1.Nature：增強(qiáng)雙層石墨烯的超導(dǎo)性

2023年1月11日，Nature 報道了研究人員在雙層石墨烯BLG上制備單層二硒化鎢WSe2，通過近鄰效應(yīng)在雙層石墨烯中引入自旋軌道耦合，BLG-WSe2 異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠顯著地促進(jìn)超導(dǎo)性能，不僅超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度 Tc 可以提升一個數(shù)量級，超導(dǎo)電性也不再依賴于面內(nèi)磁場，并且超導(dǎo)電性在相圖中占據(jù)了很大的相空間。同時，研究人員還發(fā)現(xiàn) BLG-WSe2 的相圖以及超導(dǎo)關(guān)于電位移場，有著很強(qiáng)的非對稱性。這表明從二硒化鎢近鄰得到的 Ising 自旋軌道耦合，在超導(dǎo)庫珀配對中起著至關(guān)重要的作用。該項研究成果，為設(shè)計堅固、高度可調(diào)和超潔凈的石墨烯基超導(dǎo)體奠定了基礎(chǔ)。

文章標(biāo)題：Enhanced superconductivity in spin–orbit proximitized bilayer graphene

 

2.Nature：石墨烯中流體動力學(xué)等離激元和能量波觀測

2023年2月22日，Nature 報道了研究人員在超凈石墨烯中觀察到了流體動力學(xué)等離子體激元和能量波。流體動力學(xué)狄拉克流體可以擁有集體激發(fā)。該項研究使用片上太赫茲光譜技術(shù)，測量了石墨烯微型帶的太赫茲吸收光譜以及接近電荷中性的石墨烯內(nèi)能量波傳播，在超純凈石墨烯中觀測到狄拉克流體顯著的高頻流體動力學(xué)雙極等離子體共振和較弱的低頻能量波共振。該結(jié)果為探索石墨烯系統(tǒng)中的流體動力學(xué)集體激發(fā)開辟新道路。

文章標(biāo)題：Observation of hydrodynamic plasmons and energy waves in graphene

 

3.Nature：扭角石墨薄膜的混合維莫爾條紋系統(tǒng)

通過堆疊具有相對扭轉(zhuǎn)角的原子薄范德華晶體形成的莫爾圖案可以產(chǎn)生顯著的新物理性質(zhì)。到目前為止，對摩爾紋材料的研究僅限于不超過幾張范德華片的結(jié)構(gòu)，因為通常認(rèn)為定位于單個二維界面的摩爾紋圖案無法明顯改變塊狀三維晶體的性質(zhì)。研究人員對雙門控器件進(jìn)行傳輸測量，該器件是通過在薄塊狀石墨晶體上輕輕旋轉(zhuǎn)單層石墨烯片來構(gòu)建的。研究發(fā)現(xiàn)摩爾紋電位改變了整個塊狀石墨薄膜的電子特性。在零磁場和小磁場中，傳輸由可門可調(diào)摩爾紋和石墨表面狀態(tài)的組合以及不響應(yīng)門控的共存半金屬本體狀態(tài)介導(dǎo)。在高場下，由于石墨的兩個最低朗道帶的獨(dú)特性質(zhì)，摩爾紋電位與石墨體態(tài)雜交。這些朗道帶有助于形成單一的準(zhǔn)二維混合結(jié)構(gòu)，其中莫爾和塊狀石墨狀態(tài)不可分割地混合在一起。研究結(jié)果將扭曲石墨烯-石墨確立為新型混合維莫爾材料中的第一種。

文章題目：Mixed-dimensional moiré systems of twisted graphitic thin films

 

4.Nature：可調(diào)諧莫爾準(zhǔn)晶中的超導(dǎo)性和強(qiáng)相互作用

準(zhǔn)晶體電子態(tài)的復(fù)雜性和稀缺性，相對于周期性和非晶結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)晶體的研究仍有限。本研究報告一種高度可調(diào)諧準(zhǔn)晶體，由周期性組件組裝而成，通過以兩種不同扭轉(zhuǎn)角度扭轉(zhuǎn)的三層石墨烯，形成兩種互不相稱的莫爾圖案。這種“莫爾準(zhǔn)晶體”使研究人員能夠在低能量的類周期狀態(tài)和高能量的強(qiáng)準(zhǔn)周期狀態(tài)之間調(diào)節(jié)化學(xué)勢，從而調(diào)節(jié)電子系統(tǒng)。該結(jié)果表明通過改變層數(shù)和扭轉(zhuǎn)角以及使用不同的二維組件，可擴(kuò)展到設(shè)計準(zhǔn)晶體，產(chǎn)生全新的量子材料系列。

文章標(biāo)題：Superconductivity and strong interactions in a tunable moiré quasicrystal

 

5.Nature：二維晶體中質(zhì)子通過納米尺度波紋的快速輸運(yùn)

結(jié)構(gòu)無缺陷石墨烯在室溫條件下對所有原子和離子都具有不可滲透性。本研究使用高分辨率掃描電化學(xué)電池顯微鏡，發(fā)現(xiàn)盡管機(jī)械剝離的石墨烯單層和六方氮化硼單層的質(zhì)子滲透過程無法歸因于任何結(jié)構(gòu)缺陷，但是納米尺度下二維膜的非平坦性大大促進(jìn)了質(zhì)子傳輸，質(zhì)子流的空間分布表明存在與納米波紋和應(yīng)力積累引起的其他特征強(qiáng)相關(guān)的非均質(zhì)性。該結(jié)果強(qiáng)調(diào)了納米級形態(tài)學(xué)是實(shí)現(xiàn)二維晶體質(zhì)子傳輸?shù)闹匾獏?shù)。而二維晶體大多被視為平面晶體并被建模為平面晶體，還表明應(yīng)變和曲率可以作為控制二維材料的質(zhì)子滲透性的額外自由度。

文章標(biāo)題：Proton transport through nanoscale corrugations in two-dimensional crystals

 

6.Nature：柵極可調(diào)諧的懸浮石墨烯-水界面結(jié)構(gòu)演變

2023年08月30日石墨烯是研究石墨電極界面微觀結(jié)構(gòu)和反應(yīng)動力學(xué)的理想平臺。復(fù)旦大學(xué)研究團(tuán)隊制備出厘米級無基底單層石墨烯，具有柵極可調(diào)性，且能懸浮在水性電解質(zhì)表面，并通過頻光譜展示了石墨烯-水界面處的結(jié)構(gòu)演變與柵極電壓的關(guān)系。該成果為石墨電極界面微觀過程的觀測提供了一個全新平臺。

文章標(biāo)題：Structure evolution at the gate-tunable suspended graphene–water interface

 

7.Nature：五層菱形石墨烯的軌道多鐵性

2023年10月18日，Nature發(fā)表的文章報道五層菱形石墨烯的軌道多鐵性。多鐵性指材料中包含兩種及兩種以上鐵的基本性能，這些鐵的基本性能包括鐵電性（反鐵電性），鐵磁性（反鐵磁性、亞鐵磁性）、鐵彈性、鐵谷性等。石墨烯的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和超薄特性使其成為呈現(xiàn)多鐵性的理想材料。在新研究中，研究人員從石墨中分離出了自然排列出菱形圖案的五層石墨烯薄片，在略高于絕對零度的超低溫條件下發(fā)現(xiàn)，石墨烯呈現(xiàn)出兩種鐵性：一是非常規(guī)鐵磁性，即電子會協(xié)調(diào)軌道運(yùn)動，沿著同一方向自旋；二是鐵谷性，即該材料中的電子更偏好于沉降在在兩個能量低谷中的其中之一，而非平等地沉降。此外，研究者可以利用電場控制這兩種多鐵性。研究人員表示，這是首次觀察到鐵谷性與非常規(guī)鐵磁性在同一種材料中共存。一種材料具有多鐵性特性意味著它可以節(jié)省寫入磁性硬盤驅(qū)動器的能源和時間，與傳統(tǒng)設(shè)備相比可以存儲兩倍的信息量。這可以幫助工程師為經(jīng)典和量子計算機(jī)設(shè)計超低功耗、高容量的數(shù)據(jù)存儲設(shè)備。

文章標(biāo)題：Orbital multiferroicity in pentalayer rhombohedral graphene

 

8.Science：石墨烯:彈道和粘性流體的靜電成像

2023年2月16日，Science報道了科研人員使用掃描隧道電位儀研究了石墨烯中電子流體穿過光滑可調(diào)諧的平面內(nèi)p-n結(jié)勢壘限定的通道時，在納米尺度上的流動過程，并觀測到隨著樣本溫度和通道寬度的增加，電子流體流經(jīng)歷了Knudsen至Gurzhi轉(zhuǎn)變，從彈性流體變?yōu)檎承粤黧w。該結(jié)果建立的模型描述了費(fèi)米子液體流動隨著載流子密度、通道寬度和溫度的增加而變化的過程。

文章標(biāo)題：Imaging the breaking of electrostatic dams in graphene for ballistic and viscous fluids

 

9.Science：納米尺度光的“反常”折射現(xiàn)象

在這項研究中，作者通過設(shè)計由半覆蓋單層石墨烯的擴(kuò)展α-MoO3薄膜組成的vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)，實(shí)驗證明了中紅外光譜區(qū)域從正常折射到負(fù)折射的轉(zhuǎn)變。基于紅外納米鏡的實(shí)空間納米成像揭示了在大范圍入射角上觀測到的負(fù)折射，這依賴于具有可調(diào)諧色散曲線的拓?fù)錁O化元。作者利用可逆負(fù)折射來演示具有凹或凸波面的納米級聚焦，由于極激元的高度空間限制和所采用的vdW結(jié)構(gòu)的原子厚度，導(dǎo)致深亞波長焦斑的高度壓縮尺寸小于相應(yīng)照明波長的60倍，強(qiáng)度增強(qiáng)超過10倍，負(fù)折射透射率為~90%。從正折射到負(fù)折射可以通過靜電門進(jìn)行主動調(diào)諧，從而能夠原位控制極化元的波前，改變聚焦點(diǎn)及其納米級光學(xué)場。

考慮到現(xiàn)有的二維極化激元材料的廣泛范圍，作者預(yù)計極化激元在其他vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的負(fù)折射，例如α-V2O5、黑磷和納米結(jié)構(gòu)超表面(例如，基于同位素純h-BN)。廣泛的現(xiàn)有材料套件可能導(dǎo)致極性負(fù)折射覆蓋整個中紅外和太赫茲區(qū)域。強(qiáng)偏振子場約束，對各向異性偏振子傳播和聚焦的靈活控制，以及材料疊加和電門控的可調(diào)諧性的綜合優(yōu)勢，為光學(xué)和熱應(yīng)用中的負(fù)折射開辟了令人興奮的途徑。

文章標(biāo)題：Gate-tunable negative refraction of mid-infrared polaritons

 

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1：固態(tài)電解質(zhì)最新成果 登上Science！

日本東京工業(yè)大學(xué)創(chuàng)新研究所全固態(tài)電池研究中心Ryoji Kanno教授團(tuán)隊利用高熵材料的特性，通過增加已知鋰超離子導(dǎo)體的組成復(fù)雜性來設(shè)計了一種高離子導(dǎo)電的固態(tài)電解質(zhì)，以消除離子遷移的障礙，同時保持超離子導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)框架。合成的具有組成復(fù)雜性的相顯示出改進(jìn)的離子導(dǎo)電性能。證明了這種高導(dǎo)電固態(tài)電解質(zhì)能夠在室溫下對厚鋰離子電池陰極進(jìn)行充放電，因此具有改變傳統(tǒng)電池配置的潛力。相關(guān)成果以“A lithium superionic conductor for millimeter-thick battery electrode”為題發(fā)表在Science上。

2：Science：鋰空氣電池

美國伊利諾伊理工大學(xué)（Illinois Institute of Technology）Alireza Kondori，Larry A. Curtiss，Mohammad Asadi等人在Science上發(fā)表論文?；谘趸嚕↙i2O）形成的鋰空氣電池理論上可以提供與汽油相當(dāng)?shù)哪芰棵芏?。氧化鋰的形成涉及四電子反?yīng)，這比分別產(chǎn)生超氧化物鋰（LiO2）和過氧化鋰（Li2O2）的單電子和雙電子反應(yīng)過程更難實(shí)現(xiàn)。研究團(tuán)隊通過使用基于嵌入改性聚環(huán)氧乙烷聚合物基體中的Li10GeP2S12納米顆粒的復(fù)合聚合物電解質(zhì)，Li2O是室溫固態(tài)鋰空氣電池的主要產(chǎn)品。該電池可在低極化間隙下充電1000次，并可高速率運(yùn)行。研究成果以A room temperature rechargeable Li2O-based lithium-air battery enabled by a solid electrolyte為題發(fā)表于Science。

3：王春生鋰電池成果 ?再發(fā)Nature!!!

美國馬里蘭大學(xué)王春生教授等人（共同通訊作者）在正極測采用不同重量比的Bi和Mg粉體球磨法合成了不同成分的Mg-Bi合金（Mg_xBi₈₄；x=0、2、8、16、24）。由于Mg₁₆Bi₈₄使Li₆PS₅Cl在1.9?mA?cm^–2和1.9?mAh?cm^–2下達(dá)到最高的臨界電流密度（CCD），選擇它來研究Li沉積/剝離活化過程中的Mg遷移過程。Mg₁₆Bi₈₄負(fù)極夾層的優(yōu)點(diǎn)包括：LiMgS_x?SEI的形成保護(hù)了Li₆PS₅Cl免受還原，并將Li₆PS₅Cl電解質(zhì)與Li₃Bi層緊密接觸；同時，Mg向鋰負(fù)極的遷移將Li₃Bi層粘結(jié)到鋰負(fù)極，在高容量容量時在多孔Li₃Bi層的孔中沉積，有效地緩解Li沉積/剝離過程中的應(yīng)力變化，降低了堆積壓力；Li₃Bi/Li₆PS₅Cl界面的高電位（約0.7 V）進(jìn)一步穩(wěn)定了Li₆PS₅Cl電解質(zhì)，加速了Mg的遷移。更加重要的一點(diǎn)是，Li₃Bi的高離子/電子電導(dǎo)率確保了Li沉積在Li₃Bi/Li界面上，而不是在Li₃Bi/Li₆PS₅Cl界面上。在正極側(cè)，作者使用一種富氟（F）的界面層，其中F陰離子能夠在4.3V時從NMC811表面層遷移到NMC811體相中，從而使得表明涂覆轉(zhuǎn)化為F摻雜，最終使得NMC811從表面到體相的材料穩(wěn)定性得到大幅度提高，即使在2.5 MPa的低堆疊壓力下也能實(shí)現(xiàn)極其優(yōu)異的性能。相關(guān)研究成果以“Interface design for all-solid-state lithium batteries”為題發(fā)表在Nature上。

4：廈門大學(xué)最新Nature！?。?/strong>

廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院廖洪鋼教授、孫世剛院士團(tuán)隊，與北京化工大學(xué)陳建峰院士團(tuán)隊和美國阿貢國家實(shí)驗室徐桂良、Khalil Amine研究員團(tuán)隊在液體電池內(nèi)構(gòu)建了一個Li-S納米電池，并結(jié)合電化學(xué)透射電子顯微鏡（EC-TEM），在醚類電解質(zhì)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對電極表面LiPSs演變的高分辨率實(shí)時觀察。研究表明，活性中心將可溶性LiPSs聚集成類似液滴的密集相，并引發(fā)了非平衡納米晶/無定形Li₂S的瞬時沉積，而不是傳統(tǒng)的逐步轉(zhuǎn)化。密度泛函理論（DFT）計算和分子動力學(xué)（MD）模擬指出，聚集誘導(dǎo)的相變是由于活性中心與LiPSs液滴狀密集之間的遠(yuǎn)程靜電相互作用和集體電荷轉(zhuǎn)移行為而導(dǎo)致的。

由于高能量密度和低成本，鋰-硫（Li-S）電池被認(rèn)為是先進(jìn)能源存儲系統(tǒng)的有希望的候選者。盡管在抑制鋰硫化物長期存在的“穿梭效應(yīng)”方面付出了巨大努力，但在納米尺度上理解鋰硫化物的界面反應(yīng)仍然難以捉摸。研究團(tuán)隊使用原位液體電池電化學(xué)透射電子顯微鏡，直接可視化了鋰硫化物在電極表面的原子尺度轉(zhuǎn)化。值得注意的是，研究團(tuán)隊捕捉到了鋰硫化物在納米團(tuán)簇活性中心固定表面上發(fā)生的出乎意料的聚集誘導(dǎo)的集體電荷轉(zhuǎn)移。它進(jìn)一步導(dǎo)致了從濃密的鋰硫化物液相瞬間沉積出非平衡的Li₂S納米晶體。在沒有活性中心的介入的情況下，反應(yīng)遵循了經(jīng)典的單分子途徑，鋰硫化物逐步轉(zhuǎn)化為Li₂S₂和Li₂S。分子動力學(xué)模擬表明，活性中心與鋰硫化物之間的遠(yuǎn)程靜電相互作用促進(jìn)了由Li⁺和Sn^2?（2 < n ≤ 6）組成的密集相的形成，密集相中的集體電荷轉(zhuǎn)移也被從頭分子動力學(xué)模擬所驗證。這種集體界面反應(yīng)路徑揭示了一種新的轉(zhuǎn)化機(jī)制，深化了對Li-S電池的基本理解。相關(guān)研究成果以“Visualizing interfacial collective reaction behaviour of Li–S batteries”為題，發(fā)表在頂級期刊《Nature》上。該論文的第一作者是廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院的博士研究生周詩遠(yuǎn)，以及北京化工大學(xué)的施杰博士。

5：UCLA李煜章最新Nature!!!

美國加州大學(xué)洛杉磯分校李煜章教授課題組通過在超快沉積電流密度下超過SEI膜的形成速度來解耦這兩個相互交織的過程，同時也避免了質(zhì)量傳輸?shù)南拗?/strong>。通過使用低溫電子顯微鏡，本工作發(fā)現(xiàn)一旦SEI不再影響鋰金屬的沉積行為，Li金屬將不再沉積為的枝晶狀，而是形成了完美的菱形十二面體形貌，這與電解質(zhì)化學(xué)或集流體基底無關(guān)。本工作提出了一種脈沖電流源協(xié)議，通過利用Li菱形十二面體作為成核種子來克服這種失效模式，從而實(shí)現(xiàn)了致密Li的后續(xù)生長，提高了電池性能。雖然在過去的研究中，鋰沉積和SEI膜的形成一直是緊密相連的，但本工作的實(shí)驗方法為從根本上理解這些相互解耦的過程提供了新的機(jī)會，并為設(shè)計更好的電池帶來了新的見解。相關(guān)論文以題為“Ultrafast deposition of faceted lithium polyhedra by outpacing SEI formation”發(fā)表在Nature上。

6：固態(tài)電池最新Nature!!! 一作已入職寧德時代

英國牛津大學(xué)Peter G. Bruce、T. James Marrow、 Charles W. Monroe教授課題組基于對全固態(tài)電池枝晶過程的多尺度多手段表征與原位追蹤，提出了新的全固態(tài)電池枝晶理論，將全固態(tài)電池的枝晶短路過程分為引發(fā)和擴(kuò)張兩個不同的階段，并分別建立了理論模型。其中枝晶的引發(fā)產(chǎn)生于鋰在與Li/SE界面連通的近界面孔洞（缺陷）的沉積，在孔洞填滿后將鋰擠出的過程中，過大電流密度使得鋰作為粘塑流體的流動過程產(chǎn)生極大的內(nèi)部應(yīng)力，從而引發(fā)電解質(zhì)碎裂。而鋰枝晶的擴(kuò)張過程是一個鋰枝晶在沉積的動態(tài)過程中從枝晶裂紋的尾部將固態(tài)電解質(zhì)楔開（wedge open）的過程。枝晶的引發(fā)取決于固態(tài)電解質(zhì)晶界的局部斷裂強(qiáng)度、孔洞的尺寸、分布密度、及電流密度；而枝晶的擴(kuò)張過程取決于固態(tài)電解質(zhì)的宏觀斷裂韌性，枝晶在裂紋中的分布情況，電流密度，以及充電過程的面容量。根據(jù)鋰金屬在枝晶引發(fā)階段與擴(kuò)張階段力學(xué)環(huán)境的差異，引發(fā)與擴(kuò)張階段對固態(tài)電池外部壓力的敏感性截然不同。只有較大的壓力才會大幅影響枝晶的引發(fā)過程，但枝晶的擴(kuò)張過程卻對外部壓力非常敏感。降低外部壓力可以顯著抑制枝晶的擴(kuò)張階段，即使在枝晶引發(fā)的狀態(tài)下也可以大幅延后固態(tài)電池的短路。研究成果以“Dendrite initiation and propagation in lithium metal solid-state batteries”為題發(fā)表于Nature。寧子楊、李冠辰、Dominic Melvin共同一作。

7：STXM研究鋰電池非均相反應(yīng)動力學(xué)

美國麻省理工學(xué)院Martin Z. Bazant教授等人工作表明表明，可以從碳包覆的磷酸鐵鋰納米顆粒的原位掃描透射X射線顯微鏡（STXM）圖像中了解到非均相反應(yīng)動力學(xué)。將STXM圖像的大型數(shù)據(jù)集與熱力學(xué)一致的電化學(xué)相場模型、偏微分方程（PDE）約束優(yōu)化和不確定性量化相結(jié)合，研究團(tuán)隊提取了自由能級圖和反應(yīng)動力學(xué)，并驗證了它們與理論模型的一致性，還了解了反應(yīng)速率的空間異質(zhì)性，這與通過俄歇電子顯微鏡（AEM）獲得的碳涂層厚度分布非常匹配。在180000個圖像像素中，與學(xué)習(xí)模型的平均差異非常小（<7%），與實(shí)驗噪聲相當(dāng)。研究結(jié)果為學(xué)習(xí)傳統(tǒng)實(shí)驗方法無法達(dá)到的非平衡材料性質(zhì)開辟了可能性，并為表征和優(yōu)化非均勻反應(yīng)表面提供了一種新的無損技術(shù)。相關(guān)研究成果以“Learning heterogeneous reaction kinetics from X-ray videos pixel by pixel”為題發(fā)表在Nature上。

8：18650電池也能發(fā)Nature！

倫敦大學(xué)學(xué)院的Shearing教授利用先進(jìn)的XRD方法對高速運(yùn)行的鋰離子18650電池進(jìn)行了充電狀態(tài)、機(jī)械應(yīng)變和溫度的表征。他們觀察到不同電池類型和電流條件下的內(nèi)部溫度變化，并發(fā)現(xiàn)充電協(xié)議對溫度升高有重要影響。這項研究為解決與溫度相關(guān)的電池問題提供了設(shè)計緩解措施的可能性，從而改善高速電動汽車應(yīng)用中的熱管理。相關(guān)成果以 “Mapping internal temperatures during high-rate battery applications” 為題發(fā)表在Nature上。

這項創(chuàng)新性研究通過先進(jìn)的同步輻射X射線衍射方法，創(chuàng)新性地表征了高速運(yùn)行的鋰離子電池的充電狀態(tài)、機(jī)械應(yīng)變和溫度分布，為高速電動汽車應(yīng)用中的熱管理提供了改進(jìn)的機(jī)會。

 

原文鏈接：回顧：2023年Nature\Science上的鋰電池成果