一周晶体前沿（一百四十四）——声光电热磁晶体

从分布式热量中收集能量对于为可穿戴电子设备和无处不在的物联网供电至关重要。近期，中国科学院化学所朱道本院士、狄重安研究员研究团队和北京航空航天大学赵立东教授研究团队合作，提出了一种新型的聚合物多异质结（PMHJ）结构，在 368 K 时实现了高达 1.28 的热电优值（ZT），超越了商用热电材料的性能。这种独特的纳米结构设计为高成本效益、大面积和柔性热电应用铺平了道路，相关研究成果以“Multi-heterojunctioned plastics with high thermoelectric figure of merit”为题发表在Nature上。

摘要：

共轭聚合物凭借固有的柔韧性和低成本，有望将废热转化为能量，为物联网供电。然而，目前共轭聚合物仍因低 ZT 而应用受阻。本文中，研究人员报道了高 ZT 热电塑料，这是通过创造具有周期性双异质结特征的聚合物多异质结实现的，其中每个周期由两个具有亚十纳米分层异质结结构的聚合物和一个互渗的体异质结界面组成，这种几何结构在保持高效电荷传输的同时显著增强了界面类声子散射。与单独的聚合物相比，共轭聚合物的热导率显著降低了 60% 以上，并且功率因数得到了增强，在 368 K 时实现了高达 1.28 的 ZT。这种聚合物的热电性能超过了商用热电材料和现有的柔性热电候选材料。重要的是，本文展示了聚合物多异质结结构与溶液涂覆技术的兼容性，以满足大面积塑料热电材料的需求，这为聚合物多异质结朝着成本效益高的可穿戴热电技术方向发展铺平了道路。

文章信息：

D. Y. Wang, J. M. Ding, Y. Q. Ma, et al. Multi-heterojunctioned plastics with high thermoelectric figure of merit. Nature, 2024.

DOI: 10.1038/s41586-024-07724-2

摘要：

螺旋自旋结构是磁性诱导手性的表现，可将材料中的偶极和磁性有序纠缠在一起。最近发现的超薄极限下的螺旋范德华多铁性材料为在二维中实现大的手性磁电关联带来了希望，然而，这些耦合的确切性质和大小迄今尚未明晰。本文中，研究人员对剥离的范德华多铁性材料中的单一对映体域进行了动态磁电耦合的精确测量，在与集体电磁振子模式共振的情况下评估了这种相互作用，通过一系列超快光学探针捕捉了其振荡对材料偶极和磁性有序的影响。数据表明，在太赫兹频率下范德华多铁性材料存在巨大的自然光学旋光特性，其特征是电极化和磁化分量之间的正交调制。第一性原理计算表明，这些手性耦合源于非共线自旋纹理和相对论自旋轨道相互作用之间的协同作用，导致相较于晶格介导效应有显著增强。该研究结果突显了交织有序在二维极限内实现独特功能的潜力，并为开发在太赫兹速度下运行的范德华磁电设备铺平了道路。

文章信息：

F. Y. Gao, X. Y. Peng, X. L. Cheng, et al. Giant chiral magnetoelectric oscillations in a van der Waals multiferroic. Nature, 2024.

DOI:10.1038/s41586-024-07678-5

摩尔材料自然地位于量子材料研究的两个范式交汇处：电子关联效应和拓扑保护性质。近期，普林斯顿大学 Ali Yazdani 和 Kevin P. Nuckolls 研究团队发表了综述，全面回顾了摩尔材料这一新兴领域，重点介绍了扫描隧道显微镜、角分辨光电子能谱和各种热力学及电磁探测技术等探测技术在可视化摩尔平带色散特性、光谱探测电子激发、识别对称性破缺模式以及揭示摩尔材料中新物理可观测量方面的能力。相关内容以“A microscopic perspective on moiré materials”为题发表在Nature Reviews Materials上。

摘要：

当代量子材料研究的主题包括拓扑学和电子关联，这两者的融合体现在摩尔材料中，其是一类新兴的高可调性、强关联的二维材料，由原子级薄晶体的旋转或晶格错位设计而成。在摩尔材料中，电子之间的主导库伦相互作用产生了集体电子相位，这些相位通常具有强大的拓扑特性。识别这些奇异相位的机制对于理解强相互作用量子系统至关重要，并且对能够工程化新材料的性质以用于潜在的未来技术应用也具有重要意义。在本综述中，研究人员重点介绍了局部光谱学、热力学和电磁探测技术对摩尔材料研究的贡献，这些技术不仅揭示了摩尔材料中相关绝缘体、广义 Wigner 晶体、非常规超导体、摩尔铁电体和拓扑轨道铁磁体的许多基本机制，还发现了那些被空间平均全局探测方法所忽略的脆弱量子相位。此外，本文还突出介绍了最近发展的局部探测技术，包括局部电荷传感和量子干涉探测，这些技术揭示了摩尔材料中的新物理可观测量。

文章信息：

K. P. Nuckolls, A. Yazdani. A microscopic perspective on moiré materials. Nat. Rev. Mater., 2024, 9, 460-480.

DOI: 10.1038/s41578-024-00682-1

近期，美国国家可再生能源实验室 Joseph M. Luther 研究团队基于当前光伏可持续发展的现状，讨论了下一代金属卤化物钙钛矿光伏（MHP-PV）技术的关键可持续性发展的可能与机遇。相关内容以“Sustainability pathways for perovskite photovoltaics”为题发表在Nature Materials上。

摘要：

太阳能是全球增长最快的电力来源。随着部署的增加，光伏（PV）面板的生产需要实现可持续发展，因此，资源的利用率以及这些资源在环境中变得可用的速度必须保持平衡。金属卤化物钙钛矿（MHP）半导体有可能通过利用高效能、易获得的材料和低成本生产，彻底改变光伏技术。本文中，研究人员概述了 MHP-PV 面板如何在可持续供应链中扩展的同时显著推动全球可再生能源转型，评估了 MHP-PV 的关键材料问题、包含能量、碳影响和循环供应链过程。学术界在优先推进可靠性、回收和再制造研究方面处于重要位置，以使 MHP-PV 成为市场上最可持续的能源来源之一。

文章信息：

K. J. Prince, H. M. Mirletz, E. A. Gaulding, et al. Sustainability pathways for perovskite photovoltaics. Nat. Mater., 2024.

DOI: 10.1038/s41563-024-01945-6

近期，美国桑迪亚国家实验室 Matt Eichenfield 研究团队提出了一种通过异质集成高迁移率半导体材料和压电材料来实现强声子非线性的新方法。该研究为将半导体材料确定性地集成到压电声学材料和电路中以产生、研究、控制和利用强声子非线性开辟了道路。相关研究成果以“Giant electron-mediated phononic nonlinearity in semiconductor-piezoelectric heterostructures”为题发表在Nature Materials上。

摘要：

高效且确定性的非线性声子相互作用有望像非线性光子相互作用在光学频率中那样彻底改变无线电频率下的经典和量子信息处理。本文中，研究人员展示了在重要的压电声子材料类中，通过将高迁移率半导体材料异质集成，可以将确定性非线性声子相互作用增强几个数量级。为此，利用了铌酸锂和铟镓砷异质结构，产生了迄今为止所知的最有效的三波和四波声子混频。文中还展示了通过施加半导体偏置电场来增强声子，以进一步提高转换效率。研究人员提出了一个理论模型，准确预测了本研究中的三波混频效率，并推测通过将声子限制在更小的波导维度中以及优化半导体材料特性时这些非线性效应可以被显著增强。

文章信息：

L. Hackett, M. Koppa, B. Smith, et al. Giant electron-mediated phononic nonlinearity in semiconductor-piezoelectric heterostructures. Nat. Mater., 2024.

DOI: 10.1038/s41563-024-01882-4

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