今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及介电工程实现二维钙钛矿闪烁体亚纳秒发光，具有大品质因子的手性超表面折射率传感器，声子偏振器—四模超构材料，多相力学超构材料展望等，敬请期待！
索引：
1.介电工程实现二维钙钛矿闪烁体亚纳秒发光
2.具有大品质因子的手性超表面折射率传感器
3.高分辨率 X 射线成像屏用碘化亚铜“发光墨水”
4.声子偏振器—四模超构材料
5.基于弹性波杂化自旋的声子Skyrmion观测
6.多相力学超构材料展望
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介电工程实现二维钙钛矿闪烁体亚纳秒发光
钙钛矿材料在超快与高光产额闪烁体的相关领域中展现出巨大的应用潜力，然而其衰减时间无法加速至亚纳秒，使其在如高速 X 射线成像、基于飞行时间（TOF）的断层扫描或粒子辨别、同步辐射设备的时间分辨率测量等亚纳秒时间量级的探测应用受限。本文提出一种合理的设计策略，即通过增大有机胺和 Pb-Br 八面体发射体在二维有机-无机杂化钙钛矿（OIHP）中的介电差异来缩短闪烁体衰减时间。在 [PbBr6]2-层之间插入介电常数低的苯并咪唑（BM），使二维 OIHP BM2PbBr4具有高的激子结合能（360.3±4.8）meV。其衰减时间（0.97 ns）是所有钙钛矿材料中最快的。此外，该材料的光产额为 3190 photons/MeV，远优于传统超快闪烁体BaF2（1500 photons/MeV），其最佳理论符合时间分辨率（CTR）为 65.1 ps，仅为参比样品 LYSO（141.3 ps）的一半。BM2PbBr4 具有超快衰减时间和较高光产额，因此在 γ射线、中子、α 粒子检测方面有出色表现。能实现亚纳秒发光且具有较高光产额的新型高性能超快闪烁体在高速 X 射线成像、正电子发射断层扫描（PET）、同步辐射设备定时分辨率测量等领域中有巨大的应用需求。钙钛矿材料作为新型辐射闪烁体，能展现出极高的发展潜力，但其衰减时间仍无法加速至亚纳秒级别。
近期，华中科技大学牛广达教授研究团队针对二维钙钛矿提出一种介电工程的优化策略，通过提高有机配体和铅卤八面体的介电差异增强激子束缚，增加电子与空穴的重叠，从而提高辐射跃迁速率。文中所制备的二维 BM2PbBr4 单晶表现出（360.3±4.8）meV 的高激子结合能，0.97 ns 的超快闪烁衰减时间和 3190 photons/MeV 的高光产额，其理论最佳符合时间分辨率为 65.1 ps，是当前商用快衰减闪烁体硅酸钇镥（LYSO）的一半。相关研究成果以“Sub-nanosecond two-dimensional perovskite scintillators by dielectric engineering”为题发表在《Advanced Materials 》上。（郑佳慧）
文章链接：
M. L. Xia, Z. X. Xie, H. Q. Wang, et al. Sub-nanosecond two-dimensional perovskite scintillators by dielectric engineering.Adv. Mater., 2023, e2211769.
DOI: 10.1002/adma.202211769
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具有大品质因子的手性超表面折射率传感器
超表面折射率(n)传感器的目的是通过监测其光谱漂移来检测环境中的n，在生物传感、环境监测等方面得到了广泛应用。传统上，共振峰/谷被用作传感信号来跟踪光谱的漂移。为了以更高的精度跟踪光谱，需要一个更大的品质因数（FoM）。然而，FoM的大小本质上受到有限的共振带宽的限制。
近日，南开大学的许京军教授团队展示了一种利用旋转光谱曲线的90个交叉点作为传感信号来从根本上提高FoM的方法。得益于光谱曲线的无穷小线宽，该方法提供了理论上无限的FoM值。不仅如此，该方法还可以使从原始数据中跟踪谱移具有显式的便利性和高精度，且不需要任何拟合程序。相关工作发表在《Applied Physics Letters》上。（郑江坡）
文章链接：
10.1063/5.0135657
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高分辨率 X 射线成像屏用碘化亚铜“发光墨水”
铜基卤化物闪烁体因其光产额高、检测限低、毒性低和制备条件简单等优点引起了人们的广泛关注。本文中，研究人员合成了两种应用于高分辨率 X 射线成像屏的 Cu(I) 发光墨水，分别由零维 Cu4I6(L1)2（L1 = 1-丙基-1，4-二氮杂双环[2.2.2]辛坦-1-鎓）纳米颗粒和一维 Cu4I6 (L2)2（L2 = 4-二甲氨基-1-乙基吡啶）纳米棒组成。Cu4I6(L1)2 纳米颗粒和 Cu4I6(L2)2 纳米棒分别表现出宽波段的绿光和黄光发射，具有 95.3% 和 92.2% 的超高光致发光量子效率。基于两种碘化亚铜发光墨水的 X 射线成像屏检出限分别为96.4 和 102.1 nGyair·s-1，约为标准医学诊断所需剂量（5.5 μGyair·s-1）的1/55。此外。这两种闪烁屏表现出优异的 X 射线成像分辨率（超过 30 lp·mm−1），是传统 CsI:Tl 和 Ga2O2S:Tb 闪烁屏的两倍多。本文中发现的铜基卤化物发光墨水为应用于医学成像和无损检测的高分辨率 X 射线成像的屏研制提供了新途径。
铜基卤化物闪烁体因其光产额高、检测限低、环境友好、易于制备以及衰减时间相对较短而引起了人们的极大兴趣。近期，沙特阿卜杜拉国王科技大学 Omar F. Mohammed 研究团队在室温下用溶液法合成了两种碘化亚铜发光“墨水”，能产生高量子效率、低自吸收、高稳定性的自陷激子发光；报道了一种在不使用粘结聚合物作为基质的情况下制备高分辨率柔性闪烁屏的通用方法，制成的柔性 X 射线成像屏实现了高光产额、低X射线检测限和高 X 射线成像空间分辨。综合有机配体和铜卤化单元的多样性，本研究展示了铜基卤化物作为下一代闪烁材料的应用潜力。相关研究成果以“Copper iodide inks for high-resolution X-ray imaging screens”为题发表在《ACS Energy Letters》上。（郑佳慧）
文章链接：
T. Y. He, Y. Zhou, P. Yuan, et al. Copper iodide inks for high-resolution X-ray imaging screens. ACS Energy Lett., 2023, 8, 1362-1370.
DOI: 10.1021/acsenergylett.3c00097
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声子偏振器—四模超构材料
在经典柯西弹性力学中，3D材料表现出六种变形特征模态。根据米尔顿（Milton）和切尔卡耶夫（Cherkaev）的工作，极端弹性材料可以根据特征模的数量N进行分类，从这六个“简单”的特征模中，如六模（N=6）、五模（N=5）、四模（N=5）、三模（N=3）、二模（N=2）和单模（N=1）材料。在米尔顿和切尔卡耶夫的理论指导下，在实验上引入了称为五模超构材料（“超流体”）的人工结构。理想情况下，它们的五个弹性本征模态具有严格的零本征值。在实际中，一个本征模的本征值比其他五个本征模的本征值大几个数量级。这种行为是通过双锥单元之间的细连接来近似类金刚石晶格中的理想铰链来实现的。这样，所有双锥单元的压缩都是不容易的，而所有其他材料的变形都是容易的。这意味着纵向极化声子的波速比所有横向声学声子的波速大得多，导致只有纵向声子可以传播的频率区间很宽。在此区间内禁止传播横向声子。这种行为可以用于隐身或作为纵向偏振片。
近日，北京理工大学胡更开教授和德国卡尔斯鲁厄理工学院M. Wegener教授团队基于之前四模超构材料的理论工作，提出了四模弹性超构材料的理论和实验。这些不同寻常的微结构人工材料是由直径较小（理想为零）的双锥体单元在锥尖并入连接锥体的小球体的点处组成的定制3D点阵实现的。通过数值能带结构计算、激光打印制备、超声实验表征，并与理论理想进行对比，设计并表征了微结构3D聚合物基四模超构材料。应用方面，四模超构材料可以用作横向超构材料声子的宽带偏振片。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）
文章链接：
M. F. Gross, J. L. G. Schneider, Y. Wei, et al. Tetramode Metamaterials as Phonon Polarizers[J]. Adv Mater, 2023: e2211801.
https://doi.org/10.1002/adma.202211801
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基于弹性波杂化自旋的声子Skyrmion观测
Skyrmion是一种拓扑稳定的三分量矢量场，最初是在基本粒子中发展的，后来在凝聚态系统和helimnetic材料中得到证明。Skyrmions具有实空间非平庸拓扑数的特点，由于其具有缺陷免疫和低驱动能量，被认为是高密度磁性材料用于信息存储和传输的一种有前途的途径。由于弹性波复杂的极化态，到目前为止，弹性波声子的非平庸skyrmions构型仍未被开发。
近日，法国洛林大学的 Badreddine Assouar教授团队通过实验报道和观察了声子skyrmions作为弹性波三维杂化自旋形成的新拓扑结构的存在。作者证明了与频率无关的自旋结构导致了声子skyrmions的超宽带特性，可以在任何固体结构中产生，包括芯片尺度的结构。作者进一步实验证明了柔性可动声子skyrmions晶格对无序、尖角、甚至矩形孔洞等局部缺陷的优异鲁棒性。相关工作发表在《SCIENCE ADVANCES》上。（郑江坡）
文章链接：Sci. Adv. 9, eadf3652 (2023)
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多相力学超构材料展望
近年来，通过构建由定制的几何和图案组成的周期性单元，赋予独特的力学特性（如负刚度、负泊松比、负压缩性和消失剪切模量（五模））的力学超构材料（MMs）已经出现在各种特殊的工程应用中。随着先进设计和制造技术的发展，许多不同的多相材料和结构得以使用，因为它们可以充分提高设计空间和更好的解决方案，从而实现“充分利用不同材料”的既定概念。这里定义多相材料是指多种材料，即两种或两种以上，以有机协同的方式分布在一个物体内，而单相材料只有一类材料用于构造一个物体。因此，多相MMs的应用越来越广泛，发展也越来越快。“多相/多材料/复合力学超构材料”和“其他力学超构材料”（即单相力学超构材料）的研究成果在过去二十年中都有大幅增长。
近日，南方科技大学陈园教授团队对多相力学超构材料进行了展望。首先综述了多相力学超构材料的设计、制备工艺、独特的力学性能和应用等方面的最新进展。多相MMs主要通过拓扑优化或结构设计与架构进行设计。此外，增材制造（AM）技术，如材料挤出喷墨打印和还原光聚合，可以进一步实现多相MMs的便捷有效制造，以满足更多的实际应用。然后，阐述和总结了多相力学超构材料面临的主要挑战，如界面和连接、不确定性和不一致性等。最后，概述了这些超构材料对未来关键机遇的展望。相关研究发表在《Materials Science and Engineering: R: Reports》上。（徐锐）
文章链接：
Y. Chen, Y.-W. Mai, L. Ye. Perspectives for multiphase mechanical metamaterials[J]. Materials Science and Engineering: R: Reports, 2023, 153.
https://doi.org/10.1016/j.mser.2023.100725
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