功能器件前沿每周精选丨0708-0714
纳米人 纳米人 2019-07-16

1. Science:形状记忆纳米复合纤维用于无束缚的高能微型发动机

经典的旋转发动机功能强大,应用广泛,但存在设计复杂,难以小型化的问题。长期以来,制造具有大冲程、高速、高能量、简单、坚固的微型发动机一直是一个具有挑战性的课题。法国波尔多大学Jinkai Yuan、Philippe Poulin等人最新的研究结果表明,形状记忆纳米复合纤维在发生扭转时进行转换存储能量,从而提供快速、高能量的旋转。扭曲形状记忆纳米复合纤维结合了高扭矩和大角度旋转,提供的重量工作能力是自然骨骼肌的60倍。触发光纤旋转的温度是可以调节的,与传统发动机相比,这种温度记忆效应提供了一个突出的优势,它使得操作温度可调以及存储能量可以逐步释放。

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Jinkai Yuan,*, Wilfrid Neri, Cécile Zakri, Pascal Merzeau, Karl Kratz, Andreas Lendlein, Philippe Poulin. Shape memory nanocomposite fibers for untethered high-energy microengines. Science. 2019

DOI: 10.1126/science.aaw3722

https://science.sciencemag.org/content/365/6449/155

 

2. Nature Rev. Mater.:六方氮化硼光子学

七十多年来,六方氮化硼(hBN)已被用作惰性,热稳定的工程陶瓷;自2010年以来,它还被用作纳米电子和光电器件中石墨烯的最佳基板。最近的研究表明,hBN具有独特的光学特性组合,可实现新的(纳米)光子功能。此外,hBN存在可以设计用于获得室温,单光子发射的缺陷;表现出强烈的二阶非线性,对实际器件有广泛的影响;是一种宽带隙半导体,非常适合深紫外发射器和探测器。受这些有希望的属性的启发,对hBN特性的研究以及大面积体积和薄膜生长技术的发展已经大大扩展。近日,范德堡大学Joshua D. Caldwell研究团队综述了当前的研究的进展,探讨了将hBN用于未来光子学功能和潜在应用的基础,并讨论了一些应用障碍。

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Caldwell, J. D. et al. Photonics with hexagonal boron nitride. Nature Reviews Materials 2019.

DOI:10.1038/s41578-019-0124-1

https://www.nature.com/articles/s41578-019-0124-1

 

3. Nature Photon.:结晶Kerr微谐振器中的八度跨越可调参量振荡

参数非线性光学过程允许产生新的相干电磁辐射波长。它们产生波长可调的辐射的能力特别有吸引力,应用范围从光谱学到量子信息处理。遗憾的是,现有的可调参数源因缺陷而受损,这妨碍了他们的广泛应用。近日,奥克兰大学Stuart G. Murdoch团队展示了由氟化镁制成的超高Q晶体微谐振器可以克服这些限制,使紧凑和节能的器件能够产生干净和广泛可调的边带。研究人员使用精心设计的色散曲线的几种不同谐振器,在每个器件中实现数百纳米的边带可调谐性。除了在1,083 nm至2,670 nm的光学倍频程上直接观察离散可调性之外,研究人员还记录了近4,000 nm的中红外边带的特征。该工作所展示器件的简单性 - 由于其卓越的可调性 - 为低成本,广泛可调的电磁辐射源铺平了道路。

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Sayson, N. L. B. Murdoch, S. G. et al. Octave-spanning tunable parametric oscillation in crystalline Kerr microresonators. Nat. Photon. 2019.

DOI:10.1038/s41566-019-0485-4

https://www.nature.com/articles/s41566-019-0485-4

 

4. Nature Commun.: 原子显微镜方法研究MXene与二氧化硅之间的范德瓦尔斯相互作用

MXene在2011年第一次被Yury Gogotsi课题组报道。它是一类具有二维层状结构的金属碳化物和金属氮化物材料,是目前最具潜力的纳米材料。通过HF酸刻蚀的方法,目前已有将近30种具有不同原子结构的MXene被合成。MXene具有高导电率,高强度和良好的亲水性能等优点,在锂离子电池,超级电容器等领域中具有广泛的应用前景。理解MXene与其他材料的范德瓦尔斯(vdW)相互作用对于MXene在实际应用中的组装过程具有至关重。目前还未出现相关方面的实验研究。

 

有鉴于此,美国密苏里科技大学吴承霖教授课题组和Vadym Mochalin教授课题组使用表面覆盖二氧化硅的探针,通过原子力显微镜实验探究了最为常见的两种MXene(Ti3C2Tx和Ti2CTx)与二氧化硅,石墨烯与二氧化硅,以及二氧化硅与二氧化硅之间的vdW相互作用力,并且在考虑表面粗糙度的条件下得到粘附能。结果表明,MXene与二氧化硅之间的粘附能与石墨烯与二氧化硅之间的粘附能,以及二氧化硅与二氧化硅之间的粘附能在一个数量级上。Ti3C2Tx与二氧化硅的粘附能(0.90±0.03 J m-2)要大于Ti2CTx的0.40±0.02 J m-2,这是由于单层Ti3C2Tx的原子结构厚度要大于单层Ti2CTx的原子结构厚度。对比单层与多层的MXene与二氧化硅的粘附能发现,粘附能没有随着层数的增加而发生变化。然而,一层石墨烯的粘附能(0.58±0.02 J m-2)要小于两层(1.36±0.02 J m-2)和三层石墨烯的粘附能(1.33±0.03 J m-2)。这是由于MXene的层间距是石墨烯层间距的两倍。此外,在6%到24%的湿度范围内,MXene与二氧化硅之间的粘附能不会受到湿度变化的影响。但是,MXene的氧化过程会减少粘附能。Dr. Gogotsi 对本文是这样评价的:发现二氧化硅与MXene之间的粘附能与二氧化硅与单层石墨烯之间的粘附能在同一个数量级上是十分重要的,因为这说明MXene会比石墨烯有更大的应用前景。

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Yanxiao Li, Shuohan Huang, Congjie Wei, Chenglin Wu, Vadym N. Mochalin, Adhesion of two-dimensional titanium carbides (MXenes) and graphene to silicon, Nature Communications, 2019.

DOI: 10.1038/s41467-019-10982-8

https://www.nature.com/articles/s41467-019-10982-8

 

5. 宾夕法尼亚大学Science Adv.:二维(2D)卤化钙钛矿中不同的导电层边缘状态

具有天然“多量子阱”(MQW)结构的二维(2D)卤化铅钙钛矿显示出光电应用的巨大潜力。持续进步需要对这些2D异质层中的电荷和能量流有基本的了解,特别是在层边缘处。宾夕法尼亚州立大学Kai Wang和Shashank Priya团队报道了(C4H9NH32PbI2D钙钛矿单晶中绝缘体积平台区域之间的层边缘处的明显导电特征。2D的边缘表现出高载流子密度~1021 cm-3。研究发现,层边电子与表面充电效应无关;相反,它们与边缘处的电子结构的局部能态相关联。这种对2D钙钛矿层边缘处的金属样导电特征的观察提供了不同的尺寸,以增强下一代光电子器件的性能并开发创新的纳米电子学。

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Wang, K. et al. Distinct conducting layer edge states in two-dimensional (2D) halide perovskite. Sci. Adv. 5, eaau3241, 2019

Doi:10.1126/sciadv.aau3241.

https://advances.sciencemag.org/content/5/7/eaau3241

 

6. JACS:高荧光量子产率的WO3-WS2双分子层异质结构

原子薄的二维过渡金属双硫化物(TMDCs)具有优异的物理性能,在光电子器件领域具有广泛的应用前景。然而,由于TMDCs具有丰富的缺陷和强的多体效应,其荧光量子产率(PLQY)很低。近日,湖南大学Anlian Pan等多团队合作,采用直接物理蒸汽法生长了WO3-WS2双层异质结构, 其单层WO3小片附着在大面积单层WS2表面。光学表征表明,双层WO3-WS2异质结构的PLQY可达到11.6%,高于物理气相沉积生长方法(PVD-WS2)得到的WS2单层膜的两个数量级,是机械剥落WS2 (ME-WS2)层的13倍,是目前报道直接生长的TMDCs材料PLQY的最高值。作者进一步通过时间分辨光学实验研究了荧光增强机理。

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Biyuan Zheng, Weihao Zheng, Ying Jiang, Anlian Pan*, et al. WO3-WS2 Vertical Bilayer Heterostructures with High Photoluminescence Quantum Yield. J. Am. Chem. Soc., 2019

DOI: 10.1021/jacs.9b03453

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b03453

 

7. AM:先进软材料,传感器集成以及可穿戴柔性混合电子在医疗保健,能源和环境中的应用

软材料和系统集成技术的最新进展为设计各种类型的可穿戴柔性混合电子设备(WFHE)提供了独特的机会。软件和生物相容性材料与小型无线可穿戴系统的混合集成无疑是一个极具吸引力的前景,因为成功的器件性能需要高度的机械灵活性,感应能力和用户友好的简单性。近日,乔治亚理工学院Woon‐Hong Yeo研究团队提供了开发先进的WFHE的最先进的材料,传感器和系统封装技术。研究人员详细的机械,电气,物理化学和生物相容性的性能讨论与集成传感器在医疗保健,能源和环境的应用。此外,研究人员还讨论了当前材料的局限性,以及WFHE的主要挑战和未来发展方向。

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Lim, H.-R. Yeo, W.-H. et al. Advanced Soft Materials, Sensor Integrations, and Applications of Wearable Flexible Hybrid Electronics in Healthcare, Energy, and Environment. AM 2019.

DOI:10.1002/adma.201901924

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adma.201901924

 

8. 刘忠范/彭海琳Angew:通过CO2对无定形碳的选择性蚀刻,合成大面积超洁净石墨烯

污染,在石墨烯表面是常见的,它对石墨烯的性能有影响,并严重阻碍石墨烯的应用。低成本的生产大面积的洁净石墨烯薄膜仍然是一个巨大的挑战。近日,北京大学刘忠范、彭海琳等多团队合作,报道了一种简便且可规模化的合成尺寸达米级超洁净石墨烯(平均清洁度为99%)的化学气相沉积法,该方法依赖于CO2的弱氧化能力来腐蚀掉固有污染,即无定形碳。值得注意的是,无定形碳的消除能够显著减少转移和制备步骤中的聚合物残留,并有望大大提高石墨烯的电学和光学性能。大面积超洁净石墨烯的快速合成将为石墨烯的基础研究和工业应用开辟道路。

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Jincan Zhang, Kaicheng Jia, Li Lin, Hailin Peng,* Zhongfan Liu*, et al.  Large‐area synthesis of super‐clean graphene via selective etching of amorphous carbon by carbon dioxide. Angew. Chem. Int. Ed., 2019

DOI: 10.1002/anie.201905672

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201905672

 

9. 北科大AM综述:基于石墨烯的混合维范德华异质结用于先进的光电子学

目前对石墨烯的研究仍然是学术界和商界的关注焦点之一。由于其独特的电子结构,石墨烯为探索新型2D材料提供了强大的平台,并对能源、电子和光子学等广泛领域产生了重大影响。将石墨烯与其他功能组件结合的多功能性为设计人造范德华(vdWs)异质结构提供了强有力的策略。除了堆叠的2D-2D vdWs异质结构之外,从广义上讲,石墨烯可以通过vdWs相互作用与其他非2D材料杂交。而这种多维的vdW(MDW)结构允许相当大的材料选择自由度并且有助于利用不同尺寸的协同优势,从而弥补石墨烯的固有缺点。

 

北京科技大学Yue Zhang课题组简要概述了基于石墨烯MDW异质结构的代表性进展,领域范围从装配策略到光电子应用,强调了这些混合结构的科学价值和应用优势。此外,考虑到工业规模的新物理和应用潜力的可能突破,研究者也分析了这一研究领域的挑战和未来前景。

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Zheng Zhang, Pei Lin, Qingliang Liao, Zhuo Kang, Haonan Si, Yue Zhang, Graphene‐Based Mixed‐Dimensional van der Waals Heterostructures for Advanced Optoelectronics, Advanced Materials, 2019.

DOI: 10.1002/adma.201806411

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201806411

 

10. AM:用于集成和柔性光电子学的石墨烯混合结构

石墨烯(Gr)具有许多独特的性质,包括无间隙带结构,超快载流子动力学,高载流子迁移率和灵活性,使其对超快速,宽带和柔性光电子产品具有吸引力。为了克服其低吸收的固有限制,利用混合结构来改善器件性能。特别是,具有不同光敏材料和光子结构的范德瓦尔斯异质结构对于改善光电检测和调制效率非常有效。这种混合结构,Gr混合光电探测器可以从紫外到太赫兹工作,具有显着改善的R(高达109A W-1)和带宽(高达128GHz)。近日,南京邮电大学 Li Gao、浙江大学 Yang Xu以及南京大学Xinran Wang综述了近年来将Gr混合结构用于高性能光电探测器和集成光电应用的进展。此外,研究人员成功地展示了Gr与硅(Si)互补金属氧化物半导体(CMOS)电路,人体和软组织的集成,为可穿戴传感器和生物医学电子学开启了有希望的机会。

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Chen, X. Gao, L. Xu, Y. Wang, X. et al. Graphene Hybrid Structures for Integrated and Flexible Optoelectronics

. AM 2019.

DOI:10.1002/adma.201902039

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adma.201902039

 

11. AM:3D打印制备具有优异的刚度和弹性的仿生多级石墨烯材料

具有多级结构的生物材料为设计和制备具有优异的力学性能和低密度的仿生材料提供了新的策略。然而,大多数的传统仿生材料只能利用生物材料的单一尺度,这也在很大程度上限制了其最终的力学性能。苏州大学梁志强博士江林教授马里兰大学帕克分校Teng Li教授合作提出了一种基于墨水的3D打印策略,并将其用于制备具有超高刚度和弹性的超轻多级石墨烯 (BHGMs)材料。该BHGMs可以在高达95%的压缩力下保持超高的弹性和稳定性。研究表明,BHGMs的分层多级结构可以有效地降低宏观压力,并将微观的压缩形变转化为石墨烯片的旋转和弯曲。这种3D打印策略也有望可以将其他功能材料组装成多级细胞结构,具有非常广阔的应用潜力和价值。

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Meiwen Peng, Zhiqiang Liang, Teng Li, Lin Jiang. et al. 3D Printing of Ultralight Biomimetic Hierarchical Graphene Materials with Exceptional Stiffness and Resilience. Advanced Materials. 2019

DOI: 10.1002/adma.201902930

https://doi.org/10.1002/adma.201902930

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