新材料技術(shù)錦集：揭秘多功能納米孔石墨烯 鐵基超導(dǎo)體FeTe0.55Se0.45

1. 自下而上方式合成多功能納米孔石墨烯

（Bottom-up synthesis of multifunctional nanoporous graphene）

材料名稱：納米孔石墨烯

研究團(tuán)隊(duì)：西班牙Moreno研究團(tuán)隊(duì)

納米孔隙可以將半金屬石墨烯轉(zhuǎn)變成半導(dǎo)體，并使其從不滲透性轉(zhuǎn)變?yōu)樽罡咝У姆肿雍Y膜。然而，在滿足應(yīng)用所需的嚴(yán)格結(jié)構(gòu)約束的同時(shí)，還要將孔隙縮小至納米級，這對于目前的自上而下策略來說是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。Moreno 等人報(bào)導(dǎo)了一種自下而上合成納米孔石墨烯的方法，其中包含由細(xì)帶分隔的有序孔陣列，且孔徑可以調(diào)整至 1 納米范圍。通過對分子前驅(qū)體的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對孔的尺寸、密度、形態(tài)和化學(xué)組成的原子精度的精確設(shè)定。電子表征進(jìn)一步揭示了其高度各向異性的電子結(jié)構(gòu)，其中具有與設(shè)定的孔狀態(tài)共存的，約 1 電子伏特能隙的正交一維電子帶，使納米孔石墨烯成為能夠用于同時(shí)篩分和電子感測分子種類的高度通用的半導(dǎo)體。（Science DOI: 10.1126/science.aar2009）

2. 鐵基超導(dǎo)體表面觀測的拓?fù)涑瑢?dǎo)性

（Observation of topological superconductivity on the surface of an iron-based superconductor）

材料名稱：鐵基超導(dǎo)體FeTe0.55Se0.45

研究團(tuán)隊(duì)：日本東京大學(xué)Shin研究組

拓?fù)涑瑢?dǎo)體中預(yù)計(jì)可以存在遵循非阿貝爾統(tǒng)計(jì)的馬約拉納束縛態(tài)，而利用馬約拉納束縛態(tài)的非阿貝爾性質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算。大多數(shù)已經(jīng)提出的拓?fù)涑瑢?dǎo)體都是在非常低的溫度下難以制造的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)的。通過高分辨率自旋分辨和角分辨光電子能譜，Zhang 等人發(fā)現(xiàn)鐵基超導(dǎo)體 FeTe1-xSex（x = 0.45；超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度 Tc = 14.5 開爾文）在費(fèi)米能級處具有狄拉克錐型自旋-螺旋表面態(tài)；在 Tc 以下表面態(tài)表現(xiàn)出 s 波超導(dǎo)間隙。Zhang 等人的研究表明，F(xiàn)eTe0.55Se0.45 的表面態(tài)是拓?fù)涑瑢?dǎo)的，這為實(shí)現(xiàn)馬約拉納束縛態(tài)提供了一個(gè)制備簡單且超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度比較高的平臺(tái)。（Science DOI: 10.1126/science.aan4596）

3.使用機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測 C-N 交叉耦合中的反應(yīng)性能

(Predicting reaction performance in C–N cross-coupling using machine learning)

材料名稱：C–N交叉耦合

研究團(tuán)隊(duì)：美國普林斯頓大學(xué)Doyle研究組

機(jī)器學(xué)習(xí)方法正逐漸成為眾多學(xué)科科學(xué)探究的一部分。Ahneman 等人證明了利用通過高通量實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)，機(jī)器學(xué)習(xí)可以用來預(yù)測多維化學(xué)空間中合成反應(yīng)的性能。Ahneman 等人創(chuàng)建了腳本來計(jì)算和提取原子、分子和振動(dòng)描述符，用于鈀催化的 Buchwald-Hartwig 芳基鹵化物與 4-甲基苯胺在各種潛在的抑制添加劑存在下的交叉偶聯(lián)。利用這些描述符作為輸入并利用反應(yīng)產(chǎn)量作為輸出，Ahneman 等人表明隨機(jī)森林算法提供的預(yù)測性能相比線性回歸分析具有顯著改進(jìn)。隨機(jī)森林模型也成功地應(yīng)用于稀疏訓(xùn)練集和無樣本預(yù)測，這表明了其在促進(jìn)合成方法采用方面的價(jià)值。（Science DOI: 10.1126/science.aar5169）

4. 用于準(zhǔn)非易失性應(yīng)用的基于范德瓦爾斯異構(gòu)結(jié)構(gòu)的半浮柵存儲(chǔ)器

(A semi-floating gate memory based on van der Waals heterostructures for quasi-non-volatile applications)

材料名稱：二維范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)

研究團(tuán)隊(duì)：復(fù)旦大學(xué)張衛(wèi)教授和周鵬教授研究組

量子現(xiàn)象導(dǎo)致基于場效應(yīng)晶體管的傳統(tǒng)電路正在接近其物理極限，所以半浮柵晶體管已經(jīng)成為另一種超快速且與硅兼容的技術(shù)。Liu 等人展示了一種準(zhǔn)非易失性存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器是具有能帶可調(diào)控的范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的半浮柵結(jié)構(gòu)。這種二維半浮柵存儲(chǔ)器相比于動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器和納秒尺度超快速寫操作，恢復(fù)時(shí)間要長出 156 倍。半浮柵結(jié)構(gòu)極大地提高了寫操作的性能，并且比基于二維材料的其它存儲(chǔ)器快大約 106 倍。展示出的特性表明，準(zhǔn)非易失性存儲(chǔ)器有潛力彌合易失性和非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)之間的差距，并降低頻繁恢復(fù)操作所需功耗的潛力，從而實(shí)現(xiàn)低功耗高速隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。（Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-018-0102-6）

5. 用于新興電動(dòng)車市場的電池和燃料電池

(Batteries and fuel cells for emerging electric vehicle markets)

材料名稱：電池和燃料電池

研究團(tuán)隊(duì)：加拿大滑鐵盧大學(xué)陳忠偉教授業(yè)研究組

如今的電動(dòng)汽車幾乎全部采用鋰離子電池供電，但電動(dòng)汽車距離達(dá)到在全球汽車市場占據(jù)主導(dǎo)地位還有很長的路要走。除了政策支持外，電動(dòng)汽車的廣泛部署還需要高性能低成本的能量存儲(chǔ)技術(shù)，其中不僅包括電池，還包括其他替代的電化學(xué)設(shè)備。Cano 等人對這些最有可能在商業(yè)應(yīng)用中取得成功的電池和氫燃料電池進(jìn)行了全面的評估。討論了目前鋰離子動(dòng)力電動(dòng)汽車還不能很好服務(wù)的三個(gè)部分，即遠(yuǎn)距離、低成本和高利用率的運(yùn)輸市場。包括比能、成本、安全和電網(wǎng)兼容性等必須進(jìn)行改進(jìn)，才能充分實(shí)現(xiàn)這些電動(dòng)汽車市場的技術(shù)特性。Cano 等人對每個(gè)市場中六種具有這些改進(jìn)特性的不同組合的儲(chǔ)能和轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行了比較并分別進(jìn)行了評估。本篇綜述的其余部分簡要討論了這些清潔能源技術(shù)的技術(shù)現(xiàn)狀，并強(qiáng)調(diào)了必須克服的障礙。（Nature Energy DOI: 10.1038/s41560-018-0108-1）

6. 在銅上生長的石墨烯吸附層中大的局部晶格擴(kuò)展

(Large local lattice expansion in graphene adlayers grown on copper)

材料名稱：石墨烯

研究團(tuán)隊(duì)：法國Asensio研究組

晶格參數(shù)的變化可以顯著改變材料的性質(zhì)，特別是其電子特性。但對于石墨烯，由于其具有的高平面剛度，使其相對于石墨晶格常數(shù)變化被限制在了小于 2.5％。Chen 等人通過系統(tǒng)的電子和晶格結(jié)構(gòu)研究，報(bào)導(dǎo)了通過化學(xué)氣相沉積在銅上生長的石墨烯單層的晶格常數(shù)增加至其松弛值的約 7.5％。密度泛函理論計(jì)算證實(shí)，這種擴(kuò)展相在能量上是亞穩(wěn)態(tài)的，且其由基底和石墨烯吸附層之間增強(qiáng)的相互作用驅(qū)動(dòng)。并且， Chen 等人還證明這個(gè)相具有獨(dú)特的化學(xué)和電子特性。這一研究中揭示的在銅箔上生長的石墨烯的固有相復(fù)雜性，有可能激發(fā)對其它看似簡單的異質(zhì)結(jié)構(gòu)體系中可能的亞穩(wěn)相的研究。（Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0053-1）

7. 利用氧化銅尖端原子力顯微成像對分子間相互作用進(jìn)行定量評估

(Quantitative assessment of intermolecular interactions by atomic force microscopy imaging using copper oxide tips)

材料名稱：CuOx

研究團(tuán)隊(duì)：德國明斯特大學(xué)M?nig研究組

原子力顯微鏡是令人印象深刻的直接解決有機(jī)化合物鍵合結(jié)構(gòu)的工具。該方法通常包含附著單個(gè)分子或原子如 CO 或 Xe 的化學(xué)鈍化探針尖端。但是，這些探針粒子與金屬尖端僅僅是弱連接，這導(dǎo)致了相當(dāng)大的動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)。這種探針粒子偏轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致明顯的圖像失真、系統(tǒng)上高估鍵長、并且在某些情況下甚至?xí)霈F(xiàn)偽類鍵對比特征，因此會(huì)影響數(shù)據(jù)的可靠解釋。最近，有了尖端鈍化的替代方法，其中將尖端稍微壓入氧化銅基底中，且隨后的對比分析允許驗(yàn)證氧終止的 Cu 尖端。M?nig 等人表明，由于末端氧原子的共價(jià)結(jié)合構(gòu)造，使得該氧化銅尖端（CuOx 尖端）具有高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，不僅允許定量測定單個(gè)鍵長并達(dá)到鍵序效應(yīng)，而且還能實(shí)現(xiàn)可靠的分子間鍵的表征。特別是，在消除了此前不穩(wěn)定探針粒子的局限性后，能夠?yàn)楠?dú)特的分子間 N-Au-N 三中心鍵提供確鑿的實(shí)驗(yàn)證據(jù)了。此外，M?nig 等人還證明了 CuOx 尖端能夠允許表征分子組裝中單個(gè)氫鍵的強(qiáng)度和構(gòu)型。（Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-018-0104-4）

8.室溫柔性無機(jī)半導(dǎo)體

(Room-temperature ductile inorganic semiconductor)

材料名稱：無機(jī)α-Ag2S 半導(dǎo)體

研究團(tuán)隊(duì)：中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所陳立東研究組

延展性在金屬和金屬基合金中很常見，但在無機(jī)半導(dǎo)體和陶瓷絕緣體中卻很少能觀察到。具體而言，直到現(xiàn)在還沒有已知的室溫下的柔性無機(jī)半導(dǎo)體。Shi 等人報(bào)導(dǎo)了一種無機(jī) α-Ag2S 半導(dǎo)體，在室溫下表現(xiàn)出非凡的類金屬延展性，能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的塑性變形應(yīng)變?；瘜W(xué)鍵分析揭示了晶體結(jié)構(gòu)中原子相互作用較弱的平面體系。銀的擴(kuò)散以及不規(guī)則分布的銀-銀和硫-銀鍵，綜合抑制了材料的裂解，從而產(chǎn)生了前所未有的延展性。這項(xiàng)工作為尋找用于柔性電子器件的柔性無機(jī)半導(dǎo)體/陶瓷開辟了新的可能性。（Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0047-z）