von der University of Illinois, der University of Michigan,Pennsylvania StaatsuniversitätKristen A. Fichthorn, Sharon C. Glotzer und Qian Chen veröffentlichten einen Artikel mit dem Titel 'Patchy nanoparticles by atomic stencilling' in der Zeitschrift Nature als Co-Autoren der Kommunikation.

Die Forscher haben eine innovative Atomvorlagenmethode vorgeschlagen, um Nanopartikel mit Polymerflecken auf der Oberfläche vorzubereiten (NPs). Die herkömmliche Schablonetechnik basiert hauptsächlich auf Mikro-Fertigungsmethoden von oben nach unten, wie z. B. der Lithographie, die durch Musternierung auf der Maske realisiert wird. Diese Methoden waren jedoch eingeschränkt, wenn es darum geht, die Merkmale weiter zu verkleinern und auf komplexe dreidimensionale Oberflächen anzuwenden. Im Gegensatz dazu haben die Forscher das Gesetz der Atomvorlagen entwickelt, das einen Abwärts-nach-oben-Selbstmontageprozess anwendet, um eine präzise Musterung auf Nanonebene durch chemische Reaktionen oder physikalische Wechselwirkungen zu erreichen.

In dieser Studie verwendeten die Forscher eine Submonoschicht von oberflächensabsorbiertem Jod als Maske und beschichteten das Polymer über ein nicht verdecktes Gebiet mittels einer Ligand, wodurch bis zu 20 verschiedene Arten von Nanopartikeln mit hochhomogenen Polymerflecken auf der Oberfläche erfolgreich hergestellt wurden. Durch die Theorie der Polymerskalierung und die Simulation der molekularen Dynamik fand das Team heraus, dass die durch diese Methode erzeugten Fleckpartikel eine einzigartige Form haben, die sie nie zuvor hatten. Diese Nanopartikel mit Polymerflecken können sich aufgrund ihrer hoch homogenen Flecken zu verschiedenen nicht dicht gestapelten Superkristallen zusammenstellen.

Diese Forschung hat nicht nur einen wichtigen Durchbruch bei der Nanomaterialisierung erzielt, sondern auch neue Wege für die präzise chemische, reaktive und Wechselwirkungskontrolle anderer Substrate eröffnet. Es wird erwartet, dass diese Technologie in Bereichen wie Präzisionsmedikamente, Katalyse, Mikroelektronik, integrierte Hypermaterialien und Gewebetechnik weit verbreitet wird.

Abbildung: Jod-umhüllt Octaheder

Neue Forschungsergebnisse zu Non-van der Waals Superlattices of Carbides and Carbonitrides wurden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. Yang Shubin, Fachhochschule für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen der Pekinger Luft- und Raumfahrtsuniversität, ist Kommunikationsautor.

Traditionell wird ein künstliches Supergitter aus Atomschichten durch Schicht für Schicht oder sequenzielles Wachstum aufgebaut, wie zum Beispiel ein Graphensupergitter. Dieser Van der Vals-Supergitter beschränkt die Leistungssteigerung aufgrund der schwächeren Schnittstellenkopplung. Das Forschungsteam hat eine effiziente Synthesemethode vorgeschlagen, die erfolgreich eine Reihe von nicht-van der Wals-Superkristallen aus Carbiden und Kohlenstoffnitriden hergestellt hat. Diese Supergitter binden sich durch Wasserstoffbindungen zwischen Schichten und werden durch eine Steifigkeitsvermittelte Krümmelstrategie realisiert.

Der entscheidende Schritt der Forschung besteht darin, eine geordnete Krümmung bei einer schnellen Krümmungsdeformation auszulösen, indem Metallleerräume in der MX-Schicht erstellt werden und die Biegesteifigkeit der aus der MAX-Phase exportierten Atomschicht angepasst werden. Im Gegensatz zu Van der Valls-Supergittern verfügen diese nicht-vdW-Supergitter über Wasserstoffbindungen, die eine leistungsstarke Elektronenkopplung zwischen Schichten und hochkonzentrierte Ladungsträger (10²²cm⁻³). Diese Superraster weisen daher etwa 30.000 S cm auf.⁻¹Die deutliche Leitfähigkeit ist etwa 22-mal so hoch wie ihre Kollegen.

In elektromagnetischen Interferenzschirmungsanwendungen zeigt die optimale nicht-vdW-Supergrid-Membran eine hervorragende Abschirmung von 124 dB, die alle bekannten Synthetiken mit ähnlicher Dicke übertrifft. Es wird erwartet, dass das nicht-vdW-Superlattice die Materialplattform erheblich erweitern wird und eine Vielfalt an Zusammensetzungen und Kristallstrukturen bietet, die neue Entwicklungen für künstliche Stapelsysteme ermöglichen.

Abbildung: TEM-Charakterisierung des Superlattices

Rensselaer Polytechnisches Institut,Florida StaatsuniversitätYunfeng Shi, Hanwei Gao und Jian Shi veröffentlichten die Forschungsergebnisse von Long-Distance Remote Epitaxy. Die Studie enthüllt neue Durchbrüche in der Remote Extension-Technologie, die neue Chancen für die Entwicklung von Elektronik und Optoelektronik eröffnen.

Remote-Extrusion ist eine Technologie, die eine Extrusionsbeziehung zwischen Film und Substrat durch Remote-Wechselwirkungen aufbaut, die das Wachstum von hochwertigen monokristallinen Extrusionsschichten ermöglichen und sie auf andere wichtige Substrate übertragen. In der herkömmlichen Ansicht wird die Entfernung der Wirkung in der Regel als kleiner als 1 Nanometer angesehen, da das Potenzial nach mehreren Atomständen schnell abnimmt. Die Forschung des Teams von Professor Jian Shi hat jedoch gezeigt, dass eine Entfernung von 2 bis 7 Nanometern erreicht werden kann.

Im Experiment erreichten die Forscher erfolgreich die Fernausdehnung von CsPbBr3-Filmen auf der NaCl-Basis, die Fernausdehnung von KCl-Filmen auf der KCl-Basis und die Fernausdehnung von ZnO-Mikrostangen auf GaN. Die Studie ergab, dass ein Bitfehler unter jedem ZnO-Mikrostab unterhalb der GaN-Basis vorliegt, was darauf hindeutet, dass Remote-Extensions durch Kontrollfehler entworfen und entwickelt werden können.

Remote Extension ist eine aufstrebende Extension-Wachstumstechnologie, die voraussichtlich reichhaltige Möglichkeiten für die Konstruktion fortschrittlicher elektronischer und optoelektronischer Geräte bietet, um sich von den Einschränkungen des Grid-Matching-Konzepts zu befreien. Bei der Entfernung wirkt ein typisches einschichtiges zweidimensionales Material als elektrostatische, durchsichtige Pufferschicht, wobei das Basispotential geschwächt ist, aber immer noch stark genug ist, um die Kernformation und das Wachstum von Atomen zu führen. Die schwache Wechselwirkung zwischen der Folie und dem Substrat ermöglicht es, die Folienkomponenten in den nächsten Schritten auf andere chemisch oder strukturell völlig andere Substrate zu übertragen.

Das Forscherteam demonstriert die Anwendung der Remote-Extension-Technologie auf verschiedenen Materialien, einschließlich GaAs, InP, GaP, VO₂, SrTiO₃von BaTiO₃und CoFe ₂O₄und Y₃Fe₅O₁₂von Pb(Mg)_1/3Nb_2/3(O)₃- PbTiO₃von CsPbBr₃、 GaN, ZnO und AlN und die Anwendung von Remote-Extension-Filmen in einer Vielzahl von Konstruktionen und Geräte-Implementierungen, einschließlich rekonstruierbarer Dioden, elektromagnetischer Geräte, Leuchtdioden, Photoelektrodetektoren und elektronischer Haut.

Die potenzielle Anwendung dieser Technologie beschränkt sich nicht auf das Wachstum hochwertiger Monokristallfolien, sondern kann auch die Leistung und die Konstruktionsfreiheit von elektronischen und optoelektronischen Geräten verbessern. Dieser Durchbruch in der Remote Extension eröffnet neue Perspektiven für zukünftige Materialwissenschaft- und Ingenieuranwendungen.

Abbildung . ZnO auf a-C/GaN

Zhou Peng, Liu Chunsen von der Fudan Universität, veröffentlichte als Kommunikationsautor die Ergebnisse seiner Forschung "A full-featured 2D flash chip enabled by system integration".

Die Arbeit beschreibt einen voll funktionsfähigen NOR-Flash-Chip mit 2D-Materialien im Kern, der die Systemintegration über die Atom-to-Chip-Technologie (ATOM2CHIP) ermöglicht. Die Technologie kombiniert überlegene 2D-Elektronik als Speicherkern und ist mit einer leistungsstarken CMOS-Plattform ausgestattet, um komplexe Befehlssteuerungen zu unterstützen. Der ATOM2CHIP-Technologieblau umfasst den Full-Stack-Chip-Prozess und das plattformübergreifende Systemdesign und bietet einen vollständigen Rahmen für den Übergang vom neuen Gerätekonzept zum anwendbaren Chip.

Dieser Full-Stack-Chip-Prozess wurde speziell für einen Prozess konzipiert, der die Flachenintegration, die dreidimensionale Architektur und die Chipkapsulation umfasst und eine hohe Rate von 94,34% gewährleistet. Das plattformübergreifende Systemdesign behandelt das 2D-Schaltungsdesign und das 2D-CMOS-Modul-Kompatibilitätsprüfungsdesign, was schließlich einen vollfunktionalen Chip mit 8-Bit-Befehlen und 32-Bit-Parallelen mit hoher Komplexität ermöglicht.

Die Arbeit zeigt, dass 2D-Materialien auch bei einer Schichtdicke ausgezeichnete elektronische Eigenschaften aufweisen, und die Van der Wappen-Heterostruktur ermöglicht es, den Elektronenband fein zu regulieren. Diese Eigenschaften ermöglichen es 2D-Elektronik, die Skalierfähigkeit der Siliziumtechnologie fortzusetzen und grundlegende Gerätemechanismen zu schaffen. Als integrierte SchaltungHalbleitergeräteEine Demonstration zeigt, dass 2D-Flash-Speicher die Vorteile einer schnelleren Fowler-Nordheim-Tunnel-Programmiergeschwindigkeit und einer besseren Skalierung der Kanallänge als Silicon-Flash-Speicher (Mainstream-Technologie für nicht flüchtige Speicher) zeigen.

In den letzten Jahren wurde sowohl in der Industrie als auch in der Akademie immer mehr Aufmerksamkeit auf die Forschung zur Integration von 2D-Halbleitern gelegt. 2D-Elektronik mit ausgereiftem SiliziumCMOS-LogikDie Kombination ist ein idealer Weg, um die Vorteile von 2D-Elektronik auf Systemebene zu demonstrieren und den Übergang von neuen Geräten vom Labor zur Fabrik zu beschleunigen. Die Forschung in der Arbeit schlägt eine effektive Systemintegrationsstrategie vor, die die Überlegenheit von 2D-elektronischen Systemen demonstriert.

Abbildung: STEM-Bild von 2D-Flash-Chips

Vor kurzem veröffentlichten Zhao Yixin, Chen Yuetian, Mui Tianfeng und Guo Yongsheng von der Shanghai Jiaotong University einen Forschungsartikel mit dem Titel „A matrix-confined molecular layer for perovskite photovoltaic modules“ in der Zeitschrift Nature.

Perovskitmaterialien sind aufgrund ihrer ausgezeichneten photoelektrischen Eigenschaften in den letzten Jahren zum Forschungsschwerpunkt im Bereich der Photovoltaik geworden. Energieumwandlungseffizienz von Perovskit-Solarzellen (PCEDie allmähliche Annäherung zu kommerziellen Siliziumzellen ebnete den Weg für ihre industriellen Anwendungen. Allerdings stehen die meisten derzeit effizienten invertierten Perovskit-Solarzellen aufgrund der Aggregation und der hydrophoben Probleme von Selbstmontagemolekulen (SAMs) immer noch vor vielen Herausforderungen.

Um dieses Problem zu lösen, hat das Forscherteam eine „SAM-in-Matrix“-Strategie vorgeschlagen, die die Aggregationsprobleme, die durch die ursprüngliche Molekülstaplung verursacht werden, durch die Verteilung von teilweise selbstmontierten Molekülen in einer stabilen Tri-(Pentafluorphenyl)-Bormatriz löst. Die Simulationen und experimentelle Ergebnisse von Monte Carlo zeigen, dass diese Strategie einen effizienten Ladungsübertragungskanal schaffen kann. Geräte, die auf dieser SAM-in-Matrix-Hole-Transport-Schicht (HTL) basieren, zeigen eine allgemein höhere Effizienz in einer Vielzahl von Selbst-Montagemolekülen mit enger Oberflächenabdeckung, guter Leitfähigkeit und deutlich reduzierten begraben Nano-Lücken. Darüber hinaus zeigt diese Strategie ein erhebliches Anwendungspotenzial in der Massenproduktion.

Die Verwendung von SAM-in-matrix HTL auf FTO/NiOx-Substraten hilft bei der Bildung großflächiger Perovskitfilme mit guter Kristallqualität und verbesserter Leitfähigkeit. Schließlich hat das Forscherteam erfolgreich ein großflächiges Perovskit-Solarmodul mit einer Fläche von 1 m x 2 m hergestellt und einen neuen Rekord mit einer zertifizierten Effizienz von 20,05%.

Abbildung: Perovskit in NiOx/ Me4PA@BCF HRTEM-Diagramm für Unterlagen

Vor kurzem veröffentlichten Timothy Pennycook von der Universität Antwerpen in Belgien und Dou Letian von der Purdue Universität in den USA ein Forschungsarbeit mit dem Titel "Atomisch aufgelöste Kanten und Defekte in Bleihologenidperovskiten" in der Zeitschrift Nature. Ihre Forschung enthüllte die detaillierte atomare Struktur der Kanten und Mängel des Bleihalogenidperovskitmaterials und seine dynamischen Eigenschaften.

Bleihalogenidperovskit ist ein organisch-anorganisches Halbleitermaterial mit überlegener Kosteneffizienz und interessanten fotoelektrischen Eigenschaften, das viel Aufmerksamkeit erregt hat. Aufgrund seiner extrem hohen Empfindlichkeit ist es jedoch bisher schwierig, ein klares Bild seiner Kanten zu erhalten. Das Forscherteam nutzte eine fortgeschrittene vierdimensionale Scan-Transmission-Elektronenmikroskop-Technologie, um überlappende Bildgebung in extrem niedrigen Dosen zu ermöglichen, um erstmals die Struktur von Perovskit-Kanten und inneren Mängeln in atomarer Auflösung aufzudecken. Die Studie ergab, dass bei Methylammonium-Bleijodid (MAPbI3) die Randende von Methylammonium und Jod die Mehrheit ausmachen, und die Schädigungsraten von Rand- und Innenfehlern mit der vorhandenen Leerplatzkonzentration und -art abhängig sind, insbesondere das Vorhandensein von Jod-Leerplatzen mit einer höheren Schädigungsrate.

Perovskitmaterialien sind aufgrund ihrer hohen Effizienz, ihrer einfachen Herstellung, ihrer einstellbaren Eigenschaften und ihrer Vielseitigkeit in Solaranwendungen sehr beliebt. Allerdings ist die Behebung von Rand-, Mängel- und Stabilitätsproblemen entscheidend, um ihr Potenzial zu erreichen. Die strukturelle Form des Perovskitmaterials ist ABX3, wobei A für ein einwertiges Kation steht, B für ein Metallcation und X für ein Halogenanion. Jedes Element spielt eine unterschiedliche, aber entscheidende Rolle bei der Stabilität des Perovskits. Berechnungs- und experimentelle Studien haben gezeigt, dass die niedrige Anordnung von B-Bits wahrscheinlich die am instabilsten ist, und ihre Stabilität und Photovoltaik-Effizienz durch Passivierung verschiedener Lewis-Alkalimoleküle erheblich verbessert werden kann. Aufgrund der Herausforderungen der atomaren Auflösung der Bildgebung dieser hochempfindlichen Materialien sind die Erkenntnisse auf atomarer Ebene jedoch noch begrenzt.

Die Studie liefert nicht nur wichtige atomare Informationen zum Verständnis der Ränder und Mängel von Bleihalogenidperovskit, sondern bietet auch neue Ideen und Methoden zur Verbesserung der Effizienz und Stabilität von Perovskit-Solarzellen in der Zukunft.

Bild: MAPbI₃Atomische Bildgebung

Kürzlich veröffentlichte Yang Quanhong, der von der Tsinghua-Universität Shenzhen International Graduate School Kangfeiyu, Ha Lianying, Luwei und Houting-Universität Tianjin als Kommunikationsautor ein Forschungsarbeit mit dem Titel "A ductile solid electrolyte interphase for solid-state batteries" in der Zeitschrift "Nature". Diese Studie bietet innovative Lösungen für die großen Herausforderungen, mit denen Solid State Lithium Metall Batteries (SLMBs) unter realen Arbeitsbedingungen konfrontiert sind.

Solid-State-Lithium-Metallbatterien gelten als einer der vielversprechendsten Kandidaten für Elektrofahrzeuge und massive Energiespeichersysteme. Unter praktischen Bedingungen mit hoher Flächenkapazität und hoher Stromdichte behindert das unkontrollierte Wachstum von Lithiumkristallen jedoch ihre kommerzielle Anwendung erheblich. Obwohl bestehende Festkörper-Polymerelektrolyte (SPEs) in Bezug auf die Schnittstellenfinität besser sind als anorganische Festkörper, sind ihre Ionenleitfähigkeit und Stabilität nicht ausreichend, um einen gleichmäßig schnellen Transport von Lithiumionen zu ermöglichen. Selbst wenn die Ionenleitfähigkeit durch Mikrostrukturdesign oder die Herstellung von Composite SPEs (CSPEs) durch Mischung mit Keramik erheblich erhöht wird, ist es für die Batterie schwierig, das Ziel einer Stromdichte von 5 mA/cm² und einer Flächenkapazität von 5 mAh/cm² bei den schnellen Ladeanforderungen tatsächlicher SLMBs zu erreichen.

Das Forscherteam fand heraus, dass die herkömmliche Lithiumfluorid-reiche Festelektrolyt-Schnittstelle (SEI), obwohl sie die Durchdringung von Lithium hemmen kann, ihre inhärente Brüchlichkeit und Lithium-Ionen-Diffusionshindernisse es schwierig machen, die Integrität der Schnittstelle bei hoher Stromdichte und hoher Flächenkapazität aufrechtzuerhalten, was zu schweren Lithiumkristallwachstumen, Nebenreaktionen und Schnittstellenrischen führt. Zu diesem Zweck hat das Forscherteam ein SEI entwickelt, das an Silbersulfid (Ag₂S) und Silberfluorid (AgF) reich ist. Diese SEI hat eine symmetrisch reiche anorganische Struktur auf der Elektrolytseite und eine pro-Lithium-Silber-/Lithium-Struktur auf der Lithiummetallseite, die eine hohe Strukturstabilität und einen schnellen Ionentransport bei hoher Stromdichte und hoher Flächenkapazität gewährleistet.

Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die symmetrischen Lithiumbatterien mit diesem SEI auch bei hoher Stromdichte von 15 mA/cm² und einer Flächenkapazität von 15 mAh/cm² eine lange Lebensdauer von über 4.500 Stunden haben. Darüber hinaus kann diese Zähigkeit SEI auch bei einer Tieftemperatur von -30°C unter praktischen Bedingungen von 5 mA/cm² und 5 mAh/cm² über 7000 Stunden arbeiten.

Die Studie bietet eine praktische Lösung für Solid-State-Lithium-Metall-Batterien, die eine lange Lebensdauer erreichen und auch unter extremen Bedingungen eine hohe Leistung aufrechterhalten. Diese Entdeckung ist wichtig für die zukünftige Entwicklung von Elektrofahrzeugen und Energiespeichersystemen in großem Maßstab.

Bild: Gefrierelektroskopbilder von SEI