南方科技大學程春團隊在納米科學與技術領域取得多項進展

　　近期，南方科技大學材料科學與工程系（簡稱「材料系」）副教授程春課題組在智能系統、能源器件、二維材料生長等多個領域取得多項研究進展。相關成果發表於Advanced Intelligent Systems、ACS Nano、ACS applied Materials &； Interface、Energy Storage Materials。

　　多響應宏觀軟體機器人的製備與功能化設計

　　單晶二氧化釩納米線在68攝氏度時發生金屬-絕緣相變，可產生約為~1%的軸向彈性應變，將其與高彈性的材料複合為雙層結構即可構成高性能的彎曲式微型驅動器。然而如何將二氧化釩納米線的優異驅動性能應用於宏觀器件一直是一個難題。課題組2018屆本科畢業生陳鵬程（現在華盛頓大學攻讀博士學位）與2016屆本科畢業生石潤（現為2017級南科大-港科大聯培博士）共同開發了一種間接製備工藝。他們首先利用水熱法製備出超長且易於成膜的H₂ V₃ O₈ 納米線，採用三相界面法組裝得到取向排列的納米線陣列薄膜並將其與碳納米管（CNT）複合，再使用簡單的退火工藝實現釩氧化物的相轉化，得到二氧化釩納米線陣列（VO₂ NA）/CNT雙層薄膜軟體機器人。該機器人最大尺寸可達10釐米級，並展現出良好的驅動性能與各向異性。另外，可以用雷射切割修飾軟體機器人的形狀，使其具備不同的驅動行為並實現不同的功能（如視頻所示）。該成果以「Multistimuli‐Responsive Insect‐Scale Soft Robotics Based on Anisotropic Super‐Aligned VO₂ Nanowire/Carbon Nanotube Bimorph Actuators」為題發表在Advanced Intelligent Systems上。

　　Advanced Intelligent Systems 是國際知名出版商WILEY在2019年最新推出的在智能系統領域的旗艦期刊。陳鵬程和石潤是該文章的共同第一作者，程春為唯一通訊作者。2019屆本科畢業生孔德俊，2020屆本科畢業生梁宇星、李恬然以及2017級本科生甘翊辰也參與了相關工作。

　　多級複合結構用於高性能鋰硫電池正極材料

　　近年來，鋰硫電池作為新興高性能儲能器件備受關注，但鋰硫電池的性能提升往往受限於多硫化物（LiPSs）較低的轉化效率和在電解液中嚴重的穿梭效應，因此實現LiPSs的高效催化轉化並抑制其穿梭效應對鋰硫電池的進一步發展具有重要意義。程春課題組與其合作團隊研發出一種具有三維多級結構的「樹木耳」狀碳化鉬-石墨烯-氮摻雜碳泡沫 （GCF-G@Mo₂ C） 複合材料，將該材料與硫進行複合即可製得高性能的鋰硫電池正極材料。這種複合材料的多級孔狀結構和較高的氮含量可以分別通過物理限域和化學吸附的方式限制LiPSs的穿梭效應，同時包含的碳化鉬的納米顆粒可以為LiPSs的催化轉化提供更多的活性位點，極大地提升鋰硫電池的性能。該工作以「Freestanding agaric-like molybdenum carbide/graphene/N-doped carbon foam as effective polysulfide anchor and catalyst for high performance lithium sulfur batteries」為題發表在Energy Storage Materials上。

　　Energy Storage Materials於2015年由知名出版商Elsevier推出，由中國科學院院士成會明任總編輯，近年來逐漸成為新能源與材料科學領域最具影響力的期刊之一。課題組研究助理教授牛樹章和清華-伯克利深圳學院博士生張思偉為該文章的共同第一作者，程春為唯一通訊作者，南科大為第一通訊單位。

圖1. GCF-G@Mo₂ C的製備過程及其在鋰硫電池中的工作示意圖

　　界面修飾優化鈣鈦礦太陽能電池性能

　　反式鈣鈦礦太陽能電池中鈣鈦礦吸收層與C60之間存在的能級失配問題是制約鈣鈦礦太陽能電池發展的關鍵因素之一。為解決這一問題，課題組首次採用超薄的PCBM（~3 nm）來修飾鈣鈦礦吸收層與C60的界面，器件光電轉換效率得到了顯著的提升，並研究討論了其優化機理。該研究以「Bifunctional Ultrathin PCBM Enables Passivated Trap States and Cascaded Energy Level toward Efficient Inverted Perovskite Solar Cells」為題發表於ACS applied Materials &； Interface。課題組訪問學生李東陽，訪問學者孔偉光及2018級南科大-哈工大聯培碩士生張海超為論文的共同第一作者，程春和華南師範大學半導體科學技術研究院研究員李述體為論文的共同通訊作者，南科大為第一通訊單位。

圖2. 界面修飾優化反式鈣鈦礦太陽能電池性能

　　氧化物抑制層輔助二維MoX₂ （X=S, Se, Te）單層的可控生長

　　高質量鉬系硫族化合物單層材料的CVD生長一直受限於難以控制的化學動力學條件，其中最為重要的是對於Mo蒸汽釋放的合理調控。近日，課題組在傳統的MoO₃-S反應體系中，創造性地使用高溫穩定的惰性氧化物覆蓋住Mo源,抑制了高濃度的Mo蒸汽在升溫時的快速揮發過程，使其以一個較低的濃度緩慢、均勻地進入到反應體系中，以製備出高質量的單層MoS_2>薄膜，其尺寸可達釐米級。另外，研究人員通過改變氧化物的用量可以直接改變Mo：S比以實現對產物成分、尺寸以及層數的有效控制。此外，這一氧化物輔助的生長策略也可以被用於MoS_e2和MoT_e2>的優化生長。該成果以「Oxide Inhibitor-Assisted Growth of Single-Layer Molybdenum Dichalcogenides （MoX_2>, X=S, Se, Te） with Controllable Molybdenum Release」為題發表在ACS Nano上。石潤為本文的第一作者，程春與香港科技大學物理系教授王寧為本文的共同通訊作者，南科大為第一通訊單位。

圖3. 氧化物抑制輔助MoX₂生長反應的示意圖與模擬圖

　　以上工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃納米科技重點專項、廣東省傑出青年自然科學基金、廣東省電驅動能源材料重點實驗室、廣東高水平人才計劃、深圳市基礎研究學科布局、深圳市孔雀團隊等項目的經費支持。同時也得到了南方科技大學公共分析測試中心（CRF），材料系公共測試平臺以及香港科技大學材料測試製備中心（MCPF）的設備支持。