韓英聯合開發超低介電新星——非晶氮化硼

2020年7月，韓國蔚山科學技術院Hyeon Suk Shin聯合三星綜合技術院Hyeon-Jin Shin和英國劍橋大學Manish Chhowalla教授報道了一種3nm厚的無定型氮化硼薄膜，在100kHz和1MHz的工作頻率下分別展示了1.78和1.16的超低介電性質。并且該薄膜展現了強的機械、高壓穩定性。該項研究成果以題為“Ultralow-dielectric-constant amorphous boron nitride”發表在國際頂刊《Nature》上。現代高性能應用于多功能電子設備邏輯、記憶器件都趨向于使用更小的晶體管尺寸和在更小的面積里堆疊更多的電路。然而，金屬連接器維度的降低和堆疊密度的增加會導致電阻和電容延遲的增加，這將影響電子器件的運行速度。本項工作中，研究者成功制備了一種3nm厚的無定型氮化硼薄膜，在100kHz和1MHz的工作頻率下分別展示了1.78和1.16的超低介電性質，極度接近于空氣和真空的介電值1，并且表現出了優異機械、高壓穩定性。該工作成功證明了無定型氮化硼的低介電特點，并且用于高性能電子設備。

a-BN的原子結構

a-BN的化學結構

再見傳統耗時的陶瓷燒結工藝，10秒快速燒造陶瓷的技術來了！

馬里蘭大學材料科學與工程系胡良兵，莫一非、弗吉尼亞理工大學鄭小雨和加州大學圣迭戈分校駱建合作將具有26000年歷史的陶瓷制造工藝重新改造成一種創新的陶瓷材料制造方法，這種陶瓷材料在固態電池、燃料電池、3d打印技術等領域有著廣闊的應用前景。在制造電池固態電解質過程中，采用傳統的燒結工藝耗時漫長，需要給爐子加熱數小時，之后燒制數小時，才能完成陶瓷材料的“烘烤”。盡管開發出了微波輔助燒結、放電等離子燒結、快速燒結等代替工藝，由于材料特殊或者價格昂貴而受限。聯合研究團隊開發出超高速高溫燒結新方法具有加熱速度快、冷卻速度快、溫度分布均勻、燒結溫度高達3000攝氏度等優點。綜合起來，這些工藝所需的總處理時間不到10秒，比傳統的燒結爐方法快1000倍以上。

減少粉末床金屬3D打印中“飛濺”引起的質量缺陷

2020年5月，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）等科研機構的研究人員開展了一項研究，通過高保真度的仿真技術與同步加速器實驗捕獲中納秒級的快速多瞬態動力學，在此過程中，他們發現了新的由“飛濺”（即從激光路徑中噴出的顆粒或粉末顆粒簇，這些顆粒或顆粒簇會落回到零件上，從而可能導致孔形成和缺陷）引起的3D打印質量缺陷的形成機制，并發現這一機制取決于掃描策略以及激光遮蔽和驅逐之間的關系，最終得出了穩定熔池動力學并使缺陷最小化的穩定性標準。這一仿真技術可以被用于任何激光掃描策略，找出需要在掃描軌道上使用的最佳功率。

儲氣能力新突破！具有超高孔隙率的新材料誕生：1克可以鋪滿1.3個足球場

美國西北大學（Northwestern University）的一個研究小組已經設計并合成了具有超高孔隙率和表面積的新材料，用于存儲燃料電池動力車輛常用的氫氣和甲烷氣體。這種材料是一種金屬-有機框架化合物（Metal-organic frameworks，MOFs），與傳統的吸附材料相比，可以在更安全的壓力和更低的成本下存儲更多的氫和甲烷。這種MOF超多孔材料展示了驚人的氣體存儲性能，開發可以在較低壓力下將氫氣和甲烷氣體存儲在車上的新型吸附劑材料，可以幫助科學家和工程師達到美國能源部的目標，即開發下一代清潔能源汽車。

處理溫度降低數百度！一鍋法將廢塑料轉化為高附加值產品

2020年10月，加利福尼亞大學圣塔芭芭拉分校的Susannah Scott等人提出了一種在低溫下將廢棄的聚乙烯轉化為更高價值的長鏈烷基芳烴的創新方法。長鏈烷基芳烴是生產洗滌劑，潤滑劑和制冷劑的重要成分，比聚乙烯塑料更有價值。目前，烷基化芳烴的生產主要是通過在500–600°C下對原油餾分石腦油進行重整以生產稱為BTX（苯-甲苯-二甲苯）的混合物，然后在下一步使用強酸催化劑將其烷基化，從而進一步分離和廢物處理方面的問題。該工作的創新思路產生了一種新的串聯催化方法，該方法不僅可以直接從廢聚乙烯塑料中制造出高價值的烷基芳族分子，而且還可以高效，低成本，低能耗地進行。結果表明，該工藝路線能夠產生了平均碳原子數約為30的長鏈烷基芳烴和烷基環烷酸酯，且產率約為80%。盡管催化收率比低分子量聚乙烯模型化合物的轉化率要低一些，但聚合物的密度和支化度對新開發的氫解-芳構化串聯工藝影響不大。這表明，該工藝適用性廣，具有很高的市場價值。

將聚乙烯直接轉化成長鏈烷基芳烴的氫解-芳構化串聯催化路線

整體PE轉化為烷基芳烴和烷基環烷，以及通過脫氫環化提出的串聯聚乙烯氫解/芳構化的機理

氣凝膠制備又出新工藝，這次它能用于微電子等先進領域了

2020年8月，科學雜志《自然》上，一篇來自Empa研究人員的文章就展示了如何高精度地制造由二氧化硅氣凝膠和二氧化硅復合材料制成的3D打印零件。采用普通工藝制備的氣凝膠，一旦想進行分割等步驟，很容易便會碎成渣渣，這就是為什么氣凝膠一般只用于大規模應用（如環境技術、物理實驗或工業催化）而很難用于小規模應用的原因。而該研究中，通過3D打印出來的氣凝膠結構可以薄到十分之一毫米且熱導率只有聚苯乙烯的一半，剛好低于16MW/(m·k)，明顯低于不移動的空氣層的26MW/(m·k)。同時，這種打印出來的二氧化硅具有更好的機械性能，甚至可以在上面鉆孔和研磨。可以說，新型的制備工藝為二氧化硅氣凝膠的后期處理和應用開辟了全新的可能性。

由氣凝膠制成的微型定制防護罩可以有效地屏蔽電子元件的熱量

三星或將引發量子點顯示技術新革命

2020年10月，三星先進技術研究院Eunjoo Jang團隊繼2019年后再次在《Nature》發文，報道了一種量子產率為100%的無鎘藍光ZnTeSe / ZnSe / ZnS量子點的合成。所得的器件顯示出高達20.2％的EQE，亮度為88,900 cd m-2，在100 cd m-2時T50 = 15,850 h，這是迄今為止藍光QD-LED報道的最高值！該工作報道了一種量子產率約為100%的藍光量子點的合成方法。研究發現，氫氟酸和氯化鋅添加劑可通過消除ZnSe晶體結構中的堆疊缺陷來有效提高發光效率。另外，通過液體或固體配體交換的氯化物鈍化導致緩慢的輻射復合，高的熱穩定性和有效的電荷傳輸性質。此外，具有梯度氯化物含量的雙量子點發射層的設計，可以促進空穴傳輸，從而使得器件在理論極限下顯示出效率，高亮度和長使用壽命。該工作報道的高效，穩定的藍色QD-LEDs為開發基于量子點的電致發光全色顯示器開辟了重要的途徑。

ZnTeSe/ZnSe/ZnS （C/S/S）QDs藍光量子點的表征

使用壽命延長20倍的稀土-鉑合金催化劑問世

2020年11 月，韓國研究團隊使用介孔沸石成功制備稀土-鉑合金納米顆粒。該顆粒作為丙烯脫氫工藝催化劑使用。稀土La和Y的加入大幅度改善了鉑在分子篩中的分散性，同目前廣泛使用的多孔氧化鋁負載Pt-Sn雙金屬催化劑相比，催化活性提高10倍以上，使用壽命延長20倍以上。此前大量研究認為，稀土氧化物結構穩定，不能通過加熱氫化反應與鉑形成合金。本次研究中使用了孔徑低于0.55納米且具有均勻和連續空間結構的介孔沸石作為制備催化劑的載體。由于介孔沸石表面硅原子的缺失，表面上存在被稱為硅羥基的骨架缺陷。稀土氧化物在其中可以以原子金屬化合物形式存在，在氫熱處理過程中能夠與鉑形成具有特定結構的合金。

手機“燒屏”有救了？《Nature》：反其道而行之，大幅度提升OLED壽命！

2020年9月，美國環宇顯示技術股份有限公司（Universal display corporation）的研究人員Nicholas J. Thompson等人利用了等離子體系統的衰變率提升效應，采用基于納米粒子外耦合的方案從等離子振蕩模中提取能量，制備了高效且穩定的OLED器件。對比實驗顯示，在相同的發光強度下，改進后的器件的工作穩定性提升了兩倍，理想情況下能達到4倍的提升。這種普適性的提高OLED器件穩定性的方法對目前采用OLED技術的照明、電視、手機顯示屏都適用。這種一直被認為是有害的方法為OLED的設計提供了新的思路，大大推動了低成本照明、高亮度顯示以及藍光有機磷光發光設備的發展。

等離子器件結構與納米立方體形貌

首個二維無定形碳的非晶碳膜研制成功 媲美石墨烯

2020年1月，由新加坡國立大學的團隊開發的，由日本筑波科學城的Suzuaga Kazu Suenaga小組的一項新研究首次詳細介紹了第一個無定形塊狀材料成功的實驗生長，原子分辨率成像以及研究二維無定形碳的性質。塑料，玻璃和凝膠，也稱為無定形塊狀材料，是我們所有人的日常用品。但是對于研究人員而言，這些材料長期以來一直是科學謎團-特別是涉及原子構成時，這種材料缺乏在大多數固體（如金屬，鉆石和鹽）中發現的嚴格的晶體有序結構。研究團隊的成功開發可重復的方法為研究其他無定形二維材料的生長打開了大門。

原文標題：全球年度10大新材料新技術盤點（附400大行業研報+10大領域企業名錄）

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責任編輯：haq