通过光聚合技术对光聚合物树脂进行增材制造,可以快速3D打印零件。该工艺自20世纪80年代诞生以来不断发展,不仅在装备上实现了高分辨率、高打印速度的突破,还涌现出一系列不同性能的树脂材料,以满足不同行业、不同用途的使用。液体树脂配方由含有(甲基)丙烯酸酯和环氧化物的反应性单体和/或低聚物组成,在光引发剂存在下暴露于光刺激下时,会快速光聚合,形成交联聚合物网络。尽管最近通过可再生生物质的衍生化和引入水解可降解键取得了进展,但这些树脂成分大多从石油原料中获得。然而,所得材料仍然类似于传统的交联橡胶和热固性材料,因此限制了打印部件的可回收性。目前,还没有一种现有的光聚合物树脂可以解聚并直接在闭环路径中重新使用。 近日,英国伯明翰大学Joshua C.Worch教授和Andrew P.Dove教授团队等人在Nature 上发表了题为“A renewably sourced,circular photopolymer resin for additive manufacturing”的文章,该项研究报道了一种完全可再生的光聚合物树脂平台,可以3D打印成高分辨率的部件,有效解构并在循环过程中重新打印。这种方法通过使用动态循环二硫化物替代传统(甲基)丙烯酸酯,解决了之前使用内部动态共价键回收和重新打印光聚合物时效率低的问题。硫辛酸盐树脂材料体系是高度模块化的,通过调整其组成和网络架构,可以获得具有不同热性能和机械性能的打印材料,这些性能可与多种商业丙烯酸树脂相媲美。 原文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-024-07399-9 查看详细>>

研究背景 传统硅基技术在亚3 nm节点接近其物理极限,亟需新的半导体材料来实现集成电路的进一步缩放。二维半导体凭借其原子级超薄结构和高迁移率优势,能够在超短沟道晶体管中实现优异的静电控制和开态特性,被视为亚1 nm技术节点芯片的潜力材料,受到全球领先半导体企业和研究机构(如英特尔、台积电、三星和欧洲微电子中心)的高度关注。然而,二维晶体管面临严重的金属-半导体接触费米能级钉扎效应,这极大的制约了器件的性能。因此,如何实现二维半导体和金属电极的欧姆接触是制备高性能弹道晶体管的关键因素。此外,目前国际上展示的高性能二维晶体管多基于机械剥离或厘米级的二维单晶,如何基于晶圆级二维半导体实现高性能晶体管的规模化制备,是推动二维电子学从实验室走向工业应用(Lab-to-Fab)的核心挑战。 研究成果 近期,北京大学电子学院彭练矛院士-邱晨光研究员课题组在二维半导体集成工艺方面提出了“稀土钇元素诱导相变理论”,并发明了“原子级精准选区掺杂技术”,突破了传统离子注入掺杂结深无法小于5纳米的工程限制,首次将源漏选区的掺杂深度推进到单原子层0.5纳米极限,并基于二维半导体晶圆制备出规模化的超短沟道弹道晶体管,实现了理想的欧姆接触和开关特性,有潜力构建未来更高性能、更低功耗的亚1纳米技术节点芯片。 相关研究成果以“Yttruim-doping-induced metallization of molybdenum disulfide for ohmic contacts in two-dimensional transistors”为题,2024年5月27日在线发表于《自然·电子学》。姜建峰博士与徐琳博士为共同第一作者,邱晨光研究员和彭练矛院士为共同通讯作者,北京大学电子学院为通讯单位。论文合作者为中国科学院物理所张广宇研究员与杜罗军研究员。 技术革新 本研究工作实现了以下四方面技术革新: 1.开创性地提出了“稀土元素诱导二维金属化理论”。 该技术通过钇原子掺杂诱导的方式,将接触区域的二维半导体转变为二维金属。并以此二维金属作为金属与半导体之间的缓冲层,抑制了界面处的费米钉扎效应,该缓冲层作为“桥梁”,有效地提高了载流子从金属到半导体的传输效率。钇原子掺杂有效调控了二维金属的费米能级的位置,以实现理想的能带对齐和器件的欧姆接触,克服了本征二维相变固有肖特基势垒的科学挑战。 2.发明了“原子级可控精准掺杂技术”。 设计了超低功率软等离子体-固态源活性金属沉积-真空退火的三步法原子级掺杂工艺,有效地将固态源掺杂剂钇原子扩散注入进精细图案化的二维接触区域表面,这种新型的接触掺杂策略可以兼容于1 nm技术节点的光刻工艺。 3.在晶圆级二维半导体中实现了理想的欧姆接触。 将接触电阻推进至量子理论极限,器件总电阻低至235Ω·μm,统计的传输线法(TLM)平均接触电阻仅为69±13Ω·μm,满足国际半导体技术路线图对集成电路未来节点晶体管电阻的要求。 4.在大规模超短沟道的二维晶体管阵列中展示出卓越的综合电学特性。 展示出理想的开关行为,并能有效地抑制短沟道效应,四个量级电流范围内的平均亚阈值摆幅SS为67 mV/Dec;平均开态电流密度高达0.84 mA/μm;最大跨导提升至3.2 mS/μm,比其他同类二维TMDs器件提高近一个数量级。 这项工作从物理机制上阐明了稀土元素钇掺杂相变技术的底层过程,并展示了晶圆级大规模制备高性能二维晶体管的可行性,器件的关键电子学参数满足先进节点集成电路的要求,有力地证明了二维半导体在未来节点集成电路应用的性能潜力,为推动二维电子学从实验室走向工业界(Lab-to-Fab)提供了重要的理论参考和实验依据。 查看详细>>

发展可再生能源电解水制氢技术是实现“碳达峰碳中和”目标的重要途径之一。全球范围海洋可再生能源发展迅猛，至2025年，海上风电装机总量可达到约100 GW。海水电解以低成本（2-3美元/kg H2）的可再生氢制取，有望解决深远海可再生能源消纳需求，原位直接海水电解无需对海水进行处理，有望成为最为行之有效的海水电解技术路线之一。但相对于以副产物形式制备的灰氢与蓝氢，电解海水制绿氢的成本仍居高不下，如果能够有效利用海水中的大量矿产资源，在提矿的同时制绿氢，势必能够大幅度降低绿氢制取成本。但是海水中大量的镁钙离子在氢氧化物被提取出的同时也会附着在阴极表面，阻碍电极与反应物接触，从而导致电极损伤并提高能耗。 近期，中国科学院宁波材料技术与工程研究所氢能与储能实验室陆之毅研究员带领的电化学环境催化团队，基于前期对碱性海水电解的研究（Angew.Chem.Int.Edit.2021,60,22740;Nat.Commun.2023,14,4822;Adv.Mater.2023,2306062;Adv.Funct.Mater.2023,2302263），在天然海水直接电解制氢研究方面取得了新的进展。该团队受前期超疏气电极研究的启发，提出了一种疏固策略，通过提升电极材料表面能进而增加电极表面的吸附水，较完整的水层（氢键网络）使得镁离子难以穿越到电极表面发生非均相成核，这使得电极表面获得了疏固的特性，有效缓解了电极表面的结垢问题。实验结果表明，具有高表面能的镍铜合金电极（NiCu alloy）能够在富含镁钙离子的溶液（10倍海水钙镁离子浓度）中稳定运行超1000小时，并持续产出高纯度、小粒径的氢氧化镁（纯度>99%）。通过理论模拟和实验验证，证实了电极表面的吸附水可有效阻碍镁离子穿越到电极表面发生非均相成核。此外，基于氢气、氢氧化镁双产物经济效益方面的优势，该技术路线相对于传统电解海水制氢，经济效益能够提升约10倍。这项研究解决了天然海水直接电解制氢技术中的重要问题，提出了一条天然海水直接电解制氢的新路线，将大大加快海水提镁制氢技术在工业规模上的商业化进程。 这一工作以”Solidophobic Surface for Electrochemical Extraction of High-Valued Mg(OH)2 Coupled with H2 Production from Seawater”为题发表在国际知名期刊Nano letters上(DOI：10.1021/acs.nanolett.4c01484)，论文通讯作者为宁波材料所陆之毅研究员与华东理工大学戴升教授。相关研究得到了国家重点研发计划（2023YFB4005100）的支持。 图1直接海水电解阴极示意图 图2电化学性能与稳定性测试 查看详细>>

光热调控材料可以在外场（光、热、电、磁）的刺激下动态改变其材料本征结构，进而带来光学特性发生相应改变，如光学吸收，反射与透过等；此外，利用多种材料的优化组合（多层膜、多组分等）或不同维度的规则排列（光子晶体、超表面等）可进一步优化器件的调光能力来实现辐射热的有效管理。 智能节能玻璃需要根据环境温度、太阳辐射的动态变化实现对其自身能量交换能力的动态响应，这种动态响应要求材料能够在很宽的波长范围内实现多种光学状态的智能切换。在前期的研究中，中国科学院上海硅酸盐研究所曹逊研究员团队以VO2材料为基，研究了多种多层膜调控结构（Matter 2019；Matter 2020）和表面微纳超结构（Nature Communications,2022），主要以调节近红外光波段能量为主，同时发展了可见光透明、近红外光强吸收的材料体系（Advanced Energy Materials,2021）；接着以WO3材料为基，通过外加电场方式实现可见和近红外双波段区域（太阳辐射）的能量调控（Nature Electronics,2022;Angew.Chem.Inter.Ed.,2023）；进一步研究辐射制冷/加热材料可实现中远红外波段能量的调控，并利用辐射制冷与热电等材料耦合还可以有效提升发电效率（Nature Communications,2024）。然而对于窗户而言，除了太阳辐射的调控外，吸收热量后的中远红外发射同等重要，进而才能真正实现整个窗户的辐射热管理，达到最佳节能效果。 近期，上海硅酸盐所曹逊研究员与华中科技大学杨荣贵教授等合作，从优化全波段（可见光、近红外、中远红外）光热交换的角度出发，开发出了一种新型电致变色结构，用于窗户的热管理，能够最大限度地利用可见光和近红外光的太阳辐射以及中红外光的辐射冷却。研究团队提出一种基于VO2和WO3薄膜相变实现三态转变的电致变色器件。在这个结构中，Li+能够在不同的外加电压下分别扩散至单斜相的VO2和WO3层，并完成至四方相的LixVO2和立方相的LiyWO3的相转变。其中，四方相LixVO2具有金属相的特性，其折射率快速升高，导致近红外光透过率的剧烈变化；而LiyWO3由于钨离子的还原表现出对可见光和红外部分的吸收，导致透过率快速下降。这两次相变可以实现三种不同的光学状态，从而独立调节可见光和近红外透射率。值得注意的是，在VO2至LixVO2的相转变中，Li+会陷入较深的势垒中，进而阻止Li+的复合，展现出良好的非易失性，维持该电致变色结构的三种光学状态在4小时以上。 此外，研究团队还发现在不同温度气候下，对智能节能窗户内外侧的发射率往往有不同的要求。在建筑全年热管理过程中，夏季室外环境和窗户表面温度比室内高，为了降低制冷能耗，减少热量进入，需要降低室外经窗户向内辐射热量，因此需要在窗户内侧设置低发射率；冬季室外和窗户表面温度比室内低，为了降低制热能耗，减少热量损失，需要降低室内向窗户辐射热量，同样需要在窗户内侧设置低发射率。此外在电致变色结构往往在着色状态呈现较强的光吸收，在光照下，电致变色结构表面温度相较于传统玻璃往往较高对其使用寿命和循环能力有较大影响，因此需要在外表面设置高发射率。研究团队进一步通过优化电致变色结构外侧（εMIR-O为0.89）和内侧（εMIR-I为0.44）电致变色电极的发射率，将室内外环境之间的辐射热交换最小化。（图1） 热交换模拟和实验研究验证了该模型的普适性和有效性。研究团队在上海市和三亚市进行的户外实验表明，在典型晴朗天气下，与传统商用的Low-e窗户相比，这种基于新型电致变色结构的窗户可实现全天持续冷却，最高温度降幅可达14°C（图2）。模拟显示，这种新的电致变色器件在世界上绝大多数气候区域比商用Low-e玻璃具有更高的节能效果（图3）。该发现为创新的智能节能窗户设计提供了巨大机遇，有助于实现全球碳中和和可持续发展。 相关研究成果以“Tri-band electrochromic smart window for energy savings in buildings”为题发表在Nature Sustainability上。上海硅酸盐所博士毕业生邵泽伟、黄爱彬副研究员和博士生曹翠翠为论文共同第一作者。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、ANSO国际合作专项、上海市自然科学基金原创探索等项目的资助和支持。 论文链接：https://www.nature.com/articles/s41893-024-01349-z 图1.可见-近红外-中远红外优化的电致变色结构设计。（a）理想的电致变色节能窗户的光谱设计；（b）可见-中远红外优化的电致变色结构；（c）电致变色结构的中远红外发射率性能表征；（d）电致变色结构的可见-中远红外光学性能表征。 图2.户外节能性能测试结果。（a）样品及测试方法照片；（b）不同样品的温度测试实时结果及太阳辐照实时结果；（c）实验样品与Low-e样品的实测温差对比。 图3.热交换模拟节能性能结果。（a）上海市典型天气下不同月份的能耗结果对比；（b）全球典型天气下全能能耗结果实验样品与Low-e玻璃间差值。 查看详细>>