顶刊速递19丨《Nature》最新研究集锦，看我们的用户如何引领电镜科技

近日，来自University of Illinois, University of Michigan, Pennsylvania State University的Kristen A. Fichthorn，Sharon C. Glotzer，Qian Chen作为共同通讯作者在《Nature》期刊上发表了一篇题为"Patchy nanoparticles by atomic stencilling"的文章。

研究人员提出了一种创新的原子模板法，用于制备表面带有聚合物斑点的纳米粒子（NPs）。传统的模板技术主要依赖于上向下的微制造方法，如光刻技术，通过在掩膜上进行图案化来实现。然而，这些方法在进一步缩小特征尺寸以及应用于复杂三维表面时受到了限制。相比之下，研究者们开发的原子模板法则采用下向上的自组装过程，通过化学反应或物理相互作用来实现纳米级别的精确图案化。

在这一研究中，研究人员使用表面吸附的碘化物亚单层作为掩膜，并通过配体介导的方式将聚合物涂覆到未掩蔽的区域，从而成功制备了多达20种不同类型、表面带有高均匀性聚合物斑点的纳米粒子。通过聚合物缩放理论和分子动力学模拟，研究团队发现这一方法生成的斑点粒子具有前所未有的独特形貌。这些带有聚合物斑点的纳米粒子由于其高度均匀的斑点，能够自组装成不同的非紧密堆积超晶格。

这项研究不仅在纳米尺度图案化方面取得了重要突破，还为其他基底的精确化学、反应性和相互作用控制开辟了新途径。该技术有望在精准药物递送、催化、微电子、集成超材料和组织工程等领域获得广泛应用。

图：碘化物包裹的八面体

近日，一项关于非范德瓦尔斯（non-vdW）超晶格的研究成果在《Nature》期刊上发表，题为《Non-van der Waals superlattices of carbides and carbonitrides》。北京航空航天大学材料科学与工程学院杨树斌为通讯作者。

传统上，人工超晶格是由原子层通过逐层堆叠或顺序外延生长构建而成，如石墨烯超晶格。这种范德瓦尔斯超晶格由于界面耦合较弱，限制了其性能的提升。本研究团队提出了一种高效合成方法，成功制造了一系列碳化物和碳氮化物的非范德瓦尔斯超晶格。这些超晶格通过层间的氢键结合，通过刚度介导的卷曲策略实现。

研究的关键步骤是通过在MX层中创造金属空位，定制从MAX相中导出的原子层的弯曲刚度，从而在快速弯曲变形下触发有序的卷曲。与范德瓦尔斯超晶格不同，这些非vdW超晶格具有氢键结合，提供了强大的层间电子耦合，高度集中的电荷载流子（10²²?cm^?3）。因此，这些超晶格表现出约 30,000?S cm^?1 的显著电导率，是其对应物的约22倍。

在电磁干扰屏蔽应用中，最优的非vdW超晶格膜展示了124dB的卓越屏蔽效果，超越了任何已知的具有相似厚度的合成材料。预计非vdW超晶格将显著拓宽材料平台，提供多样的组成和晶体结构，为人工堆叠系统的新发展提供可能。

图：超晶格的TEM表征

Rensselaer Polytechnic Institute, Florida State University的Yunfeng Shi，Hanwei Gao，Jian Shi作为通讯作者发表了《Long-distance remote epitaxy》的研究成果。该研究揭示了远程外延技术的新突破，为电子和光电子器件的发展带来了新的机遇。

远程外延是一种通过远程相互作用在薄膜和基底之间建立外延关系的技术，可以实现高质量单晶外延层的生长，并将其转移到其他重要的基底上。在传统观点中，远程外延的作用距离通常被认为小于1纳米，因为电位在几个原子距离后会迅速衰减。然而，Jian Shi教授团队的研究表明，远程外延的作用距离可以达到2至7纳米。

在实验中，研究人员成功实现了CsPbBr3薄膜在NaCl基底上的远程外延、KCl薄膜在KCl基底上的远程外延，以及ZnO微杆在GaN上的远程外延。研究发现，在GaN基底下每个远程外延的ZnO微杆下方都存在一个位错，这表明通过控制缺陷可以设计和工程化远程外延。

远程外延是一种新兴的外延生长技术，预计将为设计先进的电子和光电子器件带来丰富的机遇，摆脱晶格匹配概念的限制。在远程外延中，典型的单层二维材料作为电静半透明缓冲层，基底电位减弱但仍然足够强大，引导原子的成核和生长。薄膜与基底之间的弱相互作用允许薄膜组件在后续步骤中转移到其他化学或结构上完全不同的基底。

研究团队展示了远程外延技术在不同材料上的应用，包括GaAs、InP、GaP、VO?、SrTiO₃、BaTiO₃、CoFe?O₄、Y₃Fe₅O₁₂、Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃、CsPbBr₃、GaN、ZnO和AlN，并将远程外延薄膜应用于各种设计和器件实现中，包括可重构二极管、磁电器件、发光二极管、光电探测器和电子皮肤。

这种技术的潜在应用不仅限于高质量单晶薄膜的生长，还可以提高电子和光电子器件的性能和设计自由度。远程外延的这一突破为未来的材料科学和工程应用提供了新的视角。

图 . 在a-C/GaN上外延生长ZnO

复旦大学的周鹏, 刘春森作为通讯作者发表了《A full-featured 2D flash chip enabled by system integration》的研究成果。

论文介绍了一个由2D材料为核心的全功能NOR闪存芯片，通过原子级设备到芯片技术（ATOM2CHIP）实现系统集成。该技术结合了优越的2D电子设备作为存储核心，并配备了强大的CMOS平台以支持复杂的指令控制。ATOM2CHIP技术蓝图包括全栈芯片工艺和跨平台系统设计，为从新兴设备概念到适用芯片的过渡提供了完整框架。

这一全栈芯片工艺专门设计了包含平面集成、三维架构和芯片封装的流程，确保了94.34%的高良率。跨平台系统设计处理了2D电路设计与2D-CMOS模块兼容性验证设计，最终实现了一个具有8位命令和32位并行的高复杂度指令驱动的全功能芯片。

论文显示，2D材料即使在单层厚度下也表现出卓越的电子特性，并且范德华异质结构使电子能带进行精细调控。这些特性使得2D电子设备能够延续硅技术的缩放能力，并创造根本性的设备机制。作为集成电路半导体设备的一种展示，2D闪存表现出比硅闪存（主流非易失性存储技术）更快的Fowler-Nordheim隧道编程速度和更好的通道长度缩放优势。

近年来，无论是工业界还是学术界，集成2D半导体的研究越来越受到关注。2D电子设备与成熟的硅CMOS逻辑电路结合，将是展示2D电子设备在系统级别的优势、加速新兴设备从实验室到工厂过渡的理想途径。论文中的研究提出了一种有效的系统集成策略，展示了2D电子系统的优越性。

图： 2D闪存芯片的STEM图像

近期，上海交通大学的赵一新、陈悦天、缪炎峰和郭永胜作为共同通讯作者在《Nature》上发表了一篇题为《A matrix-confined molecular layer for perovskite photovoltaic modules》的研究文章。

钙钛矿材料因其优异的光电性质，近年来成为光伏领域的研究热点。钙钛矿太阳能电池的能量转换效率（PCE）逐步逼近商用硅电池，为其工业化应用铺平了道路。然而，目前大多数高效的倒置型钙钛矿太阳能电池由于自组装分子（SAMs）的聚集和疏水性问题，仍面临诸多挑战。

为了解决这一问题，研究团队提出了一种“自组装分子-基质”（SAM-in-matrix）策略，通过将部分自组装分子分布在稳定的三（五氟苯基）硼基质中，从而打破原有分子堆积引起的聚集问题。二维晶格蒙特卡洛模拟和实验结果表明，这一策略可以形成高效的电荷传输通道。基于这种SAM-in-matrix空穴传输层（HTL）的器件展示了在各种自组装分子中普遍更高的效率，具有紧密的表面覆盖率、良好的导电性和大幅减少的埋藏纳米空隙。此外，该策略在规模化生产中显示出显著的应用潜力。

利用FTO/NiOx基板上的SAM-in-matrix HTL，有助于形成具有良好晶体质量和增强导电性的钙钛矿大面积薄膜。最终，研究团队成功制备出面积达1m×2m的大面积钙钛矿太阳能模块，并以20.05%的认证效率创下了新的纪录。

图：钙钛矿在NiOx/Me4PA@BCF衬底的HRTEM图

近日，上海科技大学于奕，比利时安特卫普大学Timothy Pennycook，美国普渡大学Dou Letian     在《Nature》发表了一篇题为“Atomically resolved edges and defects in lead halide perovskites”的研究论文。他们的研究揭示了铅卤化物钙钛矿材料边缘和缺陷的详细原子结构及其动态特性。

铅卤化物钙钛矿是一种有机-无机半导体材料，具有优越的成本效益和有趣的光电性能，备受关注。然而，由于其极高的敏感性，迄今为止很难获得其边缘的清晰图像。该研究团队采用了先进的四维扫描透射电子显微镜技术，以极低的剂量进行重叠成像，首次在原子分辨率上揭示了钙钛矿边缘和内部缺陷的结构。研究发现，在甲基铵铅碘化物（MAPbI3）中，甲基铵和碘的边缘终止占多数，边缘和内部缺陷的损伤率与存在的空位浓度和类型有关，特别是碘空位的存在与更高的损伤率相关。

钙钛矿材料因其高效、易于制造、可调性质和多用途而在太阳能应用中备受关注。然而，解决边缘、缺陷和稳定性问题对于实现其潜力至关重要。钙钛矿材料的结构形式为ABX3，其中A代表单价阳离子，B为金属阳离子，X为卤素阴离子。各元素在钙钛矿稳定性中具有不同但关键的作用。计算和实验研究表明，B位的低配位可能是最不稳定的，其通过各种路易斯碱分子的钝化可显著提高稳定性和光伏效率。然而，由于这些高度敏感材料的原子分辨率成像挑战，原子级的洞察仍然有限。

该研究不仅为理解铅卤化物钙钛矿的边缘和缺陷提供了重要的原子级信息，也为未来提高钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性提供了新的思路和方法。

图：MAPbI₃的原子分辨成像

近日，清华大学深圳国际研究生院康飞宇、贺艳兵、吕伟、侯廷政联合天津大学杨全红作为通讯作者在《Nature》发表了一篇题为“A ductile solid electrolyte interphase for solid-state batteries”的研究论文。本研究针对固态锂金属电池（SLMBs）在实际工作条件下面临的巨大挑战提出了创新性的解决方案。

固态锂金属电池被认为是电动汽车和大规模能源存储系统的最有前景的候选者之一。然而，在高面积容量和高电流密度的实际条件下，不受控制的锂枝晶生长严重阻碍了其商业应用。现有的固态聚合物电解质（SPEs）虽然在界面亲和性方面优于固态无机电解质，但其离子电导率和稳定性不足以实现锂离子的均匀快速运输。即使通过微结构设计或与陶瓷混合制造复合SPEs（CSPEs）来显著提高离子电导率，电池仍难以在实际SLMBs的快速充电要求下实现高于5 mA/cm2电流密度和5 mAh/cm2面积容量的目标。

研究团队发现，传统富含氟化锂（LiF）的固体电解质界面（SEI）尽管可以抑制锂的穿透，但其固有的脆性和锂离子扩散障碍使得在高电流密度和高面积容量下难以保持界面完整性，导致严重的锂枝晶生长、副反应和界面开裂。为此，研究团队开发了一种富含银硫化物（Ag?S）和氟化银（AgF）成分的韧性SEI。这种SEI在电解质侧具有对称的富无机结构，而在锂金属侧则为亲锂银/锂结构，确保了在高电流密度和高面积容量下的高结构稳定性和快速离子运输。

实验结果显示，即使在15 mA/cm2高电流密度和15 mAh/cm2面积容量下，采用该SEI的对称锂电池仍具有超过4500小时的长循环寿命。此外，即使在-30°C的低温环境下，在5 mA/cm2和5 mAh/cm2的实际条件下，该韧性SEI仍能工作超过7000小时。

该研究为实现长循环寿命的固态锂金属电池提供了一种实用方案，即使在极端条件下仍能保持高性能。这一发现对于电动汽车和大规模能源存储系统的未来发展具有重要意义。

图：SEI的冷冻电镜图像