一言不合就发Nature,香港科大范智勇团队基于钙钛矿纳米线打造仿生人工眼丨顶刊日报20200521
纳米人 2020-05-21

1. Nature:世界首个基于钙钛矿纳米线阵列半球状视网膜的仿生人眼

人眼具有出色的图像感应特性,视野极广,分辨率高,像差低且灵敏度高。具有这种特征的仿生人眼在机器人技术和视觉假体中至关重要。但是,生物眼睛的球形和视网膜构成了仿生设备的巨大制造挑战。有鉴于此,香港科技大学范智勇教授等人提出了一种具有半球形视网膜的电化学眼,该眼球由高密度的纳米线阵列构成,可模仿人类视网膜上的感光器。(本文第一作者顾磊磊)


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本文要点:

1该人工视觉系统使用球形仿生电化学眼(EC-EYE)和半球形视网膜,该半球形视网膜由使用气相法生长的高密度钙钛矿纳米线阵列制成。离子液体电解质被用作纳米线的正面公共触点,而液态金属线则被用作纳米线光电传感器的背面触点,模仿了视网膜后方的人类神经纤维。器件表征表明,EC-EYE具有高响应度,合理的响应速度,低检测限和宽FOV。EC-EYE还演示了人眼获取图像图案的基本功能。

 

2除了与人眼的结构相似之外,半球形人工视网膜的纳米线密度远高于人类视网膜中的感光器,因此可以潜在地实现更高的图像分辨率,这可通过实现单纳米线超小型光电探测器来实现。此外,通过重构投影到设备上的光学图案来演示仿生设备的图像感应功能。这项工作可能会导致仿生光敏器件在各种技术应用中得到使用。


范智勇教授表示,这项工作的核心亮点在于:以钙钛矿纳米线模仿人眼视杆细胞,然后把高密度纳米线阵列组装在半球形的多孔透明绝缘模板来仿生人类视网膜。除此以外,他们使用了离子液体模仿人眼中的玻璃体,还开发了不同的背接触电极技术,最终构成与人眼结构极为相似的视觉系统。


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Gu, L., Poddar, S., Lin, Y. et al. A biomimetic eye with ahemispherical perovskite nanowire array retina. Nature 581, 278–282 (2020).https://doi.org/10.1038/s41586-020-2285-x


2. Nature Energy:光谱学揭示Zn: CuInSe2量子点敏化太阳能电池的高缺陷耐受性

胶体半导体量子点(QD)是用于实现高性能液接光伏电池的有前途的材料。尽管存在大量的I-III-VI2三元半导体典型的天然缺陷,但基于Zn:CuInSe2 QD的太阳能电池仍显示出高效率。为了阐明这些设备显著的缺陷耐受性的原因,洛斯阿拉莫斯国家实验室Victor I. Klimov等人对制备的和表面改性的Zn:CuInSe2 QD进行了并行光伏和光谱研究。
 
本文要点:
1)使用具有不同长度和与TiO2表面的结合亲和力的表面配体,研究人员可以调节缺陷相关弛豫和QD到TiO2电极电子转移的速率。尽管表面修饰对光致发光动力学有较大影响,但其对光伏性能的影响却可以忽略,这表明间隙内缺陷不会阻碍,而实际上有助于Zn:CuInSeQDs的光转换过程。
2)这些能隙状态是浅层表面电子陷阱和天然Cu1+空穴俘获缺陷,分别介导了与TiO2电极和电解质的QD相互作用,并以约85%的光电子转换效率实现了稳定的光伏性能,功率转换效率高达9-10%。
 
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Du, J., Singh, R., Fedin, I. et al. Spectroscopic insights into high defect tolerance of Zn:CuInSe2 quantum-dot-sensitized solar cells. Nat. Energy 5, 409–417 (2020).
DOI:10.1038/s41560-020-0617-6
https://doi.org/10.1038/s41560-020-0617-6
 

3. Nature Nanotech.:高效,快速且无重吸收的钙钛矿纳米晶敏化塑料闪烁体

在医学诊断,核控制和粒子物理学中,对价格合理且可靠的电离辐射检测器的紧迫需求,使得对闪烁器设备的需求不断增长。这就要求这些器件结合高效的闪烁,快速的发射寿命,与电离辐射的高相互作用概率以及减轻大体积/高剂量的重吸收损失的能力等诸多方面。迄今为止,同时实现所有这些功能仍然是一个公开挑战。米兰大学Sergio BrovelliMauro Fasoli斐济核电研究所Luca Gironi等人报道了一种新型基于钙钛矿的闪烁体。
 
本文要点:
1)研究人员通过嵌入CsPbBr3钙钛矿纳米晶体的聚(甲基丙烯酸甲酯)纳米复合材料作为共轭有机染料的敏化剂来实现这一机制,该共轭有机染料在红色光谱区域具有较大的斯托克斯位移和快速的发射寿命。
2)X射线和α粒子激发下,从纳米晶体到染料的完全能量转移产生了高度稳定的放射致发光,其效率可与商业级无机和塑料闪烁体相媲美。约3.4 ns的发射寿命,可与快速镧系元素闪烁体竞争;同时无重吸收波导,可实现长距离光学。

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Gandini, M., Villa, I., Beretta, M. et al. Efficient, fast and reabsorption-free perovskite nanocrystal-based sensitized plastic scintillators. Nat. Nanotechnology (2020).
DOI:10.1038/s41565-020-0683-8
https://doi.org/10.1038/s41565-020-0683-8
 

4. Nature Catalysis:生物酶对可持续发展的重要作用

人类目前社会和科技发展领域的可持续发展中面临着多重挑战,美国MIT的Kristala L. J. Prather对目前生物催化系统的快速发展如何帮助美国实现可持续发展的目标。2015年,美国通过了一个目标SDGs“实现更好和可持续的未来的蓝图”(“the blueprint to achieve a better and more sustainable future for all)。
 
这个可持续发展目标是崇高的并且具有非常大的挑战,这个问题是关于贫穷、不平等、气候问题、环境污染、繁荣、和平、正义等问题。SDGs的目标中需要政策和社会调整,这些目标的实现需要可持续发展相关技术的发展和应用。为了实现SDGs目标,对包括废弃物的物质/材料转化过程占有重要作用。生物催化反应系统由于能够在低温和低压中进行催化,因此生物催化系统的过程需要的溶剂、有毒材料比热催化过程更少。但是目前对高活性酶的开发仍任重道远,并且需要更多人和更广泛的关注。
 
本文要点:
1)生物催化体系在消除饥饿中的作用。Fritz Haber和Carl Bosch开发了重要的合成胺反应,该反应中首要的应用是化肥相关应用,但是热催化反应过程中需要高温和高压过程产生巨大的能耗,其中H2通过甲烷的水热重整过程得到,并且该过程中生成大量CO2。生物催化体系可能对这个领域产生作用,植物能够自动的吸收大气中的N2,并将其转化为NH3。一些土壤中的微生物同样能够实现这个过程,并通过这个方法为植物的根提供营养。如果能够实现植物的类似固氮过程,开发出高效的酶机器,会使人类实现更好的发展。其中的重要挑战在于生物固氮酶对空气非常敏感,通过设计和合成新型固氮酶能够对食物的供给和消除饥饿目标提供更好的方法。
2)生物催化体系在清洁能源、工业领域的应用。开发低碳甚至无碳排放的清洁能源为增加人口数量和提升现代化有作用。新型生物催化系统能够高效的、经济的生成大量广泛的能够应用于交通工具的能源分子,实现生物燃料对现有市场的渗透。生物能源中一个特别吸引人的优势在于能够用于少量使用领域、并实现随制随用,实现取代燃料制造工厂的中心地位。比如通过将废物转化为适合做饭的生物能。通过这种方法能够降低对煤、石油的依赖。为了实现这个目标,需要开发适用于复杂环境的高活性生物催化剂系统。同时,生物能可能在解决污染性能源中起到重要作用,比如对CO2的捕捉和储存中。比如产乙酸菌能够消耗CO2能够生产酸和醇,LanzaTech公司就建造了一个工厂,实现了将炼钢厂产生的CO2作为反应原料,并且该过程中的酶展现了快速转化能力。并且该方法可能应用于工业气流和石油转化反应过程中产生的大量CO2
3)酶催化体系在城市和社区的可持续发展中的应用。由于目前更多的人流动到城市中,对人群、土地、建筑物的管理变得更重要。其中废水长期以来通过微生物进行处理,固体废弃物无法简单通过这种方法进行处理,通过对生物酶进行修饰和优化可能得到有处理效果的酶和生物体物种。由于更多的人会产生更多的废弃物,生物催化系统能够在该领域起到一定的帮助作用。
4)生物酶催化系统在负责任的消费和生产中作用,水中的生物的作用。目前社会发展过程中无法避免的事实是每天各种材料被生产、消费和扔掉,因此必须考虑一个问题,即对如何对生产和销售控制并降低废物。如果考虑将产品重新恢复到原始状态,生物催化系统将是个非常好的技术,生物体中就存在着将复杂材料降解的过程(比如木质素),能够降解至单体结构,并重新作为原料构建复杂分子。比如,在聚合物的降解过程中发现设计生物可降解的聚合物材料能够取代石油化工品的使用,并降低其对环境的影响。最近Science上一篇报道结果显示发现了有能力降解聚对苯二甲酸(poly(ethylene terephthalate))的细菌,受到了社会上的广泛关注。
5)生物催化系统对气候行为的作用。由于气候变化的担心,目前人们对脱碳工业的需求日益增强。目前原油中有~15 %的量通过转化变为高附加值的产品,如果将这部分不需要破坏化学键产生能源的部分替换为可循环应用的材料,能起到很好的效果。为了实现这个目标,需要对设计一种全新的生物催化系统,将大量物种转化为一系列复合产品。这种过程需要对生物酶进行设计,产生与以往不同的酶催化活性。
 
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Kristala L. J. Prather, et al. Accelerating and expanding nature to address its greatest challenges. Nature Catalysis, 2020
DOI:10.1038/s41929-020-0422-4
https://www.nature.com/articles/s41929-020-0422-4
 

5. Nature Commun.:体心立方钨纳米晶体中的不稳定孪晶

在低堆垛层错面心立方(Fcc)金属的塑性变形中,孪晶的激活是一个普遍现象,但在室温和慢应变速率下的体心立方(Bcc)金属中很少发现孪晶。有鉴于此,美国匹兹堡大学Li ZhongScott X. Mao太平洋西北国家实验室王崇民等人通过在原子尺度上进行原位透射电子显微镜(TEM),发现与大多数Fcc金属形成鲜明对比的是,Bcc金属中的大多数形变孪晶都是不稳定的,并且在卸载时会自发去孪晶。
 
本文要点:
1)研究人员通过原子原位TEM研究,发现Bcc钨(W)的孪晶稳定性和去孪晶过程与孪晶边界的类型密切相关。具体而言,Bcc金属中形变孪晶的稳定性受倾斜孪晶边界的独特界面结构控制。
2)定量分析表明,倾斜孪晶边界的高能量对去孪晶的驱动力有显著贡献,含有较高比例倾斜孪晶边界的孪晶具有较高的自发去孪晶速率。倾斜孪晶边界的形成可能是造成Bcc金属中孪晶低迁移率以及孪晶晶粒几何形状的原因。
 
这项工作揭示了Bcc金属中不稳定形变孪晶的潜在机理,并提供了对去孪晶行为的深刻理解,这对于Bcc金属中孪晶结构的设计和加工具有重要意义。对于不稳定的孪晶结构,添加适当的合金元素可能会降低界面能并稳定孪晶和位错结构,这为通过植入高密度纳米孪晶来提高Bcc金属的性能提供了可能性。
 
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Xiang Wang, et al. Unstable twin in body-centered cubic tungsten nanocrystals. Nat. Commun. 2020, 11 (1), 2497.
DOI: 10.1038/s41467-020-16349-8.
https://doi.org/10.1038/s41467-020-16349-8
 

6. Nature Commun.:超薄高κ氧化锑单晶

超薄氧化物在电、磁、光和催化等领域具有优异的性能。然而,目前制备超薄氧化物的主要方法仅适用于非晶态或多晶氧化物纳米片或薄膜。有鉴于此,武汉大学付磊教授,伊比利亚国际纳米技术实验室(INL)王中长研究员报道了通过衬底缓冲液控制的化学气相沉积策略(SBC-CVD),成功地合成了高质量的超薄氧化锑单晶(最小到1.8 nm)。
 
本文要点:
1)在生长之前,研究人员通过设计的高温(1000 °C)退火工艺制备了再凝固的Ag(111)衬底。然后,为了实现超薄氧化锑单晶的生长,将商品锑粉放在上游提供锑蒸气,将银衬底放在温度T为750 °C的下游区域。将O2引入装置,单晶生长开始,生长过程保持几分钟。光学显微镜图像显示这些三角形晶体具有约5μm的均匀尺寸。此外,从沿表面法向的Sb价态分析可以看出,随着表层的去除,Sb0在整个Ag衬底中出现并保持恒定数量,这表明多余的Sb被缓冲在衬底内,这对Sb的完全氧化和随后的超薄氧化锑晶体的生长是非常关键的。
2)研究人员利用同步辐射X射线衍射(XRD)和高分辨透射电镜(HRTEM)研究了超薄氧化锑的结构。
3)研究表明,SbO1.93单晶具有较高的介电常数(~100)和较大的击穿电场(~5.7 GV m-1),具有良好的绝缘性能。此外,这种策略不仅限于氧化锑,还可以制造其他氧化物,例如氧化铋,氧化锗和氧化锡。
 
这种超薄的氧化锑单晶将有利于正在进行的超薄氧化物的应用研究。

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Yang, K., Zhang, T., Wei, B. et al. Ultrathin high-κ antimony oxide single crystals. Nat Commun 11, 2502 (2020).
DOI:10.1038/s41467-020-16364-9
https://doi.org/10.1038/s41467-020-16364-9
 

7. Chem. Soc. Rev.综述:共价有机骨架光催化剂:结构与应用

由于不断增长的能源需求和环境污染,迫切需要找到一种清洁和可再生的能源。近年来,将太阳能用于各种燃料生产(如制氢和碳氢化合物生产)或环境污染物降解的光催化作用显示出了巨大的潜力。在各种光催化剂中,共价有机骨架(COFs)具有出色的结构规则性,坚固的骨架,固有的孔隙率和良好的活性,因此具有广泛的应用前景。已经进行了大量研究关于COFs和基于COF的光催化性能。
 
有鉴于此,湖南大学曾光明教授,许飘助理教授,伦敦大学学院Junwang Tang教授全面总结了COFs光催化剂的最新进展。

本文要点:
1)作者首先总结COF构件的不同连接,包括含硼连接,含氮连接和结合亚胺键和硼酸酯键的双级连接。
2)作者总结了具有不同形态的COF的性能,包括零维(0D)结构,一维(1D)结构,二维(2D)结构和三维(3D)结构。然后提出了与COF材料增强光催化性能有关的策略。
3)作者总结了COFs光催化剂在太阳能驱动下的应用,包括水分解,CO2转化以及废水中污染物的光催化降解。
4)尽管已经取得了一些有趣的进展和成就,但是对COF和基于COF的光催化剂的研究仍处于起步阶段,有待进一步发展。作者最后指出该领域的面临的挑战和机遇包括:1)COFs的结构,形态和性质最有可能随着不同的合成方法和反应条件而改变,从而导致COFs的光催化性能不同;2)需要高效稳定的新型COF;3)基于COF的光催化体系的基本机理仍不清楚;4)应加强基于COF的光催化剂进行析氧反应和CO2光还原的研究。
 
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Han Wang, et al, Covalent organic framework photocatalysts: structures and applications, Chem. Soc. Rev., 2020
DOI:10.1039/D0CS00278J
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/cs/d0cs00278j#!divAbstract
 

8. Nano Letters:Na2O2∙2H2O实现从钠氧电池到钠空气电池

金属空气电池以其较高的理论能量密度吸引了广泛的研究兴趣。然而,以前的大多数研究都局限于在正极中施加纯氧,却牺牲了重量和体积能量密度。有鉴于此,美国阿贡国家实验室陆俊研究员,Khalil Amine报道了一种真正的钠“空气”电池,其中电池的可充电性取决于二水合过氧化钠(Na2O2∙2H2O)形成的可逆反应。
 
本文要点:
1)研究人员通过堆叠钠金属负极,用1 M三氟甲磺酸钠浸泡在DEGDME中的玻璃纤维(Na2SiO3)隔膜组装成钠空气电池,其中空气以略高于1个大气压的压力流入电池中。该空气中大约含有77.03%的N219.47%的O20.60%的H20.56%的CO21.06%的Ar,1.27%的H2O以及0.01%的其他气体。
2)该钠空气电池具有稳定的电压曲线和80个循环的长循环寿命。电池电压在随后的循环中几乎没有变化,表明电池相对稳定。因此,即使用空气代替氧气,电池也会发生可逆反应,而不会受到空气中其他活性物质的太大影响。为了降低高充电过电位,研究人员进一步使用了催化剂来促进OER。将循环寿命延长到100次以上。
3)研究发现,Na2O2∙2H2O为主要放电产物。同时,通过一个双电子转移反应:
2Na + 2O+ 2H2 Na2O2∙2H2O 验证了Na2O2∙2H2O形成和分解的可逆性。同时,在金属Na表面形成稳定的SEI层,使得负极在长循环下保持稳定。
 
这项研究将对真正的钠“空气”电池的开发具有重要意义,并为钠空气电池的实际应用铺平道路。
 
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Xuanxuan Bi, et al, From Sodium-Oxygen to Sodium-Air Battery: Enabled by Sodium Peroxide Dihydrate, Nano Lett., 2020
DOI:10.1021/acs.nanolett.0c01670
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c01670
 

9. Angew: 模型理解金属掺杂对MoS2 HER反应活性的影响

氢原子与2H-MoS2基面的弱结合使MoS2作为HER反应电催化剂呈现惰性。过渡金属掺杂可以激活MoS2基面上的相邻硫原子,从而更牢固地结合氢。布鲁克海文国家实验室Qin Wu等人基于密度泛函理论的研究表明,在3d过渡金属系列(Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu和Zn)中,掺杂剂的活化程度存在很大差异。
 
本文要点:
1)为了了解激活趋势,研究人员提出了一种基于电子促进能的理论模型,该能量将局部硫原子的外层电子全满状态转换为部分空缺,并因此准备与氢原子键合,通常是通过电子从硫转移到相邻的金属原子位点来实现。
2)研究人员展示了一种基于电子结构的氢结合强度的描述符: dp,代表着掺杂金属原子上最低的空d状态与S上的占据p状态之间的局部带间能量分离。
可以使用此模型为将来基于掺杂的过渡金属二卤化物的催化剂设计中,为硫族元素的活化提供指导。
 
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Mingjie Liu, et al. A Physical Model for Understanding the Activation of MoS2 Basal‐plane Sulfur Atoms for the Hydrogen Evolution Reaction. Angew., 2020.
DOI: 10.1002/anie.202003091
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202003091
 

10. Angew:金属锂负极能在90°C的液体电解液中循环吗?

(Li)金属负极作为下一代电池的负极,因此,需要满足在高温下稳定运行。然而,由于电解质和固体电解质界面的热不稳定性,锂金属负极在高温(>55°C)下,性能普遍较差,甚至存在安全隐患。有鉴于此,清华大学张强教授报道了一种工作在90°C高温下的锂金属负极,其工作在热稳定的电解液中。在90 °C工作的Li|LiFePO4电池中,锂金属负极经历100次循环,而在实际碳酸盐电解液中仅为10次。
 
本文要点:
1)锂金属负极在较高的温度下性能较好,导致电池热失控的可能性较小。具体地说,双(氟磺酰亚胺)锂(LiFSi)和硝酸锂(LiNO3)溶解在由碳酸氟乙烯(FEC)和四乙二醇二甲醚(TEGDME)组成的混合溶剂中,构成耐高温(ET)电解质。将其应用于90°C工作的Li|LiFePO4电池,锂金属负极在耐ET电解液中循环100次,容量保持率为91.5%。而锂金属负极在实际的常规电解液(EC/DEC中为1.0 M LiPF6)中仅在10个循环内就迅速失效。
2)基于耐ET电解质作为合理的研究平台,研究人员揭示了90 °C时SEI和Li沉积的显著特征。在90 ℃时,锂盐和溶剂的独立分解和不完全分解均增强,从而改变了25 ℃时SEI的形成机制,导致Li均匀性的沉积。
 
这项工作不仅展示了在90 °C下工作的锂金属负极,而且对充电电池的固体电解质界面和高温下锂的沉积也有了基本的了解。
 
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Li-Peng Hou, et al, Can Lithium Metal Anode Cycle at 90°C in Liquid Electrolyte? Angew. Chem. Int. Ed., 2020
DOI:10.1002/anie.202002711
https://doi.org/10.1002/anie.202002711
 

11. AM:离子弹性体结的低压可逆电粘附

电粘附提供了一种使用外加电位快速和可逆地控制粘附的简单途径,为包括触觉和机器人在内的各种应用提供了前景。然而,当前的电粘剂受到与使用高工作电压(>kV)相关的关键限制,以及由于介质击穿而导致的相应故障。
 
有鉴于此,马萨诸塞大学Alfred J. Crosby ,Ryan C. Hayward,哈佛大学锁志刚院士报道了一种基于离子弹性体异质结的新型电粘剂,可以在≈1 V的电位下工作。离子弹性体是通过将离子液体单体和交联剂聚合成弹性体网络而形成的软的无液体的离子传导网络,使得一个离子物种被网络锚定,而另一个离子物种是可移动的。
 
本文要点:
1)在两个带电相反的离子弹性体之间的界面上形成了一个类似于电子半导体p/n结处形成的耗尽(或空间电荷)层的“离子双层”(IDL)。当结处于反向偏压下时,在分子尺度的IDL上产生的大电场允许在低电压下实现强大的附着力。相反,在正向偏压下,IDL两端的电场被破坏,从而以可逆的方式大大降低了附着力。
2)就单位静电电容能量而言,这些离子弹性体电粘剂效率很高,对通常会导致传统介电胶粘剂灾难性故障的缺陷或损坏具有很强的抵抗力。
3)研究人员展示了一种离子弹性体电粘合垫,它可以在±1 kV的电位下可逆地打开和关闭,并能够支持5 kPa的剪应力。
 
这些发现为低压电粘接提供了新的基本见解,并拓宽了其可能的应用范围,包括机器人、虚拟现实硬件和响应材料。

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Hyeong Jun Kim, et al, Low-Voltage Reversible Electroadhesion of Ionoelastomer Junctions, Adv. Mater. 2020
DOI: 10.1002/adma.202000600
https://doi.org/10.1002/adma.202000600
 

12. AM:双极性黑磷烯界面层,稳定高效钙钛矿太阳能电池

2D黑磷(黑磷烯(Phosphorene))(BP)具有一系列出色的物理性能,例如可方便地调节的带隙和极高的双极性载流子迁移率,可用于光电设备。佐治亚理工学院林志群北卡罗来纳大学教堂山分校黄劲松等人设计和定位具有特定厚度的BP作为双功能纳米材料,用于钙钛矿太阳能电池。

本文要点:
1)黑磷烯可以同时增强电子传输层/钙钛矿和钙钛矿/空穴传输层界面上的载流子提取,从而获得高效且稳定的钙钛矿太阳能电池。通过BP产生的有利的能带对齐和协同级联界面载流子提取的协同作用,使功率转换效率从16.95%(对照组)逐步提高到19.83%。
2)对界面工程的研究进一步表明,结合了BP可以增强光吸收和降低陷阱密度,从而改善光伏性能。这项工作证明了将BP合理地实现为双功能传输材料的吸引力,适用于各种光电设备,包括光电探测器,传感器,发光二极管等。

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Meng Zhang et al. Synergistic Cascade Carrier Extraction via Dual Interfacial Positioning of Ambipolar Black Phosphorene for High‐Efficiency Perovskite Solar Cells,AM,2020.
https://doi.org/10.1002/adma.202000999

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