硅太阳能电池供能的有机电化学晶体管光电子器件（英文）

越来越多的研究将有机电化学晶体管(OECT)用于新颖的电学设备,然而这些设备天然需要两个仪器电源,不利于将其应用于对能源供应有严格要求的便携和可穿戴体系.本文通过将单晶硅太阳能电池组装到OECT的回路中并以光作为燃料,构建了自供能和光调控功能的有机光电化学晶体管(OPECT)光电子器件.以基于聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸酯)(PEDOT:PSS)的耗尽型和增强型OECT为例,我们设计了不同的光寻址结构并系统地研究和比较了相应的特性.通过合适的光调制,我们实现了不同的器件行为,且这些器件表现出优异的性能.在应用层面,我们设计了光逻辑电路,其不同的特性可以通过相应的辐照度来调控;此外,我们展示了光控的OECT单极逆变器,并根据系统的能源供应和阻抗进行了优化.本工作代表着新型的OPECT光电子器件,合理地将其与柔性基底和太阳能电池组装有望应用于便携和可穿戴器件领域.     

超拉伸水凝胶热电偶（英文）

可拉伸温度传感对实现人机触觉交互和温度调节至关重要,这些传感元件需要贴合特异性表面,且在拉伸条件下保持温度感知的精度.现有可拉伸温度传感器由于温度和形变引起电阻变化的相互干扰,在拉伸过程中存在固有的传感不稳定问题.本文提出了一种超可拉伸水凝胶热电偶,通过构建具有动态交联双网络的热电水凝胶,实现水凝胶热电偶的超拉伸性.通过设计的P型和N型热电水凝胶,构建热电偶单元.热电偶表现出1.93 mV K^-1的高塞贝克系数,即使在100%的拉伸应变下,灵敏度依然保持稳定.本文的研究结果为可拉伸温度传感器提供了一种新的策略,并有望广泛应用于智能可穿戴设备.     

溶解制造多孔金属玻璃（英文）

简单、精密、可控的制造技术在功能表面中具有广阔的应用前景.在这项工作中,我们通过使用食盐这种水溶性材料作为模板,利用金属玻璃优异的热塑成型性能,成功地实现了多孔金属玻璃的溶解制造.通过这种溶解制造方法制备的微/纳米结构具有良好的可调控性,不仅可以制备大面积多孔结构,还可以制备具有纳米级复制精度的有序规则阵列.其中,通过可溶性模板策略制备的无序多孔结构具有约140°的水滴接触角和接近于0°的油滴接触角,可用于油水分离,并且在强酸和强碱的环境中浸泡后表现出稳定的润湿性.即使在严重磨损后,带有多孔结构的表面仍可保持约130°的水滴接触角和约4°的油滴接触角.此外,该策略显示出优异的可重复使用性能.通过在同一个金属玻璃表面上重构三次多孔结构,发现每次重构的多孔结构的润湿性没有显著变化.本文的研究成果为制备多级孔结构及功能表面提供了一种简便可控的方法.     

自还原法合成超小尺寸钯加氢催化剂（英文）

负载型超小尺寸金属纳米颗粒在多相催化过程中表现出优异的催化性能.虽然已经发展了一些合成方法,但仍缺少便捷地合成超小尺寸催化剂的方法.通常情况下,加氢金属催化剂往往需要经过高温还原过程.但过量的还原剂,如H₂,会导致金属纳米颗粒的聚集.本研究利用含有有机配体的钯前驱体合成了金属氧化物负载的超小尺寸钯催化剂.在惰性气氛下,通过简单的煅烧即可得到尺寸均一、超小的Pd纳米颗粒(～1 nm).有机配体中的-CH_x基团与氧化物载体的表面氧物种反应促进了Pd物种的还原.同时,反应过程中原位产生的CO和氧空位稳定了超小尺寸纳米颗粒.该方法所制备得到的催化剂具有较高的抗烧结能力、优异和稳定的催化加氢反应性能.     

基于透明活性层的高效柔性半透明有机太阳能电池（英文）

柔性和半透明是有机太阳能电池(OSCs)的重要优势,受到科学界和工业界的广泛关注.目前,提高柔性半透明OSCs(ST-OSCs)性能的关键是柔性透明电极(FTEs)和吸光活性层.本文制备了透过率为84.8%的复合FTEs,这使得活性层可以高效捕获太阳光,优化了器件中的光管理.此外,在活性层中采用了多种成熟的策略,包括构筑类合金近红外受体(Y6:m-BTP-PhC6)和稀释可见光范围强吸收的给体(PM6),使得每个光子被精确利用,有效平衡了ST-OSCs效率和透过率之间的冲突.利用以上策略,提高了活性层中可见光的透过和近红外光的吸收,最终获得了高透明度的活性层,其平均可见光透过率(AVT)值为39.3%.基于此,柔性不透明和半透明OSCs分别获得了16.44%和11.48%的能量转换效率,这是目前柔性ST-OSCs的最高效率之一.本工作对实现具有优异鲁棒性和高性能的ST-OSCs具有重要的指导意义,也为其实际应用迈出了重要一步.     

全氧化镓薄膜同质p-n结（英文）

制备p-n结以及探索其物理机制在发展各种功能器件和推进其实际应用中起到关键作用.超宽禁带半导体在制备高压高频器件上有着巨大的潜力,但是氧化镓p型掺杂困难限制了氧化镓同质p-n结的制备,进而阻碍了全氧化镓基双极型器件的发展.本文通过一种先进的相转变生长技术结合溅射镀膜的方法,成功制备了n型锡掺杂β相氧化镓/p型氮掺杂β相氧化镓薄膜.本工作成功制作了全氧化镓单边突变同质p-n结二极管,并且详细分析了器件机理.该二极管实现了4×10⁴的整流比、在40 V下9.18 mΩcm²的低导通电阻、4.41 V的内建电势和1.78的理想因子,并在交流电压下表现出没有过冲的整流特性以及长期稳定性.本工作为氧化镓同质p-n结初窥门径,为氧化镓同质双极型器件奠定了基础,为高压高功率器件的应用开创了道路.     

聚合物电介质表面电荷积聚的根本原因（英文）

聚合物电介质在使用过程中表面会积聚大量的电荷,导致局部电场畸变、闪络、爆炸和设备损坏等问题.由于造成电荷积聚的聚合物载流子深陷阱的主要构成目前仍不清楚,这一瓶颈问题目前仍未得到有效解决.本文基于开尔文探针力显微镜(KPFM)和磁力显微镜(MFM)观测了纳米微区聚合物自由基的电荷行为,发现自由基表现出深陷阱的特性.第一性原理计算发现出现自由基后的体系中存在深能级缺陷态.微观和宏观的电荷测量表明,清除自由基后的聚合物表面电荷量显著减少,这为聚合物电介质在诸多领域中的安全使用提供了有效的材料改性方案.本文首次揭示了电介质中的自由基是深陷阱,为后续关于聚合物电介质的电荷特性方面的研究提供了重要的理论指导.     

低温条件下反常的铁电保持（英文）

理解铁电材料畴结构在低温条件下的翻转行为,对于铁电物理以及其在宽温域的应用都非常重要;然而,目前在低温条件下直接观测介观尺度下的畴翻转仍然面临着巨大的挑战.本论文利用铁酸铋(BiFeO₃)作为模型来研究3.6–260 K温度范围内的铁电畴翻转行为.菱形相的BiFeO₃在温度为130 K时观测到了明显的铁电保持失效现象;这是因为BiFeO₃在130 K附近有较大的热释电系数,从而使其升温到该温度附近时释放了大量的热释电电荷,进而产生较强的退极化场,导致铁电极化翻转.另外,本论文还发现通过纳米尺度设计相界可以有效地抑制铁电保持失效.本研究为变温条件下,尤其是低温温域,研究铁电翻转提供了实验范式.     

内源性双miRNA触发响应的DNA纳米结构动态自组装用于原位递送siRNA（英文）

通过多重miRNA触发的原位siRNA递送治疗策略可以有效提高对癌细胞的精确治疗.基于DNA纳米结构的可编程性、特异性分子识别、易于功能化修饰和良好生物相容性的特点,我们设计了一个3D DNA纳米治疗平台,用于实现双miRNA触发响应的siRNA原位递送.这种3D DNA纳米结构(TY1Y2)是由DNA四面体支架、两组Y型DNA(Y1和Y2)和EpCAM核酸适体通过自组装构建而成的.TY1Y2被特异性内化至靶标癌细胞后,能够被两个内源性miRNA (miR-21和miR-122)触发,从而产生强的荧光共振能量转移信号,用于双miRNAs成像.同时,治疗性的siRNA (siSurvivin和siBcl2)也可以通过链置换反应从TY1Y2中产生并进行原位释放,实现癌细胞的协同基因治疗.这种3D DNA纳米结构将内源性生物标记物的特异性成像和治疗性基因的原位递送整合为一个多功能纳米平台,在癌症诊断和治疗方面显示出广阔的应用前景.     

类液晶作为高性能有机场效应晶体管的有源层（英文）

高载流子迁移率和器件性能的一致性对于有机场效应晶体管在阵列和集成电路上的应用至关重要.然而,同时具备高性能和小批间差的方法当前仍然是个挑战.本论文在原子力显微镜和偏振荧光显微镜表征的基础上,报道了在PTCDI-C₁₃分子模板上生长具有大晶畴的dif-TES-ADT类液晶状薄膜的方法.我们进一步将所获得的薄膜用作有机场效应晶体管的载流子传输通道,其饱和载流子迁移率高达1.62±0.26 cm²V^-1s^-1.更重要的是,在重复三个批次之间,每次50个器件的迁移率批间差仅为16%.这一发现为设计材料和器件结构以同时实现高载流子迁移率和器件均匀性提供了一种新思路.     

溶液法制备无铅双钙钛矿纳米片提升光响应和热稳定性（英文）

无铅双钙钛矿由于具有较好的稳定性和无毒的特点吸引了很多学者的目光,有希望成为下一代光伏和光电子材料.然而,目前其光电器件性能并不理想.我们报道了一个简单的溶液法用于制备无机双钙钛矿Cs₂Ag Bi Br₆和MA₂Ag Bi Br₆微米片.与传统的溶液旋涂法相比,这种方法得到的Cs₂Ag Bi Br₆和MA₂Ag Bi Br₆微米片具有很好的结晶性.将它们做成光电探测器后,其响应度达到了245 m A W^-1,比旋涂法制备的器件高出两个量级,且响应时间为145μs.热稳定性研究表明,将Cs₂AgBi Br₆器件在空气中加热到160°C再回到室温,其光电响应并没有受到影响.这些结果表明,溶液法制备无铅双钙钛矿具有更广阔的应用前景.     

基于转化-合金化机制的钠离子电池PbSe@CNTs负极材料（英文）

钠离子电池作为新型的储能电池体系因钠资源储量丰富、成本低廉等优势有望填补锂离子电池在某些应用领域的空缺,非常适用于大规模储能领域.然而,高容量储钠负极材料仍然需要进一步研究.本文以废旧铅酸电池的回收铅和商业化硒粉为原料,采用机械球磨法制备了纳米硒化铅与碳纳米管(PbSe@CNTs)的复合材料.碳纳米管网络缠绕在PbSe纳米粒子上,可有效抑制纳米粒子的团聚,同时提高了电子导电性.纳米级的PbSe和拓扑结构的CNTs有利于电解液的渗透,缩短了Na+和电子的传输路径,缓解了脱嵌钠过程中的机械应变,提高了倍率和长循环稳定性能.PbSe@CNTs电极在20 mA g^-1电流密度下具有597 mA h g^-1的可逆比容量,在100 m A g^-1循环100圈仍保持458.9 mA h g^-1的可逆比容量,容量保持率为88%.通过X射线衍射和拉曼光谱分析,证实了PbSe的储钠机理为两步转化-合金化过程,反应方程式为PbSe+5.75Na⁺+5.75e^-?0.25Na     

具有双功能酶活性的Au/Cu多级组装颗粒的构建（英文）

纳米酶被定义为具有独特纳米结构和催化活性的模拟酶.受天然酶的启发,我们报道了一种具有仿多酚氧化酶和过氧化物酶活性的双功能Au/Cu多级组装颗粒(Hops).它不但能够快速氧化难降解的有毒酚类污染物,还可以用于灵敏检测生物供能物质. Au/Cu Hops纳米酶表现出优异的催化活性和可回收性,并且可在极端条件下保持稳定.值得注意的是,与天然漆酶相比,在相同质量浓度下, Au/Cu Hops纳米酶催化对苯二酚氧化反应具有更高的底物亲和力和6.37倍的Vmax.此外,基于Au/Cu Hops的仿过氧化物酶活性,我们构建了级联反应系统用于检测葡萄糖浓度,检测限低至5μmol L^-1.最后,通过分子动力学模拟,我们证明了Cu-S簇在Au/Cu Hops表面形成双催化活性位点,并通过密度泛函理论计算揭示了纳米酶的催化途径.该工作对双功能纳米酶的构建和应用具有重要意义.     

金属有机硫化物框架用于制备高载量单原子Pt（英文）

原子级分散的贵金属位点在多相催化中具有广阔的应用前景.然而当金属含量较高时极易引起团聚,因此其负载量通常限制在2 wt%以下.本研究中,通过模拟金属酶的多中心金属硫簇,基于金属有机硫化物(MOS)框架仿生合成了高载量贵金属单原子催化剂.以[Mo₃S₇Br₆]^2-团簇和二硫醇分别为组装单元和连接结构,通过化学键合构筑MOS框架材料,并在上述合成过程中原位负载贵金属盐.进一步通过Na BH₄还原,制备出负载型的Pt单原子催化剂,且负载量高达18.5 wt%.通过改变二硫醇中苯环的数量,可以调节MOS框架的孔径及浸润性.此外,制备得到的Pt-MOS单原子催化剂,可以在有机溶剂或纯水中选择性将苯乙炔加氢生成苯乙烯.密度泛函理论计算表明,富硫配位环境中的原子Pt位点可以有效活化H₂分子,并通过较低的反应能垒高选择性地催化苯乙炔半氢化为苯乙烯.这种基于金属有机硫化物的金属化策略将启发人们合成结构明确的仿生催化材料,在未来有望实现更多样化的应用.     

氧化铟表面构建Mo单原子活性位点用于光催化合成氨基酸（英文）

In₂O₃作为一种n型半导体,被认为是合成氨基酸最有前途的光催化剂之一,然而In₂O₃自身在光生电荷动力学方面存在不足.我们通过一步溶剂热和煅烧法合成了具有多孔棒状结构的Mo原子掺杂In₂O₃(Mo-In₂O₃).在可见光照射下,将Mo-In₂O₃用于乳酸转化为丙氨酸的反应,实现了81%的转化率和91%的选择性.光谱技术和密度泛函理论计算表明, Mo原子引入了略低于In₂O₃导带的缺陷能级,改善了光生电子-空穴对的分离效率.此外, In₂O₃表面上的Mo原子形成新的吸附和反应活性中心,可显著提高催化反应速率.本工作为开发过渡金属单原子修饰的半导体光催化剂应用于氨基酸生产提供了理论基础.     

表面自由能对二维结晶的影响（英文）

二维分子晶体是一类具有优异光电性能的新兴材料.然而,由于人们对决定二维结晶的因素知之甚少,二维分子晶体的生长极具挑战.我们研究了有机半导体的二维结晶和表面自由能之间的关系,提出了利用表面自由能各向异性因子来衡量二维结晶趋势的设想.以两个BTBT衍生物为例,我们发现具有大的g因子的分子有不受外界条件干扰的二维结晶趋势.这项工作为合理设计可二维结晶的有机半导体提供了指导.     

硫掺杂氮化碳纳米片棒状聚集体用于光催化析氢（英文）

合成具有较宽吸收光谱的少层氮化碳是一个具有吸引力的课题.杂原子掺杂(特别是硫掺杂)可以有效地避免纳米级片层氮化碳中由于量子限制效应所引起的带隙加宽.与二次煅烧硫化不同的是,预硫化超分子前驱体可以原位地形成硫掺杂氮化碳纳米片堆叠聚集体(SCN).这种少层的框架结构呈现出了更大的比表面积(139.06 m² g^-1),暴露了更多的活性位点.此外,硫的引入使原七嗪环的共轭结构发生扭曲,从而通过激活价带电子的n→n^*跃迁而缩小带隙.在模拟日光条件下,SCN_0.8(3925.8μmol g^-1h^-1)的析氢速率是块体氮化碳(BCN,485.2μmol g^-1 h^-1)的8.1倍.本工作旨在最大限度地利用杂原子掺杂和形态调控的协同效应来提高光催化活性,且为光催化剂的多维同步优化提供了新的视角.     

通过共晶工程的选择性外延生长有机异质结构实现光信号定向转换（英文）

分层有机纳米结构(HONs)是一种将具有不同功能的多个成分集成在一个系统中的纳米结构,其在光电子应用中引起了极大的关注.然而,由于不同材料之间结构不相容性的难题,构建具有超低晶格失配率(η)的HONs仍然面临巨大挑战.共晶工程提供了探索合理制备HONs的有力手段,但迄今为止尚未得到系统的证明.在这里,我们展示了一种用于HONs的超低晶格失配异质外延的共晶工程策略.该策略具备足够的通用性,可实现多种材料的集成从而得到不同空间取向的异质结构.通过实验合成了一系列典型HONs,包括三嵌段(η₁=0.7%)、分支(η₂=0.8%)和核/壳(η₃=0.6%)纳米结构,其晶格失配率远低于先前报道的HONs (5%-10%).此外,我们选择性地合成了核/壳的子结构,包括三嵌段和三明治状纳米线,揭示了界面能在HONs形成过程中的诱导作用.作为概念验证,制备所得的不同异质结构成功实现了光子信号的定向转换,为构建下一代集成光电器件奠定了坚实的基础.     

硼酸盐:氧离子导体设计的一个新方向（英文）

降低固体氧化物燃料电池(SOFCs)的工作温度正在推动新型氧离子导体材料的开发.在此,受氧离子导体材料结构共性的启发,基于Sr(Si/Ge)O₃材料中刚性(Si/Ge)₃O₉基团无法容纳氧空位,以及BO_n多面体在配位数、旋转、变形和连接上的巨大灵活性,我们首次通过计算预测和实验验证,报道了基于硼酸盐的新型氧离子导体材料(Gd/Y)_1-x-Zn_xBO_3-0.5x.(Gd/Y)BO₃中的氧空位可以通过孤立的B₃O₉三元环形成B₃O₈结构单元来容纳,并通过B₃O₉和B₃O₈单元之间的氧交换合作机制来传输,而这些结构单元作为过渡态的打开和伸展则有助于氧的传输.这项研究为设计和开发新型氧离子导体开辟了新方向,有望从硼酸盐家族发现更多新的氧离子导体.     

可定制多孔玻璃表面的溶解制造策略（英文）

玻璃表面微纳结构的设计和制造在实现所需功能方面具有重要意义.然而,玻璃固有的硬度和脆性给传统制造方法带来了不便.因此,开发一种简单且可控的制造策略对于制备具备功能应用的微纳结构玻璃至关重要.在本文中,我们提出了一种创新方法,利用可溶性氯化钠颗粒作为前驱体模板,在玻璃表面上创建可定制的多孔结构.通过我们的先导成型策略,成功利用可溶性氯化钠颗粒的潜力作为前驱体模板,从而便于制造量身定制的多孔玻璃表面.通过调节这些颗粒的大小和组合,我们实现了对所得多孔玻璃的连续调控,范围从超亲水(1°)到超疏水(142°).值得注意的是,制备的多孔玻璃表面表现出显著的亲油性,展示了在油水分离和自清洁等多种应用方面的巨大潜力.最重要的是,即使经过了10次制造迭代,玻璃表面的疏水-亲油功能依然完好,凸显了我们策略的耐久性和可重复性.这种方法为实现玻璃的特殊功能提供了方便且具有成本效益的途径,为不同领域的进展铺平了道路.