科学家实现钙钛矿单晶薄膜技术突破 晶体生长周期缩短至1.5天

科学家实现钙钛矿单晶薄膜技术突破 晶体生长周期缩短至1.5天 据介绍，金属卤化物钙钛矿是一类光电性质优异、可溶液制备的新型半导体材料，在太阳能电池、发光二极管和辐射探测器等领域有重要应用。目前，这些器件主要采用多晶薄膜为光活性材料，其表界面悬挂键、不饱和键等缺陷将显著降低器件性能和使用寿命。单晶薄膜材料本体不含有晶界等缺陷，是制备光电子器件的理想候选材料，但如何可控、低温合成该类材料仍是该领域所面临的主要挑战。官方资料显示，单晶材料生长涉及到成核、溶解、传质、反应等多个过程。对钙钛矿单晶而言，其生长过程中的控制步骤仍不明确。研究团队采用原位显微观测、胶体扩散吸光度测试、核磁共振扩散序谱等手段，定量化分析了钙钛矿前驱体溶液中的溶质扩散过程，同时结合分子动力学和数值仿真，证实了物质传递过程是钙钛矿单晶薄膜生长的决速步骤。随后，研究团队开发了以二甲氧基乙醇为代表的高通量单晶生长溶液体系，通过多官能团配位作用细化前驱体胶束尺寸，将前驱体体系的扩散系数由1.7×10-10 m2 s-1提高至5.4×10-10 m2 s-1，从而使得单晶薄膜的生长速率提高约3倍，制备环境温度普遍降低了30℃~60℃。例如，在70℃下，甲胺铅碘单晶薄膜的生长速度可达到8.0 µm min-1，在一个结晶周期内单晶薄膜尺寸可达2 cm。研究团队进一步证实了该单晶薄膜生长技术的普适性，实现了30余种厘米级单晶薄膜的低温、快速、高通量生长方法。另外，该晶体生长技术可抑制单晶薄膜中的晶格缺陷形成，制备单晶薄膜的载流子迁移率高达160 cm2 V-1 s-1、扩散长度超80 µm，这些物理性质参数达到了目前商业化晶硅半导体材料水平。以制备的单晶薄膜为活性层的辐射探测器件，在零偏压模式下的灵敏度高达到1.74×105 µC Gy−1 cm−2，并在英寸级像素阵列化器件中展示出优异的空间尺度上一致性，实现了自供电模式下大面积复杂物体的X射线成像。这项工作阐明了钙钛矿单晶薄膜的晶化机理，为新一代的高性能光电器件提供了丰富的材料库。据悉，相关成果发表于国际知名学术期刊《自然-通讯》。 ... PC版： 手机版：

科学家发明新型半导体激发技术

科学家发明新型半导体激发技术 横滨国立大学的科学家和加州理工学院的同事利用高强度、宽频带的超快太赫兹脉冲，在一种二维半导体材料中实现了原子激发，推动了电子设备的发展。他们的论文于 3 月 19 日发表在《应用物理通讯》（Applied Physics Letters）杂志上，并作为编辑推荐文章。二维（2D）材料或片状纳米材料因其独特的电子特性而成为未来半导体应用的理想平台。过渡金属二掺杂物（TMDs）是二维材料中的一个重要类别，由夹在掺杂物原子层之间的过渡金属原子层组成。这些原子以晶格结构排列，可以围绕其平衡位置振动或振荡这种集体激发被称为相干声子，在决定和控制材料特性方面起着至关重要的作用。声波诱导技术的创新传统上，相干声子由可见光和近红外区域的超短脉冲激光器诱导。使用其他光源的方法仍然有限。横滨国立大学工程科学研究生院助理教授、该研究的第一作者 Satoshi Kusaba 说："我们的研究解决了超快太赫兹频率激光器（或低能光子）如何在 TMD 材料中诱导相干声子这一基本问题。"WSe2 中声子的超快宽带太赫兹激发和偏振旋转探测示意图。获得的结果（右下）包括通过和频过程激发的相干声子振荡信号（右上）。资料来源：Satoshi Kusaba / 横滨国立大学太赫兹辐射是指频率在太赫兹范围内的电磁波，介于微波和红外频率之间。研究小组制备了超快宽带太赫兹脉冲，以诱导一种名为WSe2 的 TMD 薄膜中的相干声子动力学。为检测光学各向异性（换句话说，即光在穿过材料时的表现），研究人员安排了一套精确而灵敏的装置。研究人员研究了超短激光脉冲与材料相互作用时电场方向的变化；这些变化被称为偏振旋转。通过仔细观察微小的诱导光学各向异性，研究小组成功地探测到了太赫兹脉冲诱导的声子信号。"我们的研究最重要的发现是，太赫兹激发可以通过一个独特的和频激发过程在TMD中诱导相干声子，"研究时的加州理工学院博士生、本研究的共同第一作者Haw-Wei Lin说。"这种机制与共振和线性吸收过程有着本质区别，它涉及两个太赫兹光子的能量总和与声子模式的能量总和相匹配"。由于通过这种和频过程可以激发的声子模式的对称性完全不同于更典型的共振线性过程，因此本研究中成功使用的激发过程对于完全控制材料中的原子运动非常重要。这项研究成果的意义超出了基础研究的范畴，有望在现实世界中得到广泛应用。"通过和频激发过程，我们可以利用太赫兹激发相干地控制二维原子位置，"Kusaba说。"这可能为控制 TMD 的电子状态打开大门，这对于开发谷电技术和使用 TMD 的电子设备，实现低功耗、高速计算和专用光源，是大有可为的"。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

中国科学家制备效率超25.6%稳定钙钛矿太阳能电池

中国科学家制备效率超25.6%稳定钙钛矿太阳能电池 目前钙钛矿太阳能电池（PSCs）因优异的光电性能等特点，在新一代光伏发电领域颇有应用前景，是当前光伏产业研究重点，已实现26%以上的光电转换效率。然而，有机-无机杂化钙钛矿的结晶过程较为复杂。中间相的参与，如混合溶剂相和δ相，使得制备出均匀和高结晶度的钙钛矿膜具有挑战性，晶格畸变等问题会影响性能和寿命。科学家研究发现，Hydantoin多种官能团对钙钛矿前驱体的协同作用，抑制了溶剂中间相及δ相钙钛矿的生成，形成了钙钛矿光学活性相具有高结晶度且集中out-of-plane取向的钙钛矿膜，并抑制了多种缺陷以及载流子非辐射复合。基于Hydantoin辅助结晶制备出的钙钛矿太阳能电池，不仅效率超过25.66%，而且具有良好的环境稳定性。在标准测量条件下的最大功率点输出1600小时，钙钛矿太阳能电池仍保持初始效率的96.8%。中科院表示，这项研究成果发表在期刊《先进材料》（Advanced Materials）上；研究工作得到国家自然科学基金和国家重点研发计划等的支持。 ... PC版： 手机版：

中国科学家实现二维金属碲化物材料的批量制备

中国科学家实现二维金属碲化物材料的批量制备 二维过渡金属碲化物材料是一类新兴的二维材料，由碲原子（Te）和过渡金属原子（如钼、钨、铌等）组成，其微观结构类似于“三明治”，过渡金属原子被上下两层的碲原子“夹”住，形成层状二维材料。因具有奇特的超导、磁性、催化活性等物理和化学性质，二维过渡金属碲化物材料在量子通讯、催化、储能、光学等领域展现出重要应用潜力，受到了国际学术界的广泛关注。科学家实现二维金属碲化物材料的批量制备（中国科学院大连化学物理研究所供图）“比如，二维过渡金属碲化物具有高导电性和大比表面积，可作为高性能超级电容器和电池的电极材料；同时二维过渡金属碲化物纳米片表面具有丰富可调的活性位点，可用作制备绿氢和双氧水的电催化剂，提高催化剂的选择性、效率和性能；此外，该材料还展现出特有的量子现象，如超导和巨磁电阻等，可作为下一代低功耗器件和高密度磁性存储器件的材料。”论文共同通讯作者、中国科学院大连化物所研究员吴忠帅解释。然而，目前该材料还无法实现高质量的批量制备，阻碍了其实际应用。二维过渡金属碲化物材料一般采用“自上而下”的制备方法，如同拆解积木，通过机械力或化学作用方式将其一层一层剥离下来，从而制备出单层的二维纳米片。常用的“自上而下”方法有化学插层剥离法、球磨法、胶带剥离法、液相超声法等，其中化学插层剥离法的剥离效率虽然最高，但剥离仍需要数小时。批量化可控制备二维过渡金属碲化物纳米片（中国科学院大连化学物理研究所供图）科学家们大多采用有机锂试剂作为插层剂，即将含有锂离子的插层剂插入块体层状结构材料的片层中，并利用锂和水的反应使插层剂“膨胀”，在每一层间形成一个“气压柱”，将叠在一起的纳米片层层“撑开”，就如同使用了一把“化学刮刀”一层一层地将纳米片“刮”下来，这种层间的气体膨胀作用力远大于机械剥离力，可以提高剥离效率。“但是，有机锂是一种易燃易爆的液体试剂，具有很大的安全隐患。因此，实现安全、高效的化学剥离成为科学家努力的目标。”吴忠帅说。此次，科研人员创新性地采用固相化学插层剥离方法，筛选出了一种固相插层试剂硼氢化锂。硼氢化锂具有强还原性质，在干燥空气中稳定，可用于高温固相插锂反应，解决了插层反应速度慢的问题，从而实现了安全、高效、快速的插层剥离。整个插层剥离过程只需10分钟，可批量制备出百克级（108克）碲化铌纳米片，与液相化学插层剥离法制备量均小于1克相比，此方法的产量提升了两个数量级。值得关注的是，科研人员还利用此方法制备出了五种不同过渡金属的二维过渡金属碲化物纳米片和十二种合金化合物纳米片，证明这种方法具有普适性。“该方法简单、快速、高效，对二维材料的宏量制备具有普适意义。”《自然》审稿人对该方法给予了高度评价。吴忠帅表示，利用该方法制备出的二维过渡金属碲化物纳米片的溶液和粉体具有良好的加工性能，可以作为各种功能性浆料，实现薄膜、丝网印刷器件、3D打印器件、光刻器件的高效和定制化加工等，有望在高性能量子器件、柔性电子、微型超级电容器、电池、催化、电磁屏蔽、复合材料等方向发挥重要作用。 ... PC版： 手机版：

科学家开发出制造有机半导体的新型可持续方法

科学家开发出制造有机半导体的新型可持续方法 林雪平大学的研究引入了一种使用水等良性溶剂加工共轭聚合物的新方法。新油墨还具有高度导电性。资料来源：Thor Balkhed作为传统硅基电子器件的补充，有时甚至是替代品，有机电子器件正在崛起。有机电子产品具有制造简单、灵活性高、重量轻等特点，同时还具有传统半导体的电气特性，因此可用于数字显示、能源存储、太阳能电池、传感器和软植入物等应用。有机电子器件由半导体塑料（即共轭聚合物）制成。然而，加工共轭聚合物通常需要使用对环境有害、有毒和易燃的溶剂。这是有机电子产品广泛商业化和可持续使用的主要障碍。现在，林雪平大学的研究人员开发出了一种新的可持续方法，可以从水中加工这些聚合物。这种新型油墨不仅更具可持续性，还具有高度导电性。刘铁峰，有机电子学实验室博士后。资料来源：Thor Balkhed"我们的研究引入了一种利用水等良性溶剂加工共轭聚合物的新方法。"有机电子实验室资深副教授西蒙娜-法比亚诺（Simone Fabiano）说："利用这种被称为地态电子转移的方法，我们不仅可以解决使用有害化学物质的问题，还能证明材料性能和设备性能的改善。"当研究人员将这种新型导电墨水作为有机太阳能电池的传输层进行测试时，发现其稳定性和效率均高于传统材料。他们还测试了用这种油墨制造电化学晶体管和人工神经元的情况，结果表明其工作频率与生物神经元相似。"我相信，这些成果将对有机电子领域产生变革性影响。通过利用水等绿色和可持续溶剂加工有机半导体，我们可以大规模生产对环境影响最小的电子设备，"瓦伦贝格学院研究员西蒙娜-法比亚诺（Simone Fabiano）说。编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：

科学家发现新型锂离子导体 可用于强化电动汽车电池

科学家发现新型锂离子导体 可用于强化电动汽车电池 利物浦大学的一个团队开发出了一种新型固态锂离子导体，可以取代电池中的液态电解质，从而提高安全性和效率。图片表示锂离子（蓝色）在结构上移动。资料来源：利物浦大学这种新材料由无毒的地球富集元素组成，具有足够高的锂离子传导性，可以取代目前锂离子电池技术中的液态电解质，提高安全性和能量容量。该大学的跨学科研究团队采用变革性科学方法来设计这种材料，他们在实验室中合成了这种材料，确定了它的结构（原子在空间中的排列），并在电池中进行了演示。这种新材料是极少数能达到足以取代液态电解质的高锂离子电导率的固体材料之一，并且由于其结构而能以一种新的方式工作。这一发现是通过合作计算和实验工作流程实现的，该流程利用人工智能和基于物理学的计算来支持大学化学专家的决策。这种新材料为化学优化提供了一个平台，以进一步提高材料本身的性能，并根据研究提供的新认识来确定其他材料。利物浦大学化学系马特-罗森斯基（Matt Rosseinsky）教授说："这项研究展示了一种新型功能材料的设计和发现。这种材料的结构改变了人们以往对高性能固态电解质的理解。具体来说，具有多种不同移动离子环境的固体可以表现出很好的性能，而不仅仅是离子环境范围很窄的少数固体。这极大地开拓了进一步发现的化学空间。"最近的报道和媒体报道预示着人工智能工具已被用于寻找潜在的新材料。在这种情况下，人工智能工具是独立工作的，因此很可能会以各种方式重现它们接受过的训练，生成的材料可能与已知材料非常相似。"这篇发现研究论文表明，人工智能和由专家调配的计算机可以解决现实世界材料发现的复杂问题，在这个问题上，我们寻求的是成分和结构上有意义的差异，其对性能的影响要根据理解来评估，我们的颠覆性设计方法为发现这些以及其他依赖离子在固体中快速运动的高性能材料提供了一条新的途径"。这项研究由利物浦大学化学系、材料创新工厂、利弗胡尔姆功能材料设计研究中心、史蒂芬森可再生能源研究所、阿尔伯特-克鲁中心和工程学院的研究人员共同努力完成。并得到了工程与物理科学研究理事会（EPSRC）、勒弗胡尔姆信托基金会（Leverhulme Trust）和法拉第研究所（Faraday Institution）的资助。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：