材料前沿最新综述精选(2018年3月第2周)


1、Advanced Functional Materials 综述:有机场效应晶体管中的电双斜率非理想性

场效应晶体管(FET)可以说是现代电子中最重要的电路元件之一。最近,在各种新兴应用中已经开发出对于柔性电子产品的需求,包括贴身健康监护设备、柔性显示器和灵活的射频识别标签。有机FET(OFET)是生产这种柔性器件的可行候选者,因为它们包含半导体π共轭材料,小分子和共轭聚合物,其本质上柔软并且与柔性衬底机械相容。然而,对于OFET在工业上的可行性,它们不仅必须实现高电荷载流子迁移率,而且还要实现理想和可理解的电特性。近日,加州大学圣芭芭拉分校的Thuc-Quyen Nguyen、Guillermo C. Bazan(共同通讯)等人OFET传输曲线中的非理想双斜率特性(即在低栅极电压下的高斜率和在高栅极电压下的低斜率)引起的争论,总结了不同的机理。本综述重点介绍一般观察结果,机理理解以及与导致具有双斜率特性的FET现象相关的可能解决方案。通过调查和系统总结单一来源的有关双斜率问题的相关文献,提供了解释和避免OFETs中电子非理想性的实验框架和理论基础。

图1 超级电容器模型

文章链接Electrical Double-Slope Nonideality in Organic Field-Effect Transistors (Adv. Funct. Mater.,2018, DOI:10.1002/adfm.201707221)

2、Angewandte Chemie International Edition 综述:胶体量子纳米结构:显示应用的新兴材料

胶体半导体纳米晶体(SCNCs)或更广泛地说胶体量子纳米结构构成了用于研究尺寸和尺寸效应的优秀模型系统。 它们的纳米级尺寸导致量子限域效应,从而调整其光学和电子性质。 因此,通过控制其表面化学性质,发光颜色控制具有的窄的光致发光光谱,宽的吸收光谱和出色的光稳定性,再加上其化学加工性,导致SCNCs成为当前和下一代显示器的优秀材料。 近日,希伯来大学的Uri Banin(通讯作者)等人介绍了SCNCs的基本化学和物理特性,随后描述了不同胶体量子纳米结构在显示应用中的优势,解决了光学活动面临的挑战, 描述了使用SCNC的光致发光和电致发光显示器场景。

图2 胶体量子纳米结构模型

文章链接Colloidal Quantum Nanostructures: Emerging Materials for Display Applications (Angew. Chem. Int. Ed.,2018, DOI:10.1002/anie.201708510)

3、Advanced  Materials 综述:用于癌症精密医学的纳米材料

最近医学科学已经进展到诊断和治疗可以以高精度进行,甚至在分子水平上。因此,出现了一个新的“精密医学”领域,具有特定的临床意义和挑战,可以通过新开发的纳米材料得到很好的解决。近日,上海交通大学的Zhang Zhiyuan、同济大学医学院的时东陆(共同通讯)等人提供了一种纳米科学的精准医学方法,重点放在癌症治疗上,基于“分子定义的癌症”的新概念。引入了“下一代测序”来鉴定癌基因,该癌基因与一类癌症有关。这种新方法与所有依赖于发现肿瘤的解剖起源诊断的所有传统癌症疗法都有根本的不同。为了在分子水平上治疗癌症,利用纳米载体并应用最近开发的“微RNA替代疗法”,以调节驱动癌癌基因,这是癌症精确治疗的核心。此外,纳米调控的致癌调节的结果必须通过基因特征,患者衍生的异种移植模型进行准确评估。以这种方式进行癌症治疗是精准医学的典型例子,它在材料结构设计、表面功能化,基因/药物储存和输送,细胞靶向和医学成像方面面临着新问题,给材料界带来了诸多挑战。

图3 癌症治疗设计过程

文章链接Nanomaterials for Cancer Precision Medicine(Adv.Mater., 2018,  DOI:10.1002/adma.201705660)

4、Nature Reviews Materials 综述:用于非易失性记忆体的碳纳米材料

碳可以产生具有显著的电子,光学,机械和热性能的各种低维纳米结构。这些特性使碳纳米材料特别适用于下一代存储器和存储设备,如电阻式随机存取存储器,相变存储器,自旋转移力矩磁随机存取存储器和铁电随机存取存储器。非易失性存储器在比特密度和能量效率方面极大地受益于碳纳米材料的使用。近日,德克萨斯大学圣安东尼奥分校的Ethan C. Ahn(通讯作者)等人讨论了sp2杂化碳基低维纳米结构,如富勒烯、碳纳米管和石墨烯在非易失性记忆体中的应用。在非易失性存储器件和结构的背景下,碳纳米材料可以作为存储电极,界面工程层,电阻切换介质和可扩展的高性能存储器选择器进行应用。最后,本文比较了不同的存储技术在写入能量和时间方面的差异,突出了物理机制和材料属性的制造,集成和理解方面的主要挑战。

图4 石墨烯作为界面工程层

文章链接Carbon nanomaterials for non-volatile memories (Nat. Rev. Mater., 2018,  DOI:10.1038/natrevmats.2018.9)

5、Chemical Society Reviews 综述:二维过渡金属二硫族化合物:界面和缺陷工程

二维(2D)过渡金属二硫族化合物(TMDCs)已被认为是下一代纳米电子学的有希望的候选者。由于其原子级薄的结构和高表面积与体积比,基于TMDC的器件所涉及的接口在确定器件性能方面发挥着主导作用,例如在金属/ TMDC接口处的电荷注入/采集以及在介质/ TMDC接口的应用。另一方面,TMDCs的晶体结构富集了各种内在缺陷,包括空位,吸附原子,晶界和替代杂质。接口和缺陷的定制设计和工程设计为调节TMDCs的性能提供了一种有效的方法,最终提高了器件的性能。近日,新加坡国立大学陈伟东南大学倪振华(共同通讯)等人总结并重点介绍了TMDCs的界面和缺陷工程及其在电子和光电子器件中应用的最新进展和最新技术。概述了TMDCs的各种界面工程方法,包括表面电荷转移掺杂,TMDC /金属接触工程以及TMDC /介电界面工程。随后,文章介绍了TMDC中不同类型的结构缺陷,总结了用于调制TMDCs的光学和电子特性的缺陷工程策略以及开发高性能和功能器件的研究进展。最后,作者重点介绍了用于电子和光电子材料的TMDC材料界面和缺陷工程所面临的挑战和机遇。

图5 TMDCs微观结构

文章链接: Two-dimensional transition metal dichalcogenides: interface and defect engineering (Chem.Soc.Rev. , 2018,  DOI: 10.1039/C8CS00024G)

6、Chemical Society Reviews 综述:水凝胶机械和扩散行为的实验表征和数学建模

由于水凝胶的生物相容性及其机械和运输特性,所以水凝胶被广泛用于多个领域,特别是在生物医学,制药和营养保健领域。已知有几种方法可以评估它们的性质,但以数学方式描述它们的行为,就材料如何回应机械刺激以及如何掺入活性物质被释放而言只有几种方法正在开发中。近日,萨勒诺大学G. Lamberti(通讯作者)等人总结了水凝胶的主要性质,并研究了结构 - 性质关系(即大分子结构如何影响由水凝胶制成的宏观样品的性质)。基于三个特征时间的比较提出了选择标准:弛豫时间、扩散时间和处理时间。然后,结合最先进的数学模型,联系水凝胶的力学和运输特性,特别关注粘弹性和多孔弹性行为,文章总结了研究水凝胶特性的最常用实验方法。

图6 水凝胶机械和运输特性

文章链接: Hydrogels: experimental characterization and mathematical modelling of their mechanical and diffusive behaviour (Chem.Soc.Rev. , 2018,  DOI: 10.1039/C7CS00638A)

7、Chemical Society Reviews 综述:金属有机框架材料在作为捕获有毒和放射性金属离子优质吸附剂中的应用

由于其对人类健康和环境的有害影响,高效去除金属离子污染物,例如有毒和核废料相关的金属离子,从生物学和环境角度来看,都是一项重要的任务。最近,高度多孔的金属有机框架(MOFs)因为具有优异的化学稳定性和丰富的官能团,因此为捕获各种有害金属离子污染物提供了新的补充。近日,华北电力大学王祥科,波鸿鲁尔大学Zhao Guixia,中国科学院等离子体物理研究所陈长伦(共同通讯)等人重点介绍了MOFs和MOF基复合材料作为高效去除有毒和核废物相关金属离子优良吸附剂的最新进展。系统地总结了与金属离子和MOF基材料相互作用机理有关的方面,包括宏观批量实验、微观光谱分析和理论计算。文章评估了各种MOF基材料的吸附性能并与其他广泛使用的吸附剂进行了比较。最后,作者对未来的研究机遇和挑战提出其个人见解,希望能够激励更多的研究人员参与这一以MOF为基础的材料在新环境污染管理领域的应用。

图7 MOF的形成及增强MOF吸附性能的方法

文章链接: Metal–organic framework-based materials: superior adsorbents for the capture of toxic and radioactive metal ions (Chem.Soc.Rev. , 2018,  DOI: 10.1039/C7CS00543A)

8、Chemical  Reviews 综述:金属有机框架成核和生长的原位、时间分辨和机理研究

金属 - 有机框架(MOFs)的化学和结构多样性为特定的催化或分离应用量身打造了令人兴奋的“晶体工程”MOFs。然而,人们发现,优化和MOF合成放大的过程仍然极具挑战性,这给综合实现许多有前途的MOF结构带来了重大障碍。对MOF成核和生长的基本过程以及反应参数与合成结果之间的关系的重要新见解已通过对MOF结晶的强大原位、时间分辨和/或机理研究得出。近日,威斯康星大学麦迪逊分校J.R. Schmidt(通讯作者)等人提供了这些和其他相关的“直接”MOF成核和生长的“直接”研究结果的总结和相关的批判性分析,特别强调了仪器技术的最新进展,这些研究和主要假设,理论以及用于解释MOF形成的模型。并且概括了文章中总结的文献中获得的主要见解,并总结了其对潜在富有成效的调查新方向的看法。

图8 MOF研究领域

文章链接:  In Situ, Time-Resolved, and Mechanistic Studies of Metal–Organic Framework Nucleation and Growth (Chem.Rev. , 2018,  DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00582)

9、Accounts of Chemical Research 综述:具有超低贵金属负载的核壳型纳米粒子催化剂合理设计的原理和方法

商业和新兴的可再生能源技术以贵金属催化剂为基础,可将反应物转化为有用的产品。然而,贵金属(NMs)是岩石圈中最不丰富的元素,使得它们对于未来的全球规模技术而言过于稀缺且昂贵。因此,密集的研究工作应致力于消除或基本上减少NM在各种催化应用中的加载量。这些努力已经导致超出传统支持的球形纳米粒子的大量非均相NM催化剂形态。在许多这些新型结构中,如成形、高折射率和双金属颗粒,少于20%的负载NM可用于执行催化转换。大多数NM原子是次表面的,仅通过几何和配位效应与活性表面NM原子一起提供次要催化作用。少数架构可以达到100%的NM利用率,但是严重的缺点限制了一般的适用性。通过核壳纳米粒子(CS NPS)作为设计高活性,稳定和低成本材料的高载量纳米材料,可用于热电催化和电催化。许多新兴NM架构的独特优势可以保留下来,而它们的基本局限性可以通过核 - 壳形态重构来克服。然而,CS NPs的商业实现仍然具有挑战性,需要在理论和制造方面取得协同进展。近日,麻省理工学院Sean T. HuntYuriy Román-Leshkov(共同通讯)讨论了开发新的热、淬火和剥离(HQE)密度泛函理论(DFT)技术来模拟异质金属界面,同时开发了一种合成方法,该方法可实现可调CS NP配置的高温自组装。

图9 NM原子结构

文章链接: Principles and Methods for the Rational Design of Core–Shell Nanoparticle Catalysts with Ultralow Noble Metal Loadings (Acc. Chem. Res. , 2018,  DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00510)

10、Accounts of Chemical Research 综述:石墨烯生长的原子级模拟:从动力学到机理

外延生长是生产高质量石墨烯样品的有前途的策略。同时,这种方法对于工业放大具有很大的灵活性。为了优化增长协议,了解潜在的增长机制至关重要。通过用第一性原理参数进行动力学Monte Carlo(kMC)模拟,可以直接模拟石墨烯生长过程,从而了解生长机制。近日,中国科技大学李震宇(通讯作者)等人的模拟表明,碳二聚体是Cu(111)和Cu(100)表面上石墨烯的外延生长中的主要进料物质,这使人们能够理解为什么反应扩散限制在Cu(111)上,但附着有限发生在Cu(100)上。当模拟明确考虑氢气时,氢气在石墨烯生长中的中心作用就被揭示出来了,这解决了为什么氢气应该被送入石墨烯的化学气相沉积中的长期困扰。这些研究表明,原子模拟可以明确地产生或再现关于石墨烯生长的动力学信息,这对于理解增长机制和设计更好的生长方案是关键的。类似的策略可以用于其他二维原子晶体的生长机制研究。

图10 石墨烯生长速率模拟图

文章链接: Atomistic Simulations of Graphene Growth: From Kinetics to Mechanism (Acc. Chem. Res. , 2018,  DOI:10.1021/acs.accounts.7b00592 )

本文由材料人编辑部高分子学术组水手供稿,材料牛编辑整理。

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