顶刊动态｜Science/AM/ACS Nano等一周中国学术进展汇总【第52期】

国内周报第52期摘要：武汉大学通过熔化生长衬底处理，以获得非晶各向同性表面，从而研究了石墨烯单晶的各向同性生长行为；苏州大学通过操纵分子间作用力实现Janus纳米粒子的可逆精确自组装；上海交通大学发现石墨烯负载的二硫化钼纳米复合材料有助于实现脱锂过程中的循环稳定性；中国科学院化学研究所&中国科学院大学基于2DQTTs研究了分子结构间关系、薄膜的微观结构及有机薄膜晶体管（OTFT）的电荷输运特性；中山大学利用PVSI工艺在锆-金属有机框架（Zr-MOF）样品中实现第二配体的动态组装与卸载，从而合成灵活、可变的更可控的MOFs；湖南大学结合统计力学模拟方法和第一性原理研究面心立方结构的富镍Ni-Re合金中的交互作用与原子有序；香港理工大学&南昌大学利用基于微机电系统（MEMS）技术的加热样品台和原位高分辨透射电镜（in-situ TEM），首次实现对二硫化钼的生长过程的原子尺度实时观察记录；清华大学&量子物质科学协同创新中心利用分子束外延技术制备出了高质量、原子级厚度的SnTe薄膜并证明了单原胞厚度的SnTe薄膜存在稳定的铁电性。

1、ACS Nano : 光滑拼接的石墨烯的各向同性生长

图1 石墨烯拼接示意图

由于晶界的形成不可避免，通过化学气相沉积生长的石墨烯的质量与其理论属性仍然有很大差距。设计出具有各向异性双重对称性的单晶衬底设计可使石墨烯晶核单向排列，这将很有希望解决晶圆规模生长消除晶界的难题。然而，这样一个微妙的过程很容易被缺陷或杂质的阻塞所终止。

最近，武汉大学的付磊（通讯作者）等人研究了通过熔化生长衬底处理，以获得非晶各向同性表面，从而研究了石墨烯单晶的各向同性生长行为。所获得的石墨烯晶粒表现出高活性。相邻晶粒取向可以很容易的自我调整并顺利相互匹配，从而实现相邻石墨烯的平滑拼接。因此，晶界的不利影响将被消除，石墨烯的优异的传输性能将得以保证。更重要的是，这样一个各向同性的生长模式可以扩展到其他类型的层状纳米材料。

文献连接：Isotropic Growth of Graphene toward Smoothing Stitching（ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b03668）

2、ACS Nano : 无连接剂法实现Janus纳米粒子的可逆精确自组装

图2 Janus纳米粒子的可逆自组装示意图

纳米粒子的可控合成无论对于基础研究还是实际应用都必不可少。虽然已经进行了大量的研究，但是简单、廉价、可逆、通用的排序方法仍然是当前纳米科学和纳米技术的一个核心问题。

最近，苏州大学的Yeshayahu Lifshitz（通讯作者）、Qiao Zhang（通讯作者）和Shuit-Tong Lee（通讯作者）等人通过操纵例如范德华力、静电力等分子间作用力实现了纳米粒子的可逆精确自组装。本方法快速，无需连接剂，克服了现有方法的一些局限性，并允许小颗粒可控合成为各种结构。

文献连接：Reversible and Precise Self-Assembly of Janus Metal-Organosilica Nanoparticles through a Linker-Free Approach（ACS Nano，2016，DOI:10.1021/acsnano.6b03396）

3、Advanced Energy Materials. : 脱锂过程中的再生金属硫化物——循环稳定的关键

图3 抑制硫化物产生的MSx可逆转换反应示意图

脱锂过程中金属硫化物的再生是实现电极材料循环稳定性的关键。人们对电极材料的结构、组成及脱锂机理做了大量研究。

最近，上海交通大学的宰建陶（通讯作者）和钱雪峰（通讯作者）等人发现，石墨烯负载的二硫化钼纳米复合材料具有长循环寿命、高倍率性能的特点，同时层次结构的MoS2和石墨烯的协同作用，能有效地提高锂离子扩散动力学和电导率，从而通过提高反应的可逆性，大大抑制Li2S氧化为多硫化物，因此选用此种材料可以更好的实现脱锂过程中的循环稳定。

文献连接：Regeneration of Metal Sulfides in the Delithiation Process: The Key to Cyclic Stability（Advanced Energy Materials，2016，DOI: 10.1002/aenm.201601056）

4、Advanced Materials : 采用“分子结构”和“侧链”工程相结合的高迁移率n型半导体

图4 2DQTTs分子示意图

从上世纪末和本世纪初开始，有机半导体材料研究引起了业界的广泛重视，使有机半导体器件的实验室制作水平得到大幅提高，并逐步进入当前的商品发展阶段。“分子结构”和“侧链”工程相是高性能有机半导体的有效设计方法。

中国科学院化学研究所的狄重安（通讯作者）、中国科学院化学研究所和中国科学院大学的朱晓张（通讯作者）等人基于2DQTTs，对分子结构之间的关系、薄膜的微观结构和有机薄膜晶体管（OTFT）的电荷输运特性进行了研究。2DQTT-o-B材料表现出了突出的电子迁移率，这打破了原有材料的记录。

文献连接：Pursuing High-Mobility n-Type Organic Semiconductors by Combination of “Molecule-Framework” and “Side-Chain” Engineering（Advanced Materials， 2016，DOI: 10.1002/adma.201602598）

5、Angew. Chem. Int. Ed. : 一种实现精确调控Zr-MOFs的呼吸行为和孔道表面的方法

图5 H₂L⁵的PVSI示意图

金属-有机框架材料（MOFs）是近十年来发展迅速的一种配位聚合物，具有三维的孔结构，一般以金属离子为连接点，有机配位体支撑构成空间3D延伸，系沸石和碳纳米管之外的又一类重要的新型多孔材料，在催化、储能和分离中都有广泛应用。

最近，中山大学化学与化学工程学院的苏成勇教授（通讯作者）等人通过一种合成后的可变间隔组装(PVSI)方法从一个稳定而灵活的锆-金属有机框架(Zr-MOF)样品中实现第二配体的动态组装与卸载，从而合成灵活、可变的更可控的MOFs。这种PVSI工艺能够精确配置不同长度、大小、数量和功能的孔道，使准确固定连续吸附阶段和调整孔道表面成为可能。它意味着一种新的合成方法，通过可预见的改性方法创造结构复杂的MOFs，例如CO2和R22的吸附、分离，热、化学稳定性以及扩大吸附行为。

文献连接：Precise Modulation of the Breathing Behavior and Pore Surface in Zr-MOFs by Reversible Post-Synthetic Variable-Spacer Installation to Fine-Tune the Expansion Magnitude and Sorption Properties（Angew. Chem. Int. Ed. ， 2016，DOI: 10.1002/anie.201604023）

6、PRB : 富镍Ni-Re合金中的交互作用与原子有序化研究

图6 Ni91-Re9合金的SRO参数结算结果

在进行第一性原理计算的时候除了告诉程序你所使用的原子和他们的位置外，没有其它的实验的、经验的或者半经验的参量，且具有很好的移植性。作为评价事物的依据，第一性原理和经验参数是两个极端。第一性原理是某些硬性规定或推演得出的结论，而经验参数则是通过大量实例得出的规律性的数据，这些数据可以来自第一性原理，也可以来自实验。

最近，湖南大学的彭平（通讯作者）和瑞典皇家理工学院的Andrei V. Ruban（通讯作者）等人结合统计力学模拟方法和第一性原理，研究了面心立方结构的富镍Ni-Re合金中的交互作用与原子有序化。采用第一性原理计算，有效获得了化学和应变诱导的相互作用。在此基础上推测，新得到的合金类型是不同于Re原子含量小于10 at.%的合金。研究人员认为在这个系统中的有效的化学相互作用是与合金组合物、原子体积和磁性状态有关的。在统计热力学模拟中，使用修正后的相互作用，正确地再现了在总能量直接计算中得到的有序能。对于Ni91-Re9合金进行蒙特卡罗模拟，910K时在（212）晶面的作用存在骤降趋势。原子短程有序的研究结果表明，相比于在实验中观察到的，目前应用的理论高估了有序化的力量。

文献连接：Effective interactions and atomic ordering in Ni-rich Ni-Re alloys（Physical Review B，2016，DOI: 10.1103/PhysRevB.94.024111）

7、Nature Communications：透射电镜下二维二硫化钼片的生长机制

图7 （a）原位高分辨透射电镜加热阶段实验装置的示意图（b-e）在宽温度范围内选区电子衍射花样变化： (b) 25 °C, (c) 400 °C, (d) 780 °C 和 (e) 900 °C。比例尺： 5nm⁻¹。

二维材料是当今材料科学研究中的重要前沿领域之一。化学成分相对复杂的化合物，例如二硫化钼MoS2也可以形成二维形态。二维材料的发现大大拓宽了人们的视野，在半导体、能源、环保等领域有广泛的应用前景。作为一个崭新的领域，二维材料有很多基本的问题尚没有答案，其中类似于“硫和钼的原子如何通过高温加热排列成独特的二维结构”的问题就是这样的情况。

最近，香港理工大学的柴扬（通讯作者）、香港理工大学和南昌大学的王雨（通讯作者）等人在透射电镜下原位观察二硫化钼片这样一种新型二维材料在高温下生长的过程。他们巧妙地设计了一个化学合成路径，采用基于微机电系统（MEMS）技术的加热样品台和原位高分辨透射电镜（in-situ TEM），首次实现了对二硫化钼的生长过程的原子尺度实时观察和记录。论文工作的结果对于二硫化钼二维结构的可控合成与制备具有重要的指导意义，所采用的方法也具有普适性，可以推广到更多的材料体系。

文献连接：Direct TEM observations of growth mechanisms of two-dimensional MoS2 flakes（Nature Communications，2016，DOI:10.1038/ncomms12206）

8、Science：原子级厚度SnTe薄膜面内铁电性的发现

图8由自发极化和畴壁调控诱发的能带弯曲

铁电体在临界转变温度之下出现自发极化。但对于高密度的电子设备或纳米级设备，铁电薄膜变得更薄，低于室温的居里点使铁电材料的自发极化消失，限制了其发展。

最近，清华大学物理系、量子物质科学协同创新中心的陈曦（通讯作者）和季帅华（通讯作者）等人成功利用分子束外延技术制备出了高质量、原子级厚度的SnTe薄膜，并利用扫描隧道显微镜（STM）观测到铁电畴、极化电荷引起的能带弯曲，以及STM针尖诱导的极化翻转，证明了单原胞厚度的SnTe薄膜存在稳定的铁电性。分析表明，量子尺度效应引起的能隙增大、高质量薄膜中缺陷密度以及载流子浓度的降低，是铁电增强的重要原因。同时，薄膜厚度的降低导致面内晶格增大在铁电性增强上起到部分作用。具有面内极化方向的SnTe铁电薄膜在电子器件方面有着潜在的广泛应用前景。

文献连接：Discovery of robust in-plane ferroelectricity in atomic-thick SnTe（Science , 2016, DOI: 10.1126/science.aad8609 ）

以上我们列举的仅为过去一周内（7.14-7.20）我国先进材料研究的最新进展的代表。整理过程中难免存在疏忽，还望各位读者谅解并诚挚欢迎大家提出意见/建议，或推荐最新的国内材料研究新闻线索给我们：tougao@cailiaoren.com。

本期周报由国内材料周报小组矢志不渝撰写，欧洲足球赛事 编辑整理。