材料科学与工程学院师生在国际著名期刊发表系列研究成果

近日，我校材料科学与工程学院师生在《化学工程杂志》《纳米能源》《npj计算材料学》等国际著名期刊发表系列研究成果。 在卤化锡双钙钛矿材料发光性能研究方面，研究成果《Cs2SnBr6-xIx中增强的自由激子发光：第一性原理研究》（Enhanced Free-Exciton Luminescence in Cs2SnBr6-xIx: A First-Principles Study）发表于《化学工程杂志》（Chemical Engineering Journal,IF：16.744）。材料科学与工程学院博士研究生高振任为论文第一作者，孙立忠教授和吕蓬勃副教授为共同通讯作者，我校为论文唯一作者单位。（原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.141533） 具有代表性的Cs2SnBr3I3材料激发态计算 A2BX6型锡卤双钙钛矿对环境友好，且具有直接带隙，有望作为无铅发光材料进行应用。然而，由于跃迁禁阻，在实验中本征Cs2SnX6材料仅表现出低或不可检测的发光。为解决该问题，一种策略是B位的部分阳离子取代，另一种策略是X位的部分阴离子取代。此前对此类材料的研究中，部分阴离子取代对其发光性能的影响尚未得到很好的理论回答，阻碍了这类材料发光性能的进一步优化。 基于此，孙立忠课题组以Cs2SnBr6(CSB)双钙钛矿为例研究了这种影响。研究发现CSB在溴被碘部分阴离子取代时是稳定的，且在[SnBr6-xIx]2- (x=1-3)八面体中存在类Jahn-Teller或非类Jahn-Teller畸变，这些畸变影响了取代材料的带隙，且几乎所有替代材料都显示出直接带隙特性和增强的光发射。在计算取代材料带隙的基础上，研究发现几乎所有取代材料都具有高电子维度、小有效质量、非Jahn-Teller类畸变、小激子束缚能量、小的自陷深度、低的脱陷势垒，以及在重卤素存在下的非局部变形，确认了此类取代材料的发光主要源于自由激子。该研究所得的结论将有针对性地帮助设计和开发具有更好发光性能的卤化锡双钙钛矿材料。 在新型复合PEO基固态电解质制备研究方面，研究成果以“基于氢键-静电力协同作用的双功能MOF修饰PEO基聚合物固态电解质”(Difunctional MOF for Dendrite-Free All-Solid-State Lithium Metal Batteries by Synergistic Effect of Hydrogen Bond and Electrostatic Interaction)为题，发表《纳米能源》(Nano Energy，IF：19.069)上。材料科学与工程学院研究生周宣伊为论文第一作者，我校马增胜教授、张彪副教授和华南理工大学刘军教授为共同通讯作者，我校为论文第一作者单位。（原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108221） 双功能MOF复合PEO固态电解质制备及锂枝晶抑制示意图 固态聚合物电解质(SPE)与高还原性金属锂之间形成的界面相在很大程度上决定了电池的整体性能。虽然近几年各种类型的纳米颗粒已被用作聚合物基固态电解质的填料，来获得稳定的界面相，实现较好的循环稳定性，但由于锂沉积的不均匀，锂枝晶的不规则生长，阻碍了相关技术的进步。 马增胜课题组在前期研究工作（J. Mater. Chem. A, 2021, 9,24661-24669; J. Mater. Sci. Technol.,2023, 136, 140-148.）基础上，制备一种新型的双离子型金属有机骨架(NH3+·SO3-@ZIFs)作为PEO基固态电解质的填料，获得一种具有高离子迁移数，能实现稳定长循环的复合PEO基固态电解质。由于NH3+·SO3-@ZIFs独特的离子结构，可以通过静电作用有效抑制TFSI-的移动，提高离子迁移数。更重要的是，NH3+·SO3-@ZIFs以其催化作用，形成了富LiF的SEI层，使锂通量均匀化，有效抑制了锂枝晶的生长。Li/Li对称电池配备NH3+·SO3-@ZIFs电解质后，可稳定运行4600 h以上，LiFePO4正极全电池可以在1200次循环中实现长期稳定，为多孔材料催化Li/SPE稳定界面相的形成，制备高性能聚合物固态电解质提供了一种新的思路。 在新型平面铁电隧道结研究方面，研究成果《基于二维α-In2Se3/半导体的平面铁电隧穿结》（In-plane ferroelectric tunnel junctions based on 2Dα-In2Se3/semiconductor heterostructures）发表在《npj计算材料学》（npj Computational Materials，IF: 12.256)上。材料科学与工程学院研究生刘子芳为论文第一作者，杨琼教授和姜杰副教授为共同通讯作者，我校为论文第一作者单位。（原文链接：https://doi.org/10.1038/s41524-022-00953-x） 相关隧道结结构 铁电隧道结是最有前景的小型化、低功耗信息存储器之一。传统钙钛矿铁电薄膜材料因尺寸效应抑制了铁电器件的小型化。杨琼课题组利用单层厚度的α-In2Se3铁电体和六方IV-VI族半导体，设计了一类铁电/半导体范德华异质结和面内铁电隧道结。第一性原理研究表明，该类异质结能够在铁电极化的调控下，实现从宽带隙绝缘态到金属态的转变，从而使铁电隧道结呈现显著的电致电阻效应，为高密度铁电存储器的研制提供了有效方案。 近年来，材料科学与工程学院以材料与数学、力学等学科交叉为特色，致力于国家重大战略需求，着重解决信息、能源、航空航天、探测技术等领域的材料设计、制备、性能与应用中的重大科学和工程化问题。通过凝练更具包容性的学科方向，学院在形成宽松的科研氛围的基础上，获得了系列原创性研究成果。