前沿| 国际期刊晶体类论文精选：声光电热磁晶体

摘要：

在过去十多年来对电卡（EC）效应的研究，人们已经获得了电卡温度变化达5 K的电卡材料，这基本达到了实现电卡热泵所要满足的最低要求。然而这些电卡温度变化是通过施加高电场（接近其介电击穿强度）产生的，这导致电卡材料性能快速恶化和疲劳。作者报道了一类电卡聚合物，它具有37.5 J kg⁻¹K⁻¹的电卡熵变化，可在50 MV/m的电场下产生7.5 K的温度变化，相比目前最优的电卡聚合物提高了275%。将聚（偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯）三元共聚物中的少量氯氟乙烯基团转化为共价双键，可显著增加极化基元的数量，并提高聚合物的极性-非极性界面面积。聚合物中的极性相具有松散关联的高熵态，势垒较低，低电场容易诱导相变。该聚合物可在低电场下进行100多万次的循环制冷，这对于制备可实用的电卡热泵具有极大的参考价值。

文章信息：

Xiaoshi Qian, Donglin Han, Lirong Zheng, Jie Chen, Madhusudan Tyagi, Qiang Li, Feihong Du, Shanyu Zheng, Xingyi Huang, Shihai Zhang, Junye Shi, Houbing Huang, Xiaoming Shi, Jiangping Chen, Hancheng Qin, Jerzy Bernholc, Xin Chen, Long-Qing Chen, Liang Hong, Q. M. Zhang. High-entropy polymer produces a giant electrocaloric effect at low fields[J]. Nature, 2021, 600, 664–669.

DOI:10.1038/s41586-021-04189-5

摘要：

众所周知，二氧化钒（VO₂）可以发生金属-绝缘体相变，已被广泛用于制备光电探测器、调制器和致动器等智能器件。制备晶圆级悬空VO₂（f-VO₂）薄膜是未来实现VO₂与其他材料集成制备多功能器件所急需的。遗憾的是，晶圆尺寸级蚀刻需要特别长的时间，并且VO₂具有酸碱两性特性，容易受到酸性或碱性蚀刻剂损坏，因此晶圆级悬空VO₂（f-VO₂）薄膜的制备技术尚未取得突破。本文通过纳米针孔渗透蚀刻技术在6分钟内获得了晶圆级f-VO₂薄膜，远快于传统侧面蚀刻技术（一般数千分钟）。所得的f-VO₂薄膜保留了其原始的金属-绝缘体相变和固有的力学性能，并且可以完整转移到任意衬底上。f-VO₂薄膜具有低插入损耗、快速响应和低触发功率等优势，可以集成到各种大型智能设备中，比如太赫兹调制器、伪装光致动器和温度指示条等。通过进一步将f-VO₂薄膜与其他功能材料进行异质集成，可以实现其他更有趣的应用。

文章信息：

He Ma, Xiao Xiao, Yu Wang, Yufei Sun, Bolun Wang, Xinyu Gao, Enze Wang, Kaili Jiang, Kai Liu, Xinping Zhang. Wafer-scale freestanding vanadium dioxide film[J]. Science Advances, 2021, 7(50): eabk3438.

DOI:10.1126/sciadv.abk3438

Sungkyunkwan University 的 Kotiba Hamad教授成功将人工智能的方法应用到晶格热导率的快速预测与计算中。并以“Lattice Thermal Conductivity: An Accelerated Discovery Guided by Machine Learning”为题，在ACS Applied Materiral Interfaces上发表。

摘要：

在本工作中，作者使用机器学习（ML）技术构建了一个基于晶体的模型，用以预测晶体材料的晶格热导率（LTC）。为此，作者首先基于密度泛函理论（DFT）和声子计算获得119种化合物在不同温度（100~1000 K）下的LTC，然后将这些数据用于下一个学习过程，并基于各种ML算法构建预测模型。结果表明，与使用其他算法构建的模型相比，基于随机森林（RF）算法构建的模型是最准确的（R²=0.957）。此外，作者进一步使用四种新化合物对该模型的准确性进行验证，测试表明新化合物LTC的计算值和预测值之间可以很好地吻合。为了寻找室温下具有超低LTC （<1 W^–1K^–1） 的候选材料，作者使用该模型筛选无机晶体结构数据库中的化合物（32116）。从筛选的化合物中选择 Cs₂SnI₆ 和SrS ，将ML的预测结果与理论计算（DFT 和声子计算）结果对比，发现二者结果一致。这项工作的主要新颖之处在于，构建的模型可以有效地预测基于原型结构和化学成分构建新化合物的LTC-温度行为，且无需使用任何DFT松弛结构参数。因此，使用元素周期表、原型结构和基于RF的模型，可以预测大量化合物的LTC-温度行为。

文章信息：

Russlan Jaafreh, Yoo Seong Kang, Kotiba Hamad. Lattice Thermal Conductivity: An Accelerated Discovery Guided by Machine Learning[J]. Acs Applied Materials & Interfaces, 2021, 13(48): 57204-57213.

DOI:10.1021/acsami.1c17378

南开大学张扬教授与刘伟伟教授合作，对于铁电材料极化特性的光场调控研究进展进行总结与展望，并以“Recent Progress in Optical Control of Ferroelectric Polarization”为题，在Advanced optical materials上发表。

摘要：

铁电极化和相关铁电畴的操纵是基于铁电材料应用的核心问题。调控铁电极化通常是通过静态或脉冲电场来实现，但是其受限于调控速率和繁琐的电路设计搭建等因素。光场调控铁电手段有助于克服上述挑战，为开发设计铁电功能器件提供更多自由度，而且瞬态调控速率有望达到皮秒时间尺度。文章分析了各种铁电体（包括氧化物钙钛矿铁电、范德华铁电和铁电异质结等）中光学调控铁电极化和相关畴演化的效应和机制，并总结了基于飞秒激光诱导铁电畴反转的三维非线性光子晶体的全光制备方法。文章着重介绍了太赫兹场诱导极化反转和铁电相变的最新报道。本综述最后简要总结了相关研究领域内容，并探讨了这一新兴领域面临的挑战以及潜在的发展方向。

文章信息：

Jiaxing Guo, Wenwen Chen, Haisheng Chen, Yanan Zhao, Feng Dong, Weiwei Liu, Yang Zhang. Recent Progress in Optical Control of Ferroelectric Polarization[J]. Advanced Optical Materials, 2021, 2002146.

DOI:10.1002/adom.202002146

近日，南京理工大学的研究人员对钙钛矿白光LED领域的研究进展、挑战及未来机遇进行了回顾与综述，以“Perovskite White Light Emitting Diodes: Progress, Challenges, and Opportunities”为题，在ACS Nano上发表。

摘要：

随着全球变暖、能源短缺、环境污染加剧，低碳节能的照明技术在世界范围内备受关注。发光二极管 (LED) 已问世数十年，因其高发光效率 (LE) 和长寿命而被认为是目前最理想的照明技术。此外，随着现代科技的发展，人们需要更高性能、更多功能的照明技术。由于钙钛矿具有非凡的光电特性，例如高光致发光量子产率 (PLQY)、易于波长调谐和低成本合成，基于钙钛矿的 LED (PeLED) 最近已成为照明技术的理想候选者。在此，作者介绍了白光LED（WLED）的研究背景，包括其发光机制、典型特性和应用中的关键指标。进一步讨论和比较了四种主要的 WLED 制造方法。随后，本文按照四大类，重点介绍白光PeLED（Pe-WLED）的近期研究进展，以及Pe-WLED在实际应用中的挑战和机遇。同时，针对该领域所面临的挑战，提出了一些针对性的对策。最后，探讨了 Pe-WLED 的发展前景。

文章信息：

Jiawei Chen, Hengyang Xiang, Jian Wang, Run Wang, Yan Li, Qingsong Shan, Xiaobao Xu, Yuhui Dong, Changting Wei, and Haibo Zeng. Perovskite White Light Emitting Diodes: Progress, Challenges, and Opportunities[J]. ACS Nano, 2021, 15(11), 17150-17174.

DOI:10.1021/acsnano.1c06849

日本Tokyo Institute of Technology的Hiroshi Funakubo教授团队利用畴转换方法在远离准同型相界的无铅钙钛矿薄膜中获得强压电响应，并以“Large Piezoelectric Response in Lead-Free (Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-Based Perovskite Thin Films by Ferroelastic Domain Switching: Beyond the Morphotropic Phase Boundary Paradigm”为题，在ACS Applied Materiral Interfaces上发表。

摘要：

 作者在硅衬底上用脉冲激光沉积法制备远离准同型相界的四方无铅0.7（Bi_0.5Na_0.5）TiO_3-0.3BaTiO₃薄膜，并从中观察到强机电耦合。作者发现冷却过程中产生的拉伸应变导致Si衬底上定向膜的面内极化，而在 SrTiO₃ 衬底上生长的外延膜则表现出面外极化。S–E曲线分析表明，所获得的Si衬底上薄膜的压电系数（d_33,f≈ 275 pm/V）大约是SrTi₃O衬底上外延薄膜的8倍 （d_33,f≈34 pm/V）。原位X射线衍射分析证实了在薄膜电场下发生了从面内极化到面外极化的畴转换。在Si 基薄膜样品的悬臂梁测试中测得了约 19 C/m² 的有效压电应力系数( e_31,eff)，这是无铅压电薄膜报告值中最高值，与含 Pb 薄膜相当。这种无铅成分的远离准同型相界薄膜，具有优异环保特性，且其可利用畴转换产生显著的压电响应，将在未来有广泛的应用。

文章信息：

Takao Shimizu, Miyu Hasegawa, Keisuke Ishihama et al.. Large Piezoelectric Response in Lead-Free (Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-Based Perovskite Thin Films by Ferroelastic Domain Switching: Beyond the Morphotropic Phase Boundary Paradigm[J]. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13, 48, 57532–57539.

DOI:10.1021/acsami.1c15713