《自然》《科学》一周（12.18-12.24）材料科学前沿要闻

1. 聚合物基底上少层分子膜提高有机器件性能

（A few-layer molecular film on polymer substrates to enhance the performance of organic devices）

有机电子器件中，自组装的单层介电基底功能化被认为是很有效的表明修饰策略，能大幅提高器件性能。然而，这一技术并不适用于柔性电子器件中的聚合物基底。Yokota等人报导了基于石蜡型三蝶烯的有机修饰物，能够在聚合物基底上自组装成完全取向的二维六边形三蝶烯阵列和一维层叠结构。这种少层膜类似于无机基底上传统自组装的单层膜。而且，这种膜能够大幅提高有机半导体的结晶性和总体的有机薄膜晶体管。（Nature Nanotechnology DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-017-0018-6）

2. 高于99.9%保真度的量子点自旋比特

（A quantum-dot spin qubit with coherence limited by charge noise and fidelity higher than 99.9%）

从噪声源中分离量子比特，已经使量子相干次数延伸成为可能。事实上，由于高度背景电荷涨落，纳米结构中达到提高的量子相干可能性一直被质疑。而且，在实际多比特系统中，需要大尺度的自旋-电子耦合来处理单自旋和自旋-自旋操纵。Yoneda 等人实现了具有20微妙相干时间的单电子自旋比特和高达30 MHz的快速电控速度。使用快速自旋旋转，他们还揭示了自由演变的去相位是由电荷噪声而不是传统磁噪声引起的。这一比特表现出很优异的单个比特门保真度，平均达到99.9%，提供了一个很有前景的途径来实现容错可控的大尺度自旋比特系统。（Nature Nanotechnology DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-017-0014-x）

3.相干膨胀动力学

(Coherent inflationary dynamics for Bose–Einstein condensates crossing a quantum critical point)

量子相位过渡，多体基态之间的过渡，是凝聚态物理学到宇宙学很有趣的研究。相位过渡的关键特征包括快速增长的新有序，宇宙学中成为膨胀，紧接着是拓扑缺陷的形成。膨胀是如何开始和演化为拓扑缺陷的，仍然是一个存在争议的热门的话题。Feng等人报导了玻色-爱因斯坦凝聚中经过量子临界点的相干膨胀动力学。膨胀表明在明确的动量态中，密度波和总体数呈指数增长。膨胀态之后，扩展的相干动力学在实空间和动量空间都非常明显。他们还展示了量子临界动力学的直观描述和在形成拓扑缺陷时相位波动的作用。（Nature Physics DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-017-0011-x）

4. 通过调节电解液成分提高BiVO4光电阳极的长期光稳定性

(Enhancing long-term photostability of BiVO4 photoanodes for solar water splitting by tuning electrolyte composition)

随着太阳能光解水时的光电极性能不断提高，提高光电极的长期稳定性成为很重要的问题。Lee等人报道了通过调节电解液的组分能够抑制太阳能光解水时的光腐蚀。BiVO4的阳极光腐蚀涉及到BiVO5晶格中V5+的丢失。他们使用V5+饱和的电解液，能够阻止BiVO4的光氧化耦合溶解，能够作为简单但有效的方法来抑制阳极光电腐蚀。水氧化过程中，溶液中V5+物种能够嵌入到FeOOH/NiOOH氧析出催化剂层，能够经一部提高水氧化动力学。V5+物种对于长期光稳定性和FeOOH/NiOOH的氧析出催化剂层的性能都系统地进行了解释。（Nature Energy DOI: https://doi.org/10.1038/s41560-017-0057-0）

5. 高速逻辑集成电路

(Observation of dynamical vortices after quenches in a system with topology)

最近，非平衡拓扑态的确定已经引起了很多科研工作者的特别关注。Fläschner等人实验上利用时间和动量分辨的全态断层摄影术研究了波函数的动态演化。在动量空间接近拓扑态相位转变的突然淬灭之后，他们观察动态旋涡的出现、运动和湮灭。这些热力学旋涡解释为动态Fisher零点，代表所谓的动态相位转变。这些结果Wie进一步理解拓扑相和非平衡动力学的联系奠定了基础。（Nature Physics DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-017-0013-8）

6. 分子结中派尔帖冷却

(Peltier cooling in molecular junctions)

分子结热电的研究对于发展各种技术，如制冷和热电转换非常重要。近来实验上探测分子结热功率（塞贝克效应）使研究热电和分子结构的关系成为可能。然而，分子结中的派尔帖冷却一直没有实现。Cui等人报导了分子结中派尔帖制冷的直接实验观测。通过整合导电探针原子力显微镜与量身订做的皮瓦特分辨率的量热位器件，他们建立了一个实验平台，使得统一表征分子结中电、热电和能量耗散参数成为可能。（Nature Nanotechnology DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-017-0020-z）

7. 高能、低价可充电锂金属电极的现状和挑战

(Status and challenges in enabling the lithium metal electrode for high-energy and low-cost rechargeable batteries)

使可逆锂金属电极成为可能对于超越今天的锂离子电池能量非常必要。尽管锂金属的应用已经有所发展，但是，科研人员仍在努力创造更好的锂金属电池，从而能够促进车辆电气化和电网能量存储。Albertus等人聚焦于指导和促进可逆锂金属电极的三个主要任务：根据四个关键性能参数总结了目前的研究现状和商业努力，确定了其它的性能参数；支持有限厚度（不高于30微米）的锂的使用，来保证早期确定稳定和无枝晶的循环，以及到商业化的设计；最后他们提出了一个成本目标，列出了材料成本和制造方法，从而可以使锂金属电池达到100美元kW/h。（Nature Nanotechnology DOI: https://doi.org/10.1038/s41560-017-0047-2）

8. 大斜率、无滞后负电容MoS2效应管

(Steep-slope hysteresis-free negative capacitance MoS2 transistors)

在室温下60 mV/Dec时金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）存在一个亚阈值斜率的热离子局限。在MOSFET的栅极增加铁电负电容器或许能够有效绕过这一功能障碍。同时，二维半导体具有低的介电常数且容易整合到效应管中，能够提供通道的静电控制。Si等人结合这两个优点，展示了MoS2二维大斜率效应管。这一器件表现出很好的性能，包括开/关状态、510微安/微米的最大漏极电流和亚热离子亚阈值斜率，而且基本无滞后。他们还观察到了负微分电阻和很高的开电流导致的自加热效应。（Nature Nanotechnology DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-017-0010-1 ）