최근 University of Illinois, University of Michigan,펜실베니아 주립 대학교Kristen A. Fichthorn, Sharon C. Glotzer, Qian Chen은 공동 커뮤니케이션 저자로서'Nature'저널에'Patchy nanoparticles by atomic stencilling'이라는 제목의 기사를 발표했습니다.

연구진은 표면에 폴리머 반점이 있는 나노입자(NPs는）。전통적인 템플릿 기술은 주로 위에서 아래로의 마이크로 제조 방법, 예를 들어 광각 기술에 의존하며, 마스크에서 도안화를 통해 실현된다.그러나 이러한 방법은 피쳐 크기를 더 줄이고 복잡한 3D 표면에 적용하는 데 제한을 받습니다.이에 비해 연구자들이 개발한 원자 템플릿 법칙은 하향식 자체 조립 과정을 채택해 화학반응이나 물리적 상호작용을 통해 나노 수준의 정확한 도안화를 실현한다.

이 연구에서 연구원들은 표면에 흡착된 요오드화물 아단층을 마스크로 사용하고 배체 유도 방식으로 중합물을 은폐되지 않은 구역에 코팅함으로써 표면에 고균일성 중합물 반점이 있는 20가지에 달하는 다양한 유형의 나노입자를 성공적으로 제조했다.중합체 축척 이론과 분자 동력학 시뮬레이션을 통해 연구팀은 이 방법으로 생성된 반점 입자가 전례없는 독특한 형태를 가지고 있다는 것을 발견했다.중합체 반점이 있는 이 나노입자들은 높이가 균일한 반점 때문에 서로 다른 비긴밀 퇴적 초결정격으로 자체 조립할 수 있다.

이 연구는 나노 척도 도안화 방면에서 중요한 돌파를 이룩했을 뿐만 아니라 기타 기저의 정확한 화학, 반응성과 상호작용 통제에 새로운 경로를 개척했다.이 기술은 정확한 약물 배달, 촉매, 마이크로 전자, 통합 초재료 및 조직 공학 등의 분야에서 널리 응용 될 것으로 기대된다.

그림: 요오드화물로 싸인 팔면체

최근 Non-van der Waals superlattices of carbides and carbonitrides라는 제목으로 Non-vdW (non-vdW) 초결정격에 관한 연구 성과가'Nature'저널에 발표되었다.북경항공항천대학 재료과학과 공정학원 양수빈이 통신저자이다.

전통적으로 인공 초결정은 그래핀 초결정과 같은 원자층이 층층이 쌓이거나 순서대로 외연적으로 성장하여 구축된다.이 판데발스 초결정은 인터페이스 결합이 약하기 때문에 성능 향상을 제한한다.본 연구팀은 일련의 탄화물과 탄질화물의 비반데발스 초결정체를 성공적으로 제조하는 효율적인 합성 방법을 제시하였다.이러한 초결정은 층간의 수소 결합을 통해 강도를 매개하는 권곡 전략을 통해 실현된다.

연구의 핵심 단계는 MX 레이어에 금속 빈자리를 만들어 MAX 상에서 도출된 원자 레이어의 굴곡 강도를 사용자 정의함으로써 빠른 굴곡 변형에서 질서 있는 굴곡을 촉발하는 것이다.판데발스 초결정과 달리, 이 비vdW 초결정은 수소 결합을 가지고 있으며, 강력한 층간 전자 결합을 제공하며, 고도로 집중된 전하 하중자 (10²²cm⁻³）。따라서 이 초결정체는 약 30000Scm를 나타낸다⁻¹의 현저한 전도율은 그 대응물의 약 22배이다.

전자기 간섭 차단 애플리케이션 중 가장 우수한 비vdW 초결정막은 124dB의 탁월한 차단 효과를 보여주며 비슷한 두께를 가진 것으로 알려진 모든 합성 재료를 능가한다.비vdW 초결정은 재료 플랫폼을 현저하게 넓히고 다양한 구성과 결정 구조를 제공하여 인공 스태킹 시스템의 새로운 발전에 가능성을 제공할 것으로 예상된다.

그림: 초결정의 TEM 표징

Rensselaer Polytechnic Institute는플로리다 주립 대학교Yunfeng Shi, Hanwei Gao, Jian Shi는 커뮤니케이션 저자로서"Long-distance remote epitaxy"의 연구 성과를 발표했습니다.이 연구는 원격 외연 기술의 새로운 돌파구를 제시하여 전자와 광전자 부품의 발전에 새로운 기회를 가져왔다.

원거리 외연은 원거리 상호작용을 통해 박막과 기저 사이에 외연 관계를 구축하는 기술로, 고품질 단결정 외연층의 성장을 실현하고 이를 다른 중요한 기저로 옮길 수 있다.전통적인 관점에서, 원거리 외연의 작용 거리는 일반적으로 1나노미터보다 작다고 여겨지는데, 왜냐하면 전위는 몇 개의 원자 거리 후에 빠르게 쇠퇴하기 때문이다.그러나 Jian Shi 교수팀의 연구에 따르면 원격 외연의 작용 거리는 2~7 나노미터에 달할 수 있습니다.

실험에서 연구원들은 CsPbBr3 박막의 NaCl 기저에서의 원거리 외연, KCl 박막의 KCl 기저에서의 원거리 외연, GaN에서의 ZnO 마이크로스틱의 원거리 외연을 성공적으로 실현했다.연구에 따르면 GaN 기저 아래 각 원격 외연의 ZnO 마이크로봉 아래에 비트 오류가 존재하는데, 이는 결함을 제어함으로써 원격 외연을 설계하고 공정화할 수 있음을 보여준다.

원거리 외연은 첨단 전자와 광전자 부품을 설계하는 데 풍부한 기회를 가져다 주고 웨이퍼 매칭 개념의 제한에서 벗어날 것으로 예상되는 신흥 외연 성장 기술이다.원거리 외연에서 전형적인 단층 2차원 재료는 전정 반투명 완충층으로서 기저 전위가 약화되었지만 여전히 충분히 강력하여 원자의 성핵과 성장을 유도한다.박막과 기저 사이의 약한 상호작용은 박막 부품이 후속 단계에서 다른 화학적 또는 구조적으로 완전히 다른 기저로 전이될 수 있도록 허용한다.

연구팀은 GaAs, InP, GaP, VO, 등 다양한 재료에서 원격 외연 기술의 적용을 보여주었습니다.SrTiO₃바티오₃, 코페₂O₄그리고 Y₃페₅O는₁₂Pb(Mg)의_1/3NB_2/3(O)₃--PbTiO₃및 CsPbBr₃、GaN, ZnO 및 AlN은 재구성 가능한 다이오드, 자기 전기 부품, 발광 다이오드, 광전 탐지기 및 전자 피부를 포함한 다양한 설계 및 부품 구현에 원격 외연 필름을 적용합니다.

이런 기술의 잠재적 응용은 고품질 단결정 박막의 성장에 국한될 뿐만 아니라 전자와 광전자 부품의 성능과 설계 자유도를 높일 수 있다.원격 외연의 이 돌파는 미래의 재료 과학과 공학 응용에 새로운 시각을 제공한다.

그림.a-C/GaN에서 외연성장 ZnO

푸단대학의 저우펑, 류춘썬은 교신저자로'A full-featured 2D flash chip enabled by system integration'의 연구 성과를 발표했다.

논문은 원자급 장치에서 칩 기술(ATOM2CHIP)에 이르기까지 시스템을 통합하는 2D 소재를 핵심으로 하는 전기능 NOR 플래시 메모리 칩을 소개했다.이 기술은 우수한 2D 전자 장치를 스토리지의 핵심으로 결합하고 복잡한 명령 제어를 지원하는 강력한 CMOS 플랫폼을 갖추고 있습니다.ATOM2CHIP 기술 청사진은 전체 스택 칩 공정과 크로스 플랫폼 시스템 설계를 포함하며 신흥 장비 개념에서 적용 칩으로의 전환에 완전한 프레임워크를 제공합니다.

이 전체 스택 칩 공정은 평면 통합, 3D 아키텍처 및 칩 패키지를 포함하는 프로세스를 전문적으로 설계하여 94.34% 의 높은 양률을 확보했습니다.크로스플랫폼 시스템 설계는 2D 회로 설계와 2D-CMOS 모듈 호환성 검증 설계를 처리하여 최종적으로 8비트 명령과 32비트 병렬의 복잡도 높은 명령으로 구동되는 전체 기능 칩을 실현하였다.

논문에 따르면 2D 재료는 단일 두께에서도 탁월한 전자 특성을 나타내며 판더화 이질 구조는 전자를 정교하게 조절할 수 있게 한다.이러한 특성을 통해 2D 전자 장치는 실리콘 기술의 배율 조정 능력을 지속하고 근본적인 장치 메커니즘을 만들 수 있습니다.집적 회로로반도체 장비의 한 가지 전시, 2D 플래시 메모리는 실리콘 플래시 메모리 (주류 비휘발성 저장 기술) 보다 빠른 Fowler-Nordheim 터널 프로그래밍 속도와 더 나은 채널 길이 배율 우위를 보여줍니다.

최근 몇 년 동안 산업계나 학계를 막론하고 통합 2D 반도체 연구가 점점 더 주목을 받고 있다.2D 전자 장비 및 성숙한 실리콘CMOS 논리 회로결합은 시스템 수준에서 2D 전자 장비의 이점을 보여주고 실험실에서 공장으로 새로운 장비의 전환을 가속화하는 이상적인 방법이 될 것입니다.논문의 연구는 2D 전자 시스템의 우수성을 보여주는 효과적인 시스템 통합 전략을 제시했다.

그림: 2D 플래시 메모리 칩의 STEM 이미지

최근 상하이교통대학의 자오이신, 천웨톈, 뮤옌펑, 궈융성은 공동 교신저자로'Nature'에'A matrix-confined molecular layer for perovskite photovoltaic modules'라는 제목의 연구 기사를 게재했다.

칼슘 티타늄 광재료는 우수한 광전 성질 때문에 최근 몇 년 동안 태양광 분야의 연구 이슈가 되었다.칼슘 티타늄 태양 전지의 에너지 변환 효율 (PCE는) 상업용 실리콘 배터리에 점차 접근하여 산업화 응용의 길을 닦았다.그러나 현재 대부분의 효율적인 역치형 칼슘 티타늄 태양 전지는 자체 조립 분자 (SAMs) 의 집결과 소수성 문제로 인해 여전히 많은 도전에 직면 해 있습니다.

연구진은 이를 해결하기 위해 일부 자가조립 분자를 안정적인 3(오불화페닐기) 붕소기질에 분포시킴으로써 기존 분자 축적으로 인한 집결 문제를 타파하는'자가조립 분자-기질'(SAM-in-matrix) 전략을 제시했다.2차원 크리스털 몬테카를로 시뮬레이션과 실험 결과에 따르면 이 전략은 효율적인 전하 전송 채널을 형성할 수 있다.이런 SAM-in-matrix 빈혈 전송층 (HTL) 을 기반으로 한 부품은 각종 자체 조립 분자에서 보편적으로 더 높은 효율을 보여주며, 긴밀한 표면 커버리지, 양호한 전도성, 대폭 줄어든 매장 나노 빈틈을 가지고 있다.또한 이 전략은 규모화 생산에서 뚜렷한 응용 잠재력을 나타낸다.

FTO/NiOx 기판의 SAM-in-matrix HTL을 이용하면 양호한 결정 질량과 전도성을 강화하는 칼슘 티타늄 대면적 박막 형성에 도움이 된다.결국 연구진은 1m×2m 면적의 대면적 칼슘티타늄광 태양광 모듈을 성공적으로 제작해 20.05%의 인증 효율로 신기록을 세웠다.

그림: NiOx에서 칼슘 티타늄/Me4PA@BCF라이닝 HRTEM 그림

최근 상하이과학기술대학 위혁, 벨기에 앤트워프대학 Timothy Pennycook, 미국 퍼듀대학 Dou Letian은"Nature"에"Atomically resolved edges and defects in lead halide perovskites"라는 제목의 연구론문을 발표했다.그들의 연구는 납할로겐화물인 칼슘티타늄광재료의 변두리와 결함의 상세한 원자구조와 그 동태적특성을 밝혀냈다.

납할로겐화물인 칼슘티타늄은 유기-무기 반도체 소재로 우수한 비용 효율과 흥미로운 광전 성능을 갖춰 주목받고 있다.그러나 매우 높은 민감성 때문에 지금까지 그 가장자리의 선명한 이미지를 얻기 어려웠다.이 연구팀은 첨단 4차원 스캐닝 투과 전자현미경 기술을 적용해 매우 낮은 용량으로 중첩 영상을 만들어 칼슘 티타늄 광산의 가장자리와 내부 결함의 구조를 원자 해상도에서 처음으로 밝혀냈다.연구에 따르면 메틸암모늄 납 요오드화물 (MAPbI3) 에서 메틸암모늄과 요오드의 가장자리 종지가 다수를 차지하며, 가장자리와 내부 결함의 손상률은 존재하는 빈자리 농도와 유형과 관련이 있으며, 특히 요오드 빈자리의 존재는 더 높은 손상률과 관련이 있다.

칼슘 티타늄 소재는 효율적이고 제조가 쉬우며 성질을 조절하고 다용도로 사용할 수 있어 태양광 응용에서 주목받고 있다.그러나 에지, 결함 및 안정성 문제를 해결하는 것은 잠재력을 실현하는 데 매우 중요합니다.칼슘 티타늄 재료의 구조 형태는 ABX3이며, 그 중 A는 단가 양이온을 대표하고, B는 금속 양이온, X는 할로겐 음이온이다.각 원소는 칼슘 티타늄 광산의 안정성에서 다르지만 중요한 역할을 한다.계산 및 실험 연구에 따르면 B 비트의 낮은 배위는 가장 불안정 할 수 있으며 다양한 루이스 알칼리 분자의 둔화를 통해 안정성과 태양광 효율을 크게 향상시킬 수 있습니다.그러나 이러한 민감한 재료의 원자 해상도 이미징 과제 때문에 원자 수준의 통찰력은 여전히 제한되어 있습니다.

이 연구는 납할로겐화물인 칼슘티타늄광의 가장자리와 결함을 이해하는 데 중요한 원자급 정보를 제공할 뿐만 아니라 앞으로 칼슘티타늄광 태양전지의 효율과 안정성을 높이는 데 새로운 사고방식과 방법을 제공했다.

그림: MAPbI₃의 원자 분별 영상

최근, 칭화대학 선전국제대학원 캉페이위, 허옌빙, 뤼웨이, 허우팅팅은 톈진대학 양취안훙과 연합하여 통신저자로서"Nature"에"A ductile solid electrolyte interphase for solid-state batteries"라는 제목의 연구논문을 발표했다.이 연구는 실제 작업 조건에서 고체 리튬 금속 전지 (SLMBs) 가 직면 한 큰 도전에 대한 혁신적인 솔루션을 제시합니다.

고체 리튬 메탈 배터리는 전기 자동차와 대규모 에너지 저장 시스템의 가장 유망한 후보 중 하나로 여겨진다.그러나 높은 면적의 용량과 높은 전류 밀도의 실제 조건에서 통제되지 않는 리튬 결정의 성장은 상업 응용을 심각하게 방해한다.기존의 고체중합체전해질(SPEs)은 고체무기전해질보다 인터페이스 친화성 면에서 우월하지만 리튬이온의 균일하고 빠른 운송을 위해 이온전도율과 안정성이 부족하다.마이크로 패브릭 설계 또는 세라믹과 혼합하여 복합 SPEs (CSPES) 를 제조하여 이온 전도도를 크게 향상시키더라도 배터리는 실제 SLMBs의 급속 충전 요구 사항에서 5 mA/cm² 전류 밀도와 5 mAh/cm² 면적 용량보다 높은 목표를 달성하기 어렵습니다.

연구진은 전통적인 불화리튬(LiF)이 풍부한 고체전해질계면(SEI)이 리튬의 관통을 억제할 수 있음에도 불구하고 고유의 아삭함과 리튬이온 확산 장애로 고전류 밀도와 대면적 용량에서 계면의 완전성을 유지하기 어려워 심각한 리튬 결정의 성장, 부반응, 계면이 갈라진 것을 발견했다.이를 위해 연구진은 은 황산화물(Ag₂S)과 불화은(AgF) 성분이 풍부한 근성 SEI를 개발했다.이 SEI는 전해질 측면에서는 대칭적인 부무기 구조를 가지고 있지만, 리튬 금속 측면에서는 친 리튬 은/리튬 구조로 고전류 밀도와 대면적 용량에서의 높은 구조적 안정성과 빠른 이온 운송을 확보한다.

실험 결과 이 SEI를 적용한 대칭 리튬이온 배터리는 15mA/cm² 고전류 밀도와 15mAh/cm² 면적 용량에서도 4500시간이 넘는 긴 순환 수명을 가진 것으로 나타났다.또한 -30 ° C의 저온 환경에서도 5 mA/cm² 및 5 mAh/cm² 의 실제 조건에서도 강인성 SEI는 7000 시간 이상 작동합니다.

이 연구는 긴 순환 수명의 고체 리튬 금속 전지를 실현하기 위해 극단적인 조건에서도 높은 성능을 유지할 수 있는 실용적인 방안을 제공했다.이 발견은 전기 자동차와 대규모 에너지 스토리지 시스템의 미래 발전에 중요한 의미를 가진다.

그림: SEI의 냉동 선글라스 이미지