《自然》《科学》一周（6.25-7.1）材料科学前沿要闻

1. 用于倒置平面异质结钙钛矿太阳能电池的光电压增强

（Enhanced photovoltage for inverted planar heterojunction perovskite solar cells）

材料名称：钙钛矿太阳能电池

研究团队：北京大学朱瑞研究组

具有倒置平面异质结结构的钙钛矿太阳能电池（PSC）的最高电源转换效率（PCE）一直低于具有规则结构的 PSC，这主要是因为开路电压（Voc）较低。Luo 等人报导了一种基于简单溶液处理的二次生长技术来减少倒置器件的非辐射复合的策略。这种方法可以使钙钛矿薄膜顶层表面区域带宽更宽，薄膜更倾向于 n 型，从而减少非辐射复合，使 Voc 增加高达 100 毫伏。最终相对于 1.62 电子伏带隙下 0.41 伏的电压不足，在不牺牲光电流的情况下实现了高达 1.21 伏特的 Voc。这一改善使得最大功率点的输出功率稳定在了接近 21％。（Science DOI: 10.1126/science.aap9282）

2. 利用超快电子衍射实现对从非均匀到均匀熔融转变的可视化

（Heterogeneous to homogeneous melting transition visualized with ultrafast electron diffraction）

材料名称：金

研究团队：美国 SLAC 国家加速器实验室 S. H. Glenzer 研究组

物质的超快激光激发导致了具有复杂固液相变动力学的非平衡态。Mo 等人利用兆电子伏特能量的电子衍射对原子尺度长度上金的超快速熔化进行了观测。对于接近不可逆熔融状态的能量密度，首先在 100 到 1000 皮秒的时间尺度上观察到了非均匀熔化，然后在较高能量密度下在 10 到 20 皮秒内过渡到灾难性地均匀熔化。并展示了固体和液体多相共存的证据。确定了离子和电子温度的演变并发现了过热条件。这一研究结果限制了电子-离子耦合率，确定了德拜温度，并揭示了用于成核的“种子”的熔解敏感性。（Science DOI: 10.1126/science.aar2058）

3. 一种超越 Suzuki 偶联均相体系的非均相单原子钯催化剂

（A heterogeneous single-atom palladium catalyst surpassing homogeneous systems for Suzuki coupling）

材料名称：Pd 单原子催化剂

研究团队：瑞士苏黎世联邦理工学院 Javier Pérez-Ramírez 研究组

钯催化的交叉偶联反应是精细化学合成的核心技术，但目前主要采用的是可溶性金属络合物，尽管这些催化剂在产品纯化和可重复使用性方面存在巨大的挑战。很多研究试图将这些均相催化剂固定在不溶性载体上，但材料的稳定性往往不理想，金属会在反应过程中的流失或团聚从而导致性能逐渐恶化。而负载型 Pd 纳米颗粒则常受限于避免底物或产物热降解所需的温和反应条件下较低的催化活性。单原子多相催化剂则走在了前沿。Chen 等人表明，固定在剥离石墨碳氮化物上的 Pd 原子（Pd-ECN）兼具了两方优点，因为其包含一种固体催化剂，该固体催化剂与用于 Suzuki 偶联的现有技术均相催化剂的高化学选择性和宽官能团容限匹配，并且还表现出稳定的流动性。 剥离石墨碳氮化物杂环化合物内的适应性协调环境促进了每个催化步骤。这些发现说明了固体宿主中纳米结构单原子催化过程难以异质化的令人兴奋的机会。（Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-018-0167-2）

4. 晶体 Tl3VSe4 超低热导率的双通道模型

（Two-channel model for ultralow thermal conductivity of crystalline Tl3VSe4）

材料名称：Tl3VSe4

研究团队：美国橡树岭国家实验室 Lucas Lindsay 研究组

具有超低热导率的固体作为用于绝缘或用于能量转换的热电材料的热障涂层是非常有意义的。然而，晶格热导率（κ）的理论极限尚不清楚。在典型晶体中声子图景是有效的手段，但最低的 κ 值出现在高度无序的材料中，在其中声子图景便失效并且推测热量由不相关谐振子中的随机游走携带。Mukhopadhyay 等人确定了一个简单的晶体Tl3VSe4，尽管拉曼光谱、比热和温度对 κ 的依赖性揭示出了典型的声子特性，但在 300 K 时，计算出的声子 κ[0.16 瓦特/米-开尔文（W/m-K）]是测量的 κ（0.30 W/m-K）的一半，接近无序 κ 值。通过添加基于不相关谐振子的传输分量解释了测量的 κ 值，并且表明对于具有超低 κ 的晶体来说，双通道模型是必需的。（Science DOI: 10.1126/science.aar8072）

5. 嵌入型铁电体中的长程对称破缺

（Long-range symmetry breaking in embedded ferroelectrics）

材料名称：BaTiO3

研究团队：丹麦科技大学 Hugh Simons 研究组

铁电材料的特征功能源于它们的晶体结构的对称性。因此，铁电体有助于设计通过引入外在应变来操纵这种结构对称性的方法。Simons 等人利用原位暗场 X 射线显微镜在 BaTiO3 深处嵌入的畴壁和晶界周围映射晶格畸变，发现对称破缺应变场从畴壁延伸了多达几微米。由于这超过了平均畴宽，因此材料的任何部分都不会弹性松弛，并且对称性被普遍破坏。这种外在应变在确定嵌入畴壁的局部性质和自组织方面起着关键作用，并且必须通过新出现的材料设计计算方法来解释。（Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0116-3）

6. 调整富镍层状阴极晶界结构和的化学特性从而提高锂离子电池的循环稳定性

（Tailoring grain boundary structures and chemistry of Ni-rich layered cathodes for enhanced cycle stability of lithium-ion batteries）

材料名称：层状富镍阴极

研究团队：美国太平洋西北国家实验室张继光研究组

层状结构的富镍锂过渡金属氧化物阴极想要用于商业化电池应用，所面临的关键挑战是它们的容量和电压衰减，这源于阴极颗粒的分解和晶格相变。阴极颗粒表面改性的常规方法可以部分缓解与表面过程相关的降解，但仍然无法解决这个关键障碍。Yan 等人报导了将阴极二次颗粒的晶界注入固体电解质可以显著提高阴极的容量保持率和电压稳定性。并发现，注入在晶界的固体电解质不仅充当锂离子传输的快速通道，而且更重要的是防止液体电解质渗透到边界中，并因此消除了有害因素，包括阴极-液体电解质界面反应，粒间裂化和层状-尖晶石相转变。这种晶界调控方法为先进电池阴极提供了设计思路。（Nature Energy DOI: 10.1038/s41560-018-0191-3）

7. 在石墨烯-黑磷异质结构上调整样品范围的赝磁场

（Tailoring sample-wide pseudo-magnetic fields on a graphene–black phosphorus heterostructure）

材料名称：石墨烯-黑磷异质结构

研究团队：新加坡国立大学 Jiong Lu 和 Kian Ping Loh 研究组

空间调整了的赝磁场（PMF）能够产生赝朗道能级和谷霍尔效应。但在实验水平上，想要创建可在大面积上产生 PMF 的特定应变结构是非常具有挑战性的。Liu 等人报导了在多层黑磷上叠加石墨烯会产生剪切应变超晶格，其能够在边缘尺寸为几十微米的整个石墨烯-黑磷异质结构上产生 PMF。PMF 与莫尔条纹的空间周期交织在一起，其空间分布和强度可以通过改变两种材料的相对取向来改变。Liu 等人表明，新型的赝朗道能级能够影响具有霍尔棒几何的石墨烯-黑磷场效应晶体管器件的传输特性。通过施加外部磁场，使得能够根据谷极化增强或减小有效场，并有望开发出谷过滤器。（Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-018-0178-z）

8. 弛豫铁电体中局部有序与材料性质的关系

（The relation of local order to material properties in relaxor ferroelectrics）

材料名称：PbMg1/3Nb2/3O3-xPbTiO3

研究团队：美国阿贡国家实验室 D. Phelan 研究组

将机电和介电特性与纳米尺寸有序相关联是发展压电氧化物的决定性挑战。目前基于铅（Pb）的弛豫铁电体可以作为解释这些相关性的模型系统，但是局部有序性的性质及其与材料性质的关系仍然存在争议。Krogstad 等人利用最新发展的漫散射仪器研究了跨越 PbMg1/3Nb2/3O3-xPbTiO3（PMN-xPT）相图的晶体并确定了四种局部有序形式。Krogstad 等人由组分相关性，解析了观察到的介电和机电特性的每种形式的耦合。并表明弛豫现象不仅仅与铁性漫散射相关；相反，它是由局域反铁电关联之间的竞争引起的，其中的相互关系则是由化学短程有序和局域铁性有序引起。在压电性最大并且表现出先前未被识别的由阴离子位移引起的调制的情况下，铁性漫散射最强。这一观测为评估位移模型以及环境友好的下一代材料的压电性能提供了新的指导。（Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0112-7）