納米材料前沿研究成果精選匯總二
1、ACS Nano: 化學氣相沉積法制備大面積單晶六方氮化硼
六方氮化硼(h-BN)是一種與石墨烯具有相似晶格結構的層狀材料，這些層由蜂窩狀排列的硼原子和氮原子交替組成，硼和氮之間牢固的鍵合使其成為寬帶隙的材料。然而，在實際生產(chǎn)過程中，大多數(shù)方法不可避免地產(chǎn)生大量小h-BN域，導致邊界缺陷密度增加，器件均勻性差。近日，美國康奈爾大學的Michael G. Spencer (通訊作者)等人報道了制備六方氮化硼的新方法。作者通過低壓化學氣相沉積技術，在多晶銅上制備單層的、雙層的和三層的單晶六方氮化硼。單層h-BN的橫向尺寸為300μm，雙層和三層h-BN的橫向尺寸分別為60μm和40μm，比典型的h-BN多層結構大出兩個數(shù)量級。
文獻鏈接：Chemical Vapor Deposition Growth of Large Single-Crystal Mono-, Bi-, Tri-Layer Hexagonal Boron Nitride and Their Interlayer Stacking (ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b04841）
2、Nature Communications: 碳納米管激子絕緣體
在半導體中，如果一個電子從滿的價帶激發(fā)到空的導帶上去，則在價帶內產(chǎn)生一個空穴，而在導帶內產(chǎn)生一個電子，從而形成一個電子-空穴對?？昭◣д?，電子帶負電，它們之間的庫侖互相吸引作用在一定的條件下會使它們在空間上束縛在一起，這樣形成的復合體稱為激子。碳納米管為低能量電子的石墨烯圓柱體，由于無效的介電屏蔽和一維性導致的增強相互作用，顯示出強烈的激子效應。近日，來自意大利CNR-NANO的Massimo Rontani(通訊作者)等人通過對零帶隙碳納米管的多體擾動理論以及量子蒙特卡羅的第一原理計算，發(fā)現(xiàn)了激子絕緣體。激子可順序調節(jié)兩個碳原子晶格之間的電荷，其尺度與管半徑的倒數(shù)成比例，同時依賴于軸向磁場。
文獻鏈接：Carbon nanotubes as excitonic insulator (Nat. Commun., 2017, DOI: 10.1038/s41467-017-01660-8）
3、Nature Communications: 雙層MoS2的應變-剪切耦合
過渡金屬二硫化合物層狀材料由于面內和面外原子間相互作用強度的差異而具有各向異性的力學性能，機械擾動對其層內或層間相互作用的影響已被眾多學者所研究，然而層與層之間的相互關系卻很少提及。近日，來自韓國西江大學的Hyeonsik Cheong和韓國高等研究院的Young-Woo Son(共同通訊作者)等人提出了層狀材料在面內單向應變和層間剪切之間具有不可避免的耦合效應。作者通過測量應變下雙層MoS2剪切模式的拉曼位移確認這個效應。此外，作者還獲得一個未探索的非對角線彈性常數(shù)，表明拉曼光譜可以確定幾乎所有層狀材料的力學常數(shù)。
文獻鏈接: Strain-shear coupling in bilayer MoS2 (Nat. Commun., 2017, DOI: 10.1038/s41467-017-01487-3）
4、Nano Lett.：鹵化鉛納米線的自催化氣液固生長及其雜化鈣鈦礦結構轉變
鉛鹵化物鈣鈦礦(LHPs)在光電器件、光電探測器、發(fā)光二極管和激光器中具有良好的應用前景。通過氣相法可以精確地控制LHP納米線(NW)的結晶度、相組成和形態(tài)。近日，美國北卡羅來納大學教堂山分校的James F. Cahoon(通訊作者)等人報道了鹵化鉛納米線的自催化氣液固生長和LHP轉變。作者提出了PbX2 納米線(NW)的生長動力學模型，通過Pb和X的氣相結合，液態(tài)Pb催化劑與鹵素X過飽和，從而誘導NW生長。研究結果表明，NWs表現(xiàn)出高效的光學天線效應，散射效率和吸收效率顯著提高，達到了同厚度薄膜的兩倍以上。
文獻鏈接：Self-Catalyzed Vapor–Liquid–Solid Growth of Lead Halide Nanowires and Conversion to Hybrid Perovskites (Nano Lett., 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b03514）
5、J. Am. Chem. Soc.：CdSe/CdS核殼結構納米晶體的制備及其光致發(fā)光特性
量子點(QDs)尺寸的膠體半導體納米晶作為重要的發(fā)光材料得到了迅速發(fā)展。特別是在顯示領域，色純度高、發(fā)光效率高、穩(wěn)定性好和良好的溶液可加工性使得量子點成為最理想的發(fā)射器。然而，目前科學家們對量子點激發(fā)態(tài)的綜合控制還處于初步的理解和研究階段。近日，浙江大學彭笑剛教授(通訊作者)等人報道了CdSe/CdS核殼結構量子點的制備及其光致發(fā)光特性的最新研究結果。研究人員以CdSe/CdS核殼結構QDs為模型，系統(tǒng)研究了殼外延、配體交換、形態(tài)轉變等對CdSe/CdS核殼結構納米晶的光物理和光化學性質的影響，建立了合成具有目標性質的QDs的技術路線。
文獻鏈接：Ideal CdSe/CdS Core/Shell Nanocrystals Enabled by Entropic Ligands and Their Core Size-, Shell Thickness-, and Ligand-Dependent Photoluminescence Properties (J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b07434）
6、Angew. Chem. Int. Ed.：層層自組裝制備導電MOF納米膜在室溫化學電阻傳感器上的應用
電子導電金屬有機骨架(EC-MOFs)是一種新興的多孔導電材料，在場效應晶體管(FET)、超級電容器、熱電器件、氧還原反應電催化劑和化學氣體傳感器等方面有著廣泛的應用。然而，高質量EC-MOFs納米膜的缺乏嚴重限制了其在高性能器件中的應用。近日，福建物質結構研究所徐剛研究員(通訊作者)等人報道了制備EC-MOFs納米膜的新方法。作者通過噴涂逐層液相外延法制備EC-MOF的可控薄膜，薄膜不僅能精確制備，而且表面光滑、結晶性好、取向度高，在氣體傳感器等方面具有很大的應用潛力。
文獻鏈接：Layer-by-Layer Assembled Conductive Metal–Organic Framework Nanofilms for Room-Temperature Chemiresistive Sensing (Angew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI: 10.1002/anie.201709558）
7、Adv. Funct. Mater.：具有光致電化學活性和環(huán)境穩(wěn)定的CsPbBr3/TiO2核殼結構納米晶
鈣鈦礦納米晶(NCs)差的穩(wěn)定性是阻礙其廣泛應用的重要因素。近日，來自美國雪城大學的Weiwei Zheng (通訊作者)等人報道了具有優(yōu)異環(huán)境穩(wěn)定性的CsPbBr3/TiO2核殼結構鈣鈦礦納米晶體及其光致電化學活性。研究人員首先采用TiO2前驅體對膠體CsPbBr3 NC進行包覆，然后在300℃下煅燒得到TiO2殼包覆的CsPbBr3核殼結構。這些近單分散的CsPbBr3/TiO2核殼結構納米晶具有十分優(yōu)異的水穩(wěn)定性，其尺寸、結構、形態(tài)和光學性質可保持3個月以上不變化，是迄今為止水穩(wěn)定性最好的無機殼鈍化的鈣鈦礦納米晶。另外，TiO2殼能夠抑制陰離子交換和光降解，大大提高了CsPbBr3核的化學穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性；而且，光致發(fā)光(PL)和(光致)電化學表征顯示導電的TiO2殼能夠提高電荷分離效率，從而提升其水中的光電活性。該研究為水相鈣鈦礦型納米晶在光電和光催化等領域的應用提供了新思路。
文獻鏈接：Photoelectrochemically Active and Environmentally Stable CsPbBr3/TiO2 Core/Shell Nanocrystals (Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201704288）
8、ACS Nano：石墨型氮觸發(fā)碳量子點的紅色熒光
碳量子點(CDs)是一種穩(wěn)定的和高度生物相容的熒光材料，在細胞標記、光學成像、LED和光電子技術方面有著廣泛的應用。近日，來自捷克帕拉茨基大學的Radek Zbo?il (通訊作者)等人報道了一種具有優(yōu)秀可控熒光的全色彩CD。經(jīng)XPS分析表明，石墨型氮濃度的增加是導致N-CD從藍色到紅色熒光轉變的關鍵因素。此外，作者還通過理論計算詳細解釋了石墨型氮在CD熒光紅移中的作用。
文獻鏈接：Graphitic Nitrogen Triggers Red Fluorescence in Carbon Dots (ACS Nano, DOI: 2017, 10.1021/acsnano.7b06399）
9、Science Advances ：一種人體輻射加熱和冷卻的雙模式紡織材料
保持體溫是人體最基本的需求之一。為了擴大環(huán)境溫度范圍，同時保持人體的熱舒適性，通過人體紅外輻射來控制衣物的加熱和冷卻從而實現(xiàn)人體的熱量管理得到了科學家們的廣泛關注。近日，來自斯坦福大學的崔屹教授(通訊作者)等人報道了一種特殊的紡織材料，在無任何能量的輸入的情況下，能夠實現(xiàn)被動的輻射加熱和冷卻雙工作模式。該雙模式紡織材料由雙層發(fā)射體包埋在可紅外透過的納米多孔聚乙烯(nanoPE)層內構成。研究表明，發(fā)射率和nanoPE厚度的不對稱特性可以形成兩種不同的傳熱系數(shù)和加熱/冷卻兩種工作模式。當?shù)桶l(fā)射率層朝外時為加熱狀態(tài)；當高發(fā)射率層朝外時，將通過織物內部磨損實現(xiàn)冷卻。
文獻鏈接：A dual-mode textile for human body radiative heating and cooling (Science Advances, 2017, DOI:10.1126/sciadv.1700895）
10、Science Advances ：超薄Si膜的復雜去潤濕花樣用于構筑大規(guī)模納米結構
去潤濕是自然界中非常普遍的種現(xiàn)象，很多有機和無機(如液體，聚合物，金屬和半導體)的薄膜都具有這種由表面張力和傳質所驅動的形狀不穩(wěn)定性。近日，來自德國德累斯頓工業(yè)大學的Marco Salvalaglio、法國土倫大學的 Marco Abbarchi和意大利IFN-CNR的Monica Bollani(共同通訊作者)等人報道了一種利用固態(tài)去潤濕現(xiàn)象在絕緣體上(無定型SiO2基體)制備大規(guī)模和超精細納米結構單晶Si薄膜的方法，并對制備過程進行了相場(PF)模擬，揭示了表面擴散的重要作用，模擬結果與實驗結果高度吻合。研究人員進一步將制備的Si薄膜花樣用作納米壓印主體，可將復雜的納米結構轉移到金屬氧化物干凝膠上，為不同材料的納米圖案化提供另一種選擇。這種去潤濕的操控在納米電路、波導、超表面、微流體器件和生物醫(yī)藥傳感等領域具有廣闊的應用潛力。
文獻鏈接：Complex dewetting scenarios of ultrathin silicon films for large-scale nanoarchitectures (Science Advances, 2017, DOI: 10.1126/sciadv.aao1472）
11.Nature Communications：光驅動超穩(wěn)定納米機械轉子
納米機械裝置吸引了越來越多的跨學科研究團體的興趣，因為它們可以用作各種物理量的高度敏感的換能器。對這些系統(tǒng)的精確控制有助于在物理學基礎上進行實驗。近日，維也納大學的Stefan Kuhn（通訊作者）團隊報道了將時鐘穩(wěn)定性轉換為真空中光學捕獲的硅納米棒的旋轉。 通過用圓偏振光周期性地驅動旋轉，創(chuàng)建了一個納米力學轉子，其旋轉頻率fr和頻率噪聲由周期性驅動單獨確定。 這種從動轉子對非保守力敏感，工作頻率可以調節(jié)近1012倍的線寬。 通過這種方法，頻率穩(wěn)定性不受材料應力，激光噪聲和碰撞阻尼的影響。 被驅動的納米旋轉器可在室溫下工作，并且可在從低真空到中真空的寬壓力范圍內工作，實現(xiàn)三分之一壓力分辨率，原則上允許低于zepto-Nm水平的轉矩靈敏度。
文獻鏈接：Optically driven ultra-stable nanomechanical rotor （Nat. Commun., 2017, DOI: 10.1038/s41467-017-01902-9）
12.Nature Communications：金底物相互作用在催化金亞納米團簇中的關鍵作用
金在催化中的應用在過去的25年中經(jīng)歷了巨大的發(fā)展，主要是由于其在溫和的反應條件下的高催化性能和在有機官能團轉化中的高選擇性。 根據(jù)金的氧化和聚集狀態(tài)，已經(jīng)開發(fā)了不同類型的反應。 因此，Au（0）以小尺寸納米粒子（AuNPs）的形式用于非均相催化活化C-X鍵（X = C，H，鹵素等），而Au（I）和Au（III）物質被廣泛用作活化烯烴和炔烴的均相催化劑，金催化劑的發(fā)展使得有機合成的活性和復雜性大大提高。最近，報道了使用非?；钴S的小金子亞群（Aun，n<10）。這種納米催化劑的穩(wěn)定化以防止自聚集是一個真正的挑戰(zhàn)，已經(jīng)部分地得到了解決，例如，通過固定在聚合物基質中。近日，西班牙拉里奧哈大學Gonzalo Jiménez-Osés和José M. López-de-Luzuriaga（共同通訊）團隊的工作描述了通過烷基鏈或芳族基團附加到簡單炔烴的反應性π鍵上的非常小的金亞納簇（Aun，n <5）的瞬態(tài)穩(wěn)定。中長鏈脂肪族炔烴（1-己炔和1-二十烷）和苯乙炔相對于苯乙炔的布朗斯特無酸水合的優(yōu)越性能被實驗證明，并在計算上進行研究。由量子力學計算和時間分辨發(fā)光實驗支持的色散Au ... C-H和/或Au ...π相互作用的協(xié)作網(wǎng)絡被認為是這種穩(wěn)定的起源。
文獻鏈接：The key role of Au-substrate interactions in catalytic gold subnanoclusters （Nat. Commun., 2017, DOI: 10.1038/s41467-017-01675-1）
13. ACS Nano: 在鐵磁稀土表面合金上取向有序納米線的聚合
磁性底物與分子覆蓋層的高反應性迄今為止抑制了更復雜的表面上反應的實現(xiàn)，從而剝奪了顯著類別的化學定制的有機物如石墨烯納米帶，寡核自旋鏈和金屬有機網(wǎng)絡的這些界面。近日，西班牙CFM材料物理中心-MPC的Jens Brede（通訊作者）團隊提出了一種多技術表征聚合4,4"-二溴對三聯(lián)苯前體有序的聚（亞苯基）陣列頂部的雙金屬GdAu2表面合金。隨著溫度依賴性X射線光電子能譜，溴分裂的活化溫度和隨后的分子前體的同時偶聯(lián)。通過低能電子衍射和掃描隧道顯微鏡進行超分子和聚合物相的結構表征，建立了延伸到中尺度的非常有序的程度。 利用高均勻性，利用角分辨光電子能譜測定了價帶的電子結構。 重要的是，觀察到局部分子軌道轉變成高度分散的π-帶（成功聚合的指紋），同時使所有表面相關的帶完好無損。 此外，通過X射線吸收光譜學證明了所有相的GdAu2中的鐵磁有序性。 將原位精確生長的共價鍵大分子原位方法轉移到磁性稀土合金上，是研究和控制固有的碳基和稀土基磁性的重要一步。
文獻鏈接：Polymerization of Well-Aligned Organic Nanowires on a Ferromagnetic Rare-Earth Surface Alloy （ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b06374）
14.JACS: N配位雙金屬位點的設計：用于酸性氧還原反應的穩(wěn)定且活性的PtFree催化劑
目前，報道的非貴金屬催化劑催化的ORR活性由于嚴重的浸出而在酸性介質中緩慢，表現(xiàn)為較大的超電位（40-400mV）和穩(wěn)定性差于市售的Pt / C。為了實現(xiàn)商用Pt基材料的替代，中國科學技術大學吳宇恩教授和西安交通大學常春然副教授（共同通訊）團隊開發(fā)了一種主客體策略，構建了一種在N摻雜多孔碳上嵌入Fe-Co雙重位點的電催化劑，并展示了其在酸性電解質中氧還原反應的活性。該催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的氧還原反應性能，具有與市售的Pt / C相當?shù)钠鹗茧娢唬‥onset，1.06 vs 1.03V）和半波電位（E1 / 2,0.863 vs 0.858V）。燃料電池測試表明（Fe，Co）/ N-C比H2 / O2和H2 /空氣中報道的大多數(shù)無Pt催化劑優(yōu)異。 此外，這種具有雙金屬位點的陰極催化劑在長期運行中是穩(wěn)定的，電極測量為50,000次循環(huán)，H2 /空氣單室操作為100小時。 密度泛函理論計算揭示了雙重位點有利于O-O的激活，對四電子氧還原至關重要。
文獻鏈接：Design of N?Coordinated Dual-Metal Sites: A Stable and Active PtFree Catalyst for Acidic Oxygen Reduction Reaction (J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b10385）
15. Nature Communications：大量子點的非通用傳輸相位行為
電子波函數(shù)通過量子點在相干傳輸中經(jīng)歷相位修改。當掃描到庫侖阻塞共振時，該傳輸階段經(jīng)歷π的特征偏移。在連續(xù)的共振之間，根據(jù)量子點狀態(tài)的奇偶性，理論上期望發(fā)生π的傳輸相位逝去或相位平穩(wěn)。盡管相當多的實驗努力，這個傳輸階段行為仍然是一個大量子點難以捉摸。近日，法國格勒諾布爾-阿爾卑斯大學的Christopher B?uerle （通訊作者）團隊提出了跨越這樣一個容納數(shù)百個電子的大量子點的傳輸相位測量。用一個原始的雙路干涉儀沿著14個連續(xù)的共振掃描傳輸相位，并觀察到相位失效和平臺。研究證明，量子點變形通過涉及的量子點狀態(tài)的奇偶校正修改改變了相位失效和高原的順序。這一發(fā)現(xiàn)為全面了解量子點的傳輸階段設定了里程碑
文獻鏈接：Non-universal transmission phase behaviour of a large quantum dot （Nat. Commun., 2017, DOI: 10.1038/s41467-017-01685-z）
16. Nature Communications：由金屬有機骨架制造高負載的二氧化硅負載的鈷費托催化劑
制備高負載金屬納米載體催化劑的合成方案的發(fā)展在過去幾年得到了很大的關注。 由于這些關鍵性能參數(shù)之間有明確的相互依賴性，獨立控制金屬負載，納米粒子尺寸，分布和可接近性已經(jīng)被證明是具有挑戰(zhàn)性的。 近日，德爾福特理工大學及國王阿卜杜拉科技大學的 Jorge Gascon（通訊作者）提出了一種逐步的方法，使用含鈷金屬有機框架作為硬模板（ZIF-67），解決了這個長期的挑戰(zhàn)。 二氧化硅在空間的Co-金屬有機框架中的縮合，然后熱解并且隨后煅燒這些復合物使得高負載的鈷納米復合材料（重量約50％的Co）具有約80％的氧化鈷還原性和良好的顆粒分散性，在費 - 托合成中表現(xiàn)出高活性，C5 +選擇性和穩(wěn)定性。
文獻鏈接：Manufacture of highly loaded silica-supported cobalt Fischer–Tropsch catalysts from a metal organic framework （Nat. Commun., 2017, DOI: 10.1038/s41467-017-01910-9）
17. Nature Communications：II型Weyl半金屬WP2和MoP2中的極高的磁電阻和電導率
狄拉克和外爾半金屬表現(xiàn)出交叉的獨特帶結構可導致壯觀電子性質：如大遷移率非常高的磁阻通過伴隨。特別是，相同手性的兩個緊密相鄰的Weyl點通過結構失真或缺陷被保護免于湮滅，從而顯著地降低它們之間的散射概率。近日，德國馬克斯·普朗克固體化學物理研究所Claudia Felser和Nitesh Kumar （共同通訊）團隊通過運輸，角分辨光電子能譜和第一原理計算的電子性質提出了過渡金屬二磷化物，WP2和MoP2，具有大量的韋爾點，屬于II類Weyl半金屬。WP2的單晶顯示其具有極低的低溫電阻率（3nΩcm），同時又在63T和2.5K時，表現(xiàn)出超高的各向異性的磁阻。從運輸測量的WP2中可觀察到電荷載流子后向散射的大量抑制。作者提出這些性質可能是由該化合物中表達的新穎的Weyl費米子引起的。
文獻鏈接：Extremely high magnetoresistance and conductivity in the type-II Weyl semimetals WP2 and MoP2 （Nat. Commun., 2017, DOI: 10.1038/s41467-017-01758-z）
18. Nature Communications：稀土鎳酸鹽中結構觸發(fā)的金屬 - 絕緣體轉變
稀土鎳化物形成了一系列相關的鈣鈦礦氧化物。除了LaNiO3之外，它們還表現(xiàn)出冷卻至尖銳的金屬 - 絕緣體電子相變，同時發(fā)生結構相變以及磁性相轉變成反常的反鐵磁自旋。由于缺乏對電子，結構和磁性之間相互作用的全面理解，因此對這些化合物的充分利用仍然受到阻礙。近日，比利時列日大學的Philippe Ghosez（通訊作者）團隊提出從第一性原理計算顯示鎳化物的金屬 - 絕緣體轉變是由氧 - 呼吸變形的軟化產(chǎn)生的，由氧 - 八面體旋轉運動在結構上觸發(fā)。這種罕見的觸發(fā)機制的起源可以追溯到它們的電子和磁性特性。作者進一步發(fā)展到Landau模型，考慮稀土陽離子的金屬 - 絕緣體轉變演化，并且通過氧氣旋轉運動來合理調整這個轉變。
文獻鏈接：Structurally triggered metal-insulator transition in rare-earth nickelates （Nat. Commun., 2017, DOI: 10.1038/s41467-017-01811-x）
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