顶刊速递17丨《Nature》最新研究集锦，看我们的用户如何引领电镜科技

香港城市大学任广禹、中国科学院深圳先进技术研究院张杰、香港岭南大学吴圣钒、吉林大学蒋青作为共同通讯作者发表了题为《Toughened self-assembled monolayers for durable perovskite solar cells 》的研究论文。

该研究团队在钙钛矿太阳能电池（PSCs）领域取得了突破性进展，提出了一种通过交联强化自组装单分子层（SAM）的方法，显著提升了PSCs的稳定性和耐久性。

自组装单分子层（SAM）在反向钙钛矿太阳能电池（PSCs）的孔选择性中发挥了关键作用，使得电池的认证能量转换效率（PCE）达到了26.7%。然而，SAM的不稳定性往往会影响器件的实际操作性能，限制了其广泛应用。为了解决这个问题，研究团队采用了一种含叠氮基的SAM，可以通过热激活形成交联和高密度组装的共SAM（co-SAM），从而提升其热稳定性和结构稳定性。

研究表明，这种新型共SAM可以有效减少热应力下松散SAM的摆动导致的基底表面暴露，从而防止钙钛矿降解。实验结果显示，这种改进后的PSCs在最佳性能下达到了26.92%的认证PCE，并且在85℃下进行1000小时最大功率点跟踪时表现出优异的热稳定性，几乎没有衰减。此外，在-40℃到85℃之间进行700次重复热循环后，仍能保持98%以上的初始PCE，创下了该领域的最新纪录。

这项研究不仅为自组装单分子层的降解机制提供了深入的理解，还为高粗糙度基底采纳的SAM基器件的设计提供了指导，旨在实现高效且耐久的钙钛矿太阳能电池。该研究对提升反向PSCs的操作稳定性和与串联器件的兼容性具有重要意义，有望推动钙钛矿太阳能电池的实际应用。

图：加固的SAMs提高PSCs稳定性的机制研究

复旦大学智能材料与未来能源创新学院宋云，西湖大学工学院朱一舟、向宇轩作为共同通讯作者发表了题为《Probing the Heterogeneous Nature of LiF in Solid-Electrolyte Interphases》的研究论文。

锂离子电池（LIBs）的性能在很大程度上依赖于电解质和电极之间的固态电解质界面（SEI）。其中，氟化锂（LiF）作为SEI的重要成分，其化学组成和结构特性一直是研究的难点。此次研究通过固态核磁共振（NMR）、同步辐射X射线衍射和冷冻电子显微镜（cryo-EM）等技术，揭示了LiF在SEI中的异质性。

研究发现，LiF在SEI中会形成富氢相（LiH1-yFy）和富氟相（LiF1-xHx）的固溶体，这些发现通过^19F和^6Li同位素NMR得到验证。进一步的研究表明，在高库仑效率电解液中，LiH1-yFy相较为占优势，这可以解释为LiF-LiH固溶体的离子导电性优于纯LiF。

作为概念验证，研究团队展示了富含LiH1-yFy的涂层层在锂金属电池中相比于富含LiF的涂层层具有明显的优势。这一新的理解为电极电解质界面设计提供了新的视角。

此次研究不仅深化了对SEI中LiF成分的认识，还为未来电解质和电池的创新设计提供了重要的理论依据。

图：TEM和EELS表征

劳伦斯伯克利实验室的Haimei Zheng作为通讯作者发表了《Isothermal solidification for high-entropy alloy synthesis》的研究成果。

高熵合金（HEAs）作为一种新兴材料，由于其在催化剂、电池等领域的潜在应用，近年来受到了广泛关注。然而，传统的快速冷却固化方法虽然可以有效地捕获高温态来合成高熵合金，但在控制其结晶度、结构和形貌方面存在固有的限制。为了克服这些局限性，研究团队提出了一种等温凝固策略，通过在低温（例如25°C到80°C）下快速改变金属合金组成来合成高熵合金。

该方法利用镓（Ga）基液态金属作为牺牲试剂和混合介质，通过在液-液界面上进行反应来实现金属离子的还原和迅速融入液态金属，从而形成各种结晶度（单晶、介晶、多晶和非晶）、形貌（零维、二维和三维）和成分的高熵合金。镓可以完全消耗掉，生成不含镓的高熵合金；如果需要，镓也可以成为最终产物中的一种金属元素。

通过最先进的液相透射电子显微镜（TEM）技术，研究团队在原子级别上监测了动态固化过程，揭示了等温凝固的机制。他们的直接观测显示了液态金属元素的增强混合和波动的成核动态，这标志着通过一种未探索的路径捕获高熵态的强大策略。

这项研究提供了一种快速冷却之外捕获液态合金状态的新途径，为高熵合金的合成带来了突破性的进展。

图 . 具有不同结晶度和形貌的HEA-NPs的受控合成

MIT的Xudong Zheng, Jiangtao Wang, Jing Kong作为通讯作者发表了《Electrostatic-repulsion-based transfer of van der Waals materials》的研究成果。

该研究揭示了一种先进的静电排斥转移技术，显著提升了范德华材料在电子学领域的应用潜力。

范德华材料（vdW）以其原子级薄层结构，在下一代互补金属氧化物半导体（CMOS）技术中展现出巨大潜力。这些材料不仅适用于前端超小型通道材料，还能作为3D单片集成构建块与硅CMOS平台进行整合。然而，高质量的范德华材料通常不能直接在目标基板上生长，因为其生长条件苛刻，例如高温、反应性蒸汽和CMOS不兼容的促进剂（如氯化钠），可能会对底层基板和电路造成损害。同时，外延和晶圆级生长需要匹配晶格的基板，这些都要求后期的层转移，即将范德华材料从生长基板上移除并转移到目标基板上。

该研究团队提出了一种静电排斥启用的高级转移技术，使用氨水溶液与CMOS工业兼容，不需要蚀刻，具有高成品率、快速、晶圆级、低成本和广泛适用性。该技术确保了材料的高完整性和界面清洁度，使得2D场效应晶体管的设备性能显著提升，达到了100%的成品率，近零滞后（7毫伏）和近理想的亚阈值摆幅（65.9毫伏/十年）。与铋接触结合进一步实现了在1伏偏压下1.3毫安/微米的超高开态电流。这种先进的转移方法为基于范德华材料的电子学提供了一种便捷且可制造的解决方案，为未来先进的3D集成铺平了道路。

图： EDL-MoS2的STEM图像

中国科学院大连化物所陈萍、曹湖军、张炜进作为通讯作者发表题目为《A room temperature rechargeable all-solid state hydride ion battery》 的研究成果。

文章介绍了一种以氢化物离子（H?）作为载流子的电池系统。氢化物离子作为负电荷载体，具有比阳离子更高的能量、极化性和反应性。这种以H?为媒介的电化学过程与现有系统截然不同，能够推动可充电电池、燃料电池、电解池和气体分离膜等创新电化学设备的发展。

研究团队开发了一种核壳结构的氢化物3CeH?@BaH? ，该材料在常温下表现出快速的H?导电性，并在60°C以上成为超离子导体。利用这种氢化物，研究人员构建了一种全固态可充电氢化物离子电池CeH?|3CeH?@BaH?|NaAlH?，该电池在常温条件下运行，采用NaAlH4和CeH2分别作为正极和负极材料。该电池初始比容量为984?mAh/g，经过20次循环后仍能保持402?mAh/g的容量。使用氢作为载流子可以避免有害金属枝晶的形成，从而为清洁能源存储和转换开辟了新的研究途径。

这项研究不仅展示了H?导电材料在电池系统中的潜力，还为未来开发低温、高效的氢化物离子电池和燃料电池提供了重要的理论和实践基础。

图：3CeH?@BaH?的HRTEM图