頂刊速遞22丨《Science》最新研究集錦，看我們的用戶如何引領(lǐng)電鏡科技

近日，來自中國(guó)科學(xué)院金屬研究所的盧柯和李秀艷作為通訊作者在《Science》上發(fā)表了題為“Strengthening Ni alloys with nanoscale interfaces of negative excess energy"的研究論文。該研究揭示了納米尺度下負(fù)過剩能界面對(duì)鎳合金強(qiáng)化的作用，并展示了其在超高強(qiáng)度材料開發(fā)中的潛力。

研究背景表明，納米晶和納米孿晶金屬的強(qiáng)度受限于晶界或?qū)\晶界的不穩(wěn)定性，尤其是在尺寸縮小到約10納米以下時(shí)。這些界面在機(jī)械作用下容易失穩(wěn)，導(dǎo)致材料軟化。研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)和密度泛函理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，面心立方結(jié)構(gòu)（FCC）與六方密排結(jié)構(gòu)（HCP）之間的負(fù)過剩能界面比傳統(tǒng)的孿晶界更為穩(wěn)定。這些界面在過飽和的鎳-鉬（Ni-Mo）溶液中能夠以極高密度形成，平均間距可小至1納米，從而抑制了塑性變形，使合金的強(qiáng)度接近理論極限。

研究中采用脈沖電流電沉積法制備了含26.0±0.5原子百分比鉬的Ni-Mo合金箔，通過控制退火溫度，使其形成具有{111}織構(gòu)的納米晶。高分辨透射電子顯微鏡（TEM）觀察顯示，每個(gè)晶粒內(nèi)均勻分布著平行的孿晶和堆垛層錯(cuò)，晶界以低能配置為主，如低角度晶界或共格晶界。能譜（EDS）分析表明，鉬原子在鎳晶格中均勻分布，無明顯偏析現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著界面密度的增加，Ni-Mo合金的楊氏模量顯著提升，達(dá)到254.5 GPa，遠(yuǎn)高于相同成分的金屬玻璃和金屬間化合物（Ni3Mo）。這一發(fā)現(xiàn)為開發(fā)超高強(qiáng)度、穩(wěn)定的納米結(jié)構(gòu)金屬材料提供了新的思路。

圖：Ni(26%Mo)過飽和溶液樣品的微觀結(jié)構(gòu)

近期，來自北京科技大學(xué)的張先坤、張錚、張躍作為共同通訊作者《Science》期刊上發(fā)表了一篇題為“Atomic layer bonding contacts in two-dimensional semiconductors"的研究成果。

這項(xiàng)研究主要探討了二維半導(dǎo)體與金屬之間的接觸問題。傳統(tǒng)上，半導(dǎo)體工業(yè)中使用的是共價(jià)鍵合接觸，具有強(qiáng)帶耦合和高鍵合強(qiáng)度。然而，在二維半導(dǎo)體范德華接觸中，由于帶耦合弱和鍵合強(qiáng)度低，導(dǎo)致接觸電阻高，接觸穩(wěn)定性差。針對(duì)這一問題，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新的原子層鍵合（ALB）接觸方法。

通過在過渡金屬二硫化鉬單層和金之間建立金屬相干鍵合界面，ALB接觸展示出超低的接觸電阻和優(yōu)異的熱機(jī)械穩(wěn)定性，其性能可與工業(yè)中的共價(jià)鍵合接觸相媲美。研究表明，經(jīng)過高溫退火處理后，該接觸可實(shí)現(xiàn)70歐姆-微米的接觸電阻，熱機(jī)械穩(wěn)定性可達(dá)400攝氏度，并且最大導(dǎo)電電流可達(dá)到每微米1.1毫安，這些性能指標(biāo)均符合工業(yè)集成的要求。

該研究為高性能電子器件的開發(fā)及其工業(yè)集成提供了新的思路，尤其是在器件尺寸不斷縮小的背景下，具有重要的應(yīng)用前景和意義。

圖：ALB界面的HAADF-STEM圖像

近期，中科院半導(dǎo)體研究所的游經(jīng)碧作為通訊作者在《Science》上發(fā)表了一篇題為“Homogenized chlorine distribution for >27% power conversion efficiency in perovskite solar cells"的研究論文。文章介紹了一種創(chuàng)新方法，通過均勻分布氯元素，提高了鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，達(dá)到了27.2%的紀(jì)錄。

鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率近些年不斷提高，得益于薄膜結(jié)晶控制、載流子傳輸層優(yōu)化和界面鈍化技術(shù)的進(jìn)步。然而，氯元素在鈣鈦礦薄膜中的分布不均勻，成為限制其效率和穩(wěn)定性的重要因素。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，采用常用的添加劑氯化甲銨(MACl)時(shí)，氯元素在薄膜表面富集，導(dǎo)致垂直方向上成分不均勻，抑制了界面載流子提取，降低了電池性能。

為解決這一問題，團(tuán)隊(duì)引入了一種均勻垂直氯分布策略(HVCD)，在鈣鈦礦前體中添加草酸鹽類物質(zhì)如草酸鉀(PB)。在熱處理過程中，PB分解釋放鉀離子，有效結(jié)合氯離子，實(shí)現(xiàn)氯元素在薄膜中的均勻分布，減少了界面缺陷和能量障礙。最終，團(tuán)隊(duì)成功制備出高性能的倒置鈣鈦礦太陽能電池，通過認(rèn)證的穩(wěn)態(tài)光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了27.2%。

此外，該研究還展示了這類HVCD電池的優(yōu)越穩(wěn)定性。在1個(gè)太陽光照條件下，電池在最大功率點(diǎn)持續(xù)追蹤(MPPT)1529小時(shí)后，仍保持86.3%的初始效率；在85℃的條件下，未鈍化的HVCD電池在1000小時(shí)的光照老化后，仍保持82.8%的原始效率。

這項(xiàng)研究不僅在提高鈣鈦礦太陽能電池效率上取得了重要突破，同時(shí)也為其長(zhǎng)期穩(wěn)定性提供了新的解決方案，未來有望推動(dòng)鈣鈦礦太陽能電池在實(shí)際應(yīng)用中的發(fā)展。

圖 . 鈣鈦礦的表面形貌SEM圖像

University of California, Berkeley的Jeffrey Long作為通訊作者在《Science》上發(fā)表了《Multigas adsorption with single-site cooperativity in a metal–organic framework》的研究成果。該研究揭示了一種新型金屬有機(jī)框架（MOF），其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出卓越的氣體吸附性能。

MOFs通常涉及多個(gè)結(jié)合位點(diǎn)之間的長(zhǎng)程通信才能實(shí)現(xiàn)協(xié)同氣體吸附。然而，該團(tuán)隊(duì)展示了一種含有鈷(II)-甲基位點(diǎn)的MOF，能夠選擇性且可逆地捕獲每個(gè)位點(diǎn)兩個(gè)一氧化碳（CO）分子。這種結(jié)構(gòu)在常溫常壓下表現(xiàn)出創(chuàng)紀(jì)錄的吸附能力。通過氣體吸附、結(jié)構(gòu)分析、光譜分析和計(jì)算模擬，研究團(tuán)隊(duì)提出一種機(jī)制：首先，一個(gè)CO分子的結(jié)合觸發(fā)了自旋躍遷，隨后第二個(gè)CO分子的結(jié)合使得第一個(gè)CO分子遷移插入到鈷-甲基鍵中形成乙酰基。這種機(jī)制導(dǎo)致了協(xié)同效應(yīng)和相變材料的典型特征——sigmoidal吸附等溫線，盡管在框架內(nèi)沒有長(zhǎng)程相互作用。

這種協(xié)同效應(yīng)定義為一個(gè)事件的發(fā)生改變其他事件的自由能，在少數(shù)MOFs中觀察到了這種現(xiàn)象。這種協(xié)同氣體吸附現(xiàn)象可以帶來卓越的選擇性和高分離能力。例如，在聚胺附加框架中觀察到的二氧化碳（CO?）協(xié)同吸附，在材料的閾值壓力下，CO?插入金屬-胺鍵，觸發(fā)其他CO?結(jié)合事件，形成沿一維通道的氨基甲酸銨鏈。這種機(jī)制對(duì)CO?特有，因此即使在存在其他氣體如N?、O?和水的情況下，這些材料仍表現(xiàn)出高CO?吸附能力。

發(fā)現(xiàn)新的氣體結(jié)合機(jī)制對(duì)化學(xué)分離領(lǐng)域的進(jìn)步具有重要推動(dòng)作用，提供高工作容量且僅需最小壓力和溫度變化。然而，表現(xiàn)出協(xié)同氣體結(jié)合的材料仍然稀少，目前發(fā)現(xiàn)的協(xié)同吸附例子都涉及相鄰結(jié)合位點(diǎn)之間的通信和至少一個(gè)維度的長(zhǎng)程重組。

此外，在MOFs中，單個(gè)金屬位點(diǎn)結(jié)合多個(gè)氣體分子也是一種罕見現(xiàn)象。迄今為止，MOFs中的金屬位點(diǎn)通常最多只能容納一個(gè)客體分子，這固有地限制了吸附能力。在研究的數(shù)千種MOF結(jié)構(gòu)中，僅有三個(gè)例外沒有長(zhǎng)程結(jié)構(gòu)重組：Mn?(dsbdc)、UTSA-74以及PCN-224-Co(II)。其中，PCN-224-Co(II)在極低溫度下非協(xié)同地結(jié)合兩個(gè)CO分子，而Mn?(dsbdc)和UTSA-74中的非協(xié)同結(jié)合僅限于具有合適開放配位環(huán)境的一部分金屬位點(diǎn)。

圖： CoMe-MFU-4l的HAADF和EDS表征

近日，劍橋大學(xué)（Cambridge University）的Richard H. Friend,  Samuel D. Stranks作為通訊作者在《Science》上發(fā)表了一篇題為“Layer-by-layer epitaxial growth of perovskite heterostructures with tunable band offsets"的研究論文。該研究展示了通過氣相逐層異質(zhì)外延生長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)構(gòu)的精確層厚控制和可調(diào)帶隙的新突破。

鈣鈦礦材料以其優(yōu)異的光電性能而著稱，但在異質(zhì)結(jié)中精確控制層厚和帶隙一直是個(gè)難題。這種控制對(duì)于多層量子阱（MQWs）等模塊化多層架構(gòu)至關(guān)重要。研究團(tuán)隊(duì)通過氣相逐層異質(zhì)外延生長(zhǎng)，以CsPbBr₃在單晶PEA₂PbBr₄的沉積為例，展示了這種方法的潛力。該方法實(shí)現(xiàn)了埃級(jí)厚度控制和次埃級(jí)光滑層，成功地從單層到雙層再到體相的CsPbBr3量子限制發(fā)光。

研究表明，界面結(jié)構(gòu)可以通過Cs-PEA端接界面（Ⅱ型異質(zhì)結(jié)）和PEA-PEA端接界面（Ⅰ型異質(zhì)結(jié)）來控制電子結(jié)構(gòu)，帶隙偏移超過0.5電子伏特。Ⅱ型Cs-PEA異質(zhì)結(jié)中的CsPbBr₃向PEA₂PbBr₄的電子轉(zhuǎn)移導(dǎo)致了超過10微秒的電子-空穴復(fù)合延遲。這種精確的量子限制控制和大幅度的帶隙可調(diào)性為鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)作為可擴(kuò)展的超晶格基礎(chǔ)光電應(yīng)用平臺(tái)開辟了新的可能。

該研究成功展示了氣相逐層異質(zhì)外延生長(zhǎng)在鈣鈦礦材料中的應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)精確的納米尺度帶隙工程和電子活性層的多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)備提供了新的路徑，具有廣泛的潛在應(yīng)用價(jià)值。

圖： CsPbBr₃-PEA₂PbBr₄原子尺度表征