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《Nature》《Science》新一周材料科学前沿要闻

发布时间:2019-11-04 01:14编辑:化工塑胶浏览(86)

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    1. 用于无束缚快速转变软材料的铁磁畴印刷
    1. 石墨烯纳米带的磁性边缘态和相干操作

    材料名称:磁响应软材料

    材料名称:石墨烯纳米带

    研究团队:麻省理工学院 Shawn A. Chester 和Xuanhe Zhao研究组

    研究团队:牛津大学Bogani研究组

    能够对诸如光、热、溶剂、电场和磁场之类的刺激产生响应并在三维形状之间转变的软材料已经在多个领域有所应用了,例如柔性电子学、软体机器人学和生物医学。特别是磁场,为生物医学应用提供了安全有效的操作方法,使得通常能够在封闭和有限的空间内进行远程驱动。随着磁场控制的进步,柔性磁响应材料也从嵌入分立磁体或将磁性颗粒加入到软化合物中从而在聚合物片材中产生非均匀磁化分布的情况得到了发展和进步。Zhao 等人报告了软材料中编程化铁磁畴的 3D 打印,这促成了通过磁驱动实现复杂3D 形状之间的快速转变。这一方法基于含有铁磁性微粒的弹性体复合材料的直接印刷。通过在印刷时向分配喷嘴施加磁场,并沿着施加的场对粒子进行重新定向,从而为印刷的细丝赋予图案化的磁极性。这种方法使得能够在复杂的3D 打印软材料中对铁磁畴进行编程,从而实现一系列先前无法获得的转变模式,例如对具有负泊松比的机械超材料的远程控制拉胀。带有编程铁磁畴的印刷软材料的驱动速度和功率密度比现有的3D 印刷活性材料大出了多个数量级。Zhao 等人还进一步展示了复杂形状变化所衍生出的多种功能,包括可重新配置的软电子设备,可以跳跃的机械超材料以及爬行、滚动、捕捉快速移动物体并传输药物剂量的软机器人。

    石墨烯是碳原子的单层网络,具有优异的电子和机械性能。纳米级宽度的石墨烯带能够表现出半金属性和量子限制效应。对于自旋电子学和量子计算器件来说,石墨烯纳米带的相干操作前景可观,研究人员已经从理论角度对其磁性边缘进行了广泛的研究。然而,纳米带的边缘不能以原子精度产生,并且已经提出的石墨烯末端化学性质不稳定,这两个问题一直阻碍着研究的进展。Slota 等人通过稳定的自旋轴承基团功能化分子石墨烯纳米带,研究解决了研究进程中的两大问题。实验观察到预测的非局域磁边缘状态,并测试了自旋动力学和自旋-环境相互作用的理论模型。与非石墨化的参考材料相比,Slota 等人能够清楚地识别自由基功能化石墨烯纳米带的特征行为。研究量化了自旋轨道耦合的参数,定义了相互作用模式并确定了自旋退相干通道。即使没有任何优化,自旋相干时间能够在室温下的微秒范围内,实现边缘和自由基自旋之间的量子反演操作。Slota 等人的方法提供了一种在石墨烯纳米带实验中测试磁性理论的方法。观察到的相干时间开辟了在量子自旋电子器件中使用磁性纳米带的令人鼓舞的前景。

    1. 自旋过滤性范德瓦尔斯异质结构中的巨隧穿磁阻

    2. 石墨烯-铁磁体界面处由Rashba效应引起的显著Dzyaloshinskii-Moriya相互作用

    材料名称:三碘化铬(CrI3)

    材料名称:石墨烯/铁磁金属

    研究团队:美国华盛顿大学徐晓东研究组

    研究团队:法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学Chshiev研究组

    运用磁阻的磁性多层器件是磁感应和数据存储技术的主要部分。Xu 等人报告了基于范德华异质结构的多自旋过滤性磁隧道结,其中原子级厚度的三碘化铬充当夹在石墨烯之间的自旋过滤隧穿势垒。并展示了隧穿磁阻随着CrI3层厚度的增加而急剧增加,在低温下利用四层 sf-MTJs的磁性多层结构达到了创纪录的 19000%。Xu 等人利用磁圆二色性测量,将这些影响归因于原子级CrI3 的本征逐层反铁磁有序性。这一研究工作揭示了推动磁信息存储达到原子级厚度极限的可能性,并强调了将CrI3 作为 vdW 异质结自旋电子器件具有的高磁隧穿势垒。

    能够利用石墨烯丰富的自旋相关性质的这一可能性,使得在追求自旋电子学进展的研究中引起了很多关注。高速和低能耗设备的前景激发了研究人员对稳定手性旋转纹理分层结构的寻找。Yang 等人证明了手性自旋纹理在石墨烯/铁磁金属界面处是被诱导的。石墨烯是一种弱自旋-轨道耦合材料,通常不会引起足够的 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用来影响磁性手性。Yang 等人证明了石墨烯确实会因 Rashba 效应而诱发一类 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用。自旋极化电子显微镜实验和第一性原理计算表明,这种石墨烯诱导的 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用可以达到与重金属界面相似的量级。这项研究工作为通向基于二维材料的自旋轨道学铺平了道路。

    1. 具有 25.2% 功率转换效率的全纹理化单片钙钛矿/硅串联太阳能电池

    3.反铁磁绝缘体中的自旋巨磁电阻

    (Fully textured monolithic perovskite/silicon tandemsolar cells with 25.2% power conversion efficiency)

    (Spin colossal magnetoresistance in an antiferromagnetic insulator)

    材料名称:钙钛矿/硅串联太阳能电池

    材料名称:反铁磁绝缘体 Cr2O3

    研究团队:洛桑联邦理工学院 QuentinJeangros 研究组

    研究团队:日本东北大学Dazhi Hou研究组

    结合了钙钛矿和硅太阳能电池的串联器件,有望以合理的成本实现30% 以上功率转换效率。迄今为止最先进的单片双端钙钛矿/硅串联器件,是以硅为底部并将其正面抛光从而与钙钛矿制造工艺兼容。这一让步导致了更高的潜在生产成本、更高的反射损失并使得光捕获情况变得不理想。为了解决这个问题,Jeangros 等人开发了一种顶部电池沉积工艺,可以直接在单晶硅微米尺寸金字塔纹理上实现具有可受控光电特性的多种化合物的共形生长。具有硅异质结电池和纳米晶硅重组结的串联器件表现出了经认证的25.2% 的稳态效率。Jeangros 等人的这一光学设计产生了19.5 mA·cm-2 的电流密度,并为实现30% 单片钙钛矿/硅串联器件提供了一条途径。

    巨磁电阻指的是由金属-绝缘体转变附近的磁场引起的电导率的巨大变化,这激发了数十年来的广泛研究。Qiu 等人展示了反铁磁绝缘体 Cr2O3 的 Néel 温度附近的类似自旋效应。通过利用钇铁石榴石 YIG/Cr2O3/Pt 的三层结构,Qiu 等人将来自 YIG 的自旋电流注入到 Cr2O3 层中,并通过反向自旋霍尔效应收集转移到重金属 Pt 中的自旋信号。并且观察到 Néel 温度在 14K 内传输的自旋电流有两个数量级的差异。自旋传导和非传导状态之间的这种转变也由等温条件下的磁场调制。Qiu 等人称之为自旋巨磁电阻的这种效应有可能简化基本自旋电子学器件的设计,例如实现自旋电流开关或基于自旋电流的存储器。

    1. 镧和铝掺杂实现锂离子电池中LiCoO2电极的容量极限
    1. 解决铜氧化加成问题的途径:溴代芳烃的三氟甲基化

    (Approachingthe capacity limit of lithium cobalt oxide in lithium ion batteries vialanthanum and aluminium doping)

    (A radical approach to the copper oxidative addition problem: Trifluoromethylation of bromoarenes)

    材料名称:镧和铝掺杂LiCoO2电极

    材料名称:芳基溴代物

    研究团队:美国阿贡国家实验室和中国华为公司研究团队

    研究团队:美国普林斯顿大学MacMillan研究组

    LiCoO2具有很高的理论比容量,然而,基于LiCoO2的电极电压相对于Li/Li 超过4.35V时容易引起结构不稳定和严重的容量衰减。因此,商业化额liCoO2表现出最大容量仅有165 mAh/g左右。Liu等人发展了一种掺杂技术能够解决这一长期循环不稳定的问题,并且能够增加LiCoO2的容量。La和Al共同掺杂在LiCoO2的晶格中,其中La作为支柱增加c轴的间距,而Al作为正电荷中心促进Li 的迁移,即使在4.5V的截止电压也能够稳定结构和抑制循环过程中相变。这种掺杂的LiCoO2电极表现出极高的容量,保持96%的容量能够稳定循环50圈,而且能够提高材料的倍率性能。

    过渡金属催化的芳烃官能化在过去的一个世纪中被广泛用于分子合成。其中,铜催化长期以来一直被认为是一个特殊的平台,因为高价铜倾向于用各种各样的偶联片段进行还原消除。然而,氧化加成的缓慢性质限制了铜广泛促进卤代芳烃偶联的能力。Le 等人表明该铜氧化加成问题可以用芳基捕获机理克服,其中芳基通过甲硅烷基卤素取代生成。该策略可以被应用于通过双铜-光氧化催化的芳基溴代物的三氟甲基化。机理研究支持了开壳芳基物质的形成。

    1. 单金属位点催化剂联通均相催化和异相催化
    1. 非平衡态斯格眀子的聚集和崩塌动力学

    (Bridginghomogeneous and heterogeneous catalysis by heterogeneous single-metal-site catalysts)

    (Aggregation and collapse dynamics of skyrmions in a non-equilibrium state)

    材料名称:异相单金属催化位点催化剂

    材料名称:六方晶格斯格眀子晶体

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