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《自然》《科学》一周(6.18-6.24)材料科学前沿要闻

原标题:《自然》《科学》一周(6.18-6.24)材料科学前沿要闻

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1. 碳纳米管可以作为新兴的量子光源

(Carbon nanotubes as emerging quantum-light sources)

材料名称:碳纳米管

研究团队:法国国家科学研究中心 Y. Chassagneux 和 C. Voisin 研究组

量子计算和量子密码学的进步,需要有室温下电信波长的高效电子触发单光子源。长期以来人们都知道半导体单壁碳纳米管(SWCNT)会表现出强烈的激子结合并在很宽的波长范围内发光,但是由于其量子产率较低且对光谱扩散和闪烁具有高敏感性,因而阻碍了其应用。He 等人讨论了通过化学、电接触和谐振器耦合来主导 SWCNT 光学性质并改进它们作为量子光源用途的最新进展。并按照单光子纯度、产生效率和不可分辨性对最新的结果进行了描述。最后,还考虑了 SWCNT 的独特性质以及基于 SWCNT 的芯片集成量子光子源最有前景的道路上的主要根本挑战。(Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0109-2)

2. 连续波升频转换纳米微粒微型激光器

(Continuous-wave upconverting nanoparticle microlasers)

材料名称:Tm3+ 掺杂升频转换纳米微粒

研究团队:美国劳伦斯伯克利国家实验室 Emory M. Chan 和 P. James Schuck 研究组

将激光器的尺寸缩小到微尺度的尺寸能够实现专门针对从超高速微处理器到活脑组织等有限空间内的操作而设计的新技术。然而,腔尺寸减小会增加光学损耗,并需要更大的输入功率才能达到激光阈值。使用纳米材料如镧系元素掺杂的升频转换纳米微粒(UCNP)作为激光介质小型化的多光子泵浦激光器需要高泵浦强度来实现紫外和可见发射并且因此要在脉冲激励情况下工作。Fernandez-Bravo 等人利用最新描述的 Tm3+ 掺杂的 UCNP 中的能量循环激发机制,在低至 14kW•cm-2 的激发能量下在独立微腔中实现了连续波升频转换激光作用。连续波激射是不间断的,并使信号最大化且实现了光学相互作用的调制。通过将能量循环纳米微粒耦合到聚苯乙烯微球体的回音壁模式,Fernandez-Bravo 等人同时在蓝色和近红外波长处诱导实现了超过 5 小时的稳定激射。这些微腔在能够透射生物的第二近红外(NIR-II)窗口中被激发,并且足够小能够嵌入到生物体、组织或装置中。并且在浸入血清中的微腔中产生连续波激射的能力突出了这些微型激光器在复杂生物环境中用于感测和照射的实际应用。(Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-018-0161-8)

3.范德华异质结构的电子插入层中的异质界面效应

(Heterointerface effects in the electrointercalation of van der Waals heterostructures)

材料名称:范德华异质结构

研究团队:美国哈佛大学 efthimios Kaxiras 和 Philip Kim 研究组

电化学能量储存的基础是在分子层面控制电子和离子电荷的累积量。层状范德华(vdW)晶体是一系列多元化的材料,流动离子可以电化学嵌入到主体原子晶格的层间间隙中。这种材料的结构多样性使复合材料的界面性能得以优化,以改善能量存储和电子器件的离子插层。但异质层修饰插层反应的能力及其在原子水平上的应用尚待阐明。Bediako 等人演示了在不同范德华层的各个原子界面层面的锂的电子插入层。构建了基于堆叠六方氮化硼、石墨烯和钼硫族化合物(MoX2;X = S,Se)层的范德华异质结构的电化学装置。并利用透射电子显微镜、原位磁阻和光谱学技术、以及低温量子磁振荡测量和从头计算,来解决异质界面处锂插层的中间阶段。石墨烯和 MoX2 之间形成的范德华异质界面,相比 MoX2/MoX2 同质界面,MoX2 中电荷的积累量增加了十倍以上,并且强化了至少 0.5V 的插层电势。除了储能之外,Bediako 等人还综合了实验和计算方法为用于操纵和表征分层系统的电化学行为开辟了新的途径,从而控制二维电子和光电子器件的电荷密度。(Nature DOI: 10.1038/s41586-018-0205-0)

4. 单原子相变记忆体

(Monatomic phase change memory)

材料名称:锑

研究团队:瑞士 IBM 苏黎世研究院 Abu Sebastian 研究组

相变存储器已经发展成为一种能够以快速和非易失性方式存储信息的成熟技术,并具有神经形态计算应用的潜力。然而,其未来在电子领域的影响力主要取决于该技术核心的材料如何适应由于持续向更高器件密度扩展而产生的要求。微调相变存储器材料的性质,在光学数据存储中达到合理的热稳定性的常用策略依赖于混合精确量的不同掺杂剂,而这通常会导致四元或更复杂的化合物。Salinga 等人展示了最简单的材料(一种单一的元素,该研究下是锑)当被限制在极小的体积中时如何能够成为一种有效的替代品。这种成分简化消除了与反转体积中优化化学计量的不必要偏差有关的问题,这种问题在器件极力小型化时会变得越来越迫切。因而消除成分优化问题可能使人们能够利用信息存储中的纳米级效应。(Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0110-9)

5. 在平面 α-Fe2O3/Co 异质结构中室温下观察磁涡旋对

(Observation of magnetic vortex pairs at room temperature in a planar α-Fe2O3/Co heterostructure)

材料名称:α-Fe2O3/Co 异质结构

研究团队:英国牛津大学 C.-B. Eom 和 P. G. Radaelli研究组

当流场围绕一维核心“旋转”时发生的涡旋是最简单的拓扑结构(物理学的许多分支中普遍存在)之一。在结晶态中,涡旋的形成是很少见的,因为其通常受到远距离相互作用的阻碍:在铁质材料(铁磁和铁电)中,只有当偶极-偶极相互作用的影响通过纳米尺度的限制或者与涡量相关的参数不直接与应变耦合时,才会观察到涡旋。Chmiel 等人在反铁磁赤铁矿(α-Fe2O3)外延膜中观察到了前所未有的涡旋形式,其中的初级涡旋参数是交错磁化。值得注意的是,其中在超薄 Co 铁磁层上通过界面交换印上了具有与 α-Fe2O3 涡旋相同涡度和绕数的铁磁拓扑物体。数据表明,铁磁涡旋可能是 meron(半斯格眀子,带有离面核心磁化),并表明涡旋/meron 对可以通过施加面内磁场来操纵,从而产生大规模的涡旋-反涡旋湮灭。(Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0101-x)

6. 由表面活性剂胶束导向的高度对称超小型无机笼的自组装

(Self-assembly of highly symmetrical, ultrasmall inorganic cages directed by surfactant micelles)

材料名称:十二面体二氧化硅笼

研究团队:美国康奈尔大学 Ulrich Wiesner 研究组

最近已经有能够从 DNA、RNA 或蛋白质组装而成具有高度对称的笼状多面体形状(通常具有二十面体对称性)纳米大小的实体,用于生物学和医学应用。这些成就取决于可编程自组装生物材料的发展,以及用于从单粒子的低温电子显微镜图像中产生三维(3D)重建(提供生物复合物的高分辨率结构表征)技术的快速发展。但这种单颗粒三维重建方法还未成功应用于高度对称笼状合成无机纳米材料的鉴定。Ma 等人利用冷冻电子显微镜和单颗粒三维重建相结合,表明存在具有十二面体结构的孤立超小型(小于 10nm)二氧化硅笼(silicage)。并表明了这种高度对称的自组装笼,可以通过在带有相反电荷的表面活性剂胶束表面上的水溶液中排列初级二氧化硅簇而形成。这一发现为由二氧化硅和其他无机材料制成的用作各种先进功能材料应用构筑块的纳米级笼子铺平了道路。(Nature DOI: 10.1038/s41586-018-0221-0)

7. 通过与非手性磁性底物的对映体特异性相互作用分离对映体

(Separation of enantiomers by their enantiospecific interaction with achiral magnetic substrates)

材料名称:对映体

研究团队:以色列希伯来大学 Yossi Paltiel 研究组

通常认为,无论是在自然界还是在人造系统中,手性的识别和辨别都完全依赖于空间效应。然而,最近的研究表明手性分子中的电荷再分布表现出了对电子自旋取向的对映选择性偏好。因此 Banerjee-Ghosh 等人推断诱导自旋极化可能能够通过交换相互作用影响对映体识别。并通过实验表明,手性分子与垂直磁化底物的相互作用是对映体特异性的。因此,当磁偶极朝上时,其中一种对映体优先吸附,而磁化朝向相反时则另一种对磁体吸附更快。相互作用不是由磁场本身控制的,而是由电子自旋取向控制的,并且该研究开启了用于对映体分离的独特方法的前景。(Science DOI: 10.1126/science.aar4265)

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