世界一流科技期刊文章精選

高亮度的短波紅外有機發光器件

華南理工大學吳宏濱教授課題組聯合西安近代化學研究所、香港城市大學和北京大學等研究團隊開創有機半導體短波紅外電致發光新研究方向。相關成果發表于《自然·光子學》（Nature Photonics）。有機發光二極管技術（OLEDs）在可見光和近紅外波段已取得長足進步，在信息顯示、半導體照明等領域得到廣泛應用。然而，發射波長峰值在短波紅外波段、輻射強度具備實用價值的高亮度有機發光器件仍然是一個多年來從未突破過的技術難題。受半導體材料中光吸收和發射過程存在倒易關系啟發，研究團隊提出利用目前成為有機光伏電池受體材料的給體-受體-給體（A-D-A）型稠環有機半導體作為發光材料，制備高性能短波紅外發光二極管。

銦鎵砷短波紅外照相機?拍攝相關特性（圖片來源于華南理工大學網站）

有機短波紅外發光器件用于硅基芯片檢測（圖片來源于華南理工大學網站）

準一維拓撲材料的電子結構研究

上海微系統所葉茂研究員、喬山研究員團隊與東京大學近藤武司（Takeshi Kondo）教授等合作，成功制備了一種準一維拓撲材料TaNiTe5，并首次直接觀測到了該材料中強弱拓撲序共存的獨特電子結構。相關成果發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）。維度對于拓撲材料極為重要：拓撲材料具有受對稱性保護的邊緣態，從而使得由缺陷或雜質引起的電子背散射被禁止；而進一步將拓撲材料的維度降低到一維則會顯著增強電子的各向異性，使邊緣態中自旋極化的電子被限制于一維導電通道中，從而最大限度地避免散射的發生以達到更高的遷移率、更長的自旋弛豫時間。相關工作全面而系統地揭示了TaNiTe5材料中“雙拓撲”共存的獨特拓撲性質。

一種自旋存算器件全電寫入新方式

中國科學院半導體研究所朱禮軍團隊發現一種由擴散電流（spreading current）引起、廣泛存在于微納米器件和具有重要影響的垂直有效磁場，并發展了不同極化方向自旋（σx,σy,σz）的可靠測量方法。相關成果發表于《應用物理評論》（Applied Physics Reviews）。自旋電子學存算器件是后摩爾時代信息科學的潛在解決方案之一。如何實現垂直磁各向異性比特的高能效全電驅動是目前高密度自旋存算技術亟待突破的重要課題。傳統材料（如重金屬和拓撲材料等）由于對稱性保護只能產生面內橫向極化自旋（σy），其角動量無法翻轉垂直磁各向異性比特。因此，科學家們開始尋找垂直有效磁場和垂直極化自旋（σz）的有效產生方法。

利用中紅外圓偏振光電效應揭示半導體碲中的與外爾有關的光學響應

北京大學物理學院量子材料科學中心孫棟教授與中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心、物理學院，中國科學院強耦合量子材料物理重點實驗室曾長淦教授合作，在中紅外波長下對碲（Te）進行了圓偏振相關光電流的測量，為支持碲（Te）作為“外爾半導體”提供了有力的光學證據。相關成果發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。外爾半金屬由于其具有非平庸的能帶結構，產生了許多與之相關的新奇拓撲特性，“外爾半導體”是相關領域下一個重要研究內容之一。實驗發現，外爾半導體Te同時具有超高的遷移率、應變和厚度可調的帶隙，以及二維分層結構與優良的空氣穩定性。

原子級平整界面處聲子非彈性輸運

清華大學深圳國際研究生院孫波副教授、上海交通大學顧驍坤副教授、北京大學王新強教授等人合作，在金屬半導體界面的導熱機制上取得新進展。相關成果發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。散熱成為制約半導體器件穩定性、可靠性、壽命等的技術瓶頸之一。特別對于納米尺度半導體器件，增加界面導熱是提升散熱性能中關鍵一環。因此，研究界面熱輸運對于半導體器件的散熱具有重要的應用價值和科學意義。經合作研究，團隊發現了在原子級平整的Al/Si、Al/GaN界面處的聲子非彈性輸運過程，而這個過程被視為界面處額外的聲子輸運通道，可提高界面熱導，從而提升界面的散熱性能。

Al/Si的界面熱導（圖片來源于清華大學網站）

平整的A l/S i界面與帶有1n m互擴散層的A l/S i界面（圖片來源于清華大學網站）

Mo5Si3中通過磷/砷摻雜實現最高Tc～10.8K的強耦合超導電性

中國科學院物理研究所SC10組博士后阮彬彬和任治安研究員等人，與安徽大學物質科學與信息技術研究院聯合培養研究生孫俊男、單磊教授組成的團隊，為實現Mo5Si3的電子型載流子摻雜調控，詳細研究了相關體系中Si位的As摻雜合成條件，發現在1600℃高溫下通過固相反應可以成功實現As對Mo5Si3的摻雜調控。相關成果發表于《無機化學》（Inorganic Chemistry）。通過一系列的高質量樣品制備和摻雜研究，他們發現As摻雜引入的電子將相關體系從拓撲半金屬轉變為超導體。通過低溫比熱測量與第一性原理能帶計算表明，較高的超導溫度與As引入的電子摻雜導致的費米面附近態密度的極大增強有關。

高熵合金研究進展

東北大學材料學院李逸興、張雪峰課題組采用直流電弧等離子體制備技術，成功將一系列高熵合金納米顆粒原位封裝在石墨殼中，制得具有核@殼包覆結構的高熵合金@石墨納米膠囊材料（HEA@C-NPs），并利用其獨特的核@殼結構實現了對光熱轉換性能的優化提升。相關成果發表于《材料學報》（Acta Materialia）。研究將一系列具有不同3d過渡金屬組元的高熵合金納米顆粒原位封裝于高缺陷密度石墨殼中，借助石墨包覆殼的光吸收性能及其高缺陷密度帶來的熱導率降低，進一步提升高熵合金納米顆粒的光熱轉換性能，揭示HEA@C-NPs光熱轉換性能的優化機理，為高性能光熱轉換材料的制備和研究提供了新的理論和設計策略。

首次測定超高熱導率半導體——砷化硼的載流子遷移率

國家納米科學中心劉新風研究員團隊聯合休斯頓大學包吉明團隊和任志鋒團隊在超高熱導率半導體——立方砷化硼（c-BAs）單晶的載流子擴散動力學研究方面取得重要進展，為其在集成電路領域的應用提供重要基礎數據指導和幫助。相關成果發表于《科學》（Science）。2018年，具有超高熱導率的半導體c-BAs的成功制備引起了人們極大興趣，c-BAs不僅具有高的熱導率，由于其超弱的電聲耦合系數和帶間散射，理論預測c-BAs還同時具有非常高的電子遷移率和空穴遷移率，這在半導體材料系統中是非常罕見的。立方砷化硼高的載流子和熱載流子遷移速率，以及其超高的熱導率，表明其可以廣泛應用在光電器件、電子元件中。

烯烴不對稱氫硒化研究

北京理工大學前沿交叉科學研究院、化學與化工學院楊小會教授課題組與美國加州大學歐文分校化學系同行合作，在Rh催化苯乙烯的不對稱氫硒化反應方面取得重要進展。相關成果發表于《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society）。盡管硒是人類健康的基本元素，但與氧簇元素中的氧和硫相比，硒的反應研究仍然少得多。此外，氧簇元素作為氫官能化中親核試劑的研究很少。研究團隊首次實現了Rh催化苯乙烯的不對稱氫硒化反應，并在一系列機理實驗例如核磁實驗、氘代實驗等研究的基礎之上，證實了氫硒化反應機理的決速步驟是烯烴遷移插入Rh-H鍵。

烯烴的氫硒化反應（圖片來源于北京理工大學網站）

烯烴氫硒化反應的底物范圍（圖片來源于北京理工大學網站）

烯烴的不對稱催化轉化構建內酰胺雜環化合物研究

華東理工大學化學與分子工程學院、費林加諾貝爾獎科學家聯合研究中心陳宜峰課題組在不對稱催化合成領域取得新進展。相關成果發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。使用胺甲酰基親電試劑進行分子內環合實現對烯烴的不對稱雙官能團化反應主要經歷5-exo-trig的環化模式得到五元內酰胺產物，而對于更大的環系，例如六元內酰胺化合物，相關不對稱胺甲酰化反應仍然較為受限。研究團隊通過對手性8-喹啉噁唑啉為核心骨架Quinox配體的進一步改良，實現了鎳催化的內烯不對稱胺甲酰基-烷基化反應，以6-exo-trig的環化模式高對映選擇性地得到手性3,4-二氫喹啉酮及d-內酰胺化合物。

柔性顯示用無色聚酰亞胺薄膜及器件研制

中國科學院理化技術研究所功能高分子材料研究中心吳大勇課題組以苯二甲酰氯以及高剛性二胺單體雜化含氟單體的策略合成了一種高玻璃化轉變溫度、低熱膨脹系數的無色透明聚酰亞胺（PI）膜。相關成果發表于《美國化學學會應用高分子材料》（ACS Applied Polymer Materials）。聚酰亞胺（PI）被譽為處于高分子材料金字塔頂端的材料，具有優異的熱穩定性、機械性能、絕緣性能及化學穩定性，廣泛應用于電氣、電子器件、航空航天等領域。無色PI薄膜研究的關鍵是在提高透光性的同時保持材料在高溫條件下的尺寸穩定性。新研究制備的器件不僅可實現柔性可折疊的特性，其光電性能也可與玻璃基底的器件相媲美。

小分子受體高分子化的聚合物受體研究

中國科學院化學研究所有機固體院重點實驗室李永舫課題組合成了一種新型的PSMA聚合物受體“PG-IT2F”。相關成果發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。小分子受體聚合物化（polymerized small molecule acceptor，PSMA）是高效聚合物受體和聚合物太陽電池領域的研究熱點。PG-IT2F具有更高的吸收系數，更合適的分子能級，并且與“PM6”聚合物給體有合適的混溶性，與“PM6”共混得到的活性層形貌以及相分離尺度更合適，使得電荷轉移性能更優越，電荷載流子遷移率更均衡，電荷轉移狀態壽命更長，電荷復合減少，這使得基于PG-IT2F的全聚合物太陽電池（all-polymer solar cells：all-PSC）的光伏性能得到顯著改善。

水合物法二氧化碳封存研究進展

清華大學深圳國際研究生院殷振元助理教授、陳道毅教授等人開展了1,3-二氧戊環促進CO2水合物生成動力學研究，探討了其在水合物法CO2封存中的意義。相關成果發表于《化學工程期刊》（Chemical Engineering Journal）。CO2地質封存是實現“雙碳”目標的重要手段之一，水合物法C O2封存（Hydrate-based CO2sequestration，HCS）是一種新型CO2地質封存技術。研究團隊分析了新型低毒水合物促進劑1,3-二氧戊環（DIOX）對促進CO2水合物生成和CO2封存的多重效應，觀察并分析了其獨特的液相分離特性所引發的一系列異常的水合物生成特性，獲得了CO2-DIOX/H2O體系下的水合物生成規律和理論基礎。

CO2-DIOX/H2O系統下的CO2多相封存示意圖

大面積石墨烯無損潔凈轉移方法

北京大學化學與分子工程學院劉忠范教授課題組、彭海琳教授課題組，材料科學與工程學院林立特聘研究員課題組與中國科學院力學所魏宇杰研究員課題組通過巧妙設計轉移媒介的分子結構，在傳統的轉移媒介聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate,PMMA）加入含羥基易揮發小分子。相關成果發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。實現石墨烯大面積無損、潔凈轉移是石墨烯應用領域的研究技術瓶頸。相關研究確保了石墨烯與目標功能襯底之間的共形接觸，進而通過機械剝離方法實現了轉移介質與石墨烯的分離，得到了潔凈、完整的石墨烯表面，實現了大面積石墨烯薄膜無損潔凈轉移。

分子型烷烴脫氫催化劑研究進展

中國科學院上海有機化學研究所金屬有機化學國家重點實驗室黃正團隊開發出一種適用于小分子和大分子后修飾的分子型烷烴脫氫催化劑，這類催化劑可以高度位點選擇性地在底物中引入碳碳雙鍵，進而選擇性引入各種官能團。相關成果發表于《科學進展》（Science Advances）。以飽和烴類結構為基礎的聚乙烯、聚丙烯等傳統大宗塑料在未來很長一段時間內仍將是塑料的主要品種，這些非天然降解高分子材料在服役期結束后往往造成“白色污染”，這類飽和烴由惰性碳氫鍵、碳碳鍵構成，化學性質非常穩定。新研究為官能團化聚丙烯材料的制備提供了一種潛在的新途徑，也為聚烯烴廢塑料變廢為“材”、升級再造提供新思路。

構建反芳香性丁富烯新策略

中國科學院大連化學物理研究所陳慶安團隊與浙江大學麻生明院士團隊合作，通過雙聯烯中間體實現反芳香性丁富烯的合成，解決傳統方法中對稱丁富烯的合成挑戰。相關成果發表于《自然·化學》（Nature Chemistry）。作為苯環的構造異構體，丁富烯（Butafulvene）的四元全碳環結構使其具有反芳香性的性質。由于巨大的環張力及反芳香性，此分子的合成通常面臨條件苛刻、步驟經濟性差、合成效率低等問題。同時，反芳香性的化合物通常均不太穩定，造成較多反芳香性化合物的研究比較有限。通過反應機理研究，合作團隊發現雙聯烯化合物是反應的關鍵中間體，所得的丁富烯化合物易轉化成高張力的全碳四元環化合物。

利用激光實現水下氣泡的3D精準操控

復旦大學航空航天系鄧道盛/胡曼課題組開展激光操控水下氣泡彈跳運動的相關研究。相關成果發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。實現液滴或氣泡的精準靈活操控對于微流控芯片、生物醫藥傳遞、軟機器人等領域的應用至關重要。研究巧妙利用純水介質對980nm近紅外激光的體吸收光熱響應特性，結合固/液界面對流傳熱，構建了獨特的逆溫層區域，觀察到了氣泡在液體內部做周期性的定點彈跳運動以及跟隨彈跳運動的三維運動模式。研究團隊提出了一種非接觸高效三維操控氣泡的體系，揭示純水介質中激光驅動氣泡彈跳運動的內在機理，為開發設計新型的光流控器件做出了有益探索。

氣泡彈跳：逆溫層形成、受力分析與模擬驗證（圖片來源于復旦大學網站）

氣泡跟隨彈跳：相圖與應用（圖片來源于復旦大學網站）

低成本高強韌鈦合金設計研究

西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室孫軍院士團隊提出采用化學界面工程（CBE）制造納米馬氏體的新策略，制備層級納米馬氏體構造的低成本超高強塑鈦合金。相關成果發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。高比強度鈦合金是實現節能減排及輕量化的重要結構材料，可通過調節晶界（GBs）和異相界面（PBs）的密度和空間分布特征優化其宏觀力學性能，例如調控鈦合金中晶格不連續的α/β相界面結構與特性可顯著提升合金的力學性能。文章提出的化學界面工程設計策略突破了鈦合金原有微觀組織/合金成分設計理念和熱機械加工方法的局限，為設計高性能先進鈦合金和其他類似材料提供了新的思路。

骨誘導聚芳醚酮材料研發進展

四川大學生物醫學工程學院張興棟院士團隊朱向東研究員、張凱教授等人確證了生物材料骨誘導性在醫用高分子材料中的普適性。相關成果發表于《科學進展》（Science Advance）。組織誘導性生物材料是一種不添加細胞和（或）生物活性因子，經過精準設計用于受損或缺失的組織或器官再生的生物材料。已獲批上市的骨誘導磷酸鈣生物陶瓷，被廣泛應用于臨床骨缺損的再生修復；醫用金屬和高分子材料具有廣闊的力學調控空間，在承重骨修復方面具有獨特的優勢。團隊首創的骨誘導聚芳醚酮材料既是對我國原創生物材料組織誘導理論的補充和完善，也為新型骨和其他組織誘導類植入器械開發提供了研究思路和材料基礎。

用于信息存儲的新型二維多鐵材料研究

武漢大學物理科學與技術學院教授何軍和高等研究院特聘研究員史建平課題組開展了二維金屬性p摻雜SnSe的多鐵性研究。相關成果發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。永久存儲技術的終極目標是通過有效手段控制存儲介質中的穩定狀態。磁電材料和多鐵材料通過利用鐵電序和磁序之間的交叉耦合，為數字信息處理提供了一條新的途徑，被譽為未來信息存儲的領航者。研究團隊發展了一種普適的物理氣相沉積方法，首次在環境穩定的二維材料體系中發現了室溫多鐵性，不僅為在二維尺度理解和調控多鐵特性提供了理想平臺，同時也為后摩爾時代新型信息存儲器件的研發開辟了一條新途徑。

能谷光子保真傳輸和定向分發研究

華中科技大學王凱教授、陸培祥教授和新加坡國立大學仇成偉教授合作，首次實現了基于混合納米波導的WS2谷光子的保真傳輸與定向分發。相關成果發表于《自然·納米技術》（Nature Nanotechnology）。單層過渡金屬二硫化物（TMDC）等二維材料中因其具有特殊反演對稱性，形成了一個額外的自由度：能谷贗自旋（K和K′）。與傳統電子器件相比，能谷電子器件可具有更低的能耗和更快的處理速度。文章敘述了能谷信息的保真傳輸與定向分發，為下一步搭建大規模谷電子器件網絡提供了解決方案。這種谷電子-光子混合器件為在芯片上同時集成谷電子器件、自旋電子器件與片上光子器件，構建自旋-能谷-光子混合系統提供了新思路。

“Y”型谷光子路由器構建（圖片來源于華中科技大學網站）

混合波導制備研究（圖片來源于華中科技大學網站）

極高穩定度量級的鐿原子光鐘

中國科學院精密測量科學與技術創新研究院呂寶龍研究團隊與華東師范大學馬龍生團隊合作，研制出一種高精度鐿原子光鐘，這個光鐘的頻率穩定度達到E-18量級。相關成果發表于《計量學》（Metrologia）。鐿原子光鐘是一種以囚禁于光晶格中的超冷鐿原子為工作介質的原子鐘。科學家在黑體輻射頻移的精準控制、直流“Stark”頻移與原子碰撞頻移的抑制、鐘激光頻率穩定度的改善等方面采取了系列創新措施，實現了光鐘穩定度的大幅度提升，特別是采用了量子化軸方向與環境干擾磁場矢量相垂直的方案，大幅度地降低了鐘躍遷對相關干擾的敏感度，使得光鐘在地鐵干擾環境下仍然能夠正常工作。

高強不銹鎂合金研究

上海交通大學材料科學與工程學院曾小勤教授團隊在鎂合金表面引入具有持久鈍化效果的保護膜層，提出一種大幅度協同提高鎂合金強度和耐蝕性能的制備方案。相關成果發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。絕對強度偏低和耐蝕性能不足是阻礙鎂合金大規模應用的兩大瓶頸問題。合金化（尤其是添加稀土元素）是大幅度提高鎂合金強度的有效手段之一，但大多數合金化高強鎂合金中的第二相會和基體形成原電池而引發激烈的電偶腐蝕，從而大幅度降低鎂合金的腐蝕性能。如何通過合金化設計協同提升鎂合金的強度與耐蝕性是學界難點之一。文章報道的高強不銹鎂合金在工業制備中將開展積極應用。

建立“氣液界面研究”的新實驗方法

中國科學技術大學田善喜教授等人利用時間延遲串聯質譜儀開展氣液界面研究。相關成果發表于《化學研究述評》（Accounts of Chemical Research）。氣液界面的微觀結構及動力學是認識物質世界的重要內容，但一直是實驗研究的難點。質譜是一種有效且被廣泛使用的分析方法，但是在取樣以及電噴霧等技術的質譜中，往往破壞了氣液界面處的樣品分子及其團簇結構，無法實現原位物質及其分布的探測。研究團隊開發的時間延遲質譜不僅是氣液界面微觀結構和化學反應動力學領域的一套全新實驗方法，還可用于海洋氣溶膠形成、生命物質和手性起源等重要科學問題的探索及高能輻射損傷機制研究。科