頂刊速遞22丨《Science》最新研究集錦，看我們的用戶如何引領電鏡科技

近日，來自中國科學院金屬研究所的盧柯和李秀艷作為通訊作者在《Science》上發表了題為“Strengthening Ni alloys with nanoscale interfaces of negative excess energy"的研究論文。該研究揭示了納米尺度下負過剩能界面對鎳合金強化的作用，并展示了其在超高強度材料開發中的潛力。

研究背景表明，納米晶和納米孿晶金屬的強度受限于晶界或孿晶界的不穩定性，尤其是在尺寸縮小到約10納米以下時。這些界面在機械作用下容易失穩，導致材料軟化。研究團隊通過實驗和密度泛函理論計算發現，面心立方結構（FCC）與六方密排結構（HCP）之間的負過剩能界面比傳統的孿晶界更為穩定。這些界面在過飽和的鎳-鉬（Ni-Mo）溶液中能夠以極高密度形成，平均間距可小至1納米，從而抑制了塑性變形，使合金的強度接近理論極限。

研究中采用脈沖電流電沉積法制備了含26.0±0.5原子百分比鉬的Ni-Mo合金箔，通過控制退火溫度，使其形成具有{111}織構的納米晶。高分辨透射電子顯微鏡（TEM）觀察顯示，每個晶粒內均勻分布著平行的孿晶和堆垛層錯，晶界以低能配置為主，如低角度晶界或共格晶界。能譜（EDS）分析表明，鉬原子在鎳晶格中均勻分布，無明顯偏析現象。

實驗結果顯示，隨著界面密度的增加，Ni-Mo合金的楊氏模量顯著提升，達到254.5 GPa，遠高于相同成分的金屬玻璃和金屬間化合物（Ni3Mo）。這一發現為開發超高強度、穩定的納米結構金屬材料提供了新的思路。

圖：Ni(26%Mo)過飽和溶液樣品的微觀結構

近期，來自北京科技大學的張先坤、張錚、張躍作為共同通訊作者《Science》期刊上發表了一篇題為“Atomic layer bonding contacts in two-dimensional semiconductors"的研究成果。

這項研究主要探討了二維半導體與金屬之間的接觸問題。傳統上，半導體工業中使用的是共價鍵合接觸，具有強帶耦合和高鍵合強度。然而，在二維半導體范德華接觸中，由于帶耦合弱和鍵合強度低，導致接觸電阻高，接觸穩定性差。針對這一問題，研究團隊提出了一種新的原子層鍵合（ALB）接觸方法。

通過在過渡金屬二硫化鉬單層和金之間建立金屬相干鍵合界面，ALB接觸展示出超低的接觸電阻和優異的熱機械穩定性，其性能可與工業中的共價鍵合接觸相媲美。研究表明，經過高溫退火處理后，該接觸可實現70歐姆-微米的接觸電阻，熱機械穩定性可達400攝氏度，并且最大導電電流可達到每微米1.1毫安，這些性能指標均符合工業集成的要求。

該研究為高性能電子器件的開發及其工業集成提供了新的思路，尤其是在器件尺寸不斷縮小的背景下，具有重要的應用前景和意義。

圖：ALB界面的HAADF-STEM圖像

近期，中科院半導體研究所的游經碧作為通訊作者在《Science》上發表了一篇題為“Homogenized chlorine distribution for >27% power conversion efficiency in perovskite solar cells"的研究論文。文章介紹了一種創新方法，通過均勻分布氯元素，提高了鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率，達到了27.2%的紀錄。

鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率近些年不斷提高，得益于薄膜結晶控制、載流子傳輸層優化和界面鈍化技術的進步。然而，氯元素在鈣鈦礦薄膜中的分布不均勻，成為限制其效率和穩定性的重要因素。研究團隊發現，采用常用的添加劑氯化甲銨(MACl)時，氯元素在薄膜表面富集，導致垂直方向上成分不均勻，抑制了界面載流子提取，降低了電池性能。

為解決這一問題，團隊引入了一種均勻垂直氯分布策略(HVCD)，在鈣鈦礦前體中添加草酸鹽類物質如草酸鉀(PB)。在熱處理過程中，PB分解釋放鉀離子，有效結合氯離子，實現氯元素在薄膜中的均勻分布，減少了界面缺陷和能量障礙。最終，團隊成功制備出高性能的倒置鈣鈦礦太陽能電池，通過認證的穩態光電轉換效率達到了27.2%。

此外，該研究還展示了這類HVCD電池的優越穩定性。在1個太陽光照條件下，電池在最大功率點持續追蹤(MPPT)1529小時后，仍保持86.3%的初始效率；在85℃的條件下，未鈍化的HVCD電池在1000小時的光照老化后，仍保持82.8%的原始效率。

這項研究不僅在提高鈣鈦礦太陽能電池效率上取得了重要突破，同時也為其長期穩定性提供了新的解決方案，未來有望推動鈣鈦礦太陽能電池在實際應用中的發展。

圖 . 鈣鈦礦的表面形貌SEM圖像

University of California, Berkeley的Jeffrey Long作為通訊作者在《Science》上發表了《Multigas adsorption with single-site cooperativity in a metal–organic framework》的研究成果。該研究揭示了一種新型金屬有機框架（MOF），其獨特的結構表現出卓越的氣體吸附性能。

MOFs通常涉及多個結合位點之間的長程通信才能實現協同氣體吸附。然而，該團隊展示了一種含有鈷(II)-甲基位點的MOF，能夠選擇性且可逆地捕獲每個位點兩個一氧化碳（CO）分子。這種結構在常溫常壓下表現出創紀錄的吸附能力。通過氣體吸附、結構分析、光譜分析和計算模擬，研究團隊提出一種機制：首先，一個CO分子的結合觸發了自旋躍遷，隨后第二個CO分子的結合使得第一個CO分子遷移插入到鈷-甲基鍵中形成乙酰基。這種機制導致了協同效應和相變材料的典型特征——sigmoidal吸附等溫線，盡管在框架內沒有長程相互作用。

這種協同效應定義為一個事件的發生改變其他事件的自由能，在少數MOFs中觀察到了這種現象。這種協同氣體吸附現象可以帶來卓越的選擇性和高分離能力。例如，在聚胺附加框架中觀察到的二氧化碳（CO?）協同吸附，在材料的閾值壓力下，CO?插入金屬-胺鍵，觸發其他CO?結合事件，形成沿一維通道的氨基甲酸銨鏈。這種機制對CO?特有，因此即使在存在其他氣體如N?、O?和水的情況下，這些材料仍表現出高CO?吸附能力。

發現新的氣體結合機制對化學分離領域的進步具有重要推動作用，提供高工作容量且僅需最小壓力和溫度變化。然而，表現出協同氣體結合的材料仍然稀少，目前發現的協同吸附例子都涉及相鄰結合位點之間的通信和至少一個維度的長程重組。

此外，在MOFs中，單個金屬位點結合多個氣體分子也是一種罕見現象。迄今為止，MOFs中的金屬位點通常最多只能容納一個客體分子，這固有地限制了吸附能力。在研究的數千種MOF結構中，僅有三個例外沒有長程結構重組：Mn?(dsbdc)、UTSA-74以及PCN-224-Co(II)。其中，PCN-224-Co(II)在極低溫度下非協同地結合兩個CO分子，而Mn?(dsbdc)和UTSA-74中的非協同結合僅限于具有合適開放配位環境的一部分金屬位點。

圖： CoMe-MFU-4l的HAADF和EDS表征

近日，劍橋大學（Cambridge University）的Richard H. Friend,  Samuel D. Stranks作為通訊作者在《Science》上發表了一篇題為“Layer-by-layer epitaxial growth of perovskite heterostructures with tunable band offsets"的研究論文。該研究展示了通過氣相逐層異質外延生長實現鈣鈦礦異質結構的精確層厚控制和可調帶隙的新突破。

鈣鈦礦材料以其優異的光電性能而著稱，但在異質結中精確控制層厚和帶隙一直是個難題。這種控制對于多層量子阱（MQWs）等模塊化多層架構至關重要。研究團隊通過氣相逐層異質外延生長，以CsPbBr₃在單晶PEA₂PbBr₄的沉積為例，展示了這種方法的潛力。該方法實現了埃級厚度控制和次埃級光滑層，成功地從單層到雙層再到體相的CsPbBr3量子限制發光。

研究表明，界面結構可以通過Cs-PEA端接界面（Ⅱ型異質結）和PEA-PEA端接界面（Ⅰ型異質結）來控制電子結構，帶隙偏移超過0.5電子伏特。Ⅱ型Cs-PEA異質結中的CsPbBr₃向PEA₂PbBr₄的電子轉移導致了超過10微秒的電子-空穴復合延遲。這種精確的量子限制控制和大幅度的帶隙可調性為鈣鈦礦異質結作為可擴展的超晶格基礎光電應用平臺開辟了新的可能。

該研究成功展示了氣相逐層異質外延生長在鈣鈦礦材料中的應用，為實現精確的納米尺度帶隙工程和電子活性層的多層異質結構設備提供了新的路徑，具有廣泛的潛在應用價值。

圖： CsPbBr₃-PEA₂PbBr₄原子尺度表征