高亮度的短波红外有机发光器件

 

华南理工大学吴宏滨教授课题组联合西安近代化学研究所、香港城市大学和北京大学等研究团队开创有机半导体短波红外电致发光新研究方向。相关成果发表于《自然·光子学》（Nature Photonics）。有机发光二极管技术（OLEDs）在可见光和近红外波段已取得长足进步，在信息显示、半导体照明等领域得到广泛应用。然而，发射波长峰值在短波红外波段、辐射强度具备实用价值的高亮度有机发光器件仍然是一个多年来从未突破过的技术难题。受半导体材料中光吸收和发射过程存在倒易关系启发，研究团队提出利用目前成为有机光伏电池受体材料的给体-受体-给体（A-D-A）型稠环有机半导体作为发光材料，制备高性能短波红外发光二极管。

 

准一维拓扑材料的电子结构研究

 

上海微系统所叶茂研究员、乔山研究员团队与东京大学近藤武司（Takeshi Kondo）教授等合作，成功制备了一种准一维拓扑材料TaNiTe5，并首次直接观测到了该材料中强弱拓扑序共存的独特电子结构。相关成果发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。维度对于拓扑材料极为重要：拓扑材料具有受对称性保护的边缘态，从而使得由缺陷或杂质引起的电子背散射被禁止；而进一步将拓扑材料的维度降低到一维则会显著增强电子的各向异性，使边缘态中自旋极化的电子被限制于一维导电通道中，从而最大限度地避免散射的发生以达到更高的迁移率、更长的自旋弛豫时间。相关工作全面而系统地揭示了TaNiTe5材料中“双拓扑”共存的独特拓扑性质。

 

一种自旋存算器件全电写入新方式

 

中国科学院半导体研究所朱礼军团队发现一种由扩散电流（spreading current）引起、广泛存在于微纳米器件和具有重要影响的垂直有效磁场，并发展了不同极化方向自旋（σx,σy,σz）的可靠测量方法。相关成果发表于《应用物理评论》（Applied Physics Reviews）。自旋电子学存算器件是后摩尔时代信息科学的潜在解决方案之一。如何实现垂直磁各向异性比特的高能效全电驱动是目前高密度自旋存算技术亟待突破的重要课题。传统材料（如重金属和拓扑材料等）由于对称性保护只能产生面内横向极化自旋（σy），其角动量无法翻转垂直磁各向异性比特。因此，科学家们开始寻找垂直有效磁场和垂直极化自旋（σz）的有效产生方法。

 

利用中红外圆偏振光电效应揭示半导体碲中的与外尔有关的光学响应

 

北京大学物理学院量子材料科学中心孙栋教授与中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心、物理学院，中国科学院强耦合量子材料物理重点实验室曾长淦教授合作，在中红外波长下对碲（Te）进行了圆偏振相关光电流的测量，为支持碲（Te）作为“外尔半导体”提供了有力的光学证据。相关成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。外尔半金属由于其具有非平庸的能带结构，产生了许多与之相关的新奇拓扑特性，“外尔半导体”是相关领域下一个重要研究内容之一。实验发现，外尔半导体Te同时具有超高的迁移率、应变和厚度可调的带隙，以及二维分层结构与优良的空气稳定性。

 

原子级平整界面处声子非弹性输运

 

清华大学深圳国际研究生院孙波副教授、上海交通大学顾骁坤副教授、北京大学王新强教授等人合作，在金属半导体界面的导热机制上取得新进展。相关成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。散热成为制约半导体器件稳定性、可靠性、寿命等的技术瓶颈之一。特别对于纳米尺度半导体器件，增加界面导热是提升散热性能中关键一环。因此，研究界面热输运对于半导体器件的散热具有重要的应用价值和科学意义。经合作研究，团队发现了在原子级平整的Al/Si、Al/GaN界面处的声子非弹性输运过程，而这个过程被视为界面处额外的声子输运通道，可提高界面热导，从而提升界面的散热性能。

 

Mo5Si3中通过磷/砷掺杂实现最高Tc～10.8K的强耦合超导电性

 

中国科学院物理研究所SC10组博士后阮彬彬和任治安研究员等人，与安徽大学物质科学与信息技术研究院联合培养研究生孙俊男、单磊教授组成的团队，为实现Mo5Si3的电子型载流子掺杂调控，详细研究了相关体系中Si位的As掺杂合成条件，发现在1600℃高温下通过固相反应可以成功实现As对Mo5Si3的掺杂调控。相关成果发表于《无机化学》（Inorganic Chemistry）。通过一系列的高质量样品制备和掺杂研究，他们发现As掺杂引入的电子将相关体系从拓扑半金属转变为超导体。通过低温比热测量与第一性原理能带计算表明，较高的超导温度与As引入的电子掺杂导致的费米面附近态密度的极大增强有关。

 

高熵合金研究进展

 

东北大学材料学院李逸兴、张雪峰课题组采用直流电弧等离子体制备技术，成功将一系列高熵合金纳米颗粒原位封装在石墨壳中，制得具有核@壳包覆结构的高熵合金@石墨纳米胶囊材料（HEA@C-NPs），并利用其独特的核@壳结构实现了对光热转换性能的优化提升。相关成果发表于《材料学报》（Acta Materialia）。研究将一系列具有不同3d过渡金属组元的高熵合金纳米颗粒原位封装于高缺陷密度石墨壳中，借助石墨包覆壳的光吸收性能及其高缺陷密度带来的热导率降低，进一步提升高熵合金纳米颗粒的光热转换性能，揭示HEA@C-NPs光热转换性能的优化机理，为高性能光热转换材料的制备和研究提供了新的理论和设计策略。

 

首次测定超高热导率半导体——砷化硼的载流子迁移率

 

国家纳米科学中心刘新风研究员团队联合休斯顿大学包吉明团队和任志锋团队在超高热导率半导体——立方砷化硼（c-BAs）单晶的载流子扩散动力学研究方面取得重要进展，为其在集成电路领域的应用提供重要基础数据指导和帮助。相关成果发表于《科学》（Science）。2018年，具有超高热导率的半导体c-BAs的成功制备引起了人们极大兴趣，c-BAs不仅具有高的热导率，由于其超弱的电声耦合系数和带间散射，理论预测c-BAs还同时具有非常高的电子迁移率和空穴迁移率，这在半导体材料系统中是非常罕见的。立方砷化硼高的载流子和热载流子迁移速率，以及其超高的热导率，表明其可以广泛应用在光电器件、电子元件中。

 

烯烃不对称氢硒化研究

 

北京理工大学前沿交叉科学研究院、化学与化工学院杨小会教授课题组与美国加州大学欧文分校化学系同行合作，在Rh催化苯乙烯的不对称氢硒化反应方面取得重要进展。相关成果发表于《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）。尽管硒是人类健康的基本元素，但与氧簇元素中的氧和硫相比，硒的反应研究仍然少得多。此外，氧簇元素作为氢官能化中亲核试剂的研究很少。研究团队首次实现了Rh催化苯乙烯的不对称氢硒化反应，并在一系列机理实验例如核磁实验、氘代实验等研究的基础之上，证实了氢硒化反应机理的决速步骤是烯烃迁移插入Rh-H键。

 

烯烃的不对称催化转化构建内酰胺杂环化合物研究

 

华东理工大学化学与分子工程学院、费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心陈宜峰课题组在不对称催化合成领域取得新进展。相关成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。使用胺甲酰基亲电试剂进行分子内环合实现对烯烃的不对称双官能团化反应主要经历5-exo-trig的环化模式得到五元内酰胺产物，而对于更大的环系，例如六元内酰胺化合物，相关不对称胺甲酰化反应仍然较为受限。研究团队通过对手性8-喹啉噁唑啉为核心骨架Quinox配体的进一步改良，实现了镍催化的内烯不对称胺甲酰基-烷基化反应，以6-exo-trig的环化模式高对映选择性地得到手性3,4-二氢喹啉酮及d-内酰胺化合物。

 

柔性显示用无色聚酰亚胺薄膜及器件研制

 

中国科学院理化技术研究所功能高分子材料研究中心吴大勇课题组以苯二甲酰氯以及高刚性二胺单体杂化含氟单体的策略合成了一种高玻璃化转变温度、低热膨胀系数的无色透明聚酰亚胺（PI）膜。相关成果发表于《美国化学学会应用高分子材料》（ACS Applied Polymer Materials）。聚酰亚胺（PI）被誉为处于高分子材料金字塔顶端的材料，具有优异的热稳定性、机械性能、绝缘性能及化学稳定性，广泛应用于电气、电子器件、航空航天等领域。无色PI薄膜研究的关键是在提高透光性的同时保持材料在高温条件下的尺寸稳定性。新研究制备的器件不仅可实现柔性可折叠的特性，其光电性能也可与玻璃基底的器件相媲美。

 

小分子受体高分子化的聚合物受体研究

 

中国科学院化学研究所有机固体院重点实验室李永舫课题组合成了一种新型的PSMA聚合物受体“PG-IT2F”。相关成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。小分子受体聚合物化（polymerized small molecule acceptor，PSMA）是高效聚合物受体和聚合物太阳电池领域的研究热点。PG-IT2F具有更高的吸收系数，更合适的分子能级，并且与“PM6”聚合物给体有合适的混溶性，与“PM6”共混得到的活性层形貌以及相分离尺度更合适，使得电荷转移性能更优越，电荷载流子迁移率更均衡，电荷转移状态寿命更长，电荷复合减少，这使得基于PG-IT2F的全聚合物太阳电池（all-polymer solar cells：all-PSC）的光伏性能得到显著改善。

 

水合物法二氧化碳封存研究进展

 

清华大学深圳国际研究生院殷振元助理教授、陈道毅教授等人开展了1,3-二氧戊环促进CO2水合物生成动力学研究，探讨了其在水合物法CO2封存中的意义。相关成果发表于《化学工程期刊》（Chemical Engineering Journal）。CO2地质封存是实现“双碳”目标的重要手段之一，水合物法CO2封存（Hydrate-based CO2 sequestration，HCS）是一种新型CO2地质封存技术。研究团队分析了新型低毒水合物促进剂1,3-二氧戊环（DIOX）对促进CO2水合物生成和CO2封存的多重效应，观察并分析了其独特的液相分离特性所引发的一系列异常的水合物生成特性，获得了CO2-DIOX/H2O体系下的水合物生成规律和理论基础。

 

大面积石墨烯无损洁净转移方法

 

北京大学化学与分子工程学院刘忠范教授课题组、彭海琳教授课题组，材料科学与工程学院林立特聘研究员课题组与中国科学院力学所魏宇杰研究员课题组通过巧妙设计转移媒介的分子结构，在传统的转移媒介聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate, PMMA）加入含羟基易挥发小分子。相关成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。实现石墨烯大面积无损、洁净转移是石墨烯应用领域的研究技术瓶颈。相关研究确保了石墨烯与目标功能衬底之间的共形接触，进而通过机械剥离方法实现了转移介质与石墨烯的分离，得到了洁净、完整的石墨烯表面，实现了大面积石墨烯薄膜无损洁净转移。

 

分子型烷烃脱氢催化剂研究进展

 

中国科学院上海有机化学研究所金属有机化学国家重点实验室黄正团队开发出一种适用于小分子和大分子后修饰的分子型烷烃脱氢催化剂，这类催化剂可以高度位点选择性地在底物中引入碳碳双键，进而选择性引入各种官能团。相关成果发表于《科学进展》（Science Advances）。以饱和烃类结构为基础的聚乙烯、聚丙烯等传统大宗塑料在未来很长一段时间内仍将是塑料的主要品种，这些非天然降解高分子材料在服役期结束后往往造成“白色污染”，这类饱和烃由惰性碳氢键、碳碳键构成，化学性质非常稳定。新研究为官能团化聚丙烯材料的制备提供了一种潜在的新途径，也为聚烯烃废塑料变废为“材”、升级再造提供新思路。

 

构建反芳香性丁富烯新策略

 

中国科学院大连化学物理研究所陈庆安团队与浙江大学麻生明院士团队合作，通过双联烯中间体实现反芳香性丁富烯的合成，解决传统方法中对称丁富烯的合成挑战。相关成果发表于《自然·化学》（Nature Chemistry）。作为苯环的构造异构体，丁富烯（Butafulvene）的四元全碳环结构使其具有反芳香性的性质。由于巨大的环张力及反芳香性，此分子的合成通常面临条件苛刻、步骤经济性差、合成效率低等问题。同时，反芳香性的化合物通常均不太稳定，造成较多反芳香性化合物的研究比较有限。通过反应机理研究，合作团队发现双联烯化合物是反应的关键中间体，所得的丁富烯化合物易转化成高张力的全碳四元环化合物。

 

利用激光实现水下气泡的3D精准操控

 

复旦大学航空航天系邓道盛/胡曼课题组开展激光操控水下气泡弹跳运动的相关研究。相关成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。实现液滴或气泡的精准灵活操控对于微流控芯片、生物医药传递、软机器人等领域的应用至关重要。研究巧妙利用纯水介质对980nm近红外激光的体吸收光热响应特性，结合固/液界面对流传热，构建了独特的逆温层区域，观察到了气泡在液体内部做周期性的定点弹跳运动以及跟随弹跳运动的三维运动模式。研究团队提出了一种非接触高效三维操控气泡的体系，揭示纯水介质中激光驱动气泡弹跳运动的内在机理，为开发设计新型的光流控器件做出了有益探索。

 

低成本高强韧钛合金设计研究

 

西安交通大学金属材料强度国家重点实验室孙军院士团队提出采用化学界面工程（CBE）制造纳米马氏体的新策略，制备层级纳米马氏体构造的低成本超高强塑钛合金。相关成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。高比强度钛合金是实现节能减排及轻量化的重要结构材料，可通过调节晶界（GBs）和异相界面（PBs）的密度和空间分布特征优化其宏观力学性能，例如调控钛合金中晶格不连续的α/β相界面结构与特性可显著提升合金的力学性能。文章提出的化学界面工程设计策略突破了钛合金原有微观组织/合金成分设计理念和热机械加工方法的局限，为设计高性能先进钛合金和其他类似材料提供了新的思路。

 

骨诱导聚芳醚酮材料研发进展

 

四川大学生物医学工程学院张兴栋院士团队朱向东研究员、张凯教授等人确证了生物材料骨诱导性在医用高分子材料中的普适性。相关成果发表于《科学进展》（Science Advance）。组织诱导性生物材料是一种不添加细胞和（或）生物活性因子，经过精准设计用于受损或缺失的组织或器官再生的生物材料。已获批上市的骨诱导磷酸钙生物陶瓷，被广泛应用于临床骨缺损的再生修复；医用金属和高分子材料具有广阔的力学调控空间，在承重骨修复方面具有独特的优势。团队首创的骨诱导聚芳醚酮材料既是对我国原创生物材料组织诱导理论的补充和完善，也为新型骨和其他组织诱导类植入器械开发提供了研究思路和材料基础。

 

用于信息存储的新型二维多铁材料研究

 

武汉大学物理科学与技术学院教授何军和高等研究院特聘研究员史建平课题组开展了二维金属性p掺杂SnSe的多铁性研究。相关成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。永久存储技术的终极目标是通过有效手段控制存储介质中的稳定状态。磁电材料和多铁材料通过利用铁电序和磁序之间的交叉耦合，为数字信息处理提供了一条新的途径，被誉为未来信息存储的领航者。研究团队发展了一种普适的物理气相沉积方法，首次在环境稳定的二维材料体系中发现了室温多铁性，不仅为在二维尺度理解和调控多铁特性提供了理想平台，同时也为后摩尔时代新型信息存储器件的研发开辟了一条新途径。

 

能谷光子保真传输和定向分发研究

 

华中科技大学王凯教授、陆培祥教授和新加坡国立大学仇成伟教授合作，首次实现了基于混合纳米波导的WS2谷光子的保真传输与定向分发。相关成果发表于《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）。单层过渡金属二硫化物（TMDC）等二维材料中因其具有特殊反演对称性，形成了一个额外的自由度：能谷赝自旋（K和K'）。与传统电子器件相比，能谷电子器件可具有更低的能耗和更快的处理速度。文章叙述了能谷信息的保真传输与定向分发，为下一步搭建大规模谷电子器件网络提供了解决方案。这种谷电子-光子混合器件为在芯片上同时集成谷电子器件、自旋电子器件与片上光子器件，构建自旋-能谷-光子混合系统提供了新思路。

 

极高稳定度量级的镱原子光钟

 

中国科学院精密测量科学与技术创新研究院吕宝龙研究团队与华东师范大学马龙生团队合作，研制出一种高精度镱原子光钟，这个光钟的频率稳定度达到E-18量级。相关成果发表于《计量学》（Metrologia）。镱原子光钟是一种以囚禁于光晶格中的超冷镱原子为工作介质的原子钟。科学家在黑体辐射频移的精准控制、直流“Stark”频移与原子碰撞频移的抑制、钟激光频率稳定度的改善等方面采取了系列创新措施，实现了光钟稳定度的大幅度提升，特别是采用了量子化轴方向与环境干扰磁场矢量相垂直的方案，大幅度地降低了钟跃迁对相关干扰的敏感度，使得光钟在地铁干扰环境下仍然能够正常工作。

 

高强不锈镁合金研究

 

上海交通大学材料科学与工程学院曾小勤教授团队在镁合金表面引入具有持久钝化效果的保护膜层，提出一种大幅度协同提高镁合金强度和耐蚀性能的制备方案。相关成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。绝对强度偏低和耐蚀性能不足是阻碍镁合金大规模应用的两大瓶颈问题。合金化（尤其是添加稀土元素）是大幅度提高镁合金强度的有效手段之一，但大多数合金化高强镁合金中的第二相会和基体形成原电池而引发激烈的电偶腐蚀，从而大幅度降低镁合金的腐蚀性能。如何通过合金化设计协同提升镁合金的强度与耐蚀性是学界难点之一。文章报道的高强不锈镁合金在工业制备中将开展积极应用。

 

建立“气液界面研究”的新实验方法

 

中国科学技术大学田善喜教授等人利用时间延迟串联质谱仪开展气液界面研究。相关成果发表于《化学研究述评》（Accounts of Chemical Research）。气液界面的微观结构及动力学是认识物质世界的重要内容，但一直是实验研究的难点。质谱是一种有效且被广泛使用的分析方法，但是在取样以及电喷雾等技术的质谱中，往往破坏了气液界面处的样品分子及其团簇结构，无法实现原位物质及其分布的探测。研究团队开发的时间延迟质谱不仅是气液界面微观结构和化学反应动力学领域的一套全新实验方法，还可用于海洋气溶胶形成、生命物质和手性起源等重要科学问题的探索及高能辐射损伤机制研究。

（本栏目责编：黄雪霜）