Nat. Mater.近三年被引TOP5文章汇总

引言

作为材料领域的顶级刊物，Nature Materials一直致力于刊发材料科学与工程领域在全球范围最好的研究成果。在下面的文章中，我们汇总了近三年（2017年-2019年）在Nature Materials正式发表的研究文章，并以年度为单位，基于Web of Science总结了被引次数最多的五篇文章，以飨读者。

2017年度

麻省理工大学的Mircea Dincǎ（通讯作者）团队选择Ni₃(HITP)₂MOF材料制备无导电剂和粘合剂添加的新型超级电容器。Ni₃(HITP)₂结构具有共轭π键，能够展现出良好的电导率。不仅如此，该MOF具有直径约1.5纳米的孔结构，可以使电容器电解液中的四乙基四氟硼酸铵离子通过，还能避免充放电过程中电极体积膨胀而造成的电极失活。基于这种导电MOF电极可以组成新型的对称超级电容器。测试表明，MOF电极等效串联电阻仅为0.61Ω/cm²，超越大多数报道的还原石墨烯电极。同时超级电容充放电1万次后容量损失不到10%，循环性能良好。该文章证明了MOF导电性能能够用于电容器的制备，为MOF基电容器的设计开拓了可能性。

文献链接：https://www.nature.com/articles/nmat4766

石榴石型固态电解质具有高达1mS/cm的离子电导率和优异的环境稳定性，持续吸引着研究人员的关注。然而，石榴石电解质与电极材料之间存在着高度固-固界面阻抗，限制着石榴石基高性能固态电池的发展。针对这一问题，马里兰大学的E. D. Wachsman和胡良兵（共同通讯作者）联合报道了一种克服界面阻抗问题的新策略。在这一策略中，研究人员利用原子层沉积法在类石榴石Li₇La_2.75Ca_0.25Zr_1.75Nb_0.25O₁₂(LLCZN)上引入超薄的氧化铝涂层，能够显著提高石榴石固态电解质的浸润程度和稳定性。在室温测量中发现，这一策略能够将界面阻抗从1710 Ωcm²急剧下降到1Ωcm²。实验和理论计算均表明，氧化物涂层能够实现金属锂的浸润，氢氧化锂-氧化铝界面允许锂离子在锂金属电极和石榴石电解质之间的高效输运，实现了一种基于界面化学的新型工作电池。

文献链接：https://www.nature.com/articles/nmat4821

快充能力和高功率容量式电容储能是制备新式电容器以取代现有电池的重要依据。然而限制电化学电容器发展的主要障碍之一就是过低的能量密度，这也使得利用赝电容性能材料（如具有高理论容量的层状斜方氧化钼，即α-MoO₃）进行电荷存储成为了热门的候选材料。加州大学洛杉矶分校的S. H. Tolbert、V. Ozolins以及B. Dunn（共同通讯作者）等人研究比较了还原氧化钼（R-MoO_3-x）以及全氧化氧化钼（F-MoO₃）性质。文章揭示了氧空位的引入能够增加层间距，从而提高电荷存储动力学，并可以在锂离子的插入/脱出过程中保留α-MoO₃的结构。而R-MoO_3-x展现出更高的比容量，这被归因于锂化过程中大量四价钼离子的可逆形成。这一研究强调了在过渡金属氧化物中引入氧空位是一种可以提高氧化还原活性材料电荷存储动力学的有效策略。

文献链接：https://www.nature.com/articles/nmat4810

忆阻器（Memristors）是一种具有记忆功能的非线性电阻，能够采集和处理神经活动所产生的数据。美国麻省大学的J. J. Yang（通讯作者）团队开发了一种能够模仿神经突触功能的新型纳米忆阻器。在生物神经突触中，钙离子的富集和挤出效应对突触的弹性形变有着重要的影响。受此启发，研究发展了一种散步型（diffusive）银-氧化物忆阻器，能够受激后实现与突触钙离子动力学类似的时间响应行为。原位高分辨透射显微学和纳米颗粒动力学研究均表明，在界面能量最低化的作用下，银原子在电学偏压中呈现分散行为，偏压撤除后立即又重新组合，这一行为与钙离子在突触中的组装和挤出非常相似。这一分散型忆阻器及其动力学表现能够模拟生物突触的短/长期可塑性变化，推动了硬件神经网络功能化的发展。

文献链接：https://www.nature.com/articles/nmat4756

英国帝国理工学院的D.Baran、R.S.Ashraf以及I.McCulloch（共同通讯作者）等人联合开发了一种基于双小分子非富勒烯受体、给体聚合物P3HT以及PCE10的三元太阳能电池。双小分子非富勒烯受体可以实现与IDFBR和IDTBR的吸收互补，分别获得了7.7%以及11%的能量转换效率。同时，在室温黑暗环境中1200小时后器件仍能维持效率高达原有的80%；持续光照90小时后，效率仍能维持在85%左右。扩大化生产后的太阳能电池，其效率仍能达到6.5%，表明有机太阳能电池的工业化应用又迈进了一步。

文献链接：https://www.nature.com/articles/nmat4797

2018年度

瑞士洛桑联邦理工学院的F. Sahli以及Q. Jeangros（共同通讯作者）等人结合硅基材料钙钛矿开发了一种新型串联太阳能电池。研究人员在单晶硅的微米级表面开发了新型沉积工艺，可以共形生长顶部电池中的多种化合物，并在随后可与晶硅异质结（SHJ）组成2T串联器件。经过测试，该器件表现出高达25.2%的认证稳态效率。金字塔形结构的光学设计可以产生高达19.5mA/cm²的电流密度。最后，经过封装的钙钛矿/SHJ串联太阳能电池在空气中进行MPP恒定光照跟踪270小时后表现出优异的运行稳定性，其效率依然能够高达初始效率的90%。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41563-018-0115-4

金属锌具有理论容量高、成本低等特点，被认为是水系电池的理想负极材料。然而，锌电极在碱性电解质中库仑效率低、枝状晶体生长以及氢氧化锌等不可逆副产物的持续出现都阻碍着锌负极的进一步开发应用。美国马里兰大学的王春生教授联合美国陆军实验室许康研究员（共同通讯作者）报道阐释了基于高浓度锌、锂盐的水溶性电解质能够解决锌电极面临的问题。这一独特的电解质不仅能够实现库仑效率达到100%的无枝状锌电镀/脱出，也保证了开放环境中的水存留。利用锂锰氧或者氧气作为正极，锌电池表现出出人意料的灵活性和可逆性——对于前者来说，经过超过4000次的循环仍能输送180Wh/kg的电量并保留80%的容量；而对于后者来说，超过200次循环后依然能输送300Wh/kg。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41563-018-0063-z

如何平衡强度和韧度的关系一直是材料制备中的关键问题。通常来说，为了实现优异的材料硬度，可能不得牺牲材料的韧度。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的Yinmin (Morris) Wang（通讯作者）通过激光粉末基体融合技术制备了奥氏体316L不锈钢（L-PBF 316L），其屈服强度与拉伸延展性的性能组合超越传统316L钢的相应性能组合。以激光束、电子束、等离子或离子束为热源，加热材料使之结合并直接制造零件的方法，称为高能束流快速制造，是工业领域最为常见的增材制造方法。研究发现，通过这一增材制造技术获得的奥氏体316L不锈钢同时具备优异的强度和较好的拉伸性能。经分析，L-PBF 316L的高强度归因于形成的胞状结构、小角度晶界以及在制造过程中形成的位错，其高延伸率则与稳定渐进的加工硬化机制有关。此外，研究人员还发现，沿着胞状结构壁和小角度晶界的溶质偏析可以促进位错钉扎并促进孪生，采用增材制造的方法可以获得独特的微观组织结构，这些结构能带来较好的性能组合。

文献链接：https://www.nature.com/articles/nmat5021

压电材料是一类可以力学响应外加电场或者产生电场的材料，是机电换能器的必需部分。先前的理论研究显示钙钛矿氧化物中的高压电性能与热力学平坦的铁电相相关。宾夕法尼亚州立大学的李飞、陈龙庆以及Shujun Zhang（共同通讯作者）等人基于现象学理论和相场模拟，提出了一种通过引入局部结构异质性来控制界面能（与界面有关的弹性能量及静电能）以达到自由能全景平坦化的新型策略。研究合成了稀土掺杂的PMN–PT，其中稀土掺杂剂倾向于改变铅基钙钛矿铁电体的局部结构。由此，可在居里温度为89摄氏度的钐掺杂PMN–PT陶瓷中实现1500pC/N的超高压电系数d₃₃和超过13000的介电常数。该研究为基于局部结构异质性设计材料性能提供了新的范式。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41563-018-0034-4

利用纯电学方法控制磁场是发展信息技术的关键挑战之一。包括铁磁金属、铁磁半导体、多铁性/电磁材料在内的众多材料体系已经被用于探索实现磁性的电场控制。而近来出现的二维范德华磁体则为磁性电场控制提供了新的机会。康奈尔大学的Jie Shan和Kin Fai Mak（共同通讯作者）阐明了基于双层反铁磁半导体碘化铬可以实现磁性控制。利用基于小门电压的场效应器件可以实现这一电场控制磁性行为，利用磁圆二色谱学方法则可以观察到相应的磁化现象。外加电场创造了层间势差，导致巨大的线性电磁效应。研究也实现了层间反铁磁/铁磁态的电学转换行为。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41563-018-0040-6

2019年度

固态电解质界面（SEI）是锂电池的关键组成，锂金属SEI受到电解液和金属锂之间的反应以及电解质电化学反应的影响，导致SEI不仅结构复杂还难以控制其生长，一直都是锂金属电池发展的主要挑战之一。宾夕法尼亚州立大学的王东海（通讯作者）团队报道了一种新型的用以稳定锂金属电池负极SEI的策略。研究人员利用具有化学/电化学活性的石墨烯复合材料作为前驱体，在锂金属表明原位生成聚合物锂盐、氟化锂纳米粒子以及氧化石墨烯组成的SEI。分析测试表明，这一合成SEI具有优异的稳定性和均一性，同时由于氧化石墨烯的存在，其力学强度也得到了显著的提升。这些性能的提升保证了锂金属电池在贫电解质中的稳定循环行为，证明了SEI对锂金属电极稳定性的重要性，为电极的电化学界面设计提供了新的思路。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41563-019-0305-8

高阶拓扑绝缘体是新近出现的一类物质拓扑相，遵循扩展的拓扑块体-边界对应原则（extended topological bulk–boundary correspondence principle）。例如，二维的二阶拓扑绝缘体并不像经典的二维拓扑绝缘体一样表现出无带隙的一维拓扑边缘态，而是具有拓扑保护的零维角态（corner states）。浙江大学的Fei Gao、南洋理工大学的Yidong Chong以及Baile Zhang（共同通讯作者）等人在实验中利用声超构结构（acoustic metamaterial）实现了二阶拓扑绝缘体。这一绝缘体基于具有零四极极化（quadrupole polarization）“呼吸”的kagome晶格。与此前的高阶拓扑绝缘体不同，绝缘体的角态不仅取决于块体拓扑，而且还与角形状有关。这一形状依赖性允许角态实现拓扑保护的、可重构局部共振。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41563-018-0251-x

拓扑体系对无序和扰动具有内生的抵抗作用，可在量子固体中实现无耗散的电子边缘输运或者在经典波系统中实现光子和声子的无反射引导。近期，更是有研究开发了一类具有块体极化特征的新型拓扑材料。而纽约城市大学的Andrea Alù和A.B. Khanikaev（共同通讯作者）在理论和实验两个角度同时阐释了一种3D打印二维声学超构结构。这种结构拥有非平凡（nontrivial）块体拓扑极化、二阶零维角态以及优异的声学性能。角态呈现出结构的手性对称性，可以保护二阶拓扑态。该研究发现为对声的传播和操控进行更高级的控制提供了可能性。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41563-018-0252-9

在二维范德华异质结构中控制层间扭角有助于设计具有可调长度的准周期摩尔超晶格。在扭转双层石墨烯中，摩尔超晶格表明电子带宽可以被调节，可与魔角范德华层间作用相当，表现出强关联行为。然而，范德华层间作用在界面产生显著的结构重组，与层间晶格扭曲发生竞争。哈佛大学的Philip Kim（通讯作者）课题组报道了扭转双层石墨烯中的重构行为，并阐释了这一行为对电子结构的作用。研究发现，当石墨烯扭角减小时，不对称的摩尔结构会逐渐过渡到对称域阵列。通过施加横向电场，研究还发现了在一维拓扑通道网络上出现电子输运。因此，在范德华界面的原子和电子重构为连续调谐系统设计提供了新的思路。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41563-019-0346-z

偶联离子-电子效应（Coupled ionic–electronic effects）有助于下一代器件和电路的发展。特别是层状二维材料如二硫化钼，具有高度各向异性的离子输运性质，能够在器件中实现可控的离子迁移和有效的离子偶联。密歇根大学的W. D. Lu（通讯作者）团队报道了一种对二硫化钼薄膜实现可逆调制的方法。通过电场控制锂离子，这一可逆调制行为与局部2H–1T′相变一致，即锂离子浓度的增加或者减少能够导致2H（半导体）与1T′（金属）相之间的转变。基于这一材料制备的器件展现出优异的忆阻器行为，通过离子交换可以实现彼此的直接偶联，能够导致突触竞争和突触配合效应。这一研究揭示了场驱动离子过程直接调制二维材料的潜力，有望实现基于偶联离子-电子效应的新型电子/能源器件。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41563-018-0248-5

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