近日，來自University of Illinois, University of Michigan, Pennsylvania State University的Kristen A. Fichthorn，Sharon C. Glotzer，Qian Chen作為共同通訊作者在《Nature》期刊上發表了一篇題為"Patchy nanoparticles by atomic stencilling"的文章。

研究人員提出了一種創新的原子模板法，用于制備表面帶有聚合物斑點的納米粒子（NPs）。傳統的模板技術主要依賴于上向下的微制造方法，如光刻技術，通過在掩膜上進行圖案化來實現。然而，這些方法在進一步縮小特征尺寸以及應用于復雜三維表面時受到了限制。相比之下，研究者們開發的原子模板法則采用下向上的自組裝過程，通過化學反應或物理相互作用來實現納米級別的精確圖案化。

在這一研究中，研究人員使用表面吸附的碘化物亞單層作為掩膜，并通過配體介導的方式將聚合物涂覆到未掩蔽的區域，從而成功制備了多達20種不同類型、表面帶有高均勻性聚合物斑點的納米粒子。通過聚合物縮放理論和分子動力學模擬，研究團隊發現這一方法生成的斑點粒子具有前所未有的獨特形貌。這些帶有聚合物斑點的納米粒子由于其高度均勻的斑點，能夠自組裝成不同的非緊密堆積超晶格。

這項研究不僅在納米尺度圖案化方面取得了重要突破，還為其他基底的精確化學、反應性和相互作用控制開辟了新途徑。該技術有望在精準藥物遞送、催化、微電子、集成超材料和組織工程等領域獲得廣泛應用。

圖：碘化物包裹的八面體

近日，一項關于非范德瓦爾斯（non-vdW）超晶格的研究成果在《Nature》期刊上發表，題為《Non-van der Waals superlattices of carbides and carbonitrides》。北京航空航天大學材料科學與工程學院楊樹斌為通訊作者。

傳統上，人工超晶格是由原子層通過逐層堆疊或順序外延生長構建而成，如石墨烯超晶格。這種范德瓦爾斯超晶格由于界面耦合較弱，限制了其性能的提升。本研究團隊提出了一種高效合成方法，成功制造了一系列碳化物和碳氮化物的非范德瓦爾斯超晶格。這些超晶格通過層間的氫鍵結合，通過剛度介導的卷曲策略實現。

研究的關鍵步驟是通過在MX層中創造金屬空位，定制從MAX相中導出的原子層的彎曲剛度，從而在快速彎曲變形下觸發有序的卷曲。與范德瓦爾斯超晶格不同，這些非vdW超晶格具有氫鍵結合，提供了*的層間電子耦合，高度集中的電荷載流子（10²²?cm^?3）。因此，這些超晶格表現出約 30,000?S cm^?1 的顯著電導率，是其對應物的約22倍。

在電磁干擾屏蔽應用中，最優的非vdW超晶格膜展示了124dB的卓越屏蔽效果，超越了任何已知的具有相似厚度的合成材料。預計非vdW超晶格將顯著拓寬材料平臺，提供多樣的組成和晶體結構，為人工堆疊系統的新發展提供可能。

圖：超晶格的TEM表征

Rensselaer Polytechnic Institute, Florida State University的Yunfeng Shi，Hanwei Gao，Jian Shi作為通訊作者發表了《Long-distance remote epitaxy》的研究成果。該研究揭示了遠程外延技術的新突破，為電子和光電子器件的發展帶來了新的機遇。

遠程外延是一種通過遠程相互作用在薄膜和基底之間建立外延關系的技術，可以實現高質量單晶外延層的生長，并將其轉移到其他重要的基底上。在傳統觀點中，遠程外延的作用距離通常被認為小于1納米，因為電位在幾個原子距離后會迅速衰減。然而，Jian Shi教授團隊的研究表明，遠程外延的作用距離可以達到2至7納米。

在實驗中，研究人員成功實現了CsPbBr3薄膜在NaCl基底上的遠程外延、KCl薄膜在KCl基底上的遠程外延，以及ZnO微桿在GaN上的遠程外延。研究發現，在GaN基底下每個遠程外延的ZnO微桿下方都存在一個位錯，這表明通過控制缺陷可以設計和工程化遠程外延。

遠程外延是一種新興的外延生長技術，預計將為設計先進的電子和光電子器件帶來豐富的機遇，擺脫晶格匹配概念的限制。在遠程外延中，典型的單層二維材料作為電靜半透明緩沖層，基底電位減弱但仍然足夠*，引導原子的成核和生長。薄膜與基底之間的弱相互作用允許薄膜組件在后續步驟中轉移到其他化學或結構上完全不同的基底。

研究團隊展示了遠程外延技術在不同材料上的應用，包括GaAs、InP、GaP、VO?、SrTiO₃、BaTiO₃、CoFe?O₄、Y₃Fe₅O₁₂、Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃、CsPbBr₃、GaN、ZnO和AlN，并將遠程外延薄膜應用于各種設計和器件實現中，包括可重構二極管、磁電器件、發光二極管、光電探測器和電子皮膚。

這種技術的潛在應用不僅限于高質量單晶薄膜的生長，還可以提高電子和光電子器件的性能和設計自由度。遠程外延的這一突破為未來的材料科學和工程應用提供了新的視角。

圖 . 在a-C/GaN上外延生長ZnO

復旦大學的周鵬, 劉春森作為通訊作者發表了《A full-featured 2D flash chip enabled by system integration》的研究成果。

論文介紹了一個由2D材料為核心的全功能NOR閃存芯片，通過原子級設備到芯片技術（ATOM2CHIP）實現系統集成。該技術結合了優越的2D電子設備作為存儲核心，并配備了*的CMOS平臺以支持復雜的指令控制。ATOM2CHIP技術藍圖包括全棧芯片工藝和跨平臺系統設計，為從新興設備概念到適用芯片的過渡提供了完整框架。

這一全棧芯片工藝專門設計了包含平面集成、三維架構和芯片封裝的流程，確保了94.34%的高良率。跨平臺系統設計處理了2D電路設計與2D-CMOS模塊兼容性驗證設計，最終實現了一個具有8位命令和32位并行的高復雜度指令驅動的全功能芯片。

論文顯示，2D材料即使在單層厚度下也表現出卓越的電子特性，并且范德華異質結構使電子能帶進行精細調控。這些特性使得2D電子設備能夠延續硅技術的縮放能力，并創造根本性的設備機制。作為集成電路半導體設備的一種展示，2D閃存表現出比硅閃存（主流非易失性存儲技術）更快的Fowler-Nordheim隧道編程速度和更好的通道長度縮放優勢。

近年來，無論是工業界還是學術界，集成2D半導體的研究越來越受到關注。2D電子設備與成熟的硅CMOS邏輯電路結合，將是展示2D電子設備在系統級別的優勢、加速新興設備從實驗室到工廠過渡的理想途徑。論文中的研究提出了一種有效的系統集成策略，展示了2D電子系統的優越性。

圖： 2D閃存芯片的STEM圖像

近期，上海交通大學的趙一新、陳悅天、繆炎峰和郭永勝作為共同通訊作者在《Nature》上發表了一篇題為《A matrix-confined molecular layer for perovskite photovoltaic modules》的研究文章。

鈣鈦礦材料因其優異的光電性質，近年來成為光伏領域的研究熱點。鈣鈦礦太陽能電池的能量轉換效率（PCE）逐步逼近商用硅電池，為其工業化應用鋪平了道路。然而，目前大多數高效的倒置型鈣鈦礦太陽能電池由于自組裝分子（SAMs）的聚集和疏水性問題，仍面臨諸多挑戰。

為了解決這一問題，研究團隊提出了一種“自組裝分子-基質"（SAM-in-matrix）策略，通過將部分自組裝分子分布在穩定的三（五氟苯基）硼基質中，從而打破原有分子堆積引起的聚集問題。二維晶格蒙特卡洛模擬和實驗結果表明，這一策略可以形成高效的電荷傳輸通道。基于這種SAM-in-matrix空穴傳輸層（HTL）的器件展示了在各種自組裝分子中普遍更高的效率，具有緊密的表面覆蓋率、良好的導電性和大幅減少的埋藏納米空隙。此外，該策略在規模化生產中顯示出顯著的應用潛力。

利用FTO/NiOx基板上的SAM-in-matrix HTL，有助于形成具有良好晶體質量和增強導電性的鈣鈦礦大面積薄膜。最終，研究團隊成功制備出面積達1m×2m的大面積鈣鈦礦太陽能模塊，并以20.05%的認證效率創下了新的紀錄。

圖：鈣鈦礦在NiOx/Me4PA@BCF襯底的HRTEM圖

近日，上海科技大學于奕，比利時安特衛普大學Timothy Pennycook，美國普渡大學Dou Letian     在《Nature》發表了一篇題為“Atomically resolved edges and defects in lead halide perovskites"的研究論文。他們的研究揭示了鉛鹵化物鈣鈦礦材料邊緣和缺陷的詳細原子結構及其動態特性。

鉛鹵化物鈣鈦礦是一種有機-無機半導體材料，具有優越的成本效益和有趣的光電性能，備受關注。然而，由于其極高的敏感性，迄今為止很難獲得其邊緣的清晰圖像。該研究團隊采用了先進的四維掃描透射電子顯微鏡技術，以極低的劑量進行重疊成像，首次在原子分辨率上揭示了鈣鈦礦邊緣和內部缺陷的結構。研究發現，在甲基銨鉛碘化物（MAPbI3）中，甲基銨和碘的邊緣終止占多數，邊緣和內部缺陷的損傷率與存在的空位濃度和類型有關，特別是碘空位的存在與更高的損傷率相關。

鈣鈦礦材料因其高效、易于制造、可調性質和多用途而在太陽能應用中備受關注。然而，解決邊緣、缺陷和穩定性問題對于實現其潛力至關重要。鈣鈦礦材料的結構形式為ABX3，其中A代表單價陽離子，B為金屬陽離子，X為鹵素陰離子。各元素在鈣鈦礦穩定性中具有不同但關鍵的作用。計算和實驗研究表明，B位的低配位可能是最不穩定的，其通過各種路易斯堿分子的鈍化可顯著提高穩定性和光伏效率。然而，由于這些高度敏感材料的原子分辨率成像挑戰，原子級的洞察仍然有限。

該研究不僅為理解鉛鹵化物鈣鈦礦的邊緣和缺陷提供了重要的原子級信息，也為未來提高鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩定性提供了新的思路和方法。

圖：MAPbI₃的原子分辨成像

近日，清華大學深圳國際研究生院康飛宇、賀艷兵、呂偉、侯廷政聯合天津大學楊全紅作為通訊作者在《Nature》發表了一篇題為“A ductile solid electrolyte interphase for solid-state batteries"的研究論文。本研究針對固態鋰金屬電池（SLMBs）在實際工作條件下面臨的巨大挑戰提出了創新性的解決方案。

固態鋰金屬電池被認為是電動汽車和大規模能源存儲系統的最有前景的候選者之一。然而，在高面積容量和高電流密度的實際條件下，不受控制的鋰枝晶生長嚴重阻礙了其商業應用。現有的固態聚合物電解質（SPEs）雖然在界面親和性方面優于固態無機電解質，但其離子電導率和穩定性不足以實現鋰離子的均勻快速運輸。即使通過微結構設計或與陶瓷混合制造復合SPEs（CSPEs）來顯著提高離子電導率，電池仍難以在實際SLMBs的快速充電要求下實現高于5 mA/cm2電流密度和5 mAh/cm2面積容量的目標。

研究團隊發現，傳統富含氟化鋰（LiF）的固體電解質界面（SEI）盡管可以抑制鋰的穿透，但其固有的脆性和鋰離子擴散障礙使得在高電流密度和高面積容量下難以保持界面完整性，導致嚴重的鋰枝晶生長、副反應和界面開裂。為此，研究團隊開發了一種富含銀硫化物（Ag?S）和氟化銀（AgF）成分的韌性SEI。這種SEI在電解質側具有對稱的富無機結構，而在鋰金屬側則為親鋰銀/鋰結構，確保了在高電流密度和高面積容量下的高結構穩定性和快速離子運輸。

實驗結果顯示，即使在15 mA/cm2高電流密度和15 mAh/cm2面積容量下，采用該SEI的對稱鋰電池仍具有超過4500小時的長循環壽命。此外，即使在-30°C的低溫環境下，在5 mA/cm2和5 mAh/cm2的實際條件下，該韌性SEI仍能工作超過7000小時。

該研究為實現長循環壽命的固態鋰金屬電池提供了一種實用方案，即使在極端條件下仍能保持高性能。這一發現對于電動汽車和大規模能源存儲系統的未來發展具有重要意義。

圖：SEI的冷凍電鏡圖像