國際頂尖學(xué)術(shù)期刊Nature和Science呈現(xiàn)給讀者最具影響力的科研成果，引領(lǐng)著當(dāng)今最前沿的科研方向。本文盤點(diǎn)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(dǎo)材料、范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)、拓?fù)洳牧涎芯糠较虺蔀?019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(yùn)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(dá)到16%左右。韓國化學(xué)技術(shù)研究所Jun Hong Noh、Jangwon Seo教授團(tuán)隊(duì)提出了一種高效鈣鈦礦太陽能電池的設(shè)備架構(gòu)，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(yīng)，形成一薄層寬帶隙鹵化鈣鈦礦。設(shè)備經(jīng)認(rèn)證的功率轉(zhuǎn)換效率為22.7%；在85%的相對(duì)濕度下表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性封裝后，在室溫條件下，標(biāo)準(zhǔn)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(tái)擴(kuò)展到大面積模塊（24.97cm2），并且實(shí)現(xiàn)了16.0%的功率轉(zhuǎn)換效率。利用寬禁帶鹵化物實(shí)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(gè)有價(jià)值的方向。相關(guān)研究以“Efficient, stable and scalable perovskite solar cells using poly（3-hexylthiophene）”為題目，發(fā)表在Nature上。

文獻(xiàn)鏈接：

DOI: 10.1038/s41586-019-1036-3

圖1 基于PSHT的雙層鹵化物結(jié)構(gòu)

2、Science: Eu3+/Eu2+離子對(duì)賦予鈣鈦礦太陽能電池超強(qiáng)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(yùn)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(dǎo)致器件效率下降的復(fù)合中心，而且是影響器件壽命的降解引發(fā)劑。北京大學(xué)周歡萍、孫聆東和嚴(yán)純?nèi)A院士課題組證明了銪離子對(duì)：Eu3+-Eu2+作為“氧化還原梭”，選擇性地氧化Pb0，同時(shí)在循環(huán)過渡中減少I0缺陷。該裝置實(shí)現(xiàn)了21.52%的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE），大大提高了長期耐久性。設(shè)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(diǎn)跟蹤500h后，分別保留了91%的原始穩(wěn)定PCE。相關(guān)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。

文獻(xiàn)鏈接：

DOI: 10.1126/science.aau5701

圖2 銪離子對(duì)促進(jìn)Pb0和I0到Pb2+和I-

3、Science: 一種壓電性強(qiáng)于鋯鈦酸鉛的分子鈣鈦礦固溶體

壓電材料在應(yīng)變時(shí)產(chǎn)生電流，使它們成為各種傳感應(yīng)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(yīng)在所謂的變形相邊界（MPBs）處得到優(yōu)化。由于陶瓷的一些機(jī)械性能，它并不適合各種應(yīng)用。南昌大學(xué)&東南大學(xué)熊仁根教授團(tuán)隊(duì)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(yīng)用。相關(guān)研究以“A molecular perovskite solid solution with piezoelectricity stronger than lead zirconate titanate”為題目，發(fā)表在Science上。

文獻(xiàn)鏈接：

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(dǎo)特性

超導(dǎo)體由于其獨(dú)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(dǎo)材料結(jié)構(gòu)的極端復(fù)雜性以及超導(dǎo)特性必須在低溫下才能顯現(xiàn)，所以其研發(fā)進(jìn)度相對(duì)較慢。德國馬普化學(xué)研究所M. I. Eremets教授等人報(bào)道了一種具有方鈉石狀結(jié)構(gòu)的“超氫化鑭”化合物的具有高溫超導(dǎo)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(duì)樣品所含fcc相進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。研究分別對(duì)不同的樣品測定了其R-T曲線，從而得到了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)LaH3施加170 GPa的壓力后，便可以在零下23℃表現(xiàn)出超導(dǎo)特性，再次突破高溫超導(dǎo)記錄，這是目前為止發(fā)現(xiàn)的最接近室溫的超導(dǎo)材料，具有里程碑意義。相關(guān)研究以“Superconductivity at 250 K in lanthanum hydride under high pressures”為題目，發(fā)表在Nature上。

文獻(xiàn)鏈接：

DOI: 10.1038/s41586-019-1201-8

圖4 La+H2的混合物樣品的表征及超導(dǎo)性

5、Science：調(diào)整扭曲雙層石墨烯的超導(dǎo)性

扁平電子帶材料由于具有很強(qiáng)的相關(guān)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(zhuǎn)1.1°，就可以形成一個(gè)孤立的低能平帶，從而產(chǎn)生門極可調(diào)的超導(dǎo)和相關(guān)的絕緣相。在這項(xiàng)研究中，哥倫比亞大學(xué)的Cory R. Dean和加州大學(xué)圣巴巴拉分校的Andrea F. Young等人證明，除了扭轉(zhuǎn)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(guān)系，在大于1.1°的扭轉(zhuǎn)角下誘導(dǎo)超導(dǎo)性，否則相關(guān)相位將不存在。低無序裝置揭示了超導(dǎo)相圖的細(xì)節(jié)以及它與附近絕緣體的關(guān)系。研究結(jié)果表明，扭曲雙層石墨烯是探索相關(guān)狀態(tài)的一個(gè)獨(dú)特的可調(diào)平臺(tái)。相關(guān)研究以“Tuning superconductivity in twisted bilayer graphene”為題目發(fā)表在Science上。

文獻(xiàn)鏈接：

DOI: 10.1126/science.aav1910

圖5 扭曲角為1.14°時(shí)器件的超導(dǎo)性

6、Nature: 范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)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(jìn)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(gè)單層半導(dǎo)體形成的范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，晶格失配或旋轉(zhuǎn)失配引入了平面內(nèi)的莫爾超晶格。人們普遍認(rèn)為，云紋超晶格可以調(diào)節(jié)材料的電子能帶結(jié)構(gòu)，并在相互關(guān)系的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生非常規(guī)的超導(dǎo)性和絕緣性能。然而，關(guān)于莫爾超晶格對(duì)光學(xué)性能的影響，還沒有進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)研究。在此，德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校Li Xiaoqing教授聯(lián)合阿貢國家實(shí)驗(yàn)室Wu Fengchen教授等人報(bào)告了在具有小扭轉(zhuǎn)角的二烯化鉬/二烯化鎢（MoSe2/WSe2）異膽層中，正或負(fù)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(fù)合動(dòng)力學(xué)和層間激子共振與扭轉(zhuǎn)角和溫度的依賴關(guān)系的支持。這些結(jié)果表明，利用范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人工激子晶體用于納米光子學(xué)和量子信息應(yīng)用是可行的。相關(guān)研究以“Evidence for moiré excitons in van der Waals heterostructures”為題目，發(fā)表在Nature上。

文獻(xiàn)鏈接：

DOI: 10.1038/s41586-019-0975-z

圖6 1°扭轉(zhuǎn)角MoSe2/WSe2異動(dòng)層的光致發(fā)光

另外還有兩篇關(guān)于范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究：

7、Nature: WSe2/WS2異質(zhì)結(jié)構(gòu)超晶格中的莫爾激子

加州大學(xué)伯克利分校王楓團(tuán)隊(duì)報(bào)告了在二硒化鎢/二硫化鎢（WSe2 / WS2）異質(zhì)結(jié)構(gòu)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(gè)有吸引力的平臺(tái)，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?fù)浼ぷ雍拖嚓P(guān)的激子哈伯德模型。相關(guān)研究以“Observation of moiré excitons in WSe2 / WS2 heterostructure superlattices” 為題目，發(fā)表在Nature上。

文獻(xiàn)鏈接：

DOI: 10.1038/s41586-019-0976-y

圖7 WSe2/WS2異質(zhì)結(jié)構(gòu)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(xué)Xu Xiaodong聯(lián)合香港大學(xué)Wang Yao教授等人報(bào)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(shí)驗(yàn)證據(jù)。這些結(jié)果表明觀察到的效應(yīng)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(duì)比物理學(xué)。這項(xiàng)工作提供了通過改變扭轉(zhuǎn)角來控制二維莫爾光學(xué)的機(jī)會(huì)。

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

文獻(xiàn)鏈接：

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?fù)潆娮硬牧厦?nbsp;

硒化鉍、砷化鉭、鉍化鈉等拓?fù)潆娮硬牧显趬K體中表現(xiàn)出非常規(guī)的線性響應(yīng)，在其邊界處的異常無高斯?fàn)顟B(tài)。它們具有基礎(chǔ)和應(yīng)用價(jià)值，具有應(yīng)用于高性能電子和量子計(jì)算的潛力。但迄今為止，它們的探測一直受到計(jì)算拓?fù)洳蛔兲匦缘淖璧K，這既需要材料方面的經(jīng)驗(yàn)，也需要先進(jìn)理論工具方面的專業(yè)知識(shí)。中國科學(xué)院物理研究所的翁紅明研究員以及方辰研究員團(tuán)隊(duì)介紹了一種有效的、高效的、全自動(dòng)的非磁性材料中非平凡能帶拓?fù)湓\斷算法。算法是基于最近開發(fā)的已占據(jù)帶的對(duì)稱表示與拓?fù)洳蛔兞恐g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?fù)浣Y(jié)構(gòu)上是拓?fù)浞瞧椒驳摹Ａ硗猓薪Y(jié)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(guān)研究以“Catalogue of topological electronic materials”為題目，發(fā)表在Nature上。

文獻(xiàn)鏈接：

DOI: 10.1038/s41586-019-0944-6

圖9 自動(dòng)診斷算法流程圖

10、Nature: 利用對(duì)稱性指標(biāo)全面搜索拓?fù)洳牧?/strong>