清华-伯克利深圳学院团队在绿色反溶剂抑制非辐射复合实现高效钙钛矿太阳能电池方面取得新进展
材料学院杨金龙教授课题组互助发明烧结不紧缩高强度泡沫陶瓷
电机系首次研制成功200摄氏度高效介电储能薄膜
地学系地球系统模式研发再上新台阶
微纳电子系等联合揭橥存算一体芯片研究综述
化学系曹化强教授课题组在黑磷烯纳米带研究方面取得主要进展
清华大学化工系陆奇团队
在电化学二氧化碳转化制备高附加值化学品受含氧基团影响的研究中取得打破性进展
近日，清华大学化工系陆奇副教授团队对二氧化碳电催化还原电极表面物种的研究取得进展，在《自然·通讯》(Nature Communications)上揭橥题为《引入氧气共同电解带来的二氧化碳电化学还原的提升》(Oxygen induced promotion of electrochemical reduction of CO₂ via co-electrolysis)的研究论文。
工业的快速发展与化石能源的大量花费导致大气中二氧化碳的浓度正在逐年上升，由此引发了一系列环境问题。利用风能、太阳能等可再生能源将二氧化碳电化学还原为乙烯、乙醇等化学品作为一种降落大气中的二氧化碳含量、储存能量的方法成为了研究热点。铜作为唯一可以将二氧化碳转化为多碳产物的金属而被广泛研究，铜催化剂表面物种与催化活性的关系对付反应机理研究与催化剂设计十分主要，但目前这类研究还非常有限。
图1. (a) -0.8 VRHE下多碳产物分电流密度；(b) -0.8 VRHE下一碳产物分电流密度；(c)加氧气共同电解原位拉曼光谱图；(d) DFT打算多碳产物天生决速步；(e) DFT打算甲烷天生决速步；(f)共同电解过程示意图。
在这项事情中，研究者创造通过向反应器中添加氧气，引入氧还原反应，使得在某些电压下部分多碳产物的分电流密度提升了百余倍，产生甲烷的起始电位也向平衡电位平移了200 mV。研究者认为氧还原反应可能在铜电极表面引入了含氧物种，进而带来了二氧化碳还原反应的巨大提升。研究者对该过程进行了原位表面增强拉曼光谱的研究，研究结果表明，氧气的引入会在拉曼光谱上不雅观察到一个新的峰，同位素交换实验与密度泛函理论打算证明了该峰属于表面的羟基（surface hydroxyl group）——氧还原反应的一种中间体。为了深入研究表面羟基对付二氧化碳还原反应的影响，研究者对多碳产物天生的决速步及甲烷天生的决速步进行了打算。打算结果表明，表面羟基的存在使得多碳产物及甲烷的决速步的活化吉布斯自由能与吉布斯自由能变降落，使反应更随意马虎发生，这也与实验结果相吻合。该事情将电化学测试与原位光谱、理论打算相结合，证明了引入氧还原反应后电极表面羟基的存在并阐明了羟基对付二氧化碳还原反应的促进浸染的机理，也为未来催化反应机理的研究与催化剂的设计供应了新的思路。
清华大学化学工程系2018级博士生何铭与李春松为论文的第一作者，清华大学化学工程系2017级博士生张皓晨、美国特拉华大学化学工程系博士后常晓侠、美国哥伦比亚大学教授陈经广（Jingguang G. Chen）、美国加州理工学院教授威廉·戈达德三世（William A. Goddard III）参与了该项研究事情。论文共同通讯作者为清华大学化学工程系副教授陆奇、美国特拉华大学化学工程系副教授徐冰君和台湾成功大学化学系副教授郑沐政。该项研究事情得到了国家重点研发操持、国家自然科学基金基金等项目的帮助。
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-17690-8
清华-伯克利深圳学院团队在绿色反溶剂抑制非辐射复合实现高效钙钛矿太阳能电池方面取得新进展
近日，清华-伯克利深圳学院康飞宇教授、韦国丹助理教授联合中国科学院深圳前辈技能研究所李江宇教授和华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室朱旭辉教授，在材料领域国际顶刊《前辈材料》（Advanced Materials）上揭橥题为“通过绿色反溶剂工程抑制毛病勾引的非辐射复合以实现高效钙钛矿太阳能电池”（Suppressing Defects-Induced Non-Radiative Recombination for Efficient Perovskite Solar Cells through Green Anti-Solvent Engineering）的研究论文，宣布了采取绿色反溶剂处理得到的高质量钙钛矿膜，抑制毛病勾引的非辐射复合，从而实现高效的钙钛矿太阳能电池（PSCs）。
由于其具有可调控带隙、低激子结合能、高载流子迁移率和长载流子扩散长度，有机-无机杂化钙钛矿（Perovskite）受到了广泛的关注。有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其高效率和低本钱得到越来越多的研究。为了进一步改进PSCs的效率，本课题前期在身分工程（RSC Adv.,2019, 9, 30534–30540）、能级工程（ACS Energy Lett.2019, 4, 2491−2499）、描述优化（IEEE 46th PVSC,2019, 1195-1199）等方面做了大量事情。然而传统的一步溶液加工法所制备的钙钛矿薄膜常日易遭受由毛病引起的非辐射复合，这严重阻碍了器件性能的提高。反溶剂工程已被证明可有效地调节晶体成核和晶粒终年夜，但是，实现高效的器件所须要的反溶剂的量很大，而且更严重的是，个中大多数反溶剂都是有毒的，如致癌溶剂氯苯和甲苯。显然，毒性与绿色化学的工业发展理念相悖，这已成为实现低本钱溶液法大面积生产的紧张障碍。
通过利用溶解在乙醇（Eth）的MABr（MABr-Eth）作为绿色反溶剂处理的钙钛矿薄膜，既增加晶粒尺寸以及钙钛矿的结晶度，又可以钝化表面毛病；再者，MABr可与由乙醇洗涤分解Cs0.15FA0.85PbI3天生的PbI2反应，避免钙钛矿丢失，增强光的接管。此情形下，制备的反式平面异质结器件ITO/PTAA/Cs0.15FA0.85PbI3/PC61BM/Phen-NADPO/Ag的最佳能量转换效率（PCE）为21.53%。此外，相应的PSCs具有更好的存储和光稳定性。
图1 钙钛矿薄膜在光照与阴郁条件下的c-AFM研究
图2 钙钛矿太阳能电池的器件构造、能级对齐、J-V曲线及其他电学方面的表征
图3 钙钛矿薄膜飞秒瞬态接管光谱和可能的激子捕获和复合过程
清华-伯克利深圳学院韦国丹助理教授与中国科学院深圳前辈技能研究所李江宇教授为本文的共同通讯作者。清华-伯克利深圳学院博士后徐文战为本文的第一作者。该研究得到深圳市发展改革委、深圳市科技创新委员会、国家博士后科学基金、广东省自然科学基金的帮助。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202003965
清华大学材料学院杨金龙教授课题组
互助发明烧结不紧缩高强度泡沫陶瓷
陶瓷材料在烧结过程中存在自发紧缩，特殊是高气孔率泡沫陶瓷，其烧结紧缩率高达40~80vol%。近日，清华大学材料学院杨金龙教授课题组和苏黎世联邦理工学院安德烈教授（Prof.André Studart，ETH Zürich）课题组共同发明了一种通过金属颗粒自组装制备超稳定的泡沫浆料，首次基于金属颗粒的柯肯达尔效应制备了烧结无紧缩且性能精良的Al2O3陶瓷及Al2O3/Al复合股料，揭示了Al核/ Al2O3壳层构造在热氧化过程中发生的空心化过程及机理，并进一步利用亚微米级粉体原位空心化造成的膨胀与粉体烧结紧缩相抵消，真正实现了陶瓷材料的烧结零紧缩乃至是负紧缩制备，是一种颠覆性的技能创新。
通过在亚微米级尺度构建多级孔构造，这种新型的空心球组装材料具有超高的力学性能，气孔率为90%的氧化铝泡沫陶瓷抗压强度高达14.8MPa，可见宣布类似泡沫陶瓷的2~10倍，如图1和表1所示。图2为多级空氧化铝泡沫陶瓷显微构造。该研究事情还论证了该思路结合3D打印、冷冻注模工艺、凝胶注模成型工艺平分歧办法构建多级孔材料的普适性，为近净尺寸制备轻质高强陶瓷材料供应了新思路。
图1 空心微珠组装多级孔陶瓷的力学性能
表1 烧结不紧缩Al/Al2O3复合泡沫材料与传统亚微米粉系统编制备的氧化铝泡沫陶瓷比拟
图2 多级空氧化铝泡沫陶瓷显微构造
干系研究成果申请发明专利，并以“通过胶体自组装和金属颗粒氧化构筑的超强多级孔材料”（Ultra-strong hierarchical porous materials via colloidal assembly and oxidation of metal particles）为题揭橥在期刊《前辈功能材料》(Advanced Functional Materials)。主编和审稿人对该研究事情给予高度评价：“此篇文章应作为非常主要的文章（VIP）揭橥。该文章的事情是材料的科学与技能两方面的重大进步，这种新型构筑陶瓷材料的过程可以制备比其他方法具有更高强度的氧化铝泡沫陶瓷，特殊是对付高气孔率（气孔率在85%-95%之间的）泡沫陶瓷来说。该文章宣布的制备多维度近零尺寸紧缩的泡沫陶瓷，从经济化角度来看，对制造繁芜形状器件具有重大意义。文章中有许多科学性创新。例如利用克肯达尔效应得到的空心球制备宏不雅观陶瓷坯体的想法，是非常具有创造性的；通过掌握烧结过程中坯体紧缩/膨胀的平衡来实现体积的近零紧缩的做法，对付陶瓷制备工艺具有重大贡献。文章中将此方法结合于3D打印技能、冷冻注模、凝胶注模等方法，为这种方法在制备繁芜形状器件方面的运用奠定了根本。”
该论文通讯作者为清华大学材料学院杨金龙教授和苏黎世联邦理工学院安德烈教授，第一单位为清华大学材料学院，霍文龙博士与张笑妍博士为该文的共同第一作者。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202003550
清华大学电机系首次
研制成功200摄氏度高效介电储能薄膜
近日，电机系李琦副教授、何金良教授等在《自然·通讯》（Nature Communications）期刊上揭橥了题为“基于聚合物-分子半导体全有机复合股料的高温电容薄膜”（Polymer/molecular semiconductor all-organic composites for high-temperature dielectric energy storage）的研究论文，首次研制出200摄氏度高效介电储能的全有机复合薄膜。这类全有机复合介电材料在200摄氏度高温条件下的介电储能性能不仅远超过目前最好的高温聚合物及聚合物纳米复合介电材料，并靠近商业化聚合物电容薄膜室温下性能；在大幅提升高温介电储能特性的同时还实现了大面积、性能均匀的薄膜制备，为实现薄膜电容器在200摄氏度严厉温度环境下运用供应了可能。
聚合物薄膜电容用具有介电强度高、能量损耗低以及自愈性好等优点，在环球工业电容器市场霸占率超过其它类型电容产品。然而，聚合物介电材料的绝缘性能对温度极其敏感，在高温、高电场浸染下泄露电流呈指数上升、放电效率急剧低落，终极造成电容器过热破坏。目前主流商业薄膜电容器仅在105摄氏度以下事情，长期事情温度低于70摄氏度。另一方面，随着电子器件和电力、能源设备功率不断增大以及对小型化和紧凑型功率模块的持续追求，电子材料的事情温度哀求快速提高，薄膜电容器介电材料已成为高温电子器件和设备的技能瓶颈。
a：聚合物-分子半导体复合体系能级与电荷转移示意图 b：分子半导体静电势分布 c：电极/聚合物界面表面电势分布
该论文采取了一种与前期方法截然不同的技能路线——利用有机光伏中电子受体材料的强得电子能力，实现了在高温聚合物中构筑深电荷陷阱。这种有机分子半导体型的电子受体材料具有极高的电子亲和能，被广泛运用于有机光伏中激子在异质结界面高效分离。它们可通过其表面静电势分布的极不屈均特性，对自由电子产生强束缚浸染。通过向耐热聚合物中掺杂极少量高电子亲和能有机分子半导系统编制备了全有机复合高温介电材料。这类材料在200摄氏度和200kV/mm电场条件下，电阻率比高温聚合物提升两个数量级以上；200摄氏度、放电效率90%以上的能量密度是目前最好的聚合物高温介电材料的2.3倍。此外，全有机复合体系办理了传统有机-无机复合体系中高表面能粒子分散不均和引入界面毛病等问题，在薄膜品质和规模化制备等方面具有显著上风。
a：聚合物-分子半导体全有机复合介电薄膜 b：全有机复合介电材料（PEI/DPDI、PEI/PCBM、PEI/ITIC）高温储能特性远优于传统高温介电聚合物（PEI） c：高温高场下全有机复合介电薄膜长期事情循环性能
论文第一作者为清华大学电机系博士后袁超，通讯作者为电机系李琦副教授和何金良教授。该研究得到了国家自然科学基金精良青年基金和创新研究群体项目的帮助。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-17760-x
清华大学地学系地球系统模式研发再上新台阶
经由多年景长，清华大学地学系联合海内多家单位于2019年顺利完成联合地球系统模式1.1版本（Community Integrated Earth System Model, CIESM）的开拓。近日，国际模式发展主流期刊《地球系统仿照进展》（Journal of Advances in Modeling Earth Systems）揭橥了先容该模式的论文“联合地球系统模式：先容和评估”（Community Integrated Earth System Model (CIESM):Description and Evaluation）。
联合地球系统模式CIESM包含13个自主开拓或改进的物理方案和模块，如改进的深对流参数化方案、单冰云微物理方案、统计云宏物理方案、四流短波辐射打算方案、次网格地形拖曳方案、海气通量方案、海洋稠浊方案、新热力学粗糙度方案等，以及自主的耦合器C-Coupler2、新的共形映射海洋网格、高可扩展海洋正压求解器、新的土壤和地皮利用数据和高效陆地碳氮循环模块等。个中C-Coupler2被海内多家单位采取，高可扩展海洋正压求解器已被美国NCAR最新一代的地球系统模式CESM2.0采取。同时，通过大量的移植和优化事情，该模式在国产高性能打算机“神威·太湖之光”上完成所有参与第六次国际耦合模式比较操持（CMIP6）的试验，为将来更好地运用国产高性能打算机打下了坚实根本。
联合地球系统模式已顺利完成各种第六次国际耦合模式比较操持（CMIP6）仿照并上传了干系数据。模式整体性能精良，和已有的CMIP5模型比较，各方面性能处于国际前列（如下图），特殊是在困扰国际模式界的几个紧张问题如热带降水分布、海洋边界层云、厄尔尼诺南方涛动（ENSO）强度和周期等方面有明显改进。未来须要改进的问题，紧张是南北极海冰在暖季偏少和较高的平衡景象敏感度。
采取景象模式诊断和比较操持（PCMDI）标准诊断包剖析的清华大学联合地球系统模式历史仿照性能和其他CMIP5仿照的比较（环球均匀）。颜色代表模式均方根偏差相对付多模式均匀偏差的差异，颜色越蓝性能越好。一个方格内的四个三角形代表春夏秋冬。第一列为清华大学联合地球系统模式，不同行表示不同的变量。
目前，清华大学正以此模式为根本积极开展干系研究，不断知足国家在景象变革研究方面的重大计策需求，全面提高我国应对极度景象和自然磨难的减灾防灾能力。未来模式还将进一步增加各种分量，如冰盖模型、大气化学、各种生物地球化学过程，并实现与社会经济模型的耦合，为我国可持续发展和应对景象变革供应坚实的科学根本和政策辅导。
联合地球系统模式开拓团队包括清华大学、北京师范大学、自然资源部第一海洋研究所、中国科学院大气物理研究所、南京信息工程大学、复旦大学、南京林业大学、无锡江南打算技能研究所、国家超级打算无锡中央等多家单位的30多位研究职员。论文第一作者和通讯作者为清华大学地球系统科学系教授林岩銮。
论文链接：
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1029/2019MS002036
清华大学微纳电子系在《自然·电子》揭橥综述论文
先容存算一体芯片研究
近日，清华大学微纳电子系、北京未来芯片技能高精尖创新中央副教授高滨联合多家互助单位，在《自然·电子》（Nature Electronics）在线揭橥了题为“类脑打算芯片”（Neuro-inspired computing chips）的综述文章。该文章系统先容了类脑打算芯片的历史、现状与未来展望，并重点剖析了存算一体芯片的设计方法与研究寻衅。
芯片算力是人工智能（AI）技能的三大要素之一。传统打算芯片是基于场效应晶体管、数字逻辑运算和冯诺依曼架构设计的，其上风在于高精度的数据处理。近年来，AI运用对数据打算量的需求呈爆炸式增长，与传统打算芯片算力的渐趋饱和形成了尖锐的抵牾，严重制约了AI技能的进一步发展。新型的存算一体芯片通过仿照生物大脑的构造和信息处理机制，可以显著的提升AI任务的打算效率，填补传统打算芯片的不敷，在终端智能电子设备和云端做事器等领域都有着巨大的发展潜力和运用前景。
生物大脑与存算一体芯片
存算一体是大脑最紧张的特色之一，也是实现高算力、高能效打算的一项关键技能。由于存算一体芯片利用存储器件的仿照特性进行打算，电路中的各种偏差给芯片设计带来了巨大的寻衅。只有通过从器件到电路再到架构和算法的协同优化，才可能使存算一体芯片的打算精度得到保持，并同时得到算力和能效的大幅提升。本篇综述对存算一体器件的特性、可靠性与良率需求、存算一体阵列构造选择、存算一体电路设计方法、架构优化方法、算法编译与映射方法、片上演习方法等都做了详细剖析，总结出了协同设计技能及设计自动化（EDA）工具链的整体框架，并对存算一体芯片的未来发展趋势作了展望。
存算一体芯片发展路线图
器件方面：以忆阻器为代表的神经形态器件在不断优化中，未来将连续提升性能并发展大规模集成技能，实现多种神经形态器件的异质集成和三维高密度集成。
芯片方面：小规模的存算一体宏电路在持续完善，未来将打通协同设计技能链条，研制出规模可扩展的通用型存算一体芯片和基于多种神经形态器件的类脑打算芯片。
高滨副教授一贯从事忆阻器性能优化和存算一体芯片设计方法的干系研究，成功开拓了从器件到系统的联合仿真工具和协同优化方法，设计出打算精度大于95%、能效大于78TOPs/W的高性能忆阻器存算一体芯片，干系成果在国际电子器件会议（IEDM）、超大规模集成电路会议（VLSI）、国际固态电路会议（ISSCC）、设计自动化会议（DAC）等顶级会议上揭橥。除了受邀撰写本篇综述以外，高滨还于2019年在《自然·通讯》（Nature Communications）上揭橥了关于忆阻器机理与模型的综述，2020年在《国际电机电子工程师学会汇刊》（Proceedings of the IEEE）上揭橥了关于存算一体器件与电路的综述。
清华大学微纳电子系钱鹤教授、吴华强教授团队环绕存算一体芯片开展了系统的研究，近两年在《自然》（Nature）、《自然·纳米科技》（Nature Nanotechnology）、《自然·通讯》（Nature Communications）等期刊揭橥了多篇文章。本篇综述的通讯作者是吴华强教授，共同第一作者是高滨和博士生章文强，共同作者还包括台湾新竹清华大学张孟凡教授、韩国科学技能院柳会俊（Hoi-Jun Yoo）教授以及清华大学微纳电子系的姚鹏博士、唐建石助理教授和钱鹤教授等。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41928-020-0435-7
清华大学化学系曹化强教授课题组
在黑磷烯纳米带研究方面取得主要进展
近日，清华大学化学系曹化强教授课题组及其互助者在《自然·通讯》（Nature Communications）在线揭橥了题为“将块体黑磷以‘拉开拉链’办法制备成锯齿取向黑磷烯纳米带”(Unzipping of black phosphorus to form zigzag-phosphorene nanobelts)的研究论文。研究团队利用电化学手段掌握氧分子浓度，制备出沿锯齿型（zigzag）取向的纳米带；同时，通过调节电流密度可实现黑磷烯纳米片、纳米带和量子点的可掌握备；通过理论打算揭示了氧分子对黑磷烯实现定向切割的机理；利用所制备的黑磷烯纳米带构建场效应晶体管器件并对其载流子输运特性进行了深入研究。
黑磷烯二维纳米构造，包括单原子层黑磷烯和少层黑磷烯（<10层）。与石墨烯不同，黑磷烯本身具有带隙以及独特的各向异性。理论打算预测，黑磷烯在zigzag方向具有比摇椅型（armchair）方向具有更加精良的热学、力学以及半导体性子，因此zigzag取向黑磷烯纳米带在热电、柔性电子和量子信息技能等领域的运用引起了研究者的广泛兴趣。然而，受限于黑磷烯的稳定性以及现有的合成技能，黑磷烯纳米带有效制备成为其研究及运用的关键瓶颈。
受启示于黑磷在空气环境中可被氧化分解，团队设计了一种通过电化学方法，通过改变电流密度有效调节离子插层速率和黑磷烯周边的氧分子浓度，从而可掌握备黑磷烯纳米构造的维度和尺寸，得到一系列黑磷烯纳米构造，包括纳米片、纳米带和量子点（图1）。构造表征证明了所制备的黑磷烯纳米带具有很好的结晶性和柔韧性。
图1 锯齿取向黑磷烯纳米带（z-PNB）的构造表征
图2 电化学解离黑磷晶体形成锯齿取向黑磷烯纳米带（z-PNB）的机理
该电化学解离机制认为制备过程分为两步，即离子插层和氧驱动解离过程（图2）。在电化学过程中，BF4-离子沿黑磷a轴方向（即[100]方向，沿zigzag方向）插入黑磷晶体层间，同时，氧分子被化学吸附、解离在黑磷表面上形成悬键氧，通过悬键氧与水分子形成氢键及P-O-P水解，导致P-P键断开，沿着zigzag方向以“拉开拉链”的办法持续进行，被解离成纳米带。理论打算剖析、比较了各种氧分子在黑磷烯上的吸附和解离路径（图3）。结果表明，形成间隙氧对是解离黑磷晶体P-P键并终极形成zigzag取向黑磷烯纳米带的关键步骤。
图3 氧驱动解离块体黑磷反应机理的理论打算
研究团队采取铜网掩膜法设计制备了基于黑磷烯纳米带的场效应晶体管器件并探究了其载流子输运特性，可实现器件p-n型之间的转化，为黑磷烯纳米带在主动式矩阵显示技能、射频器件及互补型金属氧化物半导体器件技能中的运用供应了关键材料和开辟新的研究方向。
图4 黑磷烯纳米带（z-PNB）的电子性能
清华大学化学系教授曹化强、清华大学微纳电子系副研究员谢丹和英国剑桥大学材料科学与冶金系教授Anthony K. Cheetham为本文共同通讯作者，化学系博士生刘志方、微纳电子系博士生孙翊淋为共同第一作者。南开大学材料科学与工程学院、稀土与无机功能材料研究中央李伟教授，中国科学院高能物理研究所王嘉鸥副研究员参与了该项研究。本事情得到了国家重点研发操持和国家自然科学基金的支持。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-17622-6
来源 | 化工系 深圳国际研究生院 地学系
材料学院 电机系 微纳电子系 化学系
排版 | 胡琨
编辑 | 李晨晖 李西岳 程曦 赵姝婧 胡琨
