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《深圳先进院黑磷界面调控领域取得新突破》

  • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： 冯瑞华
  • 发布时间：2018-06-26

  • 中国科学院深圳先进技术研究院喻学锋团队在黑磷 界面调控 领域取得新突破，发展了稀土离子配位修饰黑磷新方法，相关工作 “ Lanthanide- Coordinated Black Phosphorus ” （稀土配位的黑磷）在线发表于 国际著名学术期刊 Small （ 《微观》）上 ，影响因子 8.643 。论文共同第一作者为深圳先进院研究助理吴列和博士后王佳宏。

    　　近年来，与石墨烯一样拥有二维层状结构的黑磷展现出卓越的电学和光学特性，同时具有良好的生物活性和生物相容性。然而，黑磷的不稳定性以及其不可示踪在一定程度上限制了其深入的研究和应用。 喻学锋研究员课题组在之前的工作中，发展了系列界面调控技术， 如有机包覆 ( Nat. Commun. 2016, 7, 12967) 、化学配位 ( Angew. Chem. Int. Ed . 2016, 55, 5003) 、共价修饰 ( Chem. Mater. 2017, 29, 7131) 、离子掺杂（ Adv. Mater. 2017, 29, 170381 ）、缺陷修复 ( Angew. Chem. Int. Ed . 2018, 57, 2600) 等，实现了黑磷的稳定性强化和性能优化。

    　　在本项研究中，课题组设计了一种三价稀土离子的三氟磺酸酯配体（ Tb(Otf) 3 、 Eu(Otf) 3 、 Gd(Otf) 3 、 Nd(Otf) 3 等），该配体可与黑磷的孤对电子对进行配位，从而避免黑磷氧化。研究表明该配位修饰的方法适用于不同尺寸的黑磷纳米材料 ( 黑磷纳米片、黑磷量子点、黑磷微米薄片 ) 。对比实验表明：与未经修饰的黑磷会迅速降解不同，稀土配体修饰的黑磷能在水中放置数日，而保持光学性能稳定。该修饰技术简单有效，在不改变黑磷晶体结构的前提下，就能极大提高它的其稳定性，同时 Gd(Otf) 3 修饰的黑磷材料在磁共振成像研究中具有较高的弛豫效率， Tb(Otf) 3 、 Eu(Otf) 3 和 Nd(Otf) 3 等修饰的黑磷材料则保留了相应稀土离子原有的荧光特性，这些结果表明稀土配体修饰的黑磷材料便于示踪。这种稀土配体高稳定性黑磷的成功制备可有效推动黑磷在光电器件和生物医学等领域的应用。该研发团队已经申请了相关发明专利，并依托孵化的中科墨磷科技有限公司 ，积极推进相关技术的产业化。

    　　本项目得到了国家自然科学基金、中国科学院前沿重点研究计划、中国博士后科学基金、深圳市基础研究布局等项目的资助。

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相关报告

  • 《深圳先进院等在硅锗合金的热电性能调控领域取得新进展》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2018-07-23
    • N型硅锗合金是一类性能优异的高温热电材料，由它制成的放射性同位素热电发电机RTG可以长时间有效地将放射性同位素（Pu）衰变产生的热量转化为电能，工作性能稳定而无需额外燃料和人工维护，满足了航空航天器、卫星等设备在黑暗广袤的太空中的各种仪器供电需求。硅锗合金多应用于航天航空而很少出现在日常生活中，一个主要原因就是大量掺杂的锗元素提高了材料成本；另一个原因是硅锗合金的热导率在5 W/mK以上，制约了其热电转换效率。如何利用低锗组分的硅锗合金实现同等甚至更为优异的热电转换应用，就需要考虑除了合金材料对声子的质量散射以外其他的作用机理。 　　对此中国科学院深圳先进技术研究院的隋帆博士与其合作者展开了对于低锗组分的硅锗合金材料的热电性能调控相关的研究,通过快速的放电等离子烧结技术，保留硅锗合金的微纳结构以及合金母体中的异质纳米颗粒，这种合成方法可以引入大量边界散射，使得低锗组分材料具有与RTG的高锗合金一样高效的热电转换效率。另外，本研究与美国喷气推进实验室（JPL）合作，利用合金材料这一优异的测试标样对比了塞贝克系数的两种现行主要测试方法：同轴法和异轴法，发现异轴法会在热电偶局部造成“冷点效应”，使得高温区域的塞贝克系数测量值明显偏高，这也就意味着，现有的广泛应用的异轴法测试提供了大量误导性的文献数据，引起学术界广泛关注。论文以“Influence of YbP on the thermoelectric properties of n-type P doped Si95Ge5 alloy”为题于近日发表在Journal of Alloys and Compounds期刊上。 　　硅材料往往具有较高的热导率，合金体系通过锗元素掺杂，可以提高对于声子的质量散射，降低热导率，诸如RTG使用的硅锗合金采用了20%的锗掺杂量，最终实现1.3以上的zT值。在低锗的Si95Ge5材料中，锗原子不能造成足够的质量散射来有效降低热导率，隋帆博士利用一系列不同组分P和YbH2前驱物均匀分散到硅锗合金的多晶粉末中，通过快速的放电等离子体烧结一步完成YbP异质颗粒的反应嵌合和材料的烧结。 　　通过对样品系统表征发现，1%低浓度掺杂的YbP组分可以降低材料的晶格热导率，取得和RTG同等甚至高温区域更优的热电转换效率。合金中团聚的纳米颗粒会产生比同等数目的单个原子更强的散射，这是由于除了质量差异引起的散射，纳米颗粒会有更明显的弹性系数差异，对于声子频率的散射也受纳米颗粒的半径影响。本研究还发现，不同测量原理的塞贝克系数表征会引起很大的偏差，这是由于在高温区域需要准确获得电极间的温差和电压差需要同轴法测量，才能避免异轴法对在局部因为的温差畸变。该研究对于硅锗合金的热导率调控提出了新的解决思路和实验方案。 　　 　　图1.样品热导率随温度的变化，在不增加锗含量的前提下，YbP在合金中的掺杂有效降低了材料的晶格热导率 　　图2.研究对比的两种不同的塞贝克系数测量原理: 左图为异轴法测量，右图为同轴法测量
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  • 《清华和北师大研究团队在铁电畴壁电子学领域取得新突破》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2018-07-26
    • 铁电畴壁电子学自2009年提出以来，取得诸多的进展。今天，Nature Nanotechnology在线发表以清华大学和北京师范大学为首的研究团队在这一领域的最新成果，题为Controllable conductive readout in self-assembled, topologically confined ferroelectric domain walls，为铁电畴壁电子学的应用更推进一步。 铁电材料自1920年被发现以来，经过研究人员近一个世纪的探索，目前已经能够成熟广泛地应用于传感、驱动和储能等器件当中。但随着新时代信息技术发展，人们需要探索新的物理概念和材料体系，以解决传统的半导体或磁存储器件所面临的能源损耗问题– 据估算，到2030年，全球微电子器件将会造成2000亿美元以上的能源消耗。铁电材料在外加电场作用下体现出其自发电极化的回滞行为，有望应用于新型数据存储器件，从而大幅度降低能耗。 相比于其他存储技术而言，铁电存储器采用电场对数据单元进行控制，能大大降低由电流控制所引起的焦耳热，有望在未来低能耗电子器件中发挥重要的作用。因此，国际上诸多科研和工业机构，如英特尔、东芝、和三星等，都对此投入了极大的关注和热情。然而，铁电存储器信息读取过程相对复杂，需要额外的极化翻转，大大降低了器件潜在的工作寿命。因此，如何实现铁电存储器无破坏的信号读取是近10年来研究人员关注的重点和难点。 铁电畴壁是电畴之间极化电荷不连续的区域，厚度一般小于几纳米，而且可以受外电场控制。2009年，加州大学伯克利分校Ramesh组发现在绝缘的铁电材料中，其畴壁具有一定的电荷传输能力，赋予了未来铁电存储器新的信息读取方式。这极大激发了人们对铁电畴壁的研究兴趣，世界各地研究小组利用透射电镜和扫描探针等显微技术，相继取得一系列关于铁电畴壁结构及其导电行为的研究突破。特别是在2017年，澳大利亚新南威尔士大学与中国科学院深圳先进技术研究院和湘潭大学合作（Science Advance, 2017），以及复旦大学江安全组（Nature Materials，2017）相继报道了基于平行电极实现的畴壁导电调控，大大加快了畴壁作为铁电存储和逻辑器件应用的步伐。然而，如何以大面积、自组装的方式创造出稳定的铁电畴壁，进够实现对其纳米尺度导电通道的垂直调控，是通往高密度、稳定铁电存储器件必须解决的问题。 近日，来自清华大学、北京师范大学、中国科学院物理所、北京大学以及美国宾州州立大学的合作团队，发现利用脉冲激光沉积的方法，可以实现大面积、高密度和自组装的铁电BiFeO3纳米岛，具有完全向心或离心的四瓣电畴结构。令人惊喜的是，这种拓扑受限的畴壁可与其周围电极化耦合，形成垂直电场可逆调控的畴壁电导，变化值高达1000倍。 更关键的是，由于拓扑受限的原因，电场施加前后畴壁结构并未改变，这对以铁电畴壁为基础的电子器件和存储器件的开发至关重要。因此，在本工作中，研究人员实现了对大面积、高密度、自组装纳米岛上畴壁导电的控制，畴而且畴壁的导电特性及其开关调控是高度稳定的。这一独特结构和物理现象将推动低能耗铁电畴壁电子学和存储器件的应用。在接受知社采访时，交通大学（新竹）朱英豪教授对这一工作做出高度评价： 除此之外，这种自组装纳米岛阵列独特的生长方法，还将有望推广在其他薄膜体系，用以降低未来功能材料与高密度微电子器件集成的制造成本。同时，BiFeO3作为优异的多铁性、光催化及半导体光伏材料，此拓扑受限铁电畴壁结构的发现，将加深人们对铁电低维结构的新认识，激发研究人员对纳米尺度下磁电耦合、自旋电荷输运、光伏及纳米催化等问题的更多思考。 .
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