1. 用於高倍率鋰離子儲能的鈮鎢氧化物
原標題：Niobium tungsten oxides for high-rate lithium-ion energy storage
材料名稱：Nb16W5O55 和 Nb18W16O93
研究團隊：英國劍橋大學 Clare P. Grey 研究組
鋰離子電池的最大功率輸出和最小充電時間取決於離子和電子傳輸。電化學活性顆粒內的離子擴散通常代表對電池可充電和放電速率的基本限制。為了補償相對慢的固態離子擴散並且能夠實現高功率和快速充電，活性顆粒經常被減小到納米尺寸，從而損害了體積填充密度、成本、穩定性和可持續性。作為納米級的替代方案，Griffith 等人在這裡展示了兩種複雜的鈮鎢氧化物（Nb16W5O55 和 Nb18W16O93，它們分別採用晶體剪切和青銅狀結構）即使在鈮鎢氧化物顆粒的尺寸數量級為微米級下也可以高速嵌入大量的鋰。兩種結構中鋰離子擴散係數的測量顯示室溫下的值比典型的電極材料如 Li4Ti5O12 和 LiMn2O4 高几個數量級。這一鈮鎢氧化物材料的出現打破了通過構造納米電極材料來優化電池中離子擴散速率和電學性能的傳統方法，為製備高性能電池提供了新的策略。（Nature DOI: 10.1038/s41586-018-0347-0）
2. 室溫下對範德瓦爾斯異質結構中激子通量的電控制
原標題：Room-temperature electrical control of exciton flux in a van der Waals heterostructure
材料名稱：MoS2-WSe2 範德瓦爾斯異質結構
研究團隊：瑞士洛桑聯邦理工學院 Andras Kis 研究組
依賴於激子（束縛電子和空穴對）操作的器件有望實現光學數據傳輸和電子處理系統之間的有效互連。儘管已經在基於體半導體的耦合量子阱中成功地證明了基於激子的晶體管作用，但是它們工作所需的低溫限制了它們的實際應用。最近出現的具有較大激子結合能的二維半導體有可能促成室溫下工作的激子器件和電路。雖然單個二維材料激子擴散長度較短，但異質結構中不同層中的電子和空穴的空間分離可有助於克服該限制並使中等尺度裝置的室溫操作成為了可能。Unuchek 等人報導了由封裝在六方氮化硼中的 MoS2-WSe2 範德瓦爾斯異質結構製成的激子器件，其展示了在室溫下電控晶體管的作用。這一器件中層間激子的長壽性質使它們能夠在 5 微米的距離上擴散。並在這一器件中進一步證明了通過為激子通量創建電可重構限制和排斥電位來操縱激子動力學的能力。這一結果為將二維材料集成到未來的激子器件中從而在室溫下進行操作提供了強有力的理由。（Nature DOI: 10.1038/s41586-018-0357-y）
3. 節能、高性能電子開關的狄拉克源場效應晶體管
原標題：Dirac-source field-effect transistors as energy-efficient, high-performance electronic switches
材料名稱：狄拉克源場效應晶體管
研究團隊：北京大學彭練矛研究組
降低功率的有效方法是降低電源電壓 VDD，但該電壓受場效應晶體管（FET）亞閾值擺幅（SS）的熱激發限制（60 mV/DEC）。Qiu 等人研究表明，石墨烯狄拉克源（DS）在費米能級附近的電子密度分佈比傳統 FET 的電子密度分佈窄得多，可以降低 SS。具有碳納米管通道的 DS-FET 在室溫下提供了 40 mV/DEC 左右的平均 SS，並且在 60 mV/DEC 下有高達 40 μA/μm 的器件電流 I60。與最先進的硅 14 納米點 FET 相比，也實現了類似的離子，但是與硅的 0.7V 電源電壓相比低得多為 0.5V，且截斷狀態的 SS 更低，為 35 mV/DEC。（Science DOI: 10.1126/science.aap9195）
4. 自組裝、拓撲約束的鐵電疇壁中的可控傳導讀出
原標題：Controllable conductive readout in self-assembled, topologically confined ferroelectric domain walls
材料名稱：鐵電 BiFeO3 納米島
研究團隊：清華大學南策文和北京師範大學張金星研究組
鐵電體中的帶電疇壁表現出了與周圍極化耦合的準二維傳導路徑，可以用作具有非破壞性操作和超低能耗的非易失性存儲器。但在極化切換期間疇壁的演變使得精確控制它們的位置和電導具有一定挑戰性，而這是受控讀寫方案和可擴展存儲器件集成的先決條件。Ma 等人探索並進行了自組裝陣列中方形 BiFeO3 納米島偏振的可逆切換。每個島都把十字形帶電疇壁限制在中心型疇中。靜電和幾何邊界條件引起兩個穩定的疇配置：中心收斂和中心發散。Ma 等人通過在這兩種狀態之間對極化進行來回切換，從而能夠將疇壁電導改變三個數量級，而疇壁的位置由於其在 BiFeO3 島內的限制而能夠保持靜態。（Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-018-0204-1）
5. WSe2-石墨烯-Bi2Se3 異質結構中原位自旋光電流的產生、傳輸和檢測
原標題：Generation, transport and detection of valley-locked spin photocurrent in WSe2–graphene–Bi2Se3 heterostructures
材料名稱：WSe2-石墨烯-Bi2Se3異質結構
研究團隊：韓國延世大學 Hyunyong Choi 研究組
能夠將目標自由度（DoF）與其他 DoF 隔離的量子光電器件使現代信息技術中的新應用成為了可能。許多關於固態自旋電子學的研究都集中在將自旋 DoF 與電荷 DoF 解開的方法，但許多相關問題仍未得到解決。儘管最近出現的原子級薄的過渡金屬二硫化物（TMDs）已經能夠使用谷贗自旋作為替代 DoF，但是將自旋 DoF 與谷 DoF 分離仍是非常重要的，因為時間反轉谷 DoF 本質上與自旋 DoF 是鎖定的。Cha 等人展示了橫向 TMD-石墨烯-拓撲絕緣體異質器件，可能用於進行這種 DoF 選擇性測量。並通過電雙層 WSe2 晶體管中的圓形光電效應產生了谷鎖定自旋 DoF。然後，谷鎖定自旋光載流子在亞微米長的石墨烯層中擴散，並且通過使用特徵自旋動量鎖定的非局部電檢測在拓撲絕緣體中單獨測量自旋 DoF。集成器件工作在室溫下表現出的非局部自旋極化度高於 0.5，為耦合光學-自旋-谷電子應用提供了獨立開發谷 DoF 和旋轉 DoF 的潛力。（Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-018-0195-y）
6.共軛聚合物的微孔膜能夠實現超快速的有機-溶劑納米過濾
原標題：Microporous membranes comprising conjugated polymers with rigid backbones enable ultrafast organic-solvent nanofiltration
材料名稱：共軛微孔聚合物（CMP）膜
研究團隊：國家納米科學中心唐智勇研究組
用於純化有機溶劑的常規技術需要消耗大量的能量，為了減少這種消耗需求，需要能夠高分子量保留大分子溶質並具有高溶劑滲透性的高效過濾膜。Liang 等人報導了通過 C-C 偶聯反應制備共軛微孔聚合物（CMP）膜的表面引發聚合的策略。膜的主鏈由全剛性共軛體系組成，並顯示出了對有機溶劑的高耐受性。Liang 等人表明，在聚丙烯腈基材上負載的 42 納米厚的 CMP 膜可在非極性己烷和極性甲醇中提供出色的溶質保留和廣譜納米過濾，其滲透率分別達到 32 和 22 l m-2 h-1 bar-1。實驗和模擬都表明 CMP 膜的性能源於在高剛性網絡中形成的基本上開放和互連的空隙。（Nature Chemistry DOI: 10.1038/s41557-018-0093-9）
7. 通過異質結熱處理使 Cu2ZnSnS4 太陽能電池功率轉換效率超過 10％
原標題：Cu2ZnSnS4 solar cells with over 10% power conversion efficiency enabled by heterojunction heat treatment
材料名稱：Cu2ZnSnS4 太陽能電池
研究團隊：澳大利亞新南威爾士大學 Xiaojing Hao 研究組
硫化物黃銅礦 Cu2ZnSnS4 提供了非常具有吸引力的低成本、環境友好且穩定的光伏材料，但是這種太陽能電池創紀錄的功率轉換效率多年來一直停滯在 9％ 左右。異質結區域內的嚴重非輻射覆合是限制電壓輸出和整體性能的主要原因。Yan 等人報導了認證效率達 11％ 的 Cu2ZnSnS4 太陽能電池，其具有高達 730mV 的開路電壓，並利用熱處理來減少異質結複合。該熱處理促進了元素相互擴散，直接誘導了 Cd 原子佔據 Zn 或 Cu 晶格位點，並促進了伴隨異質結區域內局部 Cu 缺乏的 Na 積累。因此，在異質界面附近形成了新相，並且獲得了更有利的導帶排列，有助於減少非輻射覆合。使用這種方法，Yan 等人還展示了釐米級（1.11 cm2）10％ 效率的 Cu2ZnSnS4 光伏器件；第一個標準釐米大小的硫銅錫鋅礦電池（包括含硒）超過 10％。（Nature Energy DOI: 10.1038/s41560-018-0206-0）
8. 三相界面上實現的的高效電催化 CO2 還原
原標題：Efficient electrocatalytic CO2 reduction on a three-phase interface
材料名稱：柔性疏水納米多孔聚乙烯膜
研究團隊：美國斯坦福大學崔屹研究組
二氧化碳電化學減排，是減緩全球二氧化碳排放加速和生成增值產品的關鍵方法。儘管人們為優化催化劑活性和選擇性做出了巨大努力，但想要促使催化劑實現高 CO2 濃度的同時保持電極耐久性仍然是一個重大挑戰。Li 等人設計了一種催化系統，模仿哺乳動物肺部的肺泡結構，具有高透氣性且水擴散性非常低，能夠形成一系列的三相催化界面。使用了具有高透氣性的柔性疏水納米多孔聚乙烯膜，以在不同的 CO2 流速下在催化劑表面上實現高效的 CO2 進入和高局部鹼度。與可逆氫電極相比，這種小泡模擬結構在 -0.6 V 時提供了高達 92％ 的 CO 產生法拉第效率和優異的 CO 產生幾何電流密度（25.5 mA·cm-2），且催化劑厚度非常薄，為 20-80 納米。（Nature Catalysis DOI: 10.1038/s41929-018-0108-3）
閱讀更多 尋材問料 的文章
