《自然》《科学》一周(7.9-7.15)材料科学前沿要闻

1. 用于高产率环境稳定单分子层器件的金属纳米粒子接触 材料名称：金属纳米粒子 研究团队：瑞士 IBM 苏黎世实验室 Gabriel Puebla-Hellmann 研究组 原标题：Metallic nanoparticle contacts for high-yield, ambient-stable molecular-monolayer devices 想要实现用于电子应用、光发射或感测的分子的固有功能，需要与这些分子的可靠电接触。自组装的由单层（SAM）组成的夹层结构是有利于技术应用的，但是需要非破坏性的顶部接触制造方法。已有的各种方法，包含从直接金属蒸发到聚（3,4-乙烯二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT：PSS）或石墨烯夹层到金属转移印刷。然而，在不损害薄膜完整性、内在功能或大规模制造兼容性的情况下，尚不可能制造基于 SAM 的器件。Puebla-Hellmann 等人开发了一种基于 SAM 的器件的顶部接触方法，通过利用金属纳米粒子可以为各个分子提供可靠的电接触这一事实，同时解决了所有问题。该制造步骤首先包括将一层金属纳米颗粒直接共形和非破坏性地沉积在 SAM 上（其本身横向约束在介电基质中的圆形孔内，直径范围为 60 纳米至 70 微米），然后通过直接金属蒸发对顶部接触进行加固。该方法能够制造数千个相同的、环境稳定的金属-分子-金属器件。SAM 组成的系统变化表明，固有的分子特性不受纳米颗粒层和后来的顶部金属化的影响。Puebla-Hellmann 等人提出的这一概念通常针对配有两个锚定基团的密集分子层，并为分子化合物大规模整合到固态器件提供了一条途径（可以缩小到单分子水平）。（Nature DOI: 10.1038/s41586-018-0275-z）

2. 无金属的三维钙钛矿铁电体 材料名称：MDABCO-NH4I3 研究团队：中国东南大学熊仁根研究组 原标题：Metal-free three-dimensional perovskite ferroelectrics 无机钙钛矿铁电体由于其优异的铁电性和其它性质而广泛用于非易失性存储元件、电容器和传感器中。但有机铁电体因其机械柔韧性、低重量、环境友好的加工和低加工温度则是理想的选择。虽然自第一个铁电 Rochelle 盐以来已经过去了近一个世纪，但仍缺乏高度理想的有机钙钛矿铁电体的例子。Ye 等人发现了一族具有特征三维结构的无金属有机钙钛矿铁电体，其中 MDABCO(N-甲基-N'-二氮杂双环[2.2.2]辛铵)-NH4I3 具有 22μC/cm2 的自发极化[接近钛酸钡(BTO)]，448 K 的高相变温度（高于 BTO），以及八个可能的极化方向。这些属性使其在柔性设备、软机器人、生物医学设备和其他应用中具有吸引力。（Science DOI: 10.1126/science.aas9330） 3. 一种用于高效稳定的钙钛矿太阳能电池的芴截端的空穴传输材料 材料名称：芴截端的空穴传输材料 研究团队：韩国化学技术研究所（KRICT） Jaemin Lee 和 Jangwon Seo 研究组 原标题：A fluorene-terminated hole-transporting material for highly efficient and stable perovskite solar cells 钙钛矿太阳能电池（PSC）如果要商业化，需要具备高效率和良好的长期稳定性。其中至关重要的是，对钙钛矿和空穴传输材料之间能级匹配的精细优化，从而获得更好的性能。Jeon 等人合成了一种具有微调能级和高玻璃化转变温度的芴截端的空穴传输材料，能够确保 PSC 的高效和热稳定。并使用这种材料制了造效率达 23.2％ 的光伏器件（在反向扫描下），其中对于小面积（~0.094 cm2）电池，稳态效率为 22.85％，对于大面积（~1 cm2）电池，效率为 21.7％（在反向扫描下）。而且还实现了 22.6％（小面积电池，~0.094 cm2）和 20.9％（大面积，~1 cm2）的认证效率。所得器件显示出比具有 spiro-OMeTAD 的器件更好的热稳定性，在 60℃ 热退火后超过 500 小时仍保持了其初始性能的近 95％。（Nature Energy DOI: 10.1038/s41560-018-0200-6） 4. 用于将氮还原成氨的催化剂 材料名称：氮还原催化剂 研究团队：美国阿肯色大学 Julie N. Renner 和 Lauren F. Greenlee 研究组 原标题：Catalysts for nitrogen reduction to ammonia 合成氨的生产至今仍然依赖于能源和资本密集型的 Haber-Bosch 工艺。分子催化方面的广泛研究表明，尽管生产率很低，但由二氮产生氨是可行的。通过对分子催化剂结构的研究以及对天然存在的固氮酶的理解，使得对二氮还原成氨的机理性理解得以进一步深入。如何通过稳健的多相催化剂表面向 Haber-Bosch 替代选择过渡，仍是一个未解决的研究挑战。由于将二氮化物电化学还原为氨的催化剂有可能与 Haber-Bosch 工艺竞争并减少相关的二氧化碳排放，因此这种催化剂是研究的一个特定重点。但迄今为止进展有限，因为大多数电催化剂表面缺乏对固氮的特异性。Foster 等人讨论了该领域在固氮酶和分子催化剂促进氨合成方面机制理解上的进展，并回顾了非均相电催化剂的现状和科学需求。（Nature Catalysis DOI: 10.1038/s41929-018-0092-7）

5. 石墨烯量子点可预防帕金森病中的 α-突触核蛋白病 材料名称：石墨烯量子点 研究团队：美国约翰霍普金斯大学医学院 Byung Hee Hong 和 Han Seok Ko 研究组 原标题：Graphene quantum dots prevent α-synucleinopathy in Parkinson’s disease 虽然最新的证据表明帕金森病的发病机制与中脑中 α-突触核蛋白（α-syn）聚集体的积累和传递密切相关，但在临床上还没有能够成功治疗该疾病抗聚集剂。对此 Kim 等人展示了石墨烯量子点（GQDs）能够抑制 α-syn 的纤维化并直接与成熟原纤维相互作用并引发其解聚。此外，GQDs 还可以挽救神经元死亡和突触损失，减少路易体和 路易神经突形成，改善线粒体功能障碍，并避免由 α-syn 预先形成的原纤维引起的 α-syn 病理学的神经元间传递。Kim 等人在体内观察到了 GQDs 穿透血脑屏障并避免了由 α-syn 预形成原纤维、路易体/路易神经突病变和行为缺陷诱导的多巴胺神经元损失。（Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-018-0179-y） 6. 表面耗尽对掺杂半导体纳米晶体的等离子体特性的影响 材料名称：Sn 掺杂 In2O3 纳米晶体 研究团队：美国德克萨斯大学奥斯汀分校 Delia J. Milliron 研究组 原标题：Impacts of surface depletion on the plasmonic properties of doped semiconductor nanocrystals 简并掺杂半导体纳米晶体（NCs）在电磁波谱的红外范围内表现出局部表面等离子体共振（LSPR）。与金属不同的是，半导体 NCs 是通过掺杂或通过电化学或光化学充电提供可调谐的 LSPR 特性。通过载流子密度调制调节等离子体特性的能力表明了其在智能光电子学、催化和传感中的潜在应用。Zandi 等人利用 Sn 掺杂的 In2O3（Sn：In2O3）NCs 中的动态载流子密度调谐，阐明了 LSPR 调制的基本方面。通过在均匀薄膜中合成并组装成具有各种掺杂水平和尺寸的单分散 Sn：In2O3 NCs。然后将 NCs 膜装入原位电化学电池中并监测 LSPR 调制光谱。基于 LSPR 的光谱偏移和强度调制，结合光学建模，发现了通常被忽略的半导体特性，特别是由掺杂和表面状态引起的能带结构改变，强烈地影响 LSPR 调制。由表面缺陷状态固定的费米能级产生表面耗尽层，改变了 LSPR 特性；它决定了 LSPR 频率调制的程度，减少了预期的近场增强，并大大降低了 LSPR 对周围环境的敏感度。（Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0130-5）

7. 超导纳米线中的配对破裂量子相变 材料名称：超导纳米线 研究团队：美国犹他大学 Andrey Rogachev 研究组 原标题：Pair-breaking quantum phase transition in superconducting nanowires 物质的不同基态之间的量子相变（QPT）是普遍现象，但是只有少数实验系统可以测试和理解转变的微观机制。这些案例很独特，为我们理解量子临界现象奠定了实验基础。 Kim 等人报告了超导纳米线[典型一维系统（d = 1）]中磁场驱动 QPT 可以通过配对破裂转换（特征为相关长度指数 v≈1 和动态临界指数 z≈2）的临界理论得到完全解释。并发现在量子临界状态下，电导率与理论预测的标度函数一致。此外，该理论定量地描述了电导率对临界温度、场强和取向、纳米线横截面积和纳米线材料的微观参数的依赖性。在临界场，电导率遵循由现象学标度理论预测（最近在全息框架内也获得了）的 T(d-2)/z 依赖性。该工作揭示了控制转变的微观过程：磁场对相互作用的库珀对的配对破裂效应因其与电子自由度的耦合而过度阻尼。该工作还揭示了连续量子相变的普遍特征。（Nature Physics DOI: 10.1038/s41567-018-0179-8）