全球年度10大新材料新技术盘点

 

韩英联合开发超低介电新星——非晶氮化硼

2020年7月，韩国蔚山科学技术院Hyeon Suk Shin联合三星综合技术院Hyeon-Jin Shin和英国剑桥大学Manish Chhowalla教授报道了一种3nm厚的无定型氮化硼薄膜，在100kHz和1MHz的工作频率下分别展示了1.78和1.16的超低介电性质。并且该薄膜展现了强的机械、高压稳定性。该项研究成果以题为“Ultralow-dielectric-constant amorphous boron nitride”发表在国际顶刊《Nature》上。 现代高性能应用于多功能电子设备逻辑、记忆器件都趋向于使用更小的晶体管尺寸和在更小的面积里堆叠更多的电路。然而，金属连接器维度的降低和堆叠密度的增加会导致电阻和电容延迟的增加，这将影响电子器件的运行速度。本项工作中，研究者成功制备了一种3nm厚的无定型氮化硼薄膜，在100kHz和1MHz的工作频率下分别展示了1.78和1.16的超低介电性质，极度接近于空气和真空的介电值1，并且表现出了优异机械、高压稳定性。该工作成功证明了无定型氮化硼的低介电特点，并且用于高性能电子设备。 

a-BN的原子结构 

a-BN的化学结构  

再见传统耗时的陶瓷烧结工艺，10秒快速烧造陶瓷的技术来了！

马里兰大学材料科学与工程系胡良兵，莫一非、弗吉尼亚理工大学郑小雨和加州大学圣迭戈分校骆建合作将具有26000年历史的陶瓷制造工艺重新改造成一种创新的陶瓷材料制造方法，这种陶瓷材料在固态电池、燃料电池、3d打印技术等领域有着广阔的应用前景。 在制造电池固态电解质过程中，采用传统的烧结工艺耗时漫长，需要给炉子加热数小时，之后烧制数小时，才能完成陶瓷材料的“烘烤”。尽管开发出了微波辅助烧结、放电等离子烧结、快速烧结等代替工艺，由于材料特殊或者价格昂贵而受限。联合研究团队开发出超高速高温烧结新方法具有加热速度快、冷却速度快、温度分布均匀、烧结温度高达3000摄氏度等优点。综合起来，这些工艺所需的总处理时间不到10秒，比传统的烧结炉方法快1000倍以上。 

减少粉末床金属3D打印中“飞溅”引起的质量缺陷

2020年5月，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）等科研机构的研究人员开展了一项研究，通过高保真度的仿真技术与同步加速器实验捕获中纳秒级的快速多瞬态动力学，在此过程中，他们发现了新的由“飞溅”（即从激光路径中喷出的颗粒或粉末颗粒簇，这些颗粒或颗粒簇会落回到零件上，从而可能导致孔形成和缺陷）引起的3D打印质量缺陷的形成机制，并发现这一机制取决于扫描策略以及激光遮蔽和驱逐之间的关系，最终得出了稳定熔池动力学并使缺陷最小化的稳定性标准。 这一仿真技术可以被用于任何激光扫描策略，找出需要在扫描轨道上使用的最佳功率。   

储气能力新突破！具有超高孔隙率的新材料诞生：1克可以铺满1.3个足球场

美国西北大学（Northwestern University）的一个研究小组已经设计并合成了具有超高孔隙率和表面积的新材料，用于存储燃料电池动力车辆常用的氢气和甲烷气体。这种材料是一种金属-有机框架化合物（Metal-organic frameworks，MOFs），与传统的吸附材料相比，可以在更安全的压力和更低的成本下存储更多的氢和甲烷。 这种MOF超多孔材料展示了惊人的气体存储性能，开发可以在较低压力下将氢气和甲烷气体存储在车上的新型吸附剂材料，可以帮助科学家和工程师达到美国能源部的目标，即开发下一代清洁能源汽车。  

处理温度降低数百度！一锅法将废塑料转化为高附加值产品

2020年10月，加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校的Susannah Scott等人提出了一种在低温下将废弃的聚乙烯转化为更高价值的长链烷基芳烃的创新方法。长链烷基芳烃是生产洗涤剂，润滑剂和制冷剂的重要成分，比聚乙烯塑料更有价值。目前，烷基化芳烃的生产主要是通过在500–600°C下对原油馏分石脑油进行重整以生产称为BTX（苯-甲苯-二甲苯）的混合物，然后在下一步使用强酸催化剂将其烷基化，从而进一步分离和废物处理方面的问题。 该工作的创新思路产生了一种新的串联催化方法，该方法不仅可以直接从废聚乙烯塑料中制造出高价值的烷基芳族分子，而且还可以高效，低成本，低能耗地进行。结果表明，该工艺路线能够产生了平均碳原子数约为30的长链烷基芳烃和烷基环烷酸酯，且产率约为80%。尽管催化收率比低分子量聚乙烯模型化合物的转化率要低一些，但聚合物的密度和支化度对新开发的氢解-芳构化串联工艺影响不大。这表明，该工艺适用性广，具有很高的市场价值。 

将聚乙烯直接转化成长链烷基芳烃的氢解-芳构化串联催化路线 

整体PE转化为烷基芳烃和烷基环烷，以及通过脱氢环化提出的串联聚乙烯氢解/芳构化的机理  

气凝胶制备又出新工艺，这次它能用于微电子等先进领域了

2020年8月，科学杂志《自然》上，一篇来自Empa研究人员的文章就展示了如何高精度地制造由二氧化硅气凝胶和二氧化硅复合材料制成的3D打印零件。 采用普通工艺制备的气凝胶，一旦想进行分割等步骤，很容易便会碎成渣渣，这就是为什么气凝胶一般只用于大规模应用（如环境技术、物理实验或工业催化）而很难用于小规模应用的原因。而该研究中，通过3D打印出来的气凝胶结构可以薄到十分之一毫米且热导率只有聚苯乙烯的一半，刚好低于16MW/(m·k)，明显低于不移动的空气层的26MW/(m·k)。同时，这种打印出来的二氧化硅具有更好的机械性能，甚至可以在上面钻孔和研磨。可以说，新型的制备工艺为二氧化硅气凝胶的后期处理和应用开辟了全新的可能性。 

由气凝胶制成的微型定制防护罩可以有效地屏蔽电子元件的热量  

三星或将引发量子点显示技术新革命

2020年10月，三星先进技术研究院Eunjoo Jang团队继2019年后再次在《Nature》发文，报道了一种量子产率为100%的无镉蓝光ZnTeSe / ZnSe / ZnS量子点的合成。所得的器件显示出高达20.2％的EQE，亮度为88,900 cd m-2，在100 cd m-2时T50 = 15,850 h，这是迄今为止蓝光QD-LED报道的最高值！ 该工作报道了一种量子产率约为100%的蓝光量子点的合成方法。研究发现，氢氟酸和氯化锌添加剂可通过消除ZnSe晶体结构中的堆叠缺陷来有效提高发光效率。另外，通过液体或固体配体交换的氯化物钝化导致缓慢的辐射复合，高的热稳定性和有效的电荷传输性质。此外，具有梯度氯化物含量的双量子点发射层的设计，可以促进空穴传输，从而使得器件在理论极限下显示出效率，高亮度和长使用寿命。该工作报道的高效，稳定的蓝色QD-LEDs为开发基于量子点的电致发光全色显示器开辟了重要的途径。 

ZnTeSe/ZnSe/ZnS （C/S/S）QDs蓝光量子点的表征  

使用寿命延长20倍的稀土-铂合金催化剂问世

2020年11 月，韩国研究团队使用介孔沸石成功制备稀土-铂合金纳米颗粒。该颗粒作为丙烯脱氢工艺催化剂使用。稀土La和Y的加入大幅度改善了铂在分子筛中的分散性，同目前广泛使用的多孔氧化铝负载Pt-Sn双金属催化剂相比，催化活性提高10倍以上，使用寿命延长20倍以上。 此前大量研究认为，稀土氧化物结构稳定，不能通过加热氢化反应与铂形成合金。本次研究中使用了孔径低于0.55纳米且具有均匀和连续空间结构的介孔沸石作为制备催化剂的载体。由于介孔沸石表面硅原子的缺失，表面上存在被称为硅羟基的骨架缺陷。稀土氧化物在其中可以以原子金属化合物形式存在，在氢热处理过程中能够与铂形成具有特定结构的合金。   

手机“烧屏”有救了？《Nature》：反其道而行之，大幅度提升OLED寿命！

2020年9月，美国环宇显示技术股份有限公司（Universal display corporation）的研究人员Nicholas J. Thompson等人利用了等离子体系统的衰变率提升效应，采用基于纳米粒子外耦合的方案从等离子振荡模中提取能量，制备了高效且稳定的OLED器件。 对比实验显示，在相同的发光强度下，改进后的器件的工作稳定性提升了两倍，理想情况下能达到4倍的提升。这种普适性的提高OLED器件稳定性的方法对目前采用OLED技术的照明、电视、手机显示屏都适用。这种一直被认为是有害的方法为OLED的设计提供了新的思路，大大推动了低成本照明、高亮度显示以及蓝光有机磷光发光设备的发展。 

等离子器件结构与纳米立方体形貌  

首个二维无定形碳的非晶碳膜研制成功 媲美石墨烯

2020年1月，由新加坡国立大学的团队开发的，由日本筑波科学城的Suzuaga Kazu Suenaga小组的一项新研究首次详细介绍了第一个无定形块状材料成功的实验生长，原子分辨率成像以及研究二维无定形碳的性质。 塑料，玻璃和凝胶，也称为无定形块状材料，是我们所有人的日常用品。但是对于研究人员而言，这些材料长期以来一直是科学谜团-特别是涉及原子构成时，这种材料缺乏在大多数固体（如金属，钻石和盐）中发现的严格的晶体有序结构。研究团队的成功开发可重复的方法为研究其他无定形二维材料的生长打开了大门。 

原文标题：全球年度10大新材料新技术盘点（附400大行业研报+10大领域企业名录）

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责任编辑：haq