納米人編輯部對2019年國內外重要科研團隊的代表性重要成果進行了梳理，今天，我們要介紹的是加州大學洛杉磯分校化學與生物化學系段鑲鋒教授。
段鑲鋒教授的研究興趣包括納米尺度材料、器件及其在未來電子器件、能源技術、生物醫學等方面的應用。研究致力于理性設計與合成復雜納米結構，精準調控其化學成分，結構形貌及尺寸；對材料新的化學、光學、電學和磁學性質展開基礎研究；以此為基礎開發新的技術應用。段教授課題組研究的重點是在納米尺度上實現多組分、多結構、多功能的異質集成，以此來構建傳統技術難以實現的、具有超前性能或獨特功能的全新集成化納米系統。具體的子研究方向包括膠體納米晶合成、功能納米器件、催化和能源納米材料、基礎相變研究、2D晶體/異質結制備、高速柔性電子器件、范德華異質結器件、儲能用3D石墨烯、納米尺度催化劑、化學和生物納米探針等。下面，我們簡要總結了段鑲鋒教授課題組2019年部分研究成果，供大家交流學習。1）由于相關論文數量較多，本文僅限于段教授作為通訊作者的論文（不包括序言、短篇評述等），以online時間為準。如有遺漏，歡迎留言補充。2）由于學術水平有限，所選文章及其表述如有不當，敬請批評指正。3）由于篇幅限制，部分成果未列入編號，僅以發表截圖展示。1. 多維度材料的范德華整合策略丨Nature展望材料集成策略通常涉及強化學鍵（例如外延生長），并且通常限于具有高度結構匹配和工藝兼容性的材料。通過弱的范德華相互作用，預制構建單元物理組裝在一起，可以實現無化學鍵的集成，這可以擺脫晶格和加工工藝的限制（例如二維范德華異質結構）。近日，加州大學洛杉磯分校段鑲鋒和黃昱回顧了這種新興方法的發展，挑戰和機遇，將其概括為多維度（超出兩個維度）的多種材料系統的靈活整合，并討論其超出現有材料范圍的人造異質結構或超晶格的潛力。
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. 范德華薄膜電子學丨NatureElectron.展望
基于大面積柔性和可穿戴設備的新興應用的開發需要可解決方案處理的薄膜電子器件。有機半導體可以在溶液中加工，但通常在環境條件下具有相對低的性能和不足的穩定性。然而，無機納米結構可以在溶液中加工，同時保持結晶無機材料的優異電子性能和結構穩定性。特別地，一系列二維無機納米片可以作為穩定的膠體油墨分散在各種溶劑中。這些納米片可以組裝成連續的薄膜，其中相鄰的薄片通過范德華力相互作用，具有很少的界面俘獲狀態。由此產生的平鋪納米片，我們稱之為二維范德瓦爾斯薄膜，在薄膜電子學中具有巨大的潛力。近日，加州大學洛杉磯分校段鑲鋒研究團隊探討范德瓦爾斯薄膜的發展及其在高性能大面積電子產品中的應用。研究了納米片油墨的配方及其可擴展組裝成范德瓦爾斯薄膜和器件。研究人員還考慮了它們在大面積可穿戴電子設備中的應用以及在提供實用設備方面存在的挑戰。
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. 具有近乎理想亞閾值擺幅的基于SnSe/MoS2范德華異質結的結型場效應晶體管丨AM降低晶體管亞閾值擺幅可實現更低工作電壓和功耗，對于移動設備和物聯網設備來說十分重要。為實現近乎理想的亞閾值擺幅（室溫下60 mV dec?1），傳統的金屬-氧化物半導體型場效應晶體管需要復雜的介電質工程。另一類型的結型場效應晶體管則不包括介電層，在實現理論亞閾值擺幅的過程中避免了復雜的介電質工程。有鑒于此，加州大學洛杉磯分校段鑲鋒和黃昱團隊搭建了具有近乎理想亞閾值斜率的基于二維SnSe/MoS2范德華異質結的結型場效應晶體管（JFET）。實驗表明，SnSe/MoS2范德華異質結具有優異的p-n結二極管整流特性和低飽和電流。采用SnSe作為柵、MoS2作為溝道時，SnSe/MoS2范德華異質結表現出良好的n溝道JFET特性，夾斷電壓Vp僅為-0.25 V，亞閾值擺幅為接近理想值的60.3 mV dec?1，開關比達106以上，在亞閾值區具有良好的電性能。
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/生長動力學以生長2D垂直異質結仍然面臨巨大挑戰。有鑒于此，湖南大學潘安練團隊和加州大學洛杉磯分校段鑲鋒團隊從成核和動力學的角度，對過渡金屬硫族化合物（TMDCs）垂直異質結的生長機理進行了深入研究，發現具有高擴散能壘的活性團簇會誘導在TMDC模板上的成核過程而形成垂直異質結?；诖藱C理，作者通過理性調控氣相前驅體中的金屬/硫族元素比例，實現了對活性團簇擴散能壘和異質外延方向的有效操控，成功設計了一大批垂直的TMDCs異質結。光學和SEM表征顯示，所制備的異質結具有原子級尖銳界面，不存在明顯合金化和缺陷。
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. 超薄層狀四方與非層狀六方CoSe納米片的相調諧合成丨AM過渡金屬雙鹵代物的多種結構相因其可調的化學和電子性質而引起廣泛關注。近日，湖南大學段曦東與加州大學洛杉磯分校段鑲鋒等多團隊合作，報道了一種制備結構相可調的超薄CoSe納米板的化學氣相沉積方法。通過對生長溫度的精確調控，可以選擇性地制備出厚度分別為2.3 nm和3.7 nm的二維層狀四方CoSe納米片和非層狀六角形CoSe納米片。x射線衍射、透射電鏡和選定區域電子衍射研究表明，這兩種納米片都是高質量的單晶。電輸運研究表明，正方和六方CoSe納米片均具有較強的厚度可調電性能和優良的擊穿電流密度。2D六方CoSe納米片顯示出金屬性，其導電率高達6.6×105 S m?1，擊穿電流密度高達3.9×107 A cm?2；而四方CoSe納米片具有稍低的導電率8.2×104 S m?1，在較低的場具有角相關磁電阻和弱反局域效應。
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. 單原子裁剪法制備高效多功能NiPt電催化劑丨Nature Catalysis鉑基納米催化劑在各種電催化系統中發揮著重要作用，對可再生能源、清潔能源的轉化、儲存和利用具有重要意義。但是鉑的稀缺性和高成本嚴重限制了這些催化劑的實際應用。用其他過渡金屬修飾鉑催化劑提供了一個有效的途徑來調整它們的催化性能，但往往犧牲了電化學活性表面積(ECSA)。近日，加州大學洛杉磯分校段鑲鋒、黃昱、Philippe Sautet等多團隊合作，報道了一種單原子裁減策略制備NiPt電催化劑，在提高鉑納米催化劑活性的同時，表面活性位點的損失也最小。作者以PtNi合金納米線為起始，采用部分電化學去合金法，制備了單原子鎳修飾的Pt納米線，該納米線具有高的析氫反應、甲醇氧化和乙醇氧化反應的活性與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/類石墨烯碳負載的單原子催化劑丨Chem. Soc. Rev.電催化在各類電化學能源轉換過程中扮演了至關重要的角色，與提高能源利用效率、緩解全球變暖直接相關。Pt等貴金屬通常是驅動這些反應、促進相關轉化過程的最常用電催化劑。然而，貴金屬催化劑成本高、資源稀少，其長期可供性面臨巨大挑戰，因此目前大量研究致力于探索基于更少含量貴金屬或是完全基于地球豐量金屬的新型電催化劑。其中，石墨烯負載的單原子電催化劑（G-SACs）受到了特別關注，其同時集成了均相和異相催化劑的優點，例如高的活性、選擇性、穩定性，最大化的原子利用率，以及簡易的分離過程。石墨烯載體具有大的表面積，高的導電性以及優異的（電）化學穩定性，使其成為負載單原子電催化劑的潛在底載體。有鑒于此，湖南大學Huilong Fei，加州大學洛杉磯分校段鑲鋒，沙特阿拉伯國王大學黃昱、Imran Shakir等人從合成策略，原子結構解析，電催化應用等方面重點分析了G-SACs的最新進展，并對未來的挑戰和機會提出了展望。
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. 原位透射電鏡用于能源材料和器件研究丨AM綜述可充電電池、燃料電池和太陽能電池等能源設備是為可再生、移動和電氣化的未來提供動力的核心。要發展這些裝置，需要對與能量轉換過程相關的復雜化學反應、物質轉換和電流有基本的了解。原位透射電子顯微鏡(TEM)是一種強大的工具，可在原子尺度上原位直接可視化這些復雜的過程。近日，深圳大學Yumeng Shi，加州大學洛杉磯分校黃昱、段鑲鋒，燕山大學Jianyu Huang等多團隊合作，綜述了原位TEM在能源材料和器件方面的應用最新進展。作者首先綜述了利用TEM研究納米電池從開路電池結構到閉路電池結構再到全電池結構的演化過程。然后利用原位TEM探究了在實際運行環境中的充電離子電池，以及應用原位TEM直接觀察電催化劑形成、演變等。最后，介紹了TEM和冷凍電鏡在探測清潔能源材料方面的最新進展，并討論了能源材料和器件原位TEM研究中出現的機遇和挑戰。
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，氧化鋁和碳化硅的氣凝膠非常脆，在應力下，特別是在高溫或突然的熱沖擊下易碎。用于減輕陶瓷氣凝膠脆性的常規策略又經常導致其他性能的降低，例如導熱性的增加。通過非常規策略的多尺度多級次結構設計，可以獲得既具有負泊松比（使其在拉伸時沿法線方向膨脹），又具有負熱膨脹系數（使其在加熱時收縮）的雙負指數材料，從而提高斷裂韌性并減輕陶瓷的脆性。然而，由于加工限制，制造具有分層結構的塊狀三維陶瓷超材料氣凝膠依然困難重重。有鑒于此，加州大學洛杉磯分校段鑲鋒、黃昱團隊和哈爾濱工業大學Hui Li團隊合作，報道了一種具有雙曲結構的三維hBN陶瓷氣凝膠，同時具有負的熱膨脹系數和負的泊松比，具備超輕、高力學強度和超級隔熱三大特點。
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. 大面積石墨烯網/碳管膜用于納濾丨Science多孔納米二維材料對于離子和分子納米過濾是行之有效的，但是受到大面積機械強度不足的限制，無法是其大規模應用。袁荃團隊和段鑲鋒團隊聯合報道了一個大面積的石墨烯-納米網/單壁碳納米管（GNM / SWNT）復合膜。該復合材料具有優異的機械強度，同時能夠充分捕捉原子薄膜的優點。單層GNM具有高密度亞納米孔可有效輸送水分子，同時，阻擋溶質離子或分子從而實現尺寸選擇性分離。SWNT網絡將GNM物理地分離成島狀微型區域，并作為負載GNM的框架，從而確保原子級薄GNM的結構完整性。得到的GNM/SWNT膜對鹽離子或有機分子顯示出高的水滲透性和高的截留率，并且其在管狀模塊中保持穩定的分離性能。
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. 探測量子點光伏器件極限的原位界面工程丨Nature Nano.量子點（QD）光伏器件以其低成本合成、可調帶隙和潛在的高功率轉換效率（PCE）而備受關注。然而，迄今為止，實驗獲得的效率仍遠不理想。東南大學Litao Sun、加州大學洛杉磯分校段鑲鋒和浙江大學Ze Zhang聯合報道了使用定制的光電透射電子顯微鏡（TEM）支架原位制備和研究單個TiO2納米線/CdSe QD異質結太陽能電池（QDHSC）。采用移動式計數器電極對界面區進行精確的微調，實現了對界面區的實時光電測量，揭示了界面區對PCE的依賴性。理論模擬表明，簡化的單根納米線太陽電池結構可以使界面面積和相關電荷散射最小化，從而實現有效的電荷收集。此外，納米線基量子點的光學天線效應可以進一步增強光的吸收和增強PCE。該研究在透射電鏡中為原位光電研究建立了一個強大的“納米實驗室”平臺，為納米太陽能電池的界面效應提供了有價值的見解。
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. 納米線電子學：從納米尺度到宏觀尺度丨Chem.Rev.在過去的二十年中，半導體納米線作為功能電子和光電器件自下而上組裝的最佳定義的納米級構建模塊之一引起了廣泛關注。段鑲鋒和黃昱團隊全面回顧了探索用于功能納米電子和宏觀電子組裝的半導體納米線的持續努力。首先，簡要概述各種半導體納米線和納米線異質結構的合成控制，其具有精確控制的物理尺寸，化學成分，異質結構界面和電子特性，以確定納米線電子器件的材料基礎。然后，總結了一系列裝配策略，這些裝配策略用于創建具有受控空間位置，方向和密度的有序納米線陣列，這對于構建來自合成半導體納米線的日益復雜的電子器件和電路是必不可少的。接下來，回顧了基本的電子特性和各種單納米線晶體管概念。結合可設計的電子特性和可控組裝方法，討論了一系列由納米線構件組裝而成的納米級器件和集成電路，以及可解決方案加工的納米線薄膜晶體管的獨特設計，用于高性能大面積柔性電子產品。最后，簡要介紹了常設挑戰和未來機遇。
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. 用于制備高性能Ag納米線薄膜透明半導體的快速電化學清潔策略丨JACSAg納米線薄膜是值得重點考慮的下一代透明導體。然而，由于在合成過程中引入的PVP配體殘留于表面，Ag納米線薄膜的載流子輸運性能受到較大負面影響。有鑒于此，湖南大學段曦東、胡家文，加州大學洛杉磯分校段鑲鋒等人提出了一種快速電化學清潔策略，該方法可以徹底移除Ag納米線表面的PVP配體，在不影響透光性的前提下明顯改善其載流子輸運性能。具體而言，作者發現，施加大小接近H吸附析出的負電位能在5-15s時間內有效除去Ag納米線表面的全部PVP配體，使得Ag納米線/Ag納米線之間，以及光電器件的Ag納米線薄膜/活性層之間形成超清潔界面。PVP配體的移除極大降低了Ag納米線薄膜的面電阻——從49到13 ohm/sq （550 nm對應90.91%的透光率），同時Ag納米線薄膜/活性層之間的界面電阻也減小了94.3%。改進的Ag納米線薄膜能明顯提升可穿戴應變傳感器的靈敏度，以及基于三明治結構薄膜的垂直堆疊器件的電流收集效率。以上這些結果表明，本文所提出的電化學清潔策略能有效移除表面配體，進一步提高Ag納米線薄膜的面內/面外載流子輸運性能，從而極大促進相關電子/光電子器件的應用。
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. 基于上轉換光致發光成像的定量表面等離激元干涉量度分析法丨Research表面等離激元（SPPs）的直接遠場可視化和表征對于基礎研究和技術應用十分重要。為探測易消散的等離激元場，通常需要采用先進的近場技術，而近場技術通常不適用于在復雜環境中對SPPs的實時、高通量探測或成像。有鑒于此，加州大學洛杉磯分校段鑲鋒團隊利用稀土摻雜納米顆粒，將不可見、易消散的SPPs定量上轉換為可見光致發光，實現了復雜環境中SPPs的直接遠場可視化。金屬表面的SPPs和相干入射光之間形成了干涉條紋，能用來定量測量SPP波長，SPP傳播長度和局部介電環境。因此，這是一種能敏感地將局部介電環境變化轉化為干涉周期變化的新的信號傳導途徑。作者預計這種方法將催生更多無分光儀、直接測量的光尺，用于對各類生物分子的快速、超靈敏、無標記探測，包括抗生蛋白鏈菌素、前列腺特異抗原等，檢測限可達10-15摩爾水平。
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. 室溫量子干涉調控的自組裝分子-電子薄膜丨Chem分子電子器件是未來電子器件的有力候選者之一，其豐富的功能超過了存在尺寸極限的Si基電子器件。與量子效應局限于低溫的固態量子技術相比，分子電子器件能實現室溫量子效應，因而具有優勢。最近，加州大學洛杉磯分校段鑲鋒、黃昱，蘭卡斯特大學Colin J. Lambert，伯爾尼大學Shi-Xia Liu等人在自組裝單層分子電導中實現了室溫量子干涉效應，證明了在設計新型功能超薄薄膜材料和器件時利用量子干涉效應是可行的。分子端基改性與上述量子干涉效應的結合產生了量子干涉驅動的垂直分子晶體管，后者具有高開關比。這項工作更廣泛的意義在于為分子電子學領域的科學探索和技術創新提供了誘人的機會。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，段鑲鋒教授課題組2019年在納米材料/器件及其應用方面還發表了一系列重要成果，由于內容較多，在此不一一列出。感興趣的讀者可前往段鑲鋒教授課題組網站學習。
段鑲鋒，1977年出生于中國湖南武岡，納米材料學專家，美國加利福尼亞大學洛杉磯分校終身教授、博士生導師，湖南大學特聘教授。1992年考入中國科學技術大學少年班；1997年本科畢業后前往美國哈佛大學學習，先后獲得化學碩士學位、物理化學博士學位；1999年獲得MRS全美杰出研究生獎；2001年獲得全美發明家競賽大獎，2002年進入美國Nanosys高科技公司工作，是該公司的聯合創始人之一；2003年被美國Technology Review評為年度世界百位杰出青年發明家之一；2008年進入加利福尼亞大學洛杉磯分校工作，先后擔任助理教授、終身副教授、終身教授；2011年入選湯森路透集團發布的2000-2010年全球頂尖100化學家名人堂榜單和全球頂尖100材料學家名人堂榜單，9月獲得2010年度美國“青年科學家總統獎”；2013年被聘為湖南大學特聘教授，8月獲得貝爾比獎章；2018年入選2017年度長江學者獎勵計劃講座教授。過去近十年的工作中，在國際一流刊物中發表了100余篇高影響的論文，其中包括《Nature》9 篇、《Science》10篇、《Nature 子刊》20余篇。其納米電路研究成果曾被《Science》雜志引為年度最科學重大突破；多項科研成果被《C&E News》引為年度化學重大進展。論文被廣泛引用，累計引用次數超過50,000 次。
課題組鏈接：http://xduan.chem.ucla.edu/
（注：以上簡介、人物照片整理自網絡及段鑲鋒教授課題組網站）
