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二维硼酮的表征
莱斯大学和西北大学的研究人员合作研究了一种方法来观察二维硼苯晶体的多态，为二维材料的晶格配置提供了见解。

莱斯大学布朗工程学院的材料物理学家Boris Yakobson和西北大学的材料科学家Mark Hersam领导的团队不仅发现了如何观察硼烯晶格的纳米级结构，而且还建立了有助于表征晶体形态的理论模型。他们的结果发表在《自然通讯》上。

硼罗烯与石墨烯在生产材料方面有所不同，并且采用了不同的形式——石墨烯为六边形阵列，硼罗烯为三角形网格。波罗芬的多晶型可以有不止一种晶体结构，这使得它比石墨烯更难表征。

雅各布森说，理论上可能有超过1000种形式的硼罗芬，每一种都有独特的特征。

“它有许多可能的模式和原子网络在晶格中连接，”他说。

该项目始于Hersam的西北实验室，那里的研究人员用碳原子和氧原子的锋利尖端修改了原子力显微镜的钝尖。这使他们有能力扫描硼烯薄片来感知对应于硼原子间共价键的电子。他们使用一种类似的改良扫描隧道显微镜来寻找硼原子缺失的空心六边形。

通过分子束外延扫描在不同温度下生长在银衬底上的薄片显示了一系列晶体结构，因为生长条件的变化改变了晶格。

雅克布森说:“现代显微镜技术非常复杂，但不幸的是，结果是你得到的图像通常很难解释。”也就是说，很难说一个图像对应于一个特定的原子晶格。这远非显而易见，但这正是理论和模拟的用武之地。”

Yakobson的团队利用第一性原理模拟，通过计算硼和底物原子的相互作用能量，来确定硼烯为什么具有特定的结构。他们的模型与西北大学产生的许多硼罗芬图像相匹配。

他说:“我们从模拟中了解到，从金属衬底到硼罗芬的电荷转移程度很重要。”“从没有到很多，有多少正在发生的事情会产生影响。”

研究人员通过分析证实，硼烯也不是一种外延薄膜。换句话说，底物的原子排列并不决定硼烯的排列或旋转角度。

图片来源:刘晓龙/西北大学

展望未来，Hersam说:“表征和控制硼苯原子结构的方法的发展是实现这种材料的许多拟议应用的重要一步，这些应用范围从柔性电子学到量子信息科学中的新兴主题。”

海军研究办公室、国家科学基金会、能源部科学办公室和西北大学国际纳米技术研究所支持了这项研究。

防止锂离子电池起火
伊利诺伊大学芝加哥工程学院研究了防止锂离子电池着火的方法。在锂离子电池的阴极上涂上石墨烯片是一种有效的方法，可以将氧气限制在阴极上，限制其与其他易燃材料混合。UIC的研究人员报道他们的研究结果发表在《高级功能材料》杂志上。

“我们认为，如果有一种方法可以防止氧气离开阴极，与电池中的其他易燃产品混合，我们就可以降低火灾发生的几率，”UIC工程学院机械和工业工程副教授、该论文的通讯作者Reza Shahbazian-Yassar说。

事实证明，Shahbazian-Yassar非常熟悉的一种材料为这个问题提供了完美的解决方案。这种材料就是石墨烯——一种具有独特特性的超薄碳原子层。Shahbazian-Yassar和他的同事此前曾使用石墨烯来帮助调节锂金属电池电极上的锂积聚。

Shahbazian-Yassar和他的同事们知道石墨烯薄片对氧原子是不渗透的。石墨烯还很结实、柔韧，还能导电。Shahbazian-Yassar和Soroosh Sharifi-Asl是UIC机械和工业工程专业的研究生，也是这篇论文的主要作者，他们认为，如果他们将锂电池的锂钴氧化物阴极的非常小的颗粒包裹在石墨烯中，就可能防止氧气逸出。

首先，研究人员对石墨烯进行化学改变，使其具有导电性。接下来，他们将锂钴氧化物阴极电极的微小颗粒包裹在导电石墨烯中。

当他们用电子显微镜观察石墨烯包裹的锂钴氧化物颗粒时，他们发现，与未包裹的颗粒相比，高温下氧气的释放明显减少。
接下来，他们用一种结合材料将包裹的粒子结合在一起，形成可用的阴极，并将其整合到锂金属电池中。当他们测量电池循环过程中释放的氧气时，他们发现即使在非常高的电压下，也几乎没有氧气从阴极中逸出。即使在200次循环后，锂金属电池仍然表现良好。

沙里菲-阿斯尔说:“与传统锂金属电池相比，在快速循环后，包装阴极电池的容量仅损失了约14%，在相同条件下，传统锂金属电池的性能下降了约45%。”

“石墨烯是阻止氧气释放到电解质中的理想材料，”Shahbazian-Yassar说。“它不透氧，导电，柔韧，足够强大，可以承受电池内部的条件。它只有几纳米厚，所以不会给电池增加额外的质量。我们的研究表明，在阴极中使用它可以可靠地减少氧气的释放，并且可能是显著降低这些电池火灾风险的一种方式，这些电池为我们的手机和汽车提供动力。”

这项研究得到了美国国家科学基金会的部分支持。

半导体材料更灵敏的测量
微尺度、纳米尺度和二维半导体材料必须测量其质量，以确定其适用于电子器件。必须提高这些测量的灵敏度，以确定这些材料的性质。

科克雷尔工程学院电气与计算机工程系副教授丹尼尔·沃瑟曼(Daniel Wasserman)领导的团队构建了物理系统，开发了能够达到这种灵敏度水平的测量技术，并成功证明了其改进的性能。他们的工作是报道自然通讯。

该团队的设计方法专注于开发提供材料质量定量反馈的能力，特别是在光电器件的开发和制造方面的应用。所展示的方法能够测量许多材料，工程师们相信这些材料有一天将无处不在地用于下一代光电设备。

光电子学是研究和应用能光源、探测和控制光的电子器件。探测光的光电子设备，被称为光电探测器，使用从光中产生电信号的材料。光电探测器存在于智能手机摄像头、太阳能电池以及构成我们宽带网络的光纤通信系统中。在光电材料中，电子保持“光激发”或能够产生电信号的时间长度，是该材料在光电检测应用中潜在质量的可靠指标。

目前用于测量光激发电子的载流子动力学或寿命的方法既昂贵又复杂，而且只能测量大规模的材料样品，精度有限。德克萨斯大学奥斯汀分校的研究小组决定尝试使用一种不同的方法来量化这些寿命，他们将小体积的材料放置在专门设计的微波谐振器电路中。样品在谐振腔内暴露于集中的微波场中。当样品被光照射时，微波电路信号发生变化，电路的变化可以在标准示波器上读出。微波信号的衰减表明了放置在电路中的小体积材料中光激发载流子的寿命。

沃瑟曼说:“测量电(微波)信号的衰减使我们能够以更高的精度测量材料的载流子寿命。”“我们发现它比目前的方法更简单、更便宜、更有效。”

载流子寿命是一个关键的材料参数，它提供了对材料的整体光学质量的洞察，同时也确定了材料集成到光电探测器器件结构时可以使用的应用范围。例如，具有很长载流子寿命的材料可能具有很高的光学质量，因此非常敏感，但可能不适用于要求高速的应用。

Wasserman说:“尽管载流子寿命很重要，但用于表征小面积材料(如红外像素或二维材料)的非接触式选择并不多，这些材料近年来已经获得了普及和技术重要性。”

从该技术的实际应用中受益的一个领域是红外探测，它是分子传感、热成像和某些防御和安全系统的重要组成部分。

沃瑟曼说:“对红外材料的更好理解可能会导致夜视镜或红外光谱和传感系统的创新。”

在这些频率下工作的高速探测器甚至可以实现长波红外自由空间通信的发展——这种技术允许在困难条件下、在太空中或在城市环境中的建筑物之间进行无线通信。

该研究由空军研究实验室资助，是沃瑟曼和他在德克萨斯大学的中红外光子学小组、埃格林空军基地的密切合作伙伴以及俄亥俄州立大学、威斯康辛大学和桑迪亚国家实验室的研究人员之间正在进行的合作的一部分。