院士是學術的終點？并不是！2019年中科院技術科學部院士彭練矛、葉志鎮、張 躍、朱美芳在材料方面最新進展

彭練矛

人物介紹：材料物理學家，主要從事碳基電子學領域研究。2019年當選為中國科學院院士。

（http://casad.cas.cn/sourcedb_ad_cas/zw2/ysxx/jskxb/201911/t20191121_4724707.html）

1. （ACS Applied Materials & Interfaces）：分析伽馬射線輻照對碳納米管頂柵場效應晶體管的影響 [1]

空間系統或核應用需要能夠在惡劣環境中長時間（有時是幾十年）可靠運行的電子設備，包括在暴露于大量輻射的情況下。隨著這些系統中使用的集成電路(IC)密度的增加，預測它們對輻射的響應或保證可靠運行變得越來越困難。問題在基于一些新興半導體的晶體管和IC中更為嚴重。碳納米管 (CNT) 被認為是一種很有前途的通道材料，用于構建高性能和縮放的場效應晶體管(FET)，這主要是由于其出色的載流子遷移率、超薄體和高穩定性。 此外，CNT FET和IC在輻射環境中的應用引起了相當多的關注，因為它們具有較小的橫截面、納米級的強C-C鍵以及半導體通道的低原子序數。

在這里，使用可控的實驗方法來消除總電離劑量(TID)輻射對頂柵CNT FET的不同單獨組件的影響，包括CNT通道、柵極電介質和襯底。發現襯底比FET中的柵極電介質和CNT膜更容易受到輻射損傷。此外，CNT膜不僅充當輻射硬化半導體通道，而且通過部分屏蔽襯底免受輻射損傷來保護通道/襯底界面。在實驗數據的基礎上，建立了一個模型來預測CNT頂柵FET的耐輻照極限，它可以承受至少155 kGy的輻照。這表明碳納米管可以被認為是空間應用和其他高輻射環境中電子材料的優秀候選者。

2. （Advanced Functional Materials）：基于取向碳納米管薄膜的增強型場效應晶體管和高速集成電路 [2]

半導體碳納米管 (CNT) 具有較高的室溫載流子遷移率和原子厚度，被認為是構建未來電子產品的高性能和極限尺寸場效應晶體管 (FET) 的理想通道材料。此外，集成電路（IC）應用需要阻斷晶體管有足夠的驅動能力，并且可以可伸縮制成，不能由單個的CNT來滿足。根據理論預測，具有合適管密度（≈100-250 CNTs/μm）的排列良好的半導體 CNT (s-CNT) 陣列是開發數字IC的正確半導體，其實際性能和集成密度優于傳統的硅互補金屬氧化物半導體(CMOS) 集成電路。定向碳納米管（A-CNT）薄膜有望成為構建性能優于傳統晶體管的場效應晶體管（FET）的理想通道材料，并且開發了多種方法來制造具有高半導體純度、良好定向、和高密度。然而，報道的基于 A-CNT的FET幾乎都是耗盡型FET，并且亞閾值擺幅 (SS) 很差。

在這項研究中，制造了基于A-CNT薄膜的增強模式FET。頂柵 A-CNT FET中的載流子遷移率達到最大值1850 cm² V^-1s^-1，這接近于化學氣相沉積生長的單個CNT，并在A-CNT 薄膜中創下記錄。制備的200 nm柵長p型A- CNT FET具有73 mV dec^?1的SS, 1 mS μm^?1的跨導，在-1 V偏壓下的通電流為1.18 mA μm^?1,表明實際性能超過了類似柵極長度的商用硅基晶體管。基于高性能和均勻的增強模式 FET，級數為 5、7、9 和 11 的環形振蕩器采用優化設計和高良率制造，表現出創紀錄的CNT和其他基于納米材料的IC之間的傳播門延遲為 11.3 ps。

當選院士以來發表的文章一共為20篇（截止2021-10-29）其中期刊影響因子為：

葉志鎮

人物介紹：寬禁帶半導體光電薄膜材料專家，主要從事寬禁帶半導體氧化鋅等無機光電薄膜材料及關鍵技術研究。2019年當選為中國科學院院士。

（http://casad.cas.cn/sourcedb_ad_cas/zw2/ysxx/jskxb/201911/t20191121_4724710.html）

1. （Desalination）：通過 Cu(TCNQ) 納米棒陣列進行定向海水輸送，以實現高效的太陽能海水淡化和制鹽 [3]

隨著工業化進程的加快，資源短缺和環境污染已成為制約人類社會可持續發展的主要因素。海洋蘊藏著豐富的資源，特別是水和礦產資源，已引起廣泛關注。海水綜合利用主要包括海水淡化、海水直接利用和海水化學元素提取三個方面，逐漸成為緩解土地資源枯竭的重要途徑。傳統的海水資源獲取技術已經非常成熟，但這些技術都面臨著能耗高、二次污染嚴重的問題。因此，探索節能環保的海水利用技術在海洋資源開發中具有重要意義。

在此，通過基于柔性Cu(TCNQ)金屬有機框架(MOFs)的納米棒陣列(MAS)調節定向海水傳輸并從蒸發表面分離鹽結晶來解決這個問題。結構新穎的海水淡化（SDID）裝置設計合理，不僅具有良好的抗鹽沉積能力和優越的凈水生產性能，而且實現了同步鹽分提取。在1次太陽照射下，SDID設備中的MAS顯示出令人印象深刻的1.78 kg m-² h^-1（投影面積）的水蒸發率和47.0 g m-2 h-1的高鹽提取率。即使在夜間，MAS也能以 12.6 g m^-2 h^-1的速率提取鹽分。該工作為設計高效多功能太陽能海水淡化裝置以實現海水資源綜合利用和零液體排放提供了新思路。

2. （Science Advances）：基于定向鈣鈦礦納米片的高效發光二極管 [4]

經過溶液處理的平面鈣鈦礦發光二極管 (LED) 有望成為高性能且經濟高效的電致發光器件，非常適合大面積顯示和照明應用。利用具有高水平躍遷偶極矩 (TDM) 比率的發射層有望促進平面 LED 的光子輸出。然而，基于各向異性鈣鈦礦納米發射體的LED仍然是低效的(外部量子效率，EQE <5%)，因為很難同時控制TDM的方向，實現高的光致發光量子產額(PLQYs)和實現組裝納米結構薄膜中的電荷平衡。

在這里，報告了基于原位生長的鈣鈦礦薄膜的高效LED，同時展示了高水平TDM和高PLQY的比率。發射器是定向鈣鈦礦納米片，具有~84% 的高面內TDM比，導致LED的光提取效率為~31%。相比之下，在相同的器件結構中使用各向同性發射器（面內TDM比率為67%）會將光提取效率限制為~23%。此外，發現通過將溴化鋰(LiBr) 引入前驅體溶液中，鈣鈦礦薄膜的PLQY可以提高到75%以上。這些共同努力使綠色 PeLED的EQE達到創紀錄的23.6%，這是平面 PeLED中的最高值。

當選院士以來發表的文章一共為48篇（截止2021-10-29）其中期刊影響因子為：

張 躍

人物介紹：材料學家，主要從事低維半導體材料及其服役行為研究。2019年當選為中國科學院院士。

（http://casad.cas.cn/sourcedb_ad_cas/zw2/ysxx/jskxb/201911/t20191121_4724711.html）

1. （Advanced Functional Materials）：用于光電器件的一維 ZnO 基異質結構的界面工程 [5]

一維半導體材料由于其獨特的連接納米和宏觀世界的能力，被廣泛應用于能量轉換、電子和光電器件領域。其中，1D-ZnO由于其易于調制的形貌和能帶結構，在光電器件的構建中起著至關重要的作用。通過將1D-ZnO與其他材料結合形成多種異質結構，極大地豐富了 1D-ZnO的功能多樣性。通過界面工程的手段，可以調整一維氧化鋅基異質結構中載流子的行為以優化其光電性能。全面了解一維-氧化鋅基異質結構的不同集成方法和界面工程，可以為下一代光電器件的設計提供新的、更有效的方法。

在本文中，從一維氧化鋅的精確生長入手，著重總結了傳統外延生長和新興范德瓦爾斯堆疊構建的一維氧化鋅基異質結構。系統綜述了界面工程對上述兩類異質結構光電性能的調制機制。最后，展望了用于下一代光電器件的1D-ZnO基異質結構中界面工程的機遇和挑戰。重點總結了由傳統外延生長和新興范德瓦爾斯堆疊構建的一維ZnO 基異質結構。

2. （Advanced Materials）：用于肖特基無障礙電子器件的分子升級范德華觸點 [6]

任何超薄半導體器件的應用都離不開高質量的帶有肖特基柵的金屬-半導體觸點。構建二維半導體的范德華(vdWs)觸點是一種通過降低界面態來降低肖特基勢壘高度的先進策略，但由于半導體電子親和和金屬功函數之間不可避免的能量差，最終將在理論最小勢壘處失敗。

在這里，報告了一種有效的分子優化策略來升級一般的vdWs觸點，實現接近零的肖特基勢壘并創建高性能電子設備。分子處理可以誘導p型半導體中的缺陷愈合作用，并進一步提高空穴密度，導致有效減薄肖特基勢壘寬度并提高載流子界面傳輸效率。具有超薄肖特基勢壘寬度≈ 2.17 nm和在優化的Au/WSe₂觸點中≈ 9 k Ω μm的出色接觸電阻，在化學氣相沉積生長的WSe₂薄片中實現了≈ 148 cm²V^-1s^-1的超高場效應遷移率。與傳統的化學處理不同，這種分子升級策略不會留下任何殘留物，并且在> 200℃時表現出高溫穩定性。此外，肖特基勢壘優化被推廣到其他金屬-半導體接觸，包括1T-PtSe₂ /WSe₂、1T'-MoTe₂/WSe₂、2H-NbS₂ /WSe₂和Au/PdSe₂，定義了一種簡單、通用且可擴展的方法來最小化接觸電阻。

當選院士以來發表的文章一共為19篇（截止2021-10-29）其中期刊影響因子為：

朱美芳

人物介紹：材料科學家，主要從事纖維材料功能化、舒適化和智能化研究。2019年當選為中國科學院院士。

（http://casad.cas.cn/sourcedb_ad_cas/zw2/ysxx/jskxb/201911/t20191121_4724715.html）

1. （Advanced Science）：有機/無機混合纖維：電化學能源應用的可控架構 [7]

有機/無機雜化纖維(OIHF)是一類柔性偽一維材料，廣泛擁有相對較高的縱橫比（>100，? < 100 μm）和離散的有機/無機物種域，在各種電化學能源應用中引起了極大的關注。具有各種化學成分的廣泛材料系列、形成分層結構的能力以及可調和異質電子特性對于廣泛的應用具有固有的強大功能。OIHF不是簡單地結合單個實體的內在優點，而是由于有機和無機成分之間的協同相互作用，精心設計的 OIHF產生了有利的新特性。一般而言，有機纖維基體具有大比表面積、高柔韌性、低密度以及獨特的各向異性特性，被認為是摻入各種無機成分的理想基材。無機物質，如雜原子、金屬（或非金屬）納米粒子及其化合物可以以不同形式與纖維基質結合，賦予這種有機纖維基質卓越的電化學性能。

在這里，全面概述了OIHF的可控架構和電化學能量應用。在簡單介紹之后，通過對整體、內部和界面結構的精確剪裁，詳細描述了OIHF的可控構造。此外，幾種重要的電化學能源應用，包括可充電電池（鋰離子電池、鈉離子電池和鋰硫電池）、超級電容器（三明治狀超級電容器和纖維狀超級電容器）和電催化劑（氧還原反應、析氧反應、和析氫反應）。討論了該領域的現狀和挑戰，并提供了將OIHF用于電化學能源設備的未來方向的愿景。

2. （Small）：通過構建優化的NiS₂ /NiSe₂異質結構來提高鈉離子電池的電化學性能 [8]

當前，由于地球資源的過度消耗和環境的不斷惡化，迫切需要將碳中和作為全球目標。清潔和可再生能源存儲設備（ESD）被認為是能源結構改革的重要組成部分。鋰離子電池（LIBs）具有高能量密度和優異的循環穩定性，已廣泛用作各種電子和電動汽車的電源。然而，由于LIB需要高成本和資源，因此應該為儲能技術開發新的候選者。最近，作為鋰離子電池的替代品，鈉離子電池（SIBs）由于其低成本和鈉資源的廣泛可用性而作為有前途的下一代電池受到越來越多的關注。

在此，首次報道了嵌入中空介孔碳球（NSSNs@HMCS）中的NiS_1.23Se_0.77納米片的合成及其作為負極材料在SIB中的應用。NSSNs@HMCS的這種應用可以解決或緩解上述問題以滿足5C要求。基于理論計算，發現將較小比例的Se原子引入NiS₂晶體可以產生最佳的電子結構并提高負極材料的導電性。NiS_1.23 Se_0.77薄層在第一次放電過程后，納米片在HMCS的內表面轉化為優化的TMS/TMSe異質結構，這可以避免電解質消耗過多的副反應，從而為基于TMS/TMSe 的陽極提供超高的ICE。然后，發現優化的具有豐富相界的 TMS/TMSe異質結構在放電過程中形成了復合材料中Na⁺的高擴散通道，可以獲得高反應動力學并促進SIB的電荷傳輸。此外，Na₂S或Na₂的不可逆分解在循環過程中，異質結構也減輕了硒和多硫化物/聚硒化物溶解到電解質中的可能性。最后，中空介孔碳球可以適應體積膨脹，并防止循環過程中復合材料的粉化和聚集問題，從而進一步提高耐用穩定性和高 CE。實驗結果表明，SIBs中的NSSNs@HMCS電極表現出出色的ICE、CE、倍率性能、比容量和容量保持率。

當選院士以來發表的文章一共為89篇（截止2021-10-29）其中期刊影響因子為：

參考文獻：

1. Zhu M, Zhou J, Sun P, Peng LM, Zhang Z. Analyzing Gamma-Ray Irradiation Effects on Carbon Nanotube Top-Gated Field-Effect Transistors. ACS Appl Mater Interfaces. Oct 13 2021;13(40):47756-47763.

2. Lin Y, Liang S, Xu L, et al. Enhancement‐Mode Field‐Effect Transistors and High‐Speed Integrated Circuits Based on Aligned Carbon Nanotube Films. Advanced Functional Materials. 2021.

3. Ma X, Wan X, Fang Z, et al. Orientational seawater transportation through Cu(TCNQ) nanorod arrays for efficient solar desalination and salt production. Desalination. 2022;522.

4. Cui J, Liu Y, Deng Y, et al. Efficient light-emitting diodes based on oriented perovskite nanoplatelets. Science Advances.7(41):eabg8458.

5. Zhao X, Li Q, Xu L, et al. Interface Engineering in 1D ZnO‐Based Heterostructures for Photoelectrical Devices. Advanced Functional Materials. 2021.

6. Zhang X, Kang Z, Gao L, et al. Molecule‐Upgraded van der Waals Contacts for Schottky‐Barrier‐Free Electronics. Advanced Materials. 2021;33(45).

7. Zhang F, Sherrell PC, Luo W, et al. Organic/Inorganic Hybrid Fibers: Controllable Architectures for Electrochemical Energy Applications. Adv Sci (Weinh). Oct 11 2021:e2102859.

8. He SA, Cui Z, Liu Q, et al. Enhancing the Electrochemical Performance of Sodium-Ion Batteries by Building Optimized NiS2 /NiSe2 Heterostructures. Small. Nov 2021;17(45):e2104186.

本文由春國供稿。

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