段镶锋教授课题组近期Nature等研究成果集锦

1. Nature：把二维范德华异质结合成到底！

迄今为止，大多数范德华异质结材料都是通过机械剥离或者人工堆叠方法实现。这些方法适用于基础研究过程中的概念验证，但并不适用于对于实际应用体系的发展。和所有纳米材料一样，要想全面探索范德华异质结的潜力，首先就必须实现范德华异质结的规模化精确控制合成，这是该领域长期以来，也是今后很长一段时间都会面临的关键挑战之一。

有鉴于此，湖南大学段曦东教授和加州大学洛杉矶分校段镶锋教授等人合作，报道了二维范德华异质结的普适性可控精确合成，并构建了高电流密度的晶体二极管，为实用化应用开辟道路。

本文要点：

1）作者首先在单层或双层s-TMD（例如WSe₂，WS₂，MoS₂）上进行图案化，制造出具有周期性阵列的成核位点。在该阵列上，m-TMD可以选择性成核并生长以形成周期性m-TMD / s-TMD范德华异质结。

2）这种策略适用于各种不同材料，不限于特定化学组成或晶格结构。可用于处理s-TMD和m-TMD之间的二维vdWH阵列，不受晶格差异的影响。作为演示，研究人员利用原子精确的，接近理想的范德华界面制造出各种2D范德华异质结，包括VSe₂/WSe₂，NiTe₂ / WSe₂，CoTe₂/ WSe₂，NbTe₂ / WSe₂，VS₂ / WSe₂，VSe₂/ MoS₂和VSe₂ / WS₂。

3）这些材料具有广泛可调的莫尔超晶格，为构建高性能电子设备提供了基础。在双层WSe₂晶体管中，研究人员实现了高达900 μA μm^-1的高导通电流密度。 

总之，这项研究是范德华异质结领域的一项堪称里程碑的重要进展，极大地推动了范德华异质结半导体在高性能电子器件领域的实用化进程。 

Jia Li et al. Generalsynthesis of two-dimensional van der Waals heterostructure arrays. Nature 2020.

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2098-y

2. Matter：范德瓦尔斯电极集成高性能二维材料忆阻器

近日，西北工业大学黄维院士团队与加州大学洛杉矶分校段镶锋教授团队、黄昱教授团队合作报道了适用于原子尺度忆阻功能层的范德瓦尔斯金属电极集成技术，不同于传统的热沉积过程中形成的强键和作用，通过范德瓦尔斯作用集成电极和忆阻功能层可以保证忆阻功能层与电极间的温和接触，大大减小器件界面的损坏。因此可以使用范德瓦尔斯电极集成技术获得可靠的忆阻特性，大大提高器件产率。

本文要点：

1）该工作采用超薄的二维材料构建忆阻器不仅可以减小器件的尺寸，还可以集成二维材料在电学、热学、机械等方面的诸多优越性能。研究团队选择表面有原子薄的绝缘氧化层（SnO_x）的二维材料硒化锡（SnSe）作为忆阻功能层，通过转移活性金属银（Ag）薄膜作为电极，制备得到器件（Ag/SnO_x/SnSe），截面透射电子显微镜（TEM）结果表明相对于蒸镀器件杂乱无序的界面，范德瓦尔斯器件具有精细的界面结构。

2）电学测试结果表明，该忆阻器具有100%的器件产率，开始阶段不需形成过程。0.4 V低电压下即可得到非易失性忆阻性能，读写擦循环可维持4000次几乎没有衰减，高低导电态可维持10⁵秒没有衰减，且开关比可保持10³，证明了该器件作为存储器具有优异的循环和维持特性，忆阻器而这些特性在蒸镀银电极的器件中均不存在。比较结果表明该器件在所报道的二维材料忆阻器中具有优异的器件性能。

3）得益于沟道二维材料SnSe的半导体特性，研究团队可以用栅电极调控器件Ag/SnO_x/SnSe的忆阻性能，在此基础上他们可以模拟栅控长时程记忆（LTM）与短时程记忆（STM）间的转化、类脉冲时序依赖可塑性（STDP），表明该器件可以作为一个有效的神经突触，实现同源突触可塑性和异源突触可塑性。

4）研究团队进一步通过设计多端电极器件、截面透射电子显微镜（TEM）成像、元素分布测试、变温测试等手段证明了SnO_x和Ag之间具有精细的范德瓦尔斯接触，论证了该器件的忆阻机理为电化学金属化（ECM）机制。

Guo, Jiian, Wang,Laiyuan, et al. Highly Reliable Low-Voltage Memristive Switching and ArtificialSynapse Enabled by van der Waals Integration. Matter (2020).

DOI: 10.1016/j.matt.2020.01.011

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238520300114

3. Nano Research：Pt₃Ag合金波浪纳米线作为乙醇氧化反应的高效电催化剂

由于乙醇比压缩氢气更容易存储和运输，使得直接乙醇燃料电池（DEFC）引起了广泛的研究关注。然而，电催化乙醇氧化反应通常需要贵金属催化剂，并且存在较高的过电位和较低的质量活性。有鉴于此，加州大学洛杉矶分校段镶锋教授和黄昱教授报道了通过一种简便的溶剂热过程中的粒子附着机制来合成Pt₃Ag合金波浪状纳米线的策略。

文章要点：

1）TEM和EDS显示出Pt₃Ag合金具有高度呈波浪形的纳米线结构，平均直径为4.6±1.0 nm，并且元素分布均匀。

2）电催化研究表明，所得合金纳米线可作为乙醇氧化反应（EOR）的高效电催化剂，具有28.0 mA/cm²的超高比活度和6.1 A/mg的质量活度，远远超过了商用Pt/碳样品（1.10 A/mg）。

3）由于Pt₃Ag合金中从Ag到Pt的部分电子转移，这削弱了CO结合和CO中毒作用。因此促进了合金的电催化活性，同时，一维纳米线形态还有助于产生有利的电荷传输性能，这对于将电荷从催化活性位点提取到外部电路至关重要。

4）计时电流法研究表明，与商业化的Pt/C样品相比，Pt₃Ag可以长期运行，且稳定性得到显著提高，这使得Pt₃Ag波浪形纳米线可作为EOR的有极大吸引力的电催化剂。

Fu, X., Wan, C., Zhang, A. et al. Pt₃Ag alloy wavy nanowires as highly effective electrocatalysts for ethanol oxidation reaction. Nano Res. (2020).

DOI：10.1007/s12274-020-2754-4

https://doi.org/10.1007/s12274-020-2754-4

4. Chem：二茂铁垂直分子隧道结电荷传输的氧化还原控制

分子隧穿器件是未来电子器件的重要研究方向，具有非常小的尺寸和可调的功能。通过分子隧道利用各种化学物理和化学机制来调节电荷传输的能力，是实现功能性系统的关键。近日，英国兰开斯特大学的Colin J. Lambert & 美国加州大学洛杉矶分校的段镶锋等人，报道了一种新的氧化还原控制方法，用于控制垂直金/自组装单层(SAM)/ 基于二茂铁基SAM的单层石墨烯(SLG)的隧道结中的横向电荷传输。

本文要点：

1）通过SLG上的化学/电化学氧化还原反应，隧道结可以在具有较大开/关电导比的中性和氧化态之间进行切换。

2）在石墨烯上实现化学/电化学氧化还原反应的空间分离；

3）自组装单层膜中的可逆氧化还原反应会改变电导。

Jia et al.，Redox Control of Charge Transport in Vertical Ferrocene Molecular Tunnel Junctions. Chem.

DOI: 10.1016/j.chempr.2020.02.018

https://doi.org/10.1016/j.chempr.2020.02.018

5. AEM: ORR单原子催化剂分子设计的研究进展

不可再生化石燃料的大量使用加剧了全球变暖和大气污染，采用可再生的清洁能源有望缓解这些能源和环境问题。燃料电池，是一种高效的清洁能源转换装置。目前，贵金属催化剂的高成本是阻碍燃料电池被广泛应用的主要原因，尤其是阴极缓慢的氧还原反应（ORR）。为了降低成本，使用非贵金属（NPM）ORR催化剂是未来的必然趋势。单原子催化剂（SACs）是一种新型的ORR催化剂，具有最大限度地利用金属前驱体和灵活调控金属中心活性的优势。目前，单原子ORR催化剂的催化性能在酸性条件下和商业Pt/C催化剂依然有着较大的差距。因此，准确分析单原子活性中心上的ORR反应机理并且从分子层面设计单原子活性中心结构对于进一步提高单原子ORR催化剂的性能具有重要意义。

有鉴于此，美国加州大学洛杉矶分校黄昱教授和段镶锋教授等人合作综述了ORR单原子催化剂在分子层面设计的研究进展。

本文要点：

1）他们首先简要介绍了燃料电池和单原子ORR催化剂。然后详细介绍了优化SACs的ORR活性的相关策略研究进展。最后还讨论了SACs面临的挑战和未来的发展方向。

2）活性位点的浓度，金属中心的配位和电子结构，载体-金属之间的相互作用，比表面积，导电性，多孔性和基底形貌等性质都对ORR SACs的活性和稳定性具有重要影响。目前，大多数Fe-N-C单原子催化剂由碳基材料组成，由于Fenton反应的发生，易发生腐蚀和活性位点的衰退。因此，提高碳载体的耐腐蚀性是设计制备非贵金属催化剂的一个关键挑战。

3）开发非贵金属催化剂的未来方向包括：a. 通过先进的原位表征手段分析SACs的制备机理和构效关系；b. 寻找通用的单原子催化剂制备策略；c. 统一RDE和MEA测试标准，为准确评价不同SACs的ORR性能提供一致的标准。

Chengzhang Wan et al. Molecular Design of Single‐Atom Catalysts for Oxygen Reduction Reaction. Advanced Energy Materials, 2020.

DOI: 10.1002/aenm.201903815

https://doi.org/10.1002/aenm.201903815