我們首先來關注納米生物技術方面的兩篇高引文章。納米材料的尺寸一般比生物體內的細胞小得多，這就為納米載藥和納米傳感等方面提供了新的途徑。日本RIKEN腦科學研究所Thomas J. McHugh團隊和新加坡國立大學的Xiaogang Liu團隊合作，將上轉換納米顆粒的光學特性應用到了光遺傳學技術上[1] 。光遺傳學是探索神經元回路的一項革命性技術，但在臨床應用等方面仍有局限性。由于可見光無法穿透到大腦深層結構，往往需要在腦部植入很長的光纖，造成組織損傷。上轉換納米顆粒可以將組織通透性較強的近紅外光（NIR）轉換為可見光，控制特殊標記的細胞（圖1）。他們在腹側被蓋區通過上轉化納米顆粒釋放藍光來誘發多巴胺釋放、癲癇終止、記憶召回等生理現象。這項上轉換顆粒在光遺傳學中的應用有助于實現微創光學神經操控，并可應用于遠程治療。

 

圖1. 上轉化顆粒將NIR轉換為藍光后刺激神經元；腹側被蓋區共聚焦影像。

 

 

第二篇文章報道了柔性電子器件的新進展。類皮膚電子器件可緊密附著于人體皮膚，并在健康監測、醫療診斷等人機交互技術中有很大應用前景。器件的可拉伸功能，不僅可以增強穿戴舒適度，更可以增大接觸面積來提升信號的保真度。然而制造可拉伸的類皮膚器件并非易事，不僅需要復雜的制造技術，而且器件的密度會大幅減少。美國斯坦福大學的Zhenan Bao團隊開發了一種新型工藝[2] ，制備了晶體管密度高達347/ cm2的可拉伸聚合物晶體管陣列。該陣列的平均載流子遷移率與非晶硅相似，在經過1000次應變測試后也只有輕微改變，并無電流-電壓遲滯（圖2）。這種工藝為制造下一代可拉伸類皮膚電子器件提供了有力的支持。

 

圖2. 可拉伸聚合物晶體管陣列；基于可拉伸聚合物晶體管陣列的脈搏放大傳感器。

 

 

下面我們來關注催化材料的一大研究成果。由于多孔材料在催化和氣體分離等應用中起著關鍵作用，合成有序的微孔金屬有機框架有重大的意義。華南理工大學的Yingwei Li和美國德州大學圣安東尼奧分校的Banglin Chen團隊在金屬有機框架（MOF）單晶內構建了高度定向和有序的微孔（圖3）。[3] 該方法依賴于聚苯乙烯納米球模板的強大成型效果，以及雙溶劑誘導的異相成核方法。與傳統的多晶無序大孔 ZIF-8 相比，這種分層框架結構的傳質特性和單晶性質使其展現出更勝一籌的催化活性。

 

圖3. 有序微孔結構的STEM圖像

 

 

鈣鈦礦無疑是近年來的熱點材料之一。和等其他種類的太陽能電池相比，鈣鈦礦太陽能電池成本低、具有柔韌性且易于調制。鈣鈦礦在信息存儲、光電器件方面也有很大應用潛力。下面的兩篇文章展示了研究者們對鈣鈦礦發光機理的最新認識。瑞士蘇黎世聯邦理工學院Maksym V. Kovalenko、David J. Norris和Gabriele Rainò以及美國海軍科學研究實驗所Alexander L. Efros團隊發現銫鉛鹵化物鈣鈦礦中的最低激子具有很高的發光率[4] 。無機半導體中能量最低的激子釋放光子緩慢，被稱為“暗激子”。人們一直在探索存在明亮的最低激子的無機半導體材料。在這項研究中，他們首先利用有效質量模型和群理論來證明鈣鈦礦存在這種能態的可能性，然后，將模型應用于 CsPbX3 納米晶體(圖4) ，并在單納米晶體水平上測量了熒光強度和尺寸與組分的關系。這些材料的光子發射速率在室溫和低溫下分別比其它半導體晶體快20 到 1000 倍。這一成果為發掘更多具有明亮激子的半導體提供了指導，也對光電子器件的發展有著重大意義。

 

圖4. CsPbBr3晶體結構；光致發光衰減曲線

 

 

在另一篇報道中，英國劍橋大學的Samuel D. Stranks團隊通過在鈣鈦礦表面和晶界上修飾鹵化鉀鈍化層，來大幅減弱非輻射損耗和離子遷移[5] 。外部量子效率達66%，內部量子效率達到95%（圖5）。在達到高發光率的同時，遷移率仍可以保持在40cm2/V/s 。這項成果無疑是金屬鹵化物鈣鈦礦在光電子應用中的一大進展。

 

圖5. 光致發光衰減曲線；外部熒光量子效率和鉀含量(x)關系

 

 

除了鈣鈦礦太陽能電池外，有機太陽能電池也有巨大進展。有機太陽能電池性能較低的根本原因之一是有機材料的低電荷遷移率，因為它限制了活性層厚度和光吸收效率。南開大學的Yongsheng Chen團隊和國家納米中心的Liming Ding團隊通過半經驗模型分析，采用串聯電池這一策略（圖6），成功克服了這些問題[6]  。他們利用有機材料能帶結構易于調控的特點，制備了雙端單片的串聯有機太陽能電池，其能量轉化效率創紀錄的達到了17.3%。

 

圖6. 串聯電池結構；電流密度-電壓曲線

 

 

最后，我們來關注物理學家們在不同材料中的新發現。首先介紹的是馬約拉納（Majorana）費米子的研究成果。馬約拉納對稱性預測零偏壓峰的高度為量子化普通電導值（2e2/h）。荷蘭代爾夫特理工大學Leo P. Kouwenhoven課題組和合作者通過銻化銦納米線實驗對馬約拉納態電導模型進行了量子化[7] 。他們觀測到馬約拉納零偏壓峰值高度非常接近2e2/h（圖7）。這項研究不僅捕捉到了令人信服的馬約拉納費米子存在的證據， 而且為今后的實驗和拓撲量子計算的發展鋪平了道路。

 

圖7. 器件示意圖，中部灰色部分為銻化銦納米線；馬約拉納零偏壓曲線

 

 

在另一項研究中，美國麻省理工的Pablo Jarillo-Herrero團隊在100開爾文的溫度下，在單層二碲化鎢（WTe2）晶體中觀察到了量子自旋霍爾效應[8] 。單層結構表現出每邊e2/h的標志性傳輸電導（圖8）。科學家們曾預測一些二維拓撲絕緣體在高溫下存在量子自旋霍爾效應， 而這一結果成功驗證了這一猜想，并有助于進一步探索單原子層晶體的拓撲相。

 

圖8. 四探針電導測量；邊緣電導和溫度關系

 

 

2018年度最具影響力的科研成果當屬美國麻省理工學院的Yuan Cao和他所在Pablo Jarillo-Herrero團隊的成員在魔角扭曲的雙層石墨烯中發現的新的電子態[9,10] 。范德華異質結構由二維單元垂直堆疊而成，通過控制不同層間的扭曲角度，可以調控范德華異質結的電子結構。當兩個石墨烯片扭曲接近理論預測的“魔角”時，由于層間的強耦合，接近零費米能量的能帶結構變得平坦（圖9）。這些扁平帶在半填充時表現出絕緣狀態，類似于Mott絕緣體。這種魔角扭曲雙層石墨烯的獨特性質為研究更多類似的關聯材料鋪平了道路 。

 

圖9. 魔角扭曲的雙層石墨烯示意圖；電導-溫度曲線

 

 

Yuan Cao和Pablo Jarillo-Herrero團隊在魔角石墨烯超晶格絕緣性的結果基礎上，進一步調節載流子濃度來對該絕緣態進行摻雜, 使體系表現出反常的超導特性，最高超導轉變溫度約為1.7?K（圖10）。魔角石墨烯超晶格體系相對于其他超導體系來說，更易于表征和調控。對這一體系進行深入研究有望幫助科學家們探索高溫超導機制這一物理難題。

 

圖10. 魔角扭曲的雙層石墨烯示意圖；電阻-溫度曲線

 

 

參考文獻：

[1] Near-infrared deep brain stimulation via upconversion nanoparticle-mediated optogenetics. Science 359, 679-684

[2] Skin electronics from scalable fabrication of an intrinsically stretchable transistor array. Nature 555, 83–88

[3] Ordered macro-microporous metal-organic framework single crystals. Science 359, 206-210

[4] Bright triplet excitons in caesium lead halide perovskites. Nature 553, 189–193

[5] Maximizing and stabilizing luminescence from halide perovskites with potassium passivation. Nature 555, 497–501

[6] Organic and solution-processed tandem solar cells with 17.3% efficiency. Science 361, 1094-1098

[7] Quantized Majorana conductance. Nature 556, 74–79

[8] Observation of the quantum spin Hall effect up to 100 kelvin in a monolayer crystal. Science 359, 76-79

[9] Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices. Nature 556, 80–84

[10] Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices. Nature 556, 43–50

 

本文由材料人科技顧問Dr.Y供稿，編輯部編輯。