國際頂尖學術期刊Nature和Science呈現(xiàn)給讀者最具影響力的科研成果，引領著當今最前沿的科研方向。本文盤點了2019年在Nature/Science上發(fā)表的被引頻次最多的10篇材料類文章，以供廣大科研工作者參閱。其中鈣鈦礦太陽能電池、超導材料、范德瓦爾斯異質(zhì)結構、拓撲材料研究方向成為2019年高引材料類論文中的王牌。

1、Nature：P3HT助力高效、穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池

聚（3-己基噻吩）（P3HT）是一種替代的空穴運輸材料，具有優(yōu)異的光電性能、低成本和易于制造，但迄今為止，使用P3HT的鈣鈦礦太陽能電池的效率僅達到16%左右。韓國化學技術研究所Jun Hong Noh、Jangwon Seo教授團隊提出了一種高效鈣鈦礦太陽能電池的設備架構，使用P3HT作為空穴傳輸材料，沒有任何摻雜。在窄帶隙吸光層的頂部，正己基三甲基溴化銨在鈣鈦礦表面發(fā)生原位反應，形成一薄層寬帶隙鹵化鈣鈦礦。設備經(jīng)認證的功率轉換效率為22.7%；在85%的相對濕度下表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性封裝后，在室溫條件下，標準太陽光照射下，可長期穩(wěn)定工作1370h，保持了95%的初始效率。將平臺擴展到大面積模塊（24.97cm2），并且實現(xiàn)了16.0%的功率轉換效率。利用寬禁帶鹵化物實現(xiàn)P3HT作為空穴傳輸材料的潛力，是鈣鈦礦太陽能電池研究的一個有價值的方向。相關研究以“Efficient, stable and scalable perovskite solar cells using poly（3-hexylthiophene）”為題目，發(fā)表在Nature上。

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DOI: 10.1038/s41586-019-1036-3

圖1 基于PSHT的雙層鹵化物結構

2、Science: Eu3+/Eu2+離子對賦予鈣鈦礦太陽能電池超強耐久性

金屬鹵化物鈣鈦礦吸收器中的軟質(zhì)組分在器件制造和運行過程中，經(jīng)常產(chǎn)生鉛（Pb）0和碘（I）0缺陷。這些缺陷不僅是導致器件效率下降的復合中心，而且是影響器件壽命的降解引發(fā)劑。北京大學周歡萍、孫聆東和嚴純?nèi)A院士課題組證明了銪離子對：Eu3+-Eu2+作為“氧化還原梭”，選擇性地氧化Pb0，同時在循環(huán)過渡中減少I0缺陷。該裝置實現(xiàn)了21.52%的功率轉換效率（PCE），大大提高了長期耐久性。設備在1日連續(xù)光照或85°C，1500h，分別保留了92%和89%的峰值PCE，在最大功率點跟蹤500h后，分別保留了91%的原始穩(wěn)定PCE。相關研究以“A Eu3+-Eu2+ ion redox shuttle imparts operational durability to Pb-I perovskite solar cells”為題目，發(fā)表在Science上。

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DOI: 10.1126/science.aau5701

圖2 銪離子對促進Pb0和I0到Pb2+和I-

3、Science: 一種壓電性強于鋯鈦酸鉛的分子鈣鈦礦固溶體

壓電材料在應變時產(chǎn)生電流，使它們成為各種傳感應用的理想材料。最有效的壓電材料是陶瓷固體溶液，其中壓電效應在所謂的變形相邊界（MPBs）處得到優(yōu)化。由于陶瓷的一些機械性能，它并不適合各種應用。南昌大學&東南大學熊仁根教授團隊從分子鈣鈦礦（TMFM）x（TMCM）1-xCdCl3固溶體（TMFM，三甲基氟甲基銨；TMCM，三甲基氯甲基銨，0≤x≤1）合成了壓電材料，其中MPB存在于單斜晶相和六方相之間。研究者們發(fā)現(xiàn)與高性能壓電陶瓷相比，其壓電系數(shù)d33為~1540（picocoulombs per newton）皮古爾頓/牛頓。該材料在可穿戴壓電裝置中具有潛在的應用。相關研究以“A molecular perovskite solid solution with piezoelectricity stronger than lead zirconate titanate”為題目，發(fā)表在Science上。

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DOI: 10.1126/science.aav3057

圖3 （TMFM）x（TMCM）1-xCdCl3固溶體（0≤x≤1）的壓電和鐵電性能

4、Nature: “超氫化鑭”化合物的具有高溫超導特性

超導體由于其獨特的物理性能，如完全抗磁性，零電阻特性，通量量子化特性等，而被視作一種重要的革命性材料。但由于超導材料結構的極端復雜性以及超導特性必須在低溫下才能顯現(xiàn)，所以其研發(fā)進度相對較慢。德國馬普化學研究所M. I. Eremets教授等人報道了一種具有方鈉石狀結構的“超氫化鑭”化合物的具有高溫超導特性（CaH6 （Tc=245 K）），首先他們La+H2的混合物在150-180GPa加壓后制得一系列LaHx化合物，接著通過X射線衍射觀察了樣品的特征，并對樣品所含fcc相進行了統(tǒng)計。研究分別對不同的樣品測定了其R-T曲線，從而得到了超導轉變溫度。實驗結果發(fā)現(xiàn)，對LaH3施加170 GPa的壓力后，便可以在零下23℃表現(xiàn)出超導特性，再次突破高溫超導記錄，這是目前為止發(fā)現(xiàn)的最接近室溫的超導材料，具有里程碑意義。相關研究以“Superconductivity at 250 K in lanthanum hydride under high pressures”為題目，發(fā)表在Nature上。

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DOI: 10.1038/s41586-019-1201-8

圖4 La+H2的混合物樣品的表征及超導性

5、Science：調(diào)整扭曲雙層石墨烯的超導性

扁平電子帶材料由于具有很強的相關性，常常表現(xiàn)出奇異的量子現(xiàn)象。在雙層石墨烯中，只要簡單地旋轉1.1°，就可以形成一個孤立的低能平帶，從而產(chǎn)生門極可調(diào)的超導和相關的絕緣相。在這項研究中，哥倫比亞大學的Cory R. Dean和加州大學圣巴巴拉分校的Andrea F. Young等人證明，除了扭轉角，層間耦合可以改變，以精確調(diào)整這些相位。通過改變層間間距與靜水壓力的關系，在大于1.1°的扭轉角下誘導超導性，否則相關相位將不存在。低無序裝置揭示了超導相圖的細節(jié)以及它與附近絕緣體的關系。研究結果表明，扭曲雙層石墨烯是探索相關狀態(tài)的一個獨特的可調(diào)平臺。相關研究以“Tuning superconductivity in twisted bilayer graphene”為題目發(fā)表在Science上。

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DOI: 10.1126/science.aav1910

圖5 扭曲角為1.14°時器件的超導性

6、Nature: 范德瓦爾斯異質(zhì)結構中存在莫爾激子的證據(jù)

近年來，范德瓦爾斯材料單分子層的分離和疊加研究取得了一些進展，為最終的二維極限量子材料的制備提供了方法。在疊加兩個單層半導體形成的范德華異質(zhì)結構中，晶格失配或旋轉失配引入了平面內(nèi)的莫爾超晶格。人們普遍認為，云紋超晶格可以調(diào)節(jié)材料的電子能帶結構，并在相互關系的驅動下產(chǎn)生非常規(guī)的超導性和絕緣性能。然而，關于莫爾超晶格對光學性能的影響，還沒有進行過實驗研究。在此，德克薩斯大學奧斯汀分校Li Xiaoqing教授聯(lián)合阿貢國家實驗室Wu Fengchen教授等人報告了在具有小扭轉角的二烯化鉬/二烯化鎢（MoSe2/WSe2）異膽層中，正或負圓極化發(fā)射的多層激子共振現(xiàn)象。我們把這些共振歸因于限制在莫爾勢中的激子基態(tài)和激發(fā)態(tài)。這種解釋得到了復合動力學和層間激子共振與扭轉角和溫度的依賴關系的支持。這些結果表明，利用范德華異質(zhì)結構設計人工激子晶體用于納米光子學和量子信息應用是可行的。相關研究以“Evidence for moiré excitons in van der Waals heterostructures”為題目，發(fā)表在Nature上。

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DOI: 10.1038/s41586-019-0975-z

圖6 1°扭轉角MoSe2/WSe2異動層的光致發(fā)光

另外還有兩篇關于范德瓦爾斯異質(zhì)結構的研究：

7、Nature: WSe2/WS2異質(zhì)結構超晶格中的莫爾激子

加州大學伯克利分校王楓團隊報告了在二硒化鎢/二硫化鎢（WSe2 / WS2）異質(zhì)結構中的莫爾超晶格激子態(tài)的觀察，其中層緊密排列。莫爾激子帶提供了一個有吸引力的平臺，可以從中探索和控制物質(zhì)的激發(fā)態(tài)，例如在過渡金屬二硫化物中，拓撲激子和相關的激子哈伯德模型。相關研究以“Observation of moiré excitons in WSe2 / WS2 heterostructure superlattices” 為題目，發(fā)表在Nature上。

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DOI: 10.1038/s41586-019-0976-y

圖7 WSe2/WS2異質(zhì)結構中的莫爾超晶格

8、Nature: MoSe2/WSe2異質(zhì)層中捕獲莫爾勢的層間谷激子

華盛頓大學Xu Xiaodong聯(lián)合香港大學Wang Yao教授等人報告了在二硒化鉬（MoSe2）/二硒化鎢（WSe2）異質(zhì)層中捕獲莫爾勢的層間谷激子的實驗證據(jù)。這些結果表明觀察到的效應的起源是層間激子被捕獲在光滑的莫爾勢中，具有繼承的谷對比物理學。這項工作提供了通過改變扭轉角來控制二維莫爾光學的機會。

相關研究以“Signatures of moiré-trapped valley excitons in MoSe2/WSe2 heterobilayers”為題目，發(fā)表在Nature上。

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DOI:10.1038/s41586-019-0957-1

圖8 莫爾超晶格勢與捕獲層間激子的觀察

9、Nature: 拓撲電子材料名錄 

硒化鉍、砷化鉭、鉍化鈉等拓撲電子材料在塊體中表現(xiàn)出非常規(guī)的線性響應，在其邊界處的異常無高斯狀態(tài)。它們具有基礎和應用價值，具有應用于高性能電子和量子計算的潛力。但迄今為止，它們的探測一直受到計算拓撲不變特性的阻礙，這既需要材料方面的經(jīng)驗，也需要先進理論工具方面的專業(yè)知識。中國科學院物理研究所的翁紅明研究員以及方辰研究員團隊介紹了一種有效的、高效的、全自動的非磁性材料中非平凡能帶拓撲診斷算法。算法是基于最近開發(fā)的已占據(jù)帶的對稱表示與拓撲不變量之間的窮舉映射。在晶體數(shù)據(jù)庫中瀏覽了39,519種可用的材料，發(fā)現(xiàn)其中有8,056種在拓撲結構上是拓撲非平凡的。另外，所有結果都可以在具有交互式用戶界面的數(shù)據(jù)庫中搜索到。相關研究以“Catalogue of topological electronic materials”為題目，發(fā)表在Nature上。

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DOI: 10.1038/s41586-019-0944-6

圖9 自動診斷算法流程圖

10、Nature: 利用對稱性指標全面搜索拓撲材料

拓撲材料在塊體材料中電子帶的拓撲結構導致了魯棒的、非常規(guī)的表面狀態(tài)和電磁學已經(jīng)引起了廣泛的關注，雖然一些理論上提出的拓撲材料已經(jīng)得到了實驗的證實，但由于缺乏拓撲材料來減少費米表面態(tài)的干擾，對拓撲特性的廣泛實驗探索以及在實際器件中的應用一直受到限制。南京大學萬賢綱教授團隊將對稱性指標的方法應用于所有230個可能空間組中的所有合適的非磁性化合物。數(shù)據(jù)庫搜索顯示成千上萬種候選拓撲材料，其中突出顯示了241個拓撲絕緣體和142個拓撲晶體絕緣體。它們要么具有明顯的全帶隙，要么具有明顯的直接間隙以及小的平凡費米腔。此外，研究者們列出了692個拓撲半金屬，它們的帶交點位于費米能級附近。這些候選材料開辟了在下一代電子設備中使用拓撲材料的可能性。相關研究以“Comprehensive search for topological materials using symmetry indicators”為題目，發(fā)表在Nature上。

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DOI: 10.1038/s41586-019-0937-5

圖10 強拓撲絕緣子的帶結構（上）及拓撲晶體絕緣子的帶結構（下）