纳米人编辑部对2019年国内外重要科研团队的代表性重要成果进行了梳理，今天，我们要介绍的是加州大学洛杉矶分校化学与生物化学系段镶锋教授。
段镶锋教授的研究兴趣包括纳米尺度材料、器件及其在未来电子器件、能源技术、生物医学等方面的应用。研究致力于理性设计与合成复杂纳米结构，精准调控其化学成分，结构形貌及尺寸；对材料新的化学、光学、电学和磁学性质展开基础研究；以此为基础开发新的技术应用。段教授课题组研究的重点是在纳米尺度上实现多组分、多结构、多功能的异质集成，以此来构建传统技术难以实现的、具有超前性能或独特功能的全新集成化纳米系统。具体的子研究方向包括胶体纳米晶合成、功能纳米器件、催化和能源纳米材料、基础相变研究、2D晶体/异质结制备、高速柔性电子器件、范德华异质结器件、储能用3D石墨烯、纳米尺度催化剂、化学和生物纳米探针等。下面，我们简要总结了段镶锋教授课题组2019年部分研究成果，供大家交流学习。1）由于相关论文数量较多，本文仅限于段教授作为通讯作者的论文（不包括序言、短篇评述等），以online时间为准。如有遗漏，欢迎留言补充。2）由于学术水平有限，所选文章及其表述如有不当，敬请批评指正。3）由于篇幅限制，部分成果未列入编号，仅以发表截图展示。1. 多维度材料的范德华整合策略丨Nature展望材料集成策略通常涉及强化学键（例如外延生长），并且通常限于具有高度结构匹配和工艺兼容性的材料。通过弱的范德华相互作用，预制构建单元物理组装在一起，可以实现无化学键的集成，这可以摆脱晶格和加工工艺的限制（例如二维范德华异质结构）。近日，加州大学洛杉矶分校段镶锋和黄昱回顾了这种新兴方法的发展，挑战和机遇，将其概括为多维度（超出两个维度）的多种材料系统的灵活整合，并讨论其超出现有材料范围的人造异质结构或超晶格的潜力。
Liu, Y. etal. Van der Waals integration before and beyond two-dimensional materials. Nature2019.DOI:10.1038/s41586-019-1013-xhttps://www.nature.com/articles/s41586-019-1013-x
2. 范德华薄膜电子学丨NatureElectron.展望
基于大面积柔性和可穿戴设备的新兴应用的开发需要可解决方案处理的薄膜电子器件。有机半导体可以在溶液中加工，但通常在环境条件下具有相对低的性能和不足的稳定性。然而，无机纳米结构可以在溶液中加工，同时保持结晶无机材料的优异电子性能和结构稳定性。特别地，一系列二维无机纳米片可以作为稳定的胶体油墨分散在各种溶剂中。这些纳米片可以组装成连续的薄膜，其中相邻的薄片通过范德华力相互作用，具有很少的界面俘获状态。由此产生的平铺纳米片，我们称之为二维范德瓦尔斯薄膜，在薄膜电子学中具有巨大的潜力。近日，加州大学洛杉矶分校段镶锋研究团队探讨范德瓦尔斯薄膜的发展及其在高性能大面积电子产品中的应用。研究了纳米片油墨的配方及其可扩展组装成范德瓦尔斯薄膜和器件。研究人员还考虑了它们在大面积可穿戴电子设备中的应用以及在提供实用设备方面存在的挑战。
Lin, Z. Huang, Y. Duan, X. Vander Waals thin-filmelectronics. Nature Electronics 2019.DOI:10.1038/s41928-019-0301-7https://www.nature.com/articles/s41928-019-0301-73. 具有近乎理想亚阈值摆幅的基于SnSe/MoS2范德华异质结的结型场效应晶体管丨AM降低晶体管亚阈值摆幅可实现更低工作电压和功耗，对于移动设备和物联网设备来说十分重要。为实现近乎理想的亚阈值摆幅（室温下60 mV dec−1），传统的金属-氧化物半导体型场效应晶体管需要复杂的介电质工程。另一类型的结型场效应晶体管则不包括介电层，在实现理论亚阈值摆幅的过程中避免了复杂的介电质工程。有鉴于此，加州大学洛杉矶分校段镶锋和黄昱团队搭建了具有近乎理想亚阈值斜率的基于二维SnSe/MoS2范德华异质结的结型场效应晶体管（JFET）。实验表明，SnSe/MoS2范德华异质结具有优异的p-n结二极管整流特性和低饱和电流。采用SnSe作为栅、MoS2作为沟道时，SnSe/MoS2范德华异质结表现出良好的n沟道JFET特性，夹断电压Vp仅为-0.25 V，亚阈值摆幅为接近理想值的60.3 mV dec−1，开关比达106以上，在亚阈值区具有良好的电性能。
Guo, Jian, et al. "SnSe/MoS2 van der WaalsHeterostructure Junction Field‐Effect Transistors with Nearly IdealSubthreshold Slope." Advanced Materials (2019).https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201902962目前，理性控制成核/生长动力学以生长2D垂直异质结仍然面临巨大挑战。有鉴于此，湖南大学潘安练团队和加州大学洛杉矶分校段镶锋团队从成核和动力学的角度，对过渡金属硫族化合物（TMDCs）垂直异质结的生长机理进行了深入研究，发现具有高扩散能垒的活性团簇会诱导在TMDC模板上的成核过程而形成垂直异质结。基于此机理，作者通过理性调控气相前驱体中的金属/硫族元素比例，实现了对活性团簇扩散能垒和异质外延方向的有效操控，成功设计了一大批垂直的TMDCs异质结。光学和SEM表征显示，所制备的异质结具有原子级尖锐界面，不存在明显合金化和缺陷。
Li, Fang, et al. "Rational Kinetics Control toward Universal Growthof 2D Vertically Stacked Heterostructures." Advanced Materials (2019):1901351.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.2019013515. 超薄层状四方与非层状六方CoSe纳米片的相调谐合成丨AM过渡金属双卤代物的多种结构相因其可调的化学和电子性质而引起广泛关注。近日，湖南大学段曦东与加州大学洛杉矶分校段镶锋等多团队合作，报道了一种制备结构相可调的超薄CoSe纳米板的化学气相沉积方法。通过对生长温度的精确调控，可以选择性地制备出厚度分别为2.3 nm和3.7 nm的二维层状四方CoSe纳米片和非层状六角形CoSe纳米片。x射线衍射、透射电镜和选定区域电子衍射研究表明，这两种纳米片都是高质量的单晶。电输运研究表明，正方和六方CoSe纳米片均具有较强的厚度可调电性能和优良的击穿电流密度。2D六方CoSe纳米片显示出金属性，其导电率高达6.6×105 S m−1，击穿电流密度高达3.9×107 A cm−2；而四方CoSe纳米片具有稍低的导电率8.2×104 S m−1，在较低的场具有角相关磁电阻和弱反局域效应。
HuifangMa, Xidong Duan,* Xiangfeng Duan*, et al. Phase-Tunable Synthesis of Ultrathin Layered Tetragonal CoSe andNonlayered Hexagonal CoSe Nanoplates. Adv. Mater. 2019,DOI:10.1002/adma.201900901https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.2019009016. 单原子裁剪法制备高效多功能NiPt电催化剂丨Nature Catalysis铂基纳米催化剂在各种电催化系统中发挥着重要作用，对可再生能源、清洁能源的转化、储存和利用具有重要意义。但是铂的稀缺性和高成本严重限制了这些催化剂的实际应用。用其他过渡金属修饰铂催化剂提供了一个有效的途径来调整它们的催化性能，但往往牺牲了电化学活性表面积(ECSA)。近日，加州大学洛杉矶分校段镶锋、黄昱、Philippe Sautet等多团队合作，报道了一种单原子裁减策略制备NiPt电催化剂，在提高铂纳米催化剂活性的同时，表面活性位点的损失也最小。作者以PtNi合金纳米线为起始，采用部分电化学去合金法，制备了单原子镍修饰的Pt纳米线，该纳米线具有高的析氢反应、甲醇氧化和乙醇氧化反应的活性与ECSA。
Mufan Li,Kaining Duanmu, Chengzhang Wan, Philippe Sautet*, Yu Huang*, Xiangfeng Duan*,et al. Single-atom tailoring of platinum nanocatalysts for high-performancemultifunctional electrocatalysis. Nat. Catal., 2019DOI: 10.1038/s41929-019-0279-6https://doi.org/10.1038/s41929-019-0279-67. 石墨烯/类石墨烯碳负载的单原子催化剂丨Chem. Soc. Rev.电催化在各类电化学能源转换过程中扮演了至关重要的角色，与提高能源利用效率、缓解全球变暖直接相关。Pt等贵金属通常是驱动这些反应、促进相关转化过程的最常用电催化剂。然而，贵金属催化剂成本高、资源稀少，其长期可供性面临巨大挑战，因此目前大量研究致力于探索基于更少含量贵金属或是完全基于地球丰量金属的新型电催化剂。其中，石墨烯负载的单原子电催化剂（G-SACs）受到了特别关注，其同时集成了均相和异相催化剂的优点，例如高的活性、选择性、稳定性，最大化的原子利用率，以及简易的分离过程。石墨烯载体具有大的表面积，高的导电性以及优异的（电）化学稳定性，使其成为负载单原子电催化剂的潜在底载体。有鉴于此，湖南大学Huilong Fei，加州大学洛杉矶分校段镶锋，沙特阿拉伯国王大学黄昱、Imran Shakir等人从合成策略，原子结构解析，电催化应用等方面重点分析了G-SACs的最新进展，并对未来的挑战和机会提出了展望。
Fei, Huilong, et al. "Single atom electrocatalysts supported ongraphene or graphene-like carbons." Chemical Society Reviews 48.20 (2019):5207-5241.https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2019/cs/c9cs00422j8. 原位透射电镜用于能源材料和器件研究丨AM综述可充电电池、燃料电池和太阳能电池等能源设备是为可再生、移动和电气化的未来提供动力的核心。要发展这些装置，需要对与能量转换过程相关的复杂化学反应、物质转换和电流有基本的了解。原位透射电子显微镜(TEM)是一种强大的工具，可在原子尺度上原位直接可视化这些复杂的过程。近日，深圳大学Yumeng Shi，加州大学洛杉矶分校黄昱、段镶锋，燕山大学Jianyu Huang等多团队合作，综述了原位TEM在能源材料和器件方面的应用最新进展。作者首先综述了利用TEM研究纳米电池从开路电池结构到闭路电池结构再到全电池结构的演化过程。然后利用原位TEM探究了在实际运行环境中的充电离子电池，以及应用原位TEM直接观察电催化剂形成、演变等。最后，介绍了TEM和冷冻电镜在探测清洁能源材料方面的最新进展，并讨论了能源材料和器件原位TEM研究中出现的机遇和挑战。
Zheng Fan,Yumeng Shi,* Jianyu Huang,* Yu Huang,* Xiangfeng Duan*, et al. In Situ Transmission Electron Microscopy for Energy Materials andDevices. Adv. Mater. 2019,DOI: 10.1002/adma.201900608https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201900608
典型的陶瓷材料如二氧化硅，氧化铝和碳化硅的气凝胶非常脆，在应力下，特别是在高温或突然的热冲击下易碎。用于减轻陶瓷气凝胶脆性的常规策略又经常导致其他性能的降低，例如导热性的增加。通过非常规策略的多尺度多级次结构设计，可以获得既具有负泊松比（使其在拉伸时沿法线方向膨胀），又具有负热膨胀系数（使其在加热时收缩）的双负指数材料，从而提高断裂韧性并减轻陶瓷的脆性。然而，由于加工限制，制造具有分层结构的块状三维陶瓷超材料气凝胶依然困难重重。有鉴于此，加州大学洛杉矶分校段镶锋、黄昱团队和哈尔滨工业大学Hui Li团队合作，报道了一种具有双曲结构的三维hBN陶瓷气凝胶，同时具有负的热膨胀系数和负的泊松比，具备超轻、高力学强度和超级隔热三大特点。
Xiang Xu,Qiangqiang Zhang, Menglong Hao, Yu Huang, Xiangfeng Duan et al.Double-negative-indexceramic aerogels for thermal superinsulation. Science2019, 363, 723-727.http://science.sciencemag.org/content/363/6428/72310. 大面积石墨烯网/碳管膜用于纳滤丨Science多孔纳米二维材料对于离子和分子纳米过滤是行之有效的，但是受到大面积机械强度不足的限制，无法是其大规模应用。袁荃团队和段镶锋团队联合报道了一个大面积的石墨烯-纳米网/单壁碳纳米管（GNM / SWNT）复合膜。该复合材料具有优异的机械强度，同时能够充分捕捉原子薄膜的优点。单层GNM具有高密度亚纳米孔可有效输送水分子，同时，阻挡溶质离子或分子从而实现尺寸选择性分离。SWNT网络将GNM物理地分离成岛状微型区域，并作为负载GNM的框架，从而确保原子级薄GNM的结构完整性。得到的GNM/SWNT膜对盐离子或有机分子显示出高的水渗透性和高的截留率，并且其在管状模块中保持稳定的分离性能。
Yang, Y.et al. Large-area graphene-nanomesh/carbon-nanotube hybrid membranes for ionicand molecular nanofiltration. Science 364, 1057, 2019Doi:10.1126/science.aau5321.https://science.sciencemag.org/content/364/6445/1057
11. 探测量子点光伏器件极限的原位界面工程丨Nature Nano.量子点（QD）光伏器件以其低成本合成、可调带隙和潜在的高功率转换效率（PCE）而备受关注。然而，迄今为止，实验获得的效率仍远不理想。东南大学Litao Sun、加州大学洛杉矶分校段镶锋和浙江大学Ze Zhang联合报道了使用定制的光电透射电子显微镜（TEM）支架原位制备和研究单个TiO2纳米线/CdSe QD异质结太阳能电池（QDHSC）。采用移动式计数器电极对界面区进行精确的微调，实现了对界面区的实时光电测量，揭示了界面区对PCE的依赖性。理论模拟表明，简化的单根纳米线太阳电池结构可以使界面面积和相关电荷散射最小化，从而实现有效的电荷收集。此外，纳米线基量子点的光学天线效应可以进一步增强光的吸收和增强PCE。该研究在透射电镜中为原位光电研究建立了一个强大的“纳米实验室”平台，为纳米太阳能电池的界面效应提供了有价值的见解。
Dong,H.; Xu, F.; Sun, Z.; Wu, X.; Zhang, Q.; Zhai, Y.; Tan, X. D.; He, L.; Xu, T.;Zhang, Z.; Duan, X.; Sun, L., In situ interface engineering for probing thelimit of quantum dot photovoltaic devices. Nature Nanotechnology 2019.DOI：10.1038/s41565-019-0526-7https://www.nature.com/articles/s41565-019-0526-712. 纳米线电子学：从纳米尺度到宏观尺度丨Chem.Rev.在过去的二十年中，半导体纳米线作为功能电子和光电器件自下而上组装的最佳定义的纳米级构建模块之一引起了广泛关注。段镶锋和黄昱团队全面回顾了探索用于功能纳米电子和宏观电子组装的半导体纳米线的持续努力。首先，简要概述各种半导体纳米线和纳米线异质结构的合成控制，其具有精确控制的物理尺寸，化学成分，异质结构界面和电子特性，以确定纳米线电子器件的材料基础。然后，总结了一系列装配策略，这些装配策略用于创建具有受控空间位置，方向和密度的有序纳米线阵列，这对于构建来自合成半导体纳米线的日益复杂的电子器件和电路是必不可少的。接下来，回顾了基本的电子特性和各种单纳米线晶体管概念。结合可设计的电子特性和可控组装方法，讨论了一系列由纳米线构件组装而成的纳米级器件和集成电路，以及可解决方案加工的纳米线薄膜晶体管的独特设计，用于高性能大面积柔性电子产品。最后，简要介绍了常设挑战和未来机遇。
Jia, C.,Lin, Z., Huang, Y. & Duan, X. Nanowire Electronics: From Nanoscale toMacroscale. Chem. Rev., 2019DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00164(2019).https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.9b0016413. 用于制备高性能Ag纳米线薄膜透明半导体的快速电化学清洁策略丨JACSAg纳米线薄膜是值得重点考虑的下一代透明导体。然而，由于在合成过程中引入的PVP配体残留于表面，Ag纳米线薄膜的载流子输运性能受到较大负面影响。有鉴于此，湖南大学段曦东、胡家文，加州大学洛杉矶分校段镶锋等人提出了一种快速电化学清洁策略，该方法可以彻底移除Ag纳米线表面的PVP配体，在不影响透光性的前提下明显改善其载流子输运性能。具体而言，作者发现，施加大小接近H吸附析出的负电位能在5-15s时间内有效除去Ag纳米线表面的全部PVP配体，使得Ag纳米线/Ag纳米线之间，以及光电器件的Ag纳米线薄膜/活性层之间形成超清洁界面。PVP配体的移除极大降低了Ag纳米线薄膜的面电阻——从49到13 ohm/sq （550 nm对应90.91%的透光率），同时Ag纳米线薄膜/活性层之间的界面电阻也减小了94.3%。改进的Ag纳米线薄膜能明显提升可穿戴应变传感器的灵敏度，以及基于三明治结构薄膜的垂直堆叠器件的电流收集效率。以上这些结果表明，本文所提出的电化学清洁策略能有效移除表面配体，进一步提高Ag纳米线薄膜的面内/面外载流子输运性能，从而极大促进相关电子/光电子器件的应用。
Ge, Yongjie, et al. "Rapid Electrochemical Cleaning Silver NanowireThin Films for High-Performance Transparent Conductors." Journal of theAmerican Chemical Society 141.31 (2019): 12251-12257.https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.9b02497
14. 基于上转换光致发光成像的定量表面等离激元干涉量度分析法丨Research表面等离激元（SPPs）的直接远场可视化和表征对于基础研究和技术应用十分重要。为探测易消散的等离激元场，通常需要采用先进的近场技术，而近场技术通常不适用于在复杂环境中对SPPs的实时、高通量探测或成像。有鉴于此，加州大学洛杉矶分校段镶锋团队利用稀土掺杂纳米颗粒，将不可见、易消散的SPPs定量上转换为可见光致发光，实现了复杂环境中SPPs的直接远场可视化。金属表面的SPPs和相干入射光之间形成了干涉条纹，能用来定量测量SPP波长，SPP传播长度和局部介电环境。因此，这是一种能敏感地将局部介电环境变化转化为干涉周期变化的新的信号传导途径。作者预计这种方法将催生更多无分光仪、直接测量的光尺，用于对各类生物分子的快速、超灵敏、无标记探测，包括抗生蛋白链菌素、前列腺特异抗原等，检测限可达10-15摩尔水平。
Yin, Anxiang, et al. "Quantitative Surface Plasmon Interferometryvia Upconversion Photoluminescence Mapping." Research 2019 (2019):8304824.DOI: 10.34133/2019/8304824https://spj.sciencemag.org/research/2019/8304824/15. 室温量子干涉调控的自组装分子-电子薄膜丨Chem分子电子器件是未来电子器件的有力候选者之一，其丰富的功能超过了存在尺寸极限的Si基电子器件。与量子效应局限于低温的固态量子技术相比，分子电子器件能实现室温量子效应，因而具有优势。最近，加州大学洛杉矶分校段镶锋、黄昱，兰卡斯特大学Colin J. Lambert，伯尔尼大学Shi-Xia Liu等人在自组装单层分子电导中实现了室温量子干涉效应，证明了在设计新型功能超薄薄膜材料和器件时利用量子干涉效应是可行的。分子端基改性与上述量子干涉效应的结合产生了量子干涉驱动的垂直分子晶体管，后者具有高开关比。这项工作更广泛的意义在于为分子电子学领域的科学探索和技术创新提供了诱人的机会。Famili, Marjan, et al. "Self-Assembled Molecular-Electronic FilmsControlled by Room Temperature Quantum Interference." Chem 5.2 (2019):474-484.DOI: 10.1016/j.chempr.2018.12.008https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2451929418305710除此之外，段镶锋教授课题组2019年在纳米材料/器件及其应用方面还发表了一系列重要成果，由于内容较多，在此不一一列出。感兴趣的读者可前往段镶锋教授课题组网站学习。
段镶锋，1977年出生于中国湖南武冈，纳米材料学专家，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校终身教授、博士生导师，湖南大学特聘教授。1992年考入中国科学技术大学少年班；1997年本科毕业后前往美国哈佛大学学习，先后获得化学硕士学位、物理化学博士学位；1999年获得MRS全美杰出研究生奖；2001年获得全美发明家竞赛大奖，2002年进入美国Nanosys高科技公司工作，是该公司的联合创始人之一；2003年被美国Technology Review评为年度世界百位杰出青年发明家之一；2008年进入加利福尼亚大学洛杉矶分校工作，先后担任助理教授、终身副教授、终身教授；2011年入选汤森路透集团发布的2000-2010年全球顶尖100化学家名人堂榜单和全球顶尖100材料学家名人堂榜单，9月获得2010年度美国“青年科学家总统奖”；2013年被聘为湖南大学特聘教授，8月获得贝尔比奖章；2018年入选2017年度长江学者奖励计划讲座教授。过去近十年的工作中，在国际一流刊物中发表了100余篇高影响的论文，其中包括《Nature》9 篇、《Science》10篇、《Nature 子刊》20余篇。其纳米电路研究成果曾被《Science》杂志引为年度最科学重大突破；多项科研成果被《C&E News》引为年度化学重大进展。论文被广泛引用，累计引用次数超过50,000 次。
课题组链接：http://xduan.chem.ucla.edu/
（注：以上简介、人物照片整理自网络及段镶锋教授课题组网站）
