1. Nature Mater.：合成反鐵磁體中的長(zhǎng)程手性交換作用
交換作用在靜態(tài)磁性與動(dòng)態(tài)磁性中都起著十分重要的作用。交換作用作為一種基礎(chǔ)的相互作用共分為對(duì)稱和反對(duì)稱兩種模式。對(duì)稱相互作用會(huì)產(chǎn)生鐵磁性和反鐵磁性，而反對(duì)稱相互作用由于其在促進(jìn)具有快速節(jié)能裝置的拓?fù)浞瞧椒沧孕Y(jié)構(gòu)方面的主要作用而引起了人們的極大興趣。到目前為止，人們發(fā)現(xiàn)反對(duì)稱交換作用的范圍相當(dāng)短，僅限于單個(gè)磁層。在本文中，德國(guó)美因茨大學(xué)的Mathias Klaui和韓國(guó)西江大學(xué)的Myung-Hwa Jung 等報(bào)道了平行和反平行磁化對(duì)準(zhǔn)的垂直磁化合成反鐵磁體中的長(zhǎng)程反對(duì)稱層間交換作用。平面場(chǎng)下的非對(duì)稱磁滯回線揭示了這種相互作用的單向性和手性，從而產(chǎn)生了傾斜的磁結(jié)構(gòu)。研究人員通過(guò)考慮自旋-軌道耦合和多層對(duì)稱性的降低來(lái)解釋該研究結(jié)果。
Dong-Soo Han, Mathias Klaui, Myung-Hua Jung et al, Long-range chiral exchange interaction in synthetic antiferromagnets, Nature Materials,2019
https://www.nature.com/articles/s41563-019-0370-z
2. Nature Mater.：合成反鐵磁體中對(duì)稱性破缺的層間DMI
多層薄膜中的磁性界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)可導(dǎo)致手性自旋態(tài)，這對(duì)未來(lái)的自旋電子技術(shù)具有重要意義。界面DMI通常在缺乏反演對(duì)稱的系統(tǒng)中通過(guò)順磁性重金屬介導(dǎo)，表現(xiàn)為一種層內(nèi)相互作用。最近，英國(guó)格拉斯哥大學(xué)Amalio Fernández-Pacheco團(tuán)隊(duì)和德國(guó)漢堡大學(xué)Elena Vedmedenko團(tuán)隊(duì)的研究表明，通過(guò)設(shè)計(jì)具有斜向磁化狀態(tài)的人造反鐵磁體，也可在室溫下直接觀察到界面層間DMI的存在。由于非共線自旋態(tài)的出現(xiàn)，層間DMI打破了磁化反轉(zhuǎn)過(guò)程的對(duì)稱性，進(jìn)一步導(dǎo)致手性的交換偏置磁滯回線。本文報(bào)道的手性自旋層間相互作用有望在一系列多層薄膜體系中得到體現(xiàn)，為磁性異質(zhì)結(jié)構(gòu)中手性效應(yīng)的開(kāi)發(fā)和利用開(kāi)辟了一條新道路。
圖1. 斜向磁化人工鐵磁體層間DMI的研究。
圖2. 層間DMI引起的手性交換偏置磁滯曲線。
Amalio Fernández-Pacheco, Elena Vedmedenko, Fanny Ummelen, Rhodri Mansell, Dorothée Petit & Russell P. Cowburn. Symmetry-breaking interlayer Dzyaloshinskii–Moriya interactions in synthetic antiferromagnets. Nature Materials, 2019.
DOI: 10.1038/s41563-019-0386-4
https://www.nature.com/articles/s41563-019-0386-4
3. 明尼蘇達(dá)大學(xué)最新Nature Mater.：有機(jī)半導(dǎo)體薄膜結(jié)晶過(guò)程中有序周期式樣的形成
具有微米尺度特征的自組織模式在光電領(lǐng)域的光子設(shè)備和散射層的大規(guī)模生產(chǎn)中有著廣闊的應(yīng)用前景。在理想情況下，為了避免進(jìn)一步的處理工藝，式樣的形成會(huì)發(fā)生活性半導(dǎo)體中。在本文中，美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)的Clark 和Holmes團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種通過(guò)簡(jiǎn)單的退火工藝在單層有機(jī)半導(dǎo)體中形成周期性式樣的方法。在受熱狀態(tài)下結(jié)晶前沿穿過(guò)整個(gè)薄膜并產(chǎn)生波長(zhǎng)與近紅外光相當(dāng)?shù)恼冶砻娼Y(jié)構(gòu)。這些表面周期性特征最初形成于晶體生長(zhǎng)前沿的微米范圍內(nèi)的非晶態(tài)區(qū)域，這可能是因?yàn)榫w生長(zhǎng)與表面質(zhì)量傳輸之間存在著競(jìng)爭(zhēng)。通過(guò)改變薄膜厚度和退火溫度可以將周期性式樣的圖案波長(zhǎng)從800 nm調(diào)至2400 nm，甚至可以得到毫米尺度的區(qū)域尺寸。這一現(xiàn)象可被拓展至微結(jié)構(gòu)有機(jī)光電器件的自組裝領(lǐng)域。
John S. Bongsund, Catherine Clark, Russel J. Holmes et al, Formation of aligned periodic patterns during the crystallization of organic semiconductor thin films, Nature Materials,2019
https://www.nature.com/articles/s41563-019-0379-3
4. Nature Phys.：高遷移率聚合物半導(dǎo)體中的極化子自旋動(dòng)力學(xué)
聚合物半導(dǎo)體表現(xiàn)出特別長(zhǎng)的旋轉(zhuǎn)壽命，并且最近在共軛聚合物中觀察到的微米自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度證明了有機(jī)自旋電子器件的潛力。 弱旋轉(zhuǎn)軌道和超精細(xì)相互作用是它們長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)壽命的起源，但旋轉(zhuǎn)與其環(huán)境的耦合機(jī)制仍然是難以捉摸的。 近日，卡文迪什實(shí)驗(yàn)室Henning Sirringhaus 研究團(tuán)隊(duì)對(duì)具有高遷移率共軛聚合物作為活性層的場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的極化子自旋壽命進(jìn)行了系統(tǒng)研究。 研究人員展示了自旋弛豫如何受電荷在低溫下的跳躍運(yùn)動(dòng)控制，而由載波函數(shù)的瞬態(tài)定位引起的Elliott-Yafet式弛豫是高溫下自旋弛豫的原因。 在該方案中，電荷，自旋和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)并且敏感地依賴于聚合物主鏈的局部構(gòu)象和聚合物鏈的晶體堆積。
Schott, S. Sirringhaus , H. et al. Polaron spin dynamics in high-mobility polymeric semiconductors. Nature Physics 2019.
DOI:10.1038/s41567-019-0538-0
https://www.nature.com/articles/s41567-019-0538-0
5. Nature Photonics：用于超快納米光子學(xué)的自組織非線性光柵
隨著利用飛秒持續(xù)時(shí)間激光脈沖的設(shè)備變得越來(lái)越普遍，需要下一代非線性光子學(xué)技術(shù)，其使得低能量飛秒脈沖能夠以高效率從一個(gè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)波長(zhǎng)。由于必須匹配光的相速度和群速度，設(shè)計(jì)非線性材料以采用飛秒脈沖進(jìn)行操作具有挑戰(zhàn)性。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院Daniel D. Hickstein 和Scott B. Papp等人研究表明，飛秒激光脈沖可以在納米光子波導(dǎo)中產(chǎn)生自組織非線性光柵，從而為二次諧波產(chǎn)生提供具有準(zhǔn)相位匹配和群速度匹配的非線性光學(xué)器件。研究人員采用非線性顯微鏡來(lái)獨(dú)特地表征自組織非線性光柵，并證明這些波導(dǎo)能夠?qū)崿F(xiàn)激光頻率梳穩(wěn)定的χ（2）和χ（3）非線性過(guò)程。最后，推導(dǎo)出了控制飛秒脈沖的自組織光柵形成的方程，并揭示了群速度匹配的關(guān)鍵作用。在未來(lái)，具有自組織光柵的納米光子學(xué)可以實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的，可重新配置的非線性光子學(xué)。
Hickstein, D. D. et al. Self-organized nonlinear gratings for ultrafast nanophotonics. Nat. Photonics, 2019
Doi:10.1038/s41566-019-0449-8.
https://www.nature.com/articles/s41566-019-0449-8
6. 日本分子科學(xué)研究所Nature Commun.：光驅(qū)動(dòng)分子開(kāi)關(guān)用于可重構(gòu)自旋濾波器
通過(guò)外部刺激使分子元件定向運(yùn)動(dòng)的人工分子開(kāi)關(guān)和機(jī)器在近十年得到了迅速的發(fā)展，其中以擁擠的烯烴基人工分子馬達(dá)最具吸引力。然而，將這些分子開(kāi)關(guān)集成到固態(tài)器件中仍然具有挑戰(zhàn)性。有鑒于此，日本分子科學(xué)研究所的Hiroshi M. Yamamoto和Masayuki Suda教授等報(bào)道了一個(gè)將分子開(kāi)關(guān)用于固態(tài)自旋過(guò)濾裝置的例子，它可以通過(guò)光輻照或熱處理來(lái)改變自旋極化方向。研究發(fā)現(xiàn)，由于手性誘導(dǎo)的自旋選擇性效應(yīng)，該裝置利用分子馬達(dá)的手性反轉(zhuǎn)可以作為光驅(qū)動(dòng)的可重構(gòu)自旋濾波器。研究者發(fā)現(xiàn)對(duì)于使用分子機(jī)器的固態(tài)電極而言，在分子尺度上具備靈活性是至關(guān)重要的。
Masayuki Suda*, Yuranan Thathong, Vinich Promarak, Hirotaka Kojima, Masakazu Nakamura, Takafumi Shiraogawa, Masahiro Ehara & Hiroshi M. Yamamoto*. Light-driven molecular switch for reconfigurable spin filters. Nat. Commun.,2019
Doi：10.1038/s41467-019-10423-6
下載鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-10423-6
7. 德國(guó)馬普研究所Nature Commun.：三點(diǎn)拓?fù)浣饘費(fèi)oP中的極高電導(dǎo)率
魏爾費(fèi)米子和狄拉克費(fèi)米子在凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)中引起了極大的關(guān)注。最近，研究人員對(duì)幾種不同類型的費(fèi)米子進(jìn)行了預(yù)測(cè)。在本文中，德國(guó)馬普研究所的Felser和Shekhar等在MoP這種新發(fā)現(xiàn)的三點(diǎn)費(fèi)米金屬中觀測(cè)到了低溫下極高的離子電導(dǎo)。他們發(fā)現(xiàn)該金屬在2K的低溫下電阻率為6nΩ cm，電子的平均自由程為11um。他們利用德哈斯-范-阿爾芬振蕩解釋了費(fèi)米表面的自旋分裂。與導(dǎo)電率和載流子數(shù)相似的貴金屬相比，MoP中的磁阻在2 K時(shí)并不會(huì)達(dá)到飽和的9T。研究人員還發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)電子的動(dòng)量弛豫時(shí)間比量子相干時(shí)間大15倍以上。這種散射尺度之間的差異說(shuō)明低溫下動(dòng)量守恒散射在MoP中占主導(dǎo)地位。
Nitesh Kumar, Claudia Felser, Chandra Shekhar et al, Extremely high conductivity observed in the triple point topological metal MoP, Nature Communications, 2019
DOI: 10.1038/s41467-019-10126-y
https://www.nature.com/articles/s41467-019-10126-y
8. 復(fù)旦大學(xué)Nature Commun.：少層黑磷中范德華相互作用的調(diào)控
總所周知，2D材料的物理化學(xué)性能與層間范德華相互作用有著密切關(guān)系。目前，如何認(rèn)為調(diào)控層間范德華相互作用從而操控材料物理化學(xué)性質(zhì)依然是一個(gè)難題，有鑒于此，復(fù)旦大學(xué)晏湖根教授等借助紅外光譜法成功調(diào)控了2-10層黑磷層間范德華相互作用。研究中，他們驚訝的發(fā)現(xiàn)平面內(nèi)的拉伸應(yīng)變有效地削弱了層間耦合，使得樣品在垂直方向上收縮，表現(xiàn)出明顯的視覺(jué)變化。隨后，他們借助DFT進(jìn)一步證實(shí)了觀測(cè)結(jié)果，表明褶皺晶格結(jié)構(gòu)起著主導(dǎo)作用。
Shenyang Huang, Guowei Zhang, Fengren Fan, Chaoyu Song, Fanjie Wang, Qiaoxia Xing, Chong Wang, Hua Wu & Hugen Yan*.Strain-tunable van der Waals interactions in few-layer black phosphorus. Nat. Commun.,2019
Doi：10.1038/s41467-019-10483-8
下載鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-10483-8
9. Science Adv.：高導(dǎo)熱率、高質(zhì)量單層氮化硼及其熱膨脹
熱管理變得越來(lái)越重要，尤其是在小型化的現(xiàn)代設(shè)備中，那么開(kāi)發(fā)具有電絕緣的高導(dǎo)熱材料至關(guān)重要。澳大利亞迪肯大學(xué)Lu Hua Li和英國(guó)貝爾法斯特女王大學(xué)Elton J. G. Santos團(tuán)隊(duì)報(bào)道，高質(zhì)量的單原子薄六方氮化硼（BN）在室溫下的導(dǎo)熱率（κ）為751 W/mK，是所有半導(dǎo)體和絕緣體中每單位重量的第二大κ。原子級(jí)薄BN的κ隨厚度增加而減小。分子動(dòng)力學(xué)模擬再現(xiàn)了這一趨勢(shì)，同時(shí)密DFT計(jì)算揭示了主要的散射機(jī)制。單層至三層的BN在300至400 K的熱膨脹系數(shù)也是首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量。由于其寬帶隙、高導(dǎo)熱性、出色的強(qiáng)度、良好的柔韌性、出色的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，原子級(jí)薄BN是在下一代柔性電子器件的散熱中潛力無(wú)限。
Cai, Q., Scullion, D. et al. High thermal conductivity of high-quality monolayer boron nitride and its thermal expansion. Sci. Adv. 5, eaav0129, 2019
Doi:10.1126/sciadv.aav0129.
https://advances.sciencemag.org/content/5/6/eaav0129
10. 中科大倪勇&俞書宏Chem：具有超強(qiáng)彈性與隔熱性能的仿生碳管氣凝膠
在本文中，來(lái)自中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的倪勇教授與俞書宏教授團(tuán)隊(duì)以北極熊毛發(fā)的微觀結(jié)構(gòu)為靈感通過(guò)溶液方法制備了一種具有超彈性和優(yōu)良隔熱性能的宏觀尺度輕質(zhì)碳管氣凝膠。微結(jié)構(gòu)衍生的熱導(dǎo)率和超彈性在很大程度上取決于內(nèi)部交聯(lián)的碳管的殼層厚度以及氣凝膠的孔徑。值得注意的是，優(yōu)化后的氣凝膠在30%應(yīng)變下經(jīng)過(guò)100多萬(wàn)次壓縮釋放循環(huán)或在90%應(yīng)變下經(jīng)過(guò)10000次壓縮釋放循環(huán)仍能夠保持結(jié)構(gòu)的完整性。此外，這種仿生氣凝膠對(duì)寬頻帶力能夠產(chǎn)生快速準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)壓阻響應(yīng)。尤其是在傳統(tǒng)彈性材料中通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)落鋼球測(cè)得的最快反彈速度1434 mm s-1進(jìn)一步證實(shí)了該仿生碳管氣凝膠的超彈性。此外，該氣凝膠優(yōu)化后的最小導(dǎo)熱系數(shù)低至23 mW m?1 k?1，這一性能優(yōu)于干燥空氣的導(dǎo)熱系數(shù)。
Huijuan Zhan, Yong Ni, Shuhong Yu et al, Biomimetic Carbon Tube Aerogel Enables Super-Elasticity and Thermal Insulation, Chem, 2019
DOI: 10.1016/j.chempr.2019.04.025
https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(19)30202-5?rss=yes#
11. 天津大學(xué)&上海大學(xué)&萊斯大學(xué)AM：具有高親鋰特性的化學(xué)剝離二維COF
具有可逆氧化還原行為的共價(jià)有機(jī)框架（COFs）可以被用做鋰離子電池電極材料。然而，之前報(bào)道過(guò)的COFs鋰離子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)緩慢、電子電導(dǎo)差、可逆容量有限且倍率性能差，這嚴(yán)重限制了其實(shí)際應(yīng)用。在本文中，萊斯大學(xué)的Ajayan聯(lián)合上海大學(xué)的Yong Wang 和天津大學(xué)的Chen Long 等設(shè)計(jì)了一種每個(gè)重復(fù)單元有六個(gè)不飽和苯環(huán)和有序介孔結(jié)構(gòu)的新型二維COF(TFPB-COF)。他們采用化學(xué)剝離策略獲得了少層COF納米片，這些二維納米片的重堆積由于層間MnO2納米顆粒的形成而受到限制。與體相的三維COF相比，這種二維COF由于層間強(qiáng)烈的共軛π電子云的存在而具有更多儲(chǔ)鋰位點(diǎn)，電子/離子傳輸動(dòng)力學(xué)也更加快速。
Xiaodong Chen, Pulickel M. Ajayan, Long Chen, Yong Wang et al, High‐Lithium‐Affinity Chemically Exfoliated 2D Covalent Organic Frameworks, Advanced Materials,2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201901640
12. 南京理工大學(xué)AM: 通過(guò)界面設(shè)計(jì)，調(diào)控銻烯的外延原子結(jié)構(gòu)
銻烯(Antimonene)是一種具有基本帶隙和理想穩(wěn)定性的新型半導(dǎo)體，最近已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。然而，晶圓級(jí)單晶銻烯的外延生長(zhǎng)仍然是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。南京理工大學(xué)曾海波、Shengli Zhang和Harald Fuchs等人選擇Cu（111）和Cu（110）作為基底，通過(guò)分子束外延（MBE）制造高質(zhì)量的單晶銻烯。表面合金在Sb沉積和后退火后在兩個(gè)基底上自發(fā)形成，這兩個(gè)基底顯示出具有不同晶格常數(shù)的三重和雙重對(duì)稱性。增加覆蓋率產(chǎn)生了兩種原子類型的銻烯的外延生長(zhǎng)，兩者都呈現(xiàn)六方晶格但具有顯著的晶格常數(shù)差異。研究結(jié)果還揭示了應(yīng)變誘導(dǎo)的可調(diào)帶隙致，在不同基底上外延生長(zhǎng)銻烯的電子性質(zhì)可以通過(guò)基底誘導(dǎo)的應(yīng)變和應(yīng)力來(lái)調(diào)節(jié)。
Niu, T., Zhou, W., Zhou, D., Hu, X., Zhang, S., Zhang, K., Zhou, M., Fuchs, H., Zeng, H., Modulating Epitaxial Atomic Structure of Antimonene through Interface Design. Adv. Mater. 2019, 1902606.
https://doi.org/10.1002/adma.201902606
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201902606
13. 東華大學(xué)AFM：柔性無(wú)機(jī)納米纖維構(gòu)建三維超彈性支架用于骨再生
東華大學(xué)李曉然、丁彬教授合作，以殼聚糖為鍵合位點(diǎn)，采用本征剛性、結(jié)構(gòu)柔性的電紡二氧化硅納米球(SiO2 NF-CS)通過(guò)凍干技術(shù)組裝制備了超彈性三維陶瓷纖維支架。SiO2 NF-CS支架在水介質(zhì)中表現(xiàn)出良好的彈性，可以完全從被80%的壓縮狀態(tài)中恢復(fù)、且具有快速的恢復(fù)速率(>500 mm min-1)和良好的抗磨損性能(> 10000次壓縮循環(huán))。SiO2 NF-CS支架可以誘導(dǎo)人間充質(zhì)干細(xì)胞(hMSC) 伸長(zhǎng)并向成骨細(xì)胞分化。實(shí)驗(yàn)通過(guò)將壓縮了的SiO2 NF-CS支架植入兔子的不同形狀的下頜骨缺損中，證明了其在體內(nèi)的自適應(yīng)能力，并可以使得骨缺損自發(fā)地恢復(fù)。研究利用大鼠顱骨缺損修復(fù)實(shí)驗(yàn)和細(xì)胞(hMSC)組織形態(tài)學(xué)分析證實(shí)了該支架可以促進(jìn)骨形成并使血管化增強(qiáng)。這一研究制備的三維陶瓷纖維支架能較好地匹配不規(guī)則形狀或不同種植部位的骨缺損，因而具有良好的臨床應(yīng)用前景。
Lihuan Wang, Xiaoran Li, Bin Ding. et al. 3D Superelastic Scaffolds Constructed from Flexible Inorganic Nanofbers with Self-Fitting Capability and Tailorable Gradient for Bone Regeneration. Advanced Functional Materials. 2019
DOI: 10.1002/adfm.201901407
