1. Nature:把二維范德華異質結合成到底!
迄今為止,大多數(shù)范德華異質結材料都是通過機械剝離或者人工堆疊方法實現(xiàn)。這些方法適用于基礎研究過程中的概念驗證,但并不適用于對于實際應用體系的發(fā)展。和所有納米材料一樣,要想全面探索范德華異質結的潛力,首先就必須實現(xiàn)范德華異質結的規(guī)模化精確控制合成,這是該領域長期以來,也是今后很長一段時間都會面臨的關鍵挑戰(zhàn)之一。
有鑒于此,湖南大學段曦東教授和加州大學洛杉磯分校段鑲鋒教授等人合作,報道了二維范德華異質結的普適性可控精確合成,并構建了高電流密度的晶體二極管,為實用化應用開辟道路。
本文要點:
1)作者首先在單層或雙層s-TMD(例如WSe2,WS2,MoS2)上進行圖案化,制造出具有周期性陣列的成核位點。在該陣列上,m-TMD可以選擇性成核并生長以形成周期性m-TMD / s-TMD范德華異質結。
2)這種策略適用于各種不同材料,不限于特定化學組成或晶格結構。可用于處理s-TMD和m-TMD之間的二維vdWH陣列,不受晶格差異的影響。作為演示,研究人員利用原子精確的,接近理想的范德華界面制造出各種2D范德華異質結,包括VSe2/WSe2,NiTe2 / WSe2,CoTe2/ WSe2,NbTe2 / WSe2,VS2 / WSe2,VSe2/ MoS2和VSe2 / WS2。
3)這些材料具有廣泛可調的莫爾超晶格,為構建高性能電子設備提供了基礎。在雙層WSe2晶體管中,研究人員實現(xiàn)了高達900 μA μm-1的高導通電流密度。
總之,這項研究是范德華異質結領域的一項堪稱里程碑的重要進展,極大地推動了范德華異質結半導體在高性能電子器件領域的實用化進程。
Jia Li et al. Generalsynthesis of two-dimensional van der Waals heterostructure arrays. Nature 2020.
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2098-y
2. Matter:范德瓦爾斯電極集成高性能二維材料憶阻器
近日,西北工業(yè)大學黃維院士團隊與加州大學洛杉磯分校段鑲鋒教授團隊、黃昱教授團隊合作報道了適用于原子尺度憶阻功能層的范德瓦爾斯金屬電極集成技術,不同于傳統(tǒng)的熱沉積過程中形成的強鍵和作用,通過范德瓦爾斯作用集成電極和憶阻功能層可以保證憶阻功能層與電極間的溫和接觸,大大減小器件界面的損壞。因此可以使用范德瓦爾斯電極集成技術獲得可靠的憶阻特性,大大提高器件產率。
本文要點:
1)該工作采用超薄的二維材料構建憶阻器不僅可以減小器件的尺寸,還可以集成二維材料在電學、熱學、機械等方面的諸多優(yōu)越性能。研究團隊選擇表面有原子薄的絕緣氧化層(SnOx)的二維材料硒化錫(SnSe)作為憶阻功能層,通過轉移活性金屬銀(Ag)薄膜作為電極,制備得到器件(Ag/SnOx/SnSe),截面透射電子顯微鏡(TEM)結果表明相對于蒸鍍器件雜亂無序的界面,范德瓦爾斯器件具有精細的界面結構。
2)電學測試結果表明,該憶阻器具有100%的器件產率,開始階段不需形成過程。0.4 V低電壓下即可得到非易失性憶阻性能,讀寫擦循環(huán)可維持4000次幾乎沒有衰減,高低導電態(tài)可維持105秒沒有衰減,且開關比可保持103,證明了該器件作為存儲器具有優(yōu)異的循環(huán)和維持特性,憶阻器而這些特性在蒸鍍銀電極的器件中均不存在。比較結果表明該器件在所報道的二維材料憶阻器中具有優(yōu)異的器件性能。
3)得益于溝道二維材料SnSe的半導體特性,研究團隊可以用柵電極調控器件Ag/SnOx/SnSe的憶阻性能,在此基礎上他們可以模擬柵控長時程記憶(LTM)與短時程記憶(STM)間的轉化、類脈沖時序依賴可塑性(STDP),表明該器件可以作為一個有效的神經(jīng)突觸,實現(xiàn)同源突觸可塑性和異源突觸可塑性。
4)研究團隊進一步通過設計多端電極器件、截面透射電子顯微鏡(TEM)成像、元素分布測試、變溫測試等手段證明了SnOx和Ag之間具有精細的范德瓦爾斯接觸,論證了該器件的憶阻機理為電化學金屬化(ECM)機制。
Guo, Jiian, Wang,Laiyuan, et al. Highly Reliable Low-Voltage Memristive Switching and ArtificialSynapse Enabled by van der Waals Integration. Matter (2020).
DOI: 10.1016/j.matt.2020.01.011
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238520300114
3. Nano Research:Pt3Ag合金波浪納米線作為乙醇氧化反應的高效電催化劑
由于乙醇比壓縮氫氣更容易存儲和運輸,使得直接乙醇燃料電池(DEFC)引起了廣泛的研究關注。然而,電催化乙醇氧化反應通常需要貴金屬催化劑,并且存在較高的過電位和較低的質量活性。有鑒于此,加州大學洛杉磯分校段鑲鋒教授和黃昱教授報道了通過一種簡便的溶劑熱過程中的粒子附著機制來合成Pt3Ag合金波浪狀納米線的策略。
文章要點:
1)TEM和EDS顯示出Pt3Ag合金具有高度呈波浪形的納米線結構,平均直徑為4.6±1.0 nm,并且元素分布均勻。
2)電催化研究表明,所得合金納米線可作為乙醇氧化反應(EOR)的高效電催化劑,具有28.0 mA/cm2的超高比活度和6.1 A/mg的質量活度,遠遠超過了商用Pt/碳樣品(1.10 A/mg)。
3)由于Pt3Ag合金中從Ag到Pt的部分電子轉移,這削弱了CO結合和CO中毒作用。因此促進了合金的電催化活性,同時,一維納米線形態(tài)還有助于產生有利的電荷傳輸性能,這對于將電荷從催化活性位點提取到外部電路至關重要。
4)計時電流法研究表明,與商業(yè)化的Pt/C樣品相比,Pt3Ag可以長期運行,且穩(wěn)定性得到顯著提高,這使得Pt3Ag波浪形納米線可作為EOR的有極大吸引力的電催化劑。
Fu, X., Wan, C., Zhang, A. et al. Pt3Ag alloy wavy nanowires as highly effective electrocatalysts for ethanol oxidation reaction. Nano Res. (2020).
DOI:10.1007/s12274-020-2754-4
https://doi.org/10.1007/s12274-020-2754-4
4. Chem:二茂鐵垂直分子隧道結電荷傳輸?shù)难趸€原控制
分子隧穿器件是未來電子器件的重要研究方向,具有非常小的尺寸和可調的功能。通過分子隧道利用各種化學物理和化學機制來調節(jié)電荷傳輸?shù)哪芰Γ菍崿F(xiàn)功能性系統(tǒng)的關鍵。近日,英國蘭開斯特大學的Colin J. Lambert & 美國加州大學洛杉磯分校的段鑲鋒等人,報道了一種新的氧化還原控制方法,用于控制垂直金/自組裝單層(SAM)/ 基于二茂鐵基SAM的單層石墨烯(SLG)的隧道結中的橫向電荷傳輸。
本文要點:
1)通過SLG上的化學/電化學氧化還原反應,隧道結可以在具有較大開/關電導比的中性和氧化態(tài)之間進行切換。
2)在石墨烯上實現(xiàn)化學/電化學氧化還原反應的空間分離;
3)自組裝單層膜中的可逆氧化還原反應會改變電導。
Jia et al.,Redox Control of Charge Transport in Vertical Ferrocene Molecular Tunnel Junctions. Chem.
DOI: 10.1016/j.chempr.2020.02.018
https://doi.org/10.1016/j.chempr.2020.02.018
5. AEM: ORR單原子催化劑分子設計的研究進展
不可再生化石燃料的大量使用加劇了全球變暖和大氣污染,采用可再生的清潔能源有望緩解這些能源和環(huán)境問題。燃料電池,是一種高效的清潔能源轉換裝置。目前,貴金屬催化劑的高成本是阻礙燃料電池被廣泛應用的主要原因,尤其是陰極緩慢的氧還原反應(ORR)。為了降低成本,使用非貴金屬(NPM)ORR催化劑是未來的必然趨勢。單原子催化劑(SACs)是一種新型的ORR催化劑,具有最大限度地利用金屬前驅體和靈活調控金屬中心活性的優(yōu)勢。目前,單原子ORR催化劑的催化性能在酸性條件下和商業(yè)Pt/C催化劑依然有著較大的差距。因此,準確分析單原子活性中心上的ORR反應機理并且從分子層面設計單原子活性中心結構對于進一步提高單原子ORR催化劑的性能具有重要意義。
有鑒于此,美國加州大學洛杉磯分校黃昱教授和段鑲鋒教授等人合作綜述了ORR單原子催化劑在分子層面設計的研究進展。
本文要點:
1)他們首先簡要介紹了燃料電池和單原子ORR催化劑。然后詳細介紹了優(yōu)化SACs的ORR活性的相關策略研究進展。最后還討論了SACs面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展方向。
2)活性位點的濃度,金屬中心的配位和電子結構,載體-金屬之間的相互作用,比表面積,導電性,多孔性和基底形貌等性質都對ORR SACs的活性和穩(wěn)定性具有重要影響。目前,大多數(shù)Fe-N-C單原子催化劑由碳基材料組成,由于Fenton反應的發(fā)生,易發(fā)生腐蝕和活性位點的衰退。因此,提高碳載體的耐腐蝕性是設計制備非貴金屬催化劑的一個關鍵挑戰(zhàn)。
3)開發(fā)非貴金屬催化劑的未來方向包括:a. 通過先進的原位表征手段分析SACs的制備機理和構效關系;b. 尋找通用的單原子催化劑制備策略;c. 統(tǒng)一RDE和MEA測試標準,為準確評價不同SACs的ORR性能提供一致的標準。
Chengzhang Wan et al. Molecular Design of Single‐Atom Catalysts for Oxygen Reduction Reaction. Advanced Energy Materials, 2020.
DOI: 10.1002/aenm.201903815
https://doi.org/10.1002/aenm.201903815