編輯整理。

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