院士是学术的终点？并不是！2019年中科院技术科学部院士彭练矛、叶志镇、张 跃、朱美芳在材料方面最新进展

彭练矛

人物介绍：材料物理学家，主要从事碳基电子学领域研究。2019年当选为中国科学院院士。

（http://casad.cas.cn/sourcedb_ad_cas/zw2/ysxx/jskxb/201911/t20191121_4724707.html）

1. （ACS Applied Materials & Interfaces）：分析伽马射线辐照对碳纳米管顶栅场效应晶体管的影响[1]

空间系统或核应用需要能够在恶劣环境中长时间（有时是几十年）可靠运行的电子设备，包括在暴露于大量辐射的情况下。随着这些系统中使用的集成电路(IC)密度的增加，预测它们对辐射的响应或保证可靠运行变得越来越困难。问题在基于一些新兴半导体的晶体管和IC中更为严重。碳纳米管 (CNT) 被认为是一种很有前途的通道材料，用于构建高性能和缩放的场效应晶体管(FET)，这主要是由于其出色的载流子迁移率、超薄体和高稳定性。 此外，CNT FET和IC在辐射环境中的应用引起了相当多的关注，因为它们具有较小的横截面、纳米级的强C-C键以及半导体通道的低原子序数。

在这里，使用可控的实验方法来消除总电离剂量(TID)辐射对顶栅CNT FET的不同单独组件的影响，包括CNT通道、栅极电介质和衬底。发现衬底比FET中的栅极电介质和CNT膜更容易受到辐射损伤。此外，CNT膜不仅充当辐射硬化半导体通道，而且通过部分屏蔽衬底免受辐射损伤来保护通道/衬底界面。在实验数据的基础上，建立了一个模型来预测CNT顶栅FET的耐辐照极限，它可以承受至少155 kGy的辐照。这表明碳纳米管可以被认为是空间应用和其他高辐射环境中电子材料的优秀候选者。

2. （Advanced Functional Materials）：基于取向碳纳米管薄膜的增强型场效应晶体管和高速集成电路[2]

半导体碳纳米管 (CNT) 具有较高的室温载流子迁移率和原子厚度，被认为是构建未来电子产品的高性能和极限尺寸场效应晶体管 (FET) 的理想通道材料。此外，集成电路（IC）应用需要阻断晶体管有足够的驱动能力，并且可以可伸缩制成，不能由单个的CNT来满足。根据理论预测，具有合适管密度（≈100-250 CNTs/µm）的排列良好的半导体 CNT (s-CNT) 阵列是开发数字IC的正确半导体，其实际性能和集成密度优于传统的硅互补金属氧化物半导体(CMOS) 集成电路。定向碳纳米管（A-CNT）薄膜有望成为构建性能优于传统晶体管的场效应晶体管（FET）的理想通道材料，并且开发了多种方法来制造具有高半导体纯度、良好定向、和高密度。然而，报道的基于 A-CNT的FET几乎都是耗尽型FET，并且亚阈值摆幅 (SS) 很差。

在这项研究中，制造了基于A-CNT薄膜的增强模式FET。顶栅 A-CNT FET中的载流子迁移率达到最大值1850 cm²V^-1s^-1，这接近于化学气相沉积生长的单个CNT，并在A-CNT 薄膜中创下记录。制备的200 nm栅长p型A- CNT FET具有73 mV dec⁻¹的SS, 1 mS µm⁻¹的跨导，在-1 V偏压下的通电流为1.18 mA µm^−1,表明实际性能超过了类似栅极长度的商用硅基晶体管。基于高性能和均匀的增强模式 FET，级数为 5、7、9 和 11 的环形振荡器采用优化设计和高良率制造，表现出创纪录的CNT和其他基于纳米材料的IC之间的传播门延迟为 11.3 ps。

当选院士以来发表的文章一共为20篇（截止2021-10-29）其中期刊影响因子为：

叶志镇

人物介绍：宽禁带半导体光电薄膜材料专家，主要从事宽禁带半导体氧化锌等无机光电薄膜材料及关键技术研究。2019年当选为中国科学院院士。

（http://casad.cas.cn/sourcedb_ad_cas/zw2/ysxx/jskxb/201911/t20191121_4724710.html）

1. （Desalination）：通过Cu(TCNQ)纳米棒阵列进行定向海水输送，以实现高效的太阳能海水淡化和制盐[3]

随着工业化进程的加快，资源短缺和环境污染已成为制约人类社会可持续发展的主要因素。海洋蕴藏着丰富的资源，特别是水和矿产资源，已引起广泛关注。海水综合利用主要包括海水淡化、海水直接利用和海水化学元素提取三个方面，逐渐成为缓解土地资源枯竭的重要途径。传统的海水资源获取技术已经非常成熟，但这些技术都面临着能耗高、二次污染严重的问题。因此，探索节能环保的海水利用技术在海洋资源开发中具有重要意义。

在此，通过基于柔性Cu(TCNQ)金属有机框架(MOFs)的纳米棒阵列(MAS)调节定向海水传输并从蒸发表面分离盐结晶来解决这个问题。结构新颖的海水淡化（SDID）装置设计合理，不仅具有良好的抗盐沉积能力和优越的净水生产性能，而且实现了同步盐分提取。在1次太阳照射下，SDID设备中的MAS显示出令人印象深刻的1.78 kg m-²h^-1（投影面积）的水蒸发率和47.0 g m-2 h-1的高盐提取率。即使在夜间，MAS也能以 12.6 g m^-2h^-1的速率提取盐分。该工作为设计高效多功能太阳能海水淡化装置以实现海水资源综合利用和零液体排放提供了新思路。

2. （Science Advances）：基于定向钙钛矿纳米片的高效发光二极管[4]

经过溶液处理的平面钙钛矿发光二极管 (LED) 有望成为高性能且经济高效的电致发光器件，非常适合大面积显示和照明应用。利用具有高水平跃迁偶极矩 (TDM) 比率的发射层有望促进平面 LED 的光子输出。然而，基于各向异性钙钛矿纳米发射体的LED仍然是低效的(外部量子效率，EQE <5%)，因为很难同时控制TDM的方向，实现高的光致发光量子产额(PLQYs)和实现组装纳米结构薄膜中的电荷平衡。

在这里，报告了基于原位生长的钙钛矿薄膜的高效LED，同时展示了高水平TDM和高PLQY的比率。发射器是定向钙钛矿纳米片，具有~84% 的高面内TDM比，导致LED的光提取效率为~31%。相比之下，在相同的器件结构中使用各向同性发射器（面内TDM比率为67%）会将光提取效率限制为~23%。此外，发现通过将溴化锂(LiBr) 引入前驱体溶液中，钙钛矿薄膜的PLQY可以提高到75%以上。这些共同努力使绿色 PeLED的EQE达到创纪录的23.6%，这是平面 PeLED中的最高值。

当选院士以来发表的文章一共为48篇（截止2021-10-29）其中期刊影响因子为：

张 跃

人物介绍：材料学家，主要从事低维半导体材料及其服役行为研究。2019年当选为中国科学院院士。

（http://casad.cas.cn/sourcedb_ad_cas/zw2/ysxx/jskxb/201911/t20191121_4724711.html）

1. （Advanced Functional Materials）：用于光电器件的一维ZnO基异质结构的界面工程[5]

一维半导体材料由于其独特的连接纳米和宏观世界的能力，被广泛应用于能量转换、电子和光电器件领域。其中，1D-ZnO由于其易于调制的形貌和能带结构，在光电器件的构建中起着至关重要的作用。通过将1D-ZnO与其他材料结合形成多种异质结构，极大地丰富了 1D-ZnO的功能多样性。通过界面工程的手段，可以调整一维氧化锌基异质结构中载流子的行为以优化其光电性能。全面了解一维-氧化锌基异质结构的不同集成方法和界面工程，可以为下一代光电器件的设计提供新的、更有效的方法。

在本文中，从一维氧化锌的精确生长入手，着重总结了传统外延生长和新兴范德瓦尔斯堆叠构建的一维氧化锌基异质结构。系统综述了界面工程对上述两类异质结构光电性能的调制机制。最后，展望了用于下一代光电器件的1D-ZnO基异质结构中界面工程的机遇和挑战。重点总结了由传统外延生长和新兴范德瓦尔斯堆叠构建的一维ZnO 基异质结构。

2. （Advanced Materials）：用于肖特基无障碍电子器件的分子升级范德华触点[6]

任何超薄半导体器件的应用都离不开高质量的带有肖特基栅的金属-半导体触点。构建二维半导体的范德华(vdWs)触点是一种通过降低界面态来降低肖特基势垒高度的先进策略，但由于半导体电子亲和和金属功函数之间不可避免的能量差，最终将在理论最小势垒处失败。

在这里，报告了一种有效的分子优化策略来升级一般的vdWs触点，实现接近零的肖特基势垒并创建高性能电子设备。分子处理可以诱导p型半导体中的缺陷愈合作用，并进一步提高空穴密度，导致有效减薄肖特基势垒宽度并提高载流子界面传输效率。具有超薄肖特基势垒宽度≈ 2.17 nm和在优化的Au/WSe₂触点中≈ 9 k Ω µm的出色接触电阻，在化学气相沉积生长的WSe₂薄片中实现了≈ 148 cm²V^-1s^-1的超高场效应迁移率。与传统的化学处理不同，这种分子升级策略不会留下任何残留物，并且在> 200℃时表现出高温稳定性。此外，肖特基势垒优化被推广到其他金属-半导体接触，包括1T-PtSe₂/WSe₂、1T'-MoTe₂/WSe₂、2H-NbS₂/WSe₂和Au/PdSe₂，定义了一种简单、通用且可扩展的方法来最小化接触电阻。

当选院士以来发表的文章一共为19篇（截止2021-10-29）其中期刊影响因子为：

朱美芳

人物介绍：材料科学家，主要从事纤维材料功能化、舒适化和智能化研究。2019年当选为中国科学院院士。

（http://casad.cas.cn/sourcedb_ad_cas/zw2/ysxx/jskxb/201911/t20191121_4724715.html）

1. （Advanced Science）：有机/无机混合纤维：电化学能源应用的可控架构[7]

有机/无机杂化纤维(OIHF)是一类柔性伪一维材料，广泛拥有相对较高的纵横比（>100，ø < 100 µm）和离散的有机/无机物种域，在各种电化学能源应用中引起了极大的关注。具有各种化学成分的广泛材料系列、形成分层结构的能力以及可调和异质电子特性对于广泛的应用具有固有的强大功能。OIHF不是简单地结合单个实体的内在优点，而是由于有机和无机成分之间的协同相互作用，精心设计的 OIHF产生了有利的新特性。一般而言，有机纤维基体具有大比表面积、高柔韧性、低密度以及独特的各向异性特性，被认为是掺入各种无机成分的理想基材。无机物质，如杂原子、金属（或非金属）纳米粒子及其化合物可以以不同形式与纤维基质结合，赋予这种有机纤维基质卓越的电化学性能。

在这里，全面概述了OIHF的可控架构和电化学能量应用。在简单介绍之后，通过对整体、内部和界面结构的精确剪裁，详细描述了OIHF的可控构造。此外，几种重要的电化学能源应用，包括可充电电池（锂离子电池、钠离子电池和锂硫电池）、超级电容器（三明治状超级电容器和纤维状超级电容器）和电催化剂（氧还原反应、析氧反应、和析氢反应）。讨论了该领域的现状和挑战，并提供了将OIHF用于电化学能源设备的未来方向的愿景。

2. （Small）：通过构建优化的NiS₂/NiSe₂异质结构来提高钠离子电池的电化学性能[8]

当前，由于地球资源的过度消耗和环境的不断恶化，迫切需要将碳中和作为全球目标。清洁和可再生能源存储设备（ESD）被认为是能源结构改革的重要组成部分。锂离子电池（LIBs）具有高能量密度和优异的循环稳定性，已广泛用作各种电子和电动汽车的电源。然而，由于LIB需要高成本和资源，因此应该为储能技术开发新的候选者。最近，作为锂离子电池的替代品，钠离子电池（SIBs）由于其低成本和钠资源的广泛可用性而作为有前途的下一代电池受到越来越多的关注。

在此，首次报道了嵌入中空介孔碳球（NSSNs@HMCS）中的NiS_1.23Se_0.77纳米片的合成及其作为负极材料在SIB中的应用。NSSNs@HMCS的这种应用可以解决或缓解上述问题以满足5C要求。基于理论计算，发现将较小比例的Se原子引入NiS₂晶体可以产生最佳的电子结构并提高负极材料的导电性。NiS_1.23Se_0.77薄层在第一次放电过程后，纳米片在HMCS的内表面转化为优化的TMS/TMSe异质结构，这可以避免电解质消耗过多的副反应，从而为基于TMS/TMSe 的阳极提供超高的ICE。然后，发现优化的具有丰富相界的 TMS/TMSe异质结构在放电过程中形成了复合材料中Na⁺的高扩散通道，可以获得高反应动力学并促进SIB的电荷传输。此外，Na₂S或Na₂的不可逆分解在循环过程中，异质结构也减轻了硒和多硫化物/聚硒化物溶解到电解质中的可能性。最后，中空介孔碳球可以适应体积膨胀，并防止循环过程中复合材料的粉化和聚集问题，从而进一步提高耐用稳定性和高 CE。实验结果表明，SIBs中的NSSNs@HMCS电极表现出出色的ICE、CE、倍率性能、比容量和容量保持率。

当选院士以来发表的文章一共为89篇（截止2021-10-29）其中期刊影响因子为：

参考文献：

1. Zhu M, Zhou J, Sun P, Peng LM, Zhang Z. Analyzing Gamma-Ray Irradiation Effects on Carbon Nanotube Top-Gated Field-Effect Transistors. ACS Appl Mater Interfaces. Oct 13 2021;13(40):47756-47763.

2. Lin Y, Liang S, Xu L, et al. Enhancement‐Mode Field‐Effect Transistors and High‐Speed Integrated Circuits Based on Aligned Carbon Nanotube Films. Advanced Functional Materials. 2021.

3. Ma X, Wan X, Fang Z, et al. Orientational seawater transportation through Cu(TCNQ) nanorod arrays for efficient solar desalination and salt production. Desalination. 2022;522.

4. Cui J, Liu Y, Deng Y, et al. Efficient light-emitting diodes based on oriented perovskite nanoplatelets. Science Advances.7(41):eabg8458.

5. Zhao X, Li Q, Xu L, et al. Interface Engineering in 1D ZnO‐Based Heterostructures for Photoelectrical Devices. Advanced Functional Materials. 2021.

6. Zhang X, Kang Z, Gao L, et al. Molecule‐Upgraded van der Waals Contacts for Schottky‐Barrier‐Free Electronics. Advanced Materials. 2021;33(45).

7. Zhang F, Sherrell PC, Luo W, et al. Organic/Inorganic Hybrid Fibers: Controllable Architectures for Electrochemical Energy Applications. Adv Sci (Weinh). Oct 11 2021:e2102859.

8. He SA, Cui Z, Liu Q, et al. Enhancing the Electrochemical Performance of Sodium-Ion Batteries by Building Optimized NiS2 /NiSe2 Heterostructures. Small. Nov 2021;17(45):e2104186.

本文由春国供稿。

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