2019 Nature/Science十大高引材料类论文，回顾年度研究热点

国际顶尖学术期刊Nature和Science呈现给读者最具影响力的科研成果，引领着当今最前沿的科研方向。本文盘点了2019年在Nature/Science上发表的被引频次最多的10篇材料类文章，以供广大科研工作者参阅。其中钙钛矿太阳能电池、超导材料、范德瓦尔斯异质结构、拓扑材料研究方向成为2019年高引材料类论文中的王牌。

1、Nature：P3HT助力高效、稳定的钙钛矿太阳能电池

聚(3-己基噻吩)(P3HT)是一种替代的空穴运输材料，具有优异的光电性能、低成本和易于制造，但迄今为止，使用P3HT的钙钛矿太阳能电池的效率仅达到16%左右。韩国化学技术研究所Jun Hong Noh、Jangwon Seo教授团队提出了一种高效钙钛矿太阳能电池的设备架构，使用P3HT作为空穴传输材料，没有任何掺杂。在窄带隙吸光层的顶部，正己基三甲基溴化铵在钙钛矿表面发生原位反应，形成一薄层宽带隙卤化钙钛矿。设备经认证的功率转换效率为22.7%；在85%的相对湿度下表现出良好的稳定性封装后，在室温条件下，标准太阳光照射下，可长期稳定工作1370h，保持了95%的初始效率。将平台扩展到大面积模块(24.97cm²)，并且实现了16.0%的功率转换效率。利用宽禁带卤化物实现P3HT作为空穴传输材料的潜力，是钙钛矿太阳能电池研究的一个有价值的方向。相关研究以“Efficient, stable and scalable perovskite solar cells using poly(3-hexylthiophene)”为题目，发表在Nature上。

文献链接：

DOI: 10.1038/s41586-019-1036-3

图1 基于PSHT的双层卤化物结构

2、Science: Eu³⁺/Eu²⁺离子对赋予钙钛矿太阳能电池超强耐久性

金属卤化物钙钛矿吸收器中的软质组分在器件制造和运行过程中，经常产生铅(Pb)⁰和碘(I)⁰缺陷。这些缺陷不仅是导致器件效率下降的复合中心，而且是影响器件寿命的降解引发剂。北京大学周欢萍、孙聆东和严纯华院士课题组证明了铕离子对：Eu³⁺-Eu²⁺作为“氧化还原梭”，选择性地氧化Pb⁰，同时在循环过渡中减少I⁰缺陷。该装置实现了21.52%的功率转换效率(PCE)，大大提高了长期耐久性。设备在1日连续光照或85°C，1500h，分别保留了92%和89%的峰值PCE，在最大功率点跟踪500h后，分别保留了91%的原始稳定PCE。相关研究以“A Eu³⁺-Eu²⁺ ion redox shuttle imparts operational durability to Pb-I perovskite solar cells”为题目，发表在Science上。

文献链接：

DOI: 10.1126/science.aau5701

图2 铕离子对促进Pb⁰和I⁰到Pb²⁺和I^-

3、Science: 一种压电性强于锆钛酸铅的分子钙钛矿固溶体

压电材料在应变时产生电流，使它们成为各种传感应用的理想材料。最有效的压电材料是陶瓷固体溶液，其中压电效应在所谓的变形相边界(MPBs)处得到优化。由于陶瓷的一些机械性能，它并不适合各种应用。南昌大学&东南大学熊仁根教授团队从分子钙钛矿(TMFM)_x(TMCM)_1-xCdCl₃固溶体（TMFM，三甲基氟甲基铵； TMCM，三甲基氯甲基铵，0≤x≤1）合成了压电材料，其中MPB存在于单斜晶相和六方相之间。研究者们发现与高性能压电陶瓷相比，其压电系数d₃₃为~1540（picocoulombs per newton）皮古尔顿/牛顿。该材料在可穿戴压电装置中具有潜在的应用。相关研究以“A molecular perovskite solid solution with piezoelectricity stronger than lead zirconate titanate”为题目，发表在Science上。

文献链接：

DOI: 10.1126/science.aav3057

图3 (TMFM)_x(TMCM)_1-xCdCl₃固溶体（0≤x≤1）的压电和铁电性能

4、Nature: “超氢化镧”化合物的具有高温超导特性

超导体由于其独特的物理性能，如完全抗磁性，零电阻特性，通量量子化特性等，而被视作一种重要的革命性材料。但由于超导材料结构的极端复杂性以及超导特性必须在低温下才能显现，所以其研发进度相对较慢。德国马普化学研究所M. I. Eremets教授等人报道了一种具有方钠石状结构的“超氢化镧”化合物的具有高温超导特性（CaH₆ (Tc=245 K)），首先他们La+H₂的混合物在150-180GPa加压后制得一系列LaHx化合物，接着通过X射线衍射观察了样品的特征，并对样品所含fcc相进行了统计。研究分别对不同的样品测定了其R-T曲线，从而得到了超导转变温度。实验结果发现，对LaH₃施加170 GPa的压力后，便可以在零下23℃表现出超导特性，再次突破高温超导记录，这是目前为止发现的最接近室温的超导材料，具有里程碑意义。相关研究以“Superconductivity at 250 K in lanthanum hydride under high pressures”为题目，发表在Nature上。

文献链接：

DOI: 10.1038/s41586-019-1201-8

图4 La+H₂的混合物样品的表征及超导性

5、Science：调整扭曲双层石墨烯的超导性

扁平电子带材料由于具有很强的相关性，常常表现出奇异的量子现象。在双层石墨烯中，只要简单地旋转1.1°，就可以形成一个孤立的低能平带，从而产生门极可调的超导和相关的绝缘相。在这项研究中，哥伦比亚大学的Cory R. Dean和加州大学圣巴巴拉分校的Andrea F. Young等人证明，除了扭转角，层间耦合可以改变，以精确调整这些相位。通过改变层间间距与静水压力的关系，在大于1.1°的扭转角下诱导超导性，否则相关相位将不存在。低无序装置揭示了超导相图的细节以及它与附近绝缘体的关系。研究结果表明，扭曲双层石墨烯是探索相关状态的一个独特的可调平台。相关研究以“Tuning superconductivity in twisted bilayer graphene”为题目发表在Science上。

文献链接：

DOI: 10.1126/science.aav1910

图5 扭曲角为1.14°时器件的超导性

6、Nature: 范德瓦尔斯异质结构中存在莫尔激子的证据

近年来，范德瓦尔斯材料单分子层的分离和叠加研究取得了一些进展，为最终的二维极限量子材料的制备提供了方法。在叠加两个单层半导体形成的范德华异质结构中，晶格失配或旋转失配引入了平面内的莫尔超晶格。人们普遍认为，云纹超晶格可以调节材料的电子能带结构，并在相互关系的驱动下产生非常规的超导性和绝缘性能。然而，关于莫尔超晶格对光学性能的影响，还没有进行过实验研究。在此，德克萨斯大学奥斯汀分校Li Xiaoqing教授联合阿贡国家实验室Wu Fengchen教授等人报告了在具有小扭转角的二烯化钼/二烯化钨(MoSe₂/WSe₂)异胆层中，正或负圆极化发射的多层激子共振现象。我们把这些共振归因于限制在莫尔势中的激子基态和激发态。这种解释得到了复合动力学和层间激子共振与扭转角和温度的依赖关系的支持。这些结果表明，利用范德华异质结构设计人工激子晶体用于纳米光子学和量子信息应用是可行的。相关研究以“Evidence for moiré excitons in van der Waals heterostructures”为题目，发表在Nature上。

文献链接：

DOI: 10.1038/s41586-019-0975-z

图6 1°扭转角MoSe₂/WSe₂异动层的光致发光

另外还有两篇关于范德瓦尔斯异质结构的研究：

7、Nature: WSe₂/WS₂异质结构超晶格中的莫尔激子

加州大学伯克利分校王枫团队报告了在二硒化钨/二硫化钨（WSe₂ / WS₂）异质结构中的莫尔超晶格激子态的观察，其中层紧密排列。莫尔激子带提供了一个有吸引力的平台，可以从中探索和控制物质的激发态，例如在过渡金属二硫化物中，拓扑激子和相关的激子哈伯德模型。相关研究以“Observation of moiré excitons in WSe₂/WS₂ heterostructure superlattices” 为题目，发表在Nature上。

文献链接：

DOI: 10.1038/s41586-019-0976-y

图7 WSe₂/WS₂异质结构中的莫尔超晶格

8、Nature: MoSe₂/WSe₂异质层中捕获莫尔势的层间谷激子

华盛顿大学Xu Xiaodong联合香港大学Wang Yao教授等人报告了在二硒化钼（MoSe₂）/二硒化钨（WSe₂）异质层中捕获莫尔势的层间谷激子的实验证据。这些结果表明观察到的效应的起源是层间激子被捕获在光滑的莫尔势中，具有继承的谷对比物理学。这项工作提供了通过改变扭转角来控制二维莫尔光学的机会。

相关研究以“Signatures of moiré-trapped valley excitons in MoSe₂/WSe₂ heterobilayers”为题目，发表在Nature上。

文献链接：

DOI:10.1038/s41586-019-0957-1

图8 莫尔超晶格势与捕获层间激子的观察

9、Nature: 拓扑电子材料名录 

硒化铋、砷化钽、铋化钠等拓扑电子材料在块体中表现出非常规的线性响应，在其边界处的异常无高斯状态。它们具有基础和应用价值，具有应用于高性能电子和量子计算的潜力。但迄今为止，它们的探测一直受到计算拓扑不变特性的阻碍，这既需要材料方面的经验，也需要先进理论工具方面的专业知识。中国科学院物理研究所的翁红明研究员以及方辰研究员团队介绍了一种有效的、高效的、全自动的非磁性材料中非平凡能带拓扑诊断算法。算法是基于最近开发的已占据带的对称表示与拓扑不变量之间的穷举映射。在晶体数据库中浏览了39,519种可用的材料，发现其中有8,056种在拓扑结构上是拓扑非平凡的。另外，所有结果都可以在具有交互式用户界面的数据库中搜索到。相关研究以“Catalogue of topological electronic materials”为题目，发表在Nature上。

文献链接：

DOI: 10.1038/s41586-019-0944-6

图9 自动诊断算法流程图

10、Nature: 利用对称性指标全面搜索拓扑材料

拓扑材料在块体材料中电子带的拓扑结构导致了鲁棒的、非常规的表面状态和电磁学已经引起了广泛的关注，虽然一些理论上提出的拓扑材料已经得到了实验的证实，但由于缺乏拓扑材料来减少费米表面态的干扰，对拓扑特性的广泛实验探索以及在实际器件中的应用一直受到限制。南京大学万贤纲教授团队将对称性指标的方法应用于所有230个可能空间组中的所有合适的非磁性化合物。数据库搜索显示成千上万种候选拓扑材料，其中突出显示了241个拓扑绝缘体和142个拓扑晶体绝缘体。它们要么具有明显的全带隙，要么具有明显的直接间隙以及小的平凡费米腔。此外，研究者们列出了692个拓扑半金属，它们的带交点位于费米能级附近。这些候选材料开辟了在下一代电子设备中使用拓扑材料的可能性。相关研究以“Comprehensive search for topological materials using symmetry indicators”为题目，发表在Nature上。

文献链接：

DOI: 10.1038/s41586-019-0937-5

图10 强拓扑绝缘子的带结构（上）及拓扑晶体绝缘子的带结构（下）

Nature/Science高被引论文TOP10（20191226更新）：

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