研究人员发明全新电化学晶体管 有望推动穿戴电子产品传感器技术革新

研究人员发明全新电化学晶体管有望推动穿戴电子产品传感器技术革新这种晶体管可以使开发可穿戴设备成为可能，这些设备可以在生物-设备接口处直接进行现场信号处理。一些潜在的应用包括监测心率和血液中的钠和钾水平，以及跟踪眼球运动以研究睡眠障碍。垂直电化学晶体管是基于一种新的电子聚合物的垂直架构该研究的共同通讯作者TobinJ.Marks说："所有的现代电子产品都使用晶体管，它们能迅速地打开和关闭电流。在这里，我们使用化学方法来加强开关。我们的电化学晶体管将性能提高到一个全新的水平。拥有传统晶体管的所有特性，bing拥有高得多的跨导（衡量它能够提供的放大作用），开关特性的超稳定循环，能够实现高密度集成的小尺寸，以及简单、低成本的制造门槛。"Marks是材料科学和有机电子领域的世界领袖。他是温伯格文理学院的VladimirN.Ipatieff催化化学教授和麦考密克工程学院的材料科学和工程以及化学和生物工程教授。垂直电化学晶体管是基于一种新的电子聚合物和垂直而非平面的结构。它既能导电，又能传导离子，在空气中很稳定。新材料的设计和合成以及晶体管的制造和表征需要化学家、材料科学家和生物医学工程师的合作专长。Marks与温伯格大学化学研究教授AntonioFacchetti、现为中国电子科技大学教授的黄伟以及麦考密克学院生物医学工程教授JonathanRivnay一起领导了该研究团队。Rivnay说："这种令人兴奋的新型晶体管使我们能够使用生物系统和电子系统的语言，前者经常通过离子信号进行交流，后者则通过电子进行交流。晶体管作为'混合导体'非常有效地工作的能力使它们对生物电子诊断和治疗具有吸引力。"这项详细介绍高效电化学晶体管的研究和一篇附带的新闻与观点文章最近发表在《自然》杂志上。Facchetti说："由于其垂直结构，我们的电化学晶体管可以一个接一个地堆叠起来。因此，我们可以制作非常密集的电化学互补电路，这对于传统的平面电化学晶体管来说是不可能的。"为了制造更可靠和强大的电子电路，需要两种类型的晶体管：携带正电荷的p型晶体管和携带负电荷的n型晶体管。这些类型的电路被称为互补电路。研究人员过去面临的挑战是，n型晶体管难以建造，而且通常不稳定。初步的工作展示了两种类型（p+n）电化学晶体管具有相似和非常高的性能。这导致了非常高效的电化学互补电路的制造。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1345509.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1345509.htm

MIT教授解释化学气相沉积（CVD）工艺及展望它的未来

MIT教授解释化学气相沉积（CVD）工艺及展望它的未来在被称为启动化学气相沉积（iCVD）的过程中，加热的导线（粉红色的圆柱体）导致"启动剂"分子（红色）分裂，然后它们与用于涂层的单体（紫色）相互作用，使它们聚集在下面较冷的表面上，在那里它们反应形成聚合物链，因为它们建立了一个均匀的涂层（右下）。今天，CVD是一种基本的制造工具--从太阳镜到土豆片袋都在使用--并且是今天大部分电子产品生产的基础。它也是一项不断完善和扩展的技术，将材料研究推向了新的方向--比如生产大规模的石墨烯片，或者开发可以"打印"到纸或塑料片上的太阳能电池。在后一个领域，兼任麻省理工学院副教务长的格里森一直是一个先驱者。她将传统上用于在工业条件下沉积金属的高温工艺发展为可用于更精细材料（如有机聚合物）的低温工艺。这一发展是对联合碳化物公司在20世纪50年代发明的一种用于生产保护性聚合物涂层的方法的改进，例如，正是这一发展使得格里森和其他人开发的可打印太阳能电池成为可能。CVD工艺始于含有引发剂材料（红色）和一种或多种单体（紫色和蓝色）的罐子，它们是所需聚合物涂层的组成部分。这些材料通过加热或降低压力而被汽化，然后被引入含有待涂材料的真空室。引发剂有助于加快单体在基底材料表面形成聚合物的链式连接的过程。这种聚合物的气相沉积为各种材料打开了大门，而这些材料是很难，甚至在某些情况下不可能以任何其他方式生产的。例如，许多有用的聚合物，如保护工业部件或生物植入物的避水材料，是由不溶于水的前体制成的，因此不能用传统的溶液方法生产。此外，麻省理工学院的Alexander和I.MichaelKasser教授Gleason说，CVD工艺本身会在涂层和基材之间引起化学反应，从而使材料与表面牢固结合。格里森在基于聚合物的CVD方面的工作始于20世纪90年代，当时她用特富龙（一种氯和氟的化合物）进行了实验。这项工作导致了现在一个蓬勃发展的领域，Gleason编辑的一本新书《CVD聚合物：有机表面和设备的制造》（Wiley,2015）。当时的想法是，使CVD在聚合物材料上发挥作用的唯一方法是使用等离子体--一种带电的气体来启动反应。格里森试图进行实验来证明这一点，首先是在没有等离子体的情况下进行对照实验，以证明等离子体对于使该过程发挥作用是多么重要。相反，她的对照实验在没有等离子体的情况下也能正常工作，证明对许多聚合物来说，这个步骤是不必要的。但是格里森使用的设备允许气体的温度与基底的温度分开控制；基底的温度被证明是关键。她继续用70多种不同的聚合物演示无等离子体工艺，开辟了一个全新的研究领域。该工艺可能需要大量的微调，但从根本上说是一套简单的步骤：要涂覆的材料被放置在一个真空室中，这决定了可以涂覆的物体的最大尺寸。然后，对涂层材料进行加热，或降低其周围的压力，直到材料在真空室中或在可以引入蒸汽的邻近区域蒸发。在那里，悬浮的材料开始沉淀在基体材料上，形成均匀的涂层。调整该过程的温度和持续时间，可以控制涂层的厚度。对于金属或金属化合物，如用于半导体行业的金属，或零食袋内的银色涂层，加热的金属蒸气沉积在一个较冷的基材上。在聚合物工艺中，情况要复杂一些：两种或更多不同的前体化合物，称为单体，被引入室中，当它们沉积在表面时发生反应形成聚合物。即使是高温CVD加工也在不断发展，具有巨大的商业应用潜力。例如，机械工程系副教授约翰-哈特（JohnHart）的研究小组建立了一个卷对卷加工系统，使用CVD技术制造石墨烯片，这种材料具有从大屏幕显示器到水过滤系统的潜在应用。哈特的小组和其他小组已经用CVD技术生产了大量的碳纳米管，这些材料有可能成为电池或燃料电池的新电极。哈特说："这是一个非常通用和广泛使用的制造工艺，也是一个非常通用的工艺，可以为许多不同的应用量身定做。"CVD加工的一个巨大优势是，即使在复杂的形状上，它也能创造出厚度均匀的涂层。例如，CVD可以用来均匀地涂覆碳纳米管--微小的纯碳圆柱体，其细长程度远远超过一根头发--例如改变其机械性能，并使其与某些物质发生化学反应。哈特说："通过结合两种CVD工艺--一种用于生长碳纳米管，另一种用于涂覆纳米管--我们有一种可扩展的方法来制造具有新特性的纳米材料。"近年来CVD研究的许多进展可以追溯到格里森在20世纪90年代的意外发现，即该工艺可以在没有等离子体的情况下工作--以及她对这一发现的跟进。她说："当一个新事物发生时，你需要注意"这是某种程度上的关键"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1357625.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1357625.htm

革新电化学：纳米多孔模型电极的创新

革新电化学：纳米多孔模型电极的创新研究人员开发了一种突破性的模型膜电极，其特点是在纳米多孔膜内排列有序的空心巨型碳纳米管(gCNT)阵列。这种新型电极是通过在阳极氧化铝(AAO)上开发一种均匀的碳涂层技术而构建的，从而产生具有不同尺寸纳米孔的垂直排列的gCNT。该模型旨在最大限度地减少接触电阻并增强对电化学行为的理解。关键的突破在于这种新型电极的构建。研究人员在铝基板上形成的阳极氧化铝(AAO)上开发了一种均匀的碳涂层技术，消除了阻挡层。由此产生的共形碳涂层显示垂直排列的gCNT，纳米孔的直径范围为10至200nm，长度为2μm至90μm，覆盖小的电解质分子到生物相关的大物质，如酶和外泌体。与传统的复合电极不同，这种独立的模型电极消除了颗粒间的接触，确保接触电阻最小——这对于解释相应的电化学行为至关重要。模型膜电极显示出对孔径的广泛可控性。图片来源：刘宏宇“这种模型电极的潜力是巨大的，”该研究的通讯作者之一潘正泽博士说。“通过使用具有广泛纳米孔尺寸范围的模型膜电极，我们可以深入了解多孔碳电极内发生的复杂电化学过程，以及它们与纳米孔尺寸的内在相关性。”此外，gCNT由低结晶堆叠石墨烯片组成，在低结晶碳壁内提供无与伦比的导电性。通过实验测量和内部程序升温解吸系统的利用，研究人员构建了低结晶碳壁的原子级结构模型，从而能够进行详细的理论模拟。为这项研究进行模拟部分的AlexAziz博士指出，“我们的高级模拟提供了一个独特的镜头来估计无定形碳内的电子跃迁，揭示了控制其电行为的复杂机制。”该项目由高级材料研究所(WPI-AIMR)设备/系统组首席研究员HirotomoNishihara教授领导。这些发现在材料科学的顶级期刊之一《高级功能材料》中有详细介绍。最终，这项研究代表了我们在理解非晶基多孔碳材料及其在探索各种电化学系统中的应用方面向前迈出了重要一步。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1363081.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1363081.htm

科学家在聚合物半导体中的新发现：改变非手性聚合物以产生手性结构

科学家在聚合物半导体中的新发现：改变非手性聚合物以产生手性结构伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的化学家们领导的一项新研究为半导体材料的开发带来了新的视角，这种材料可以做到传统硅材料所做不到的事情--利用手性的力量（一种不可叠加的镜像）。手性是自然界用来构建复杂结构的策略之一，DNA双螺旋可能是最著名的例子--由分子"骨架"连接并向右扭曲的两条分子链。在自然界中，手性分子（如蛋白质）通过选择性地传输相同自旋方向的电子，可以非常有效地输送电能。模仿自然界手性的研究几十年来，研究人员一直致力于在合成分子中模仿自然界的手性。由化学与生物分子化学教授刁颖领导的一项新研究调查了对一种名为DPP-T4的非手性聚合物进行各种改性后在聚合物基半导体材料中形成手性螺旋结构的效果。潜在的应用包括像树叶一样发挥作用的太阳能电池、利用电子量子态更高效计算的计算机以及捕捉三维而非二维信息的新型成像技术等。一张光学显微照片显示了一种聚合物的手性液晶相，研究人员正在探索利用这种聚合物生产高效半导体材料。图片来源：YingDiao实验室提供研究结果发表在《美国化学学会中心科学》（ACSCentralScience）杂志上。研究结果和实验Diao说："我们一开始认为，对DPP-T4分子的结构进行细微调整--通过添加或改变与骨架相连的原子来实现--将改变结构的扭转或扭曲，并诱发手性。然而，我们很快发现事情并非如此简单。"利用X射线散射和想象，研究小组发现，他们的"轻微调整"导致了材料相位的重大变化。"我们观察到的是一种金发姑娘效应，"Diao说。"通常情况下，分子会像扭曲的金属丝一样聚集在一起，但突然间，当我们把分子扭转到临界扭力时，它们开始以平板或薄片的形式聚集成新的介相。通过测试这些结构弯曲偏振光的能力--这是对手性的测试--我们惊讶地发现，这些薄片也能扭曲成内聚的手性结构。"研究小组的发现揭示了一个事实，即并非所有聚合物在模仿手性结构中的高效电子传输时都会表现出类似的行为。研究报告指出，至关重要的是，不要忽视为发现未知相而形成的复杂介相结构，这些介相结构可带来前所未有的光学、电子和机械特性。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1398365.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1398365.htm

韩国研究人员为未来的锂电池开发出一种新型轻质结构

韩国研究人员为未来的锂电池开发出一种新型轻质结构浦项科技大学（POSTECH）化学系的SoojinPark教授和博士生Dong-YeobHan与韩国能源研究所（KIER）的GyujinSong博士以及浦项N.EX.THUB的研究团队合作开发出了一种三维聚合物结构。这种轻质结构有利于锂（Li）离子的传输。他们的研究成果最近发表在国际期刊《先进科学》（AdvancedScience）的网络版上。电池技术的进步用于电动汽车和智能手机等电子设备的电池技术不断发展。值得注意的是，锂金属阳极的能量容量为3860mAh/g，是目前商业化石墨阳极的十倍以上。锂金属阳极可以在更小的空间内储存更多的能量，而且与石墨或硅不同，锂金属阳极可以作为电极直接参与电化学反应。然而，在充电和放电过程中，锂离子的不均匀分布会产生被称为"死锂"的区域，从而降低电池的容量和性能。此外，当锂向一个方向增长时，它可能会到达相反一侧的阴极，从而造成内部短路。虽然最近的研究重点是优化三维结构中的锂传输，但这些结构大多依赖重金属，大大降低了电池的单位重量能量密度。锂电沉积后的混合结构内部几何形状示意图。资料来源：POSTECH用于阳极的创新型三维结构为了解决这个问题，研究小组利用聚乙烯醇（一种对锂离子具有高亲和力的轻质聚合物）与单壁碳纳米管和纳米碳球相结合，开发出了一种混合多孔结构。这种结构比通常用于电池阳极的铜（Cu）集流体轻五倍以上，对锂离子有很高的亲和力，有利于锂离子通过三维多孔结构中的空隙迁移，实现均匀的锂电沉积。在实验中，采用了该团队三维结构的锂金属阳极电池在经过200多次充放电循环后表现出很高的稳定性，并达到了344Wh/kg（能量与电池总重量之比）的高能量密度。值得注意的是，这些实验使用的是代表实际工业应用的袋装电池，而不是实验室规模的纽扣电池，这凸显了该技术商业化的巨大潜力。POSTECH的SoojinPark教授表达了这项研究的意义，他说："这项研究为最大限度地提高锂金属电池的能量密度开辟了新的可能性"。KIER的GyujinSong博士强调说："这种结构兼具轻质特性和高能量密度，是未来电池技术的一个突破"。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1433139.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1433139.htm

研究人员设计出捕获和回收工业排放二氧化碳的更高效新方法

研究人员设计出捕获和回收工业排放二氧化碳的更高效新方法研究人员开发出一种电化学电池，可在室温下捕获和释放二氧化碳，与传统的胺类系统相比所需的能量更少。新系统采用钾离子和锌离子进行了优化，有望应用于工业领域，多次循环后的效率几乎达到95%。许多行业正在转向电气化，以帮助抑制碳排放，但这种技术并不适用于所有行业。例如，二氧化碳是水泥生产过程中的天然副产品，因此本身就是造成排放的主要因素。多余的气体可以通过碳捕捉技术捕捉，这种技术通常依靠胺类物质与污染物发生化学键合来帮助"洗涤"污染物。但这也需要大量的能源、热量和工业设备--在此过程中会燃烧更多的化石燃料。碳捕集本身可以通过电化学电池实现电气化，而这些设备可以由可再生能源提供动力。因此，Fang-YuKuo、SungEunJerng和BetarGallant希望开发一种电化学电池，以最小的能量输入，轻松、可逆地捕获二氧化碳。研究小组首先开发了一种电化学电池，通过在溶于二甲亚砜的液态胺中"摆动"带正电荷的阳离子，既能捕集又能释放排放出的碳。当电池放电时，强路易斯阳离子与氨基甲酸相互作用，释放出二氧化碳并形成氨基甲酸胺。当过程逆转，电池充电时，阳离子被移除，电池可以捕获二氧化碳，并在此过程中转化氨基甲酸。研究人员利用钾离子和锌离子的组合优化了离子摆动过程。在原型电池中，他们使用这两种离子作为电池阴极和阳极的基础。与其他基于热能的电池相比，这种电池所需的能量更少，在初步实验中与其他电化学电池相比具有竞争力。此外，他们还测试了该装置的长期稳定性，发现经过多次充电和放电循环后，该装置仍能保持近95%的原始容量，这表明该系统是可行的。研究人员说，这项工作表明电化学替代技术是可行的，有助于使连续二氧化碳捕获-释放技术在工业应用中更加实用。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1380925.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1380925.htm