杨培东教授的学术成就非常卓越。他于2012年当选为美国艺术与科学院院士，随后在2016年和2020年分别荣膺美国国家科学院院士以及美国科学促进会会士的殊荣。而在2021年，当选为中国科学院外籍院士。
杨培东教授毕业于中国科学技术大学，随后在哈佛大学攻读期间，得以师从享有国际声誉的化学家Charles M. Lieber。令人瞩目的是，他以短短四年时间完成了硕士和博士的连读，展现出非凡的学术才华。他在28岁时加入美国加州大学伯克利分校，并于33岁时晋升为终身教授，成为该校化学系历史上第二位获得此殊荣的华人科学家。值得一提的是，他在40岁时被路透社评选为过去十年中全球排名第一的材料科学家，充分证明了他在该领域的卓越贡献和影响力。
杨培东教授已经在国际顶级期刊如Science, Nature, Joule, Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature Photonics, PNAS 等发表了300多篇高水平论文，应邀作大会/特邀报告超过300次，H因子高达194，总引用次数超过160000次，篇均被引用次数超过250次，培养了50多名博士生和65多名博士后; 拥有专利35项，先后创建了三个公司: Nanosys Inc; Alphabet Energy Inc; Infinity Innovation Inc.。
今日，杨培东院士在Nature上发表最新研究成果，下面就让小编带大家一起来拜读一下这个工作
通过温和化学稳定的高熵卤化物钙钛矿单晶
高熵合金（HEAs）因其卓越的功能特性而受到不同材料领域的广泛关注，尤其是高熵金属（HEMs）和高熵陶瓷（HECs）等。然而，在高熵半导体（HESs）领域仍存在许多未解之谜需要探索。值得注意的是，在已知的高熵金属、高熵陶瓷和高熵半导体材料中，其合成过程存在一个明显的挑战，即需要极高的温度（通常超过1,000°C）来形成单相结晶固溶体，而这种高温条件通常与器件中其他材料的稳定性不相容。因此，在寻找新型高熵半导体材料系统时，一个至关重要的考虑因素就是设计出使用温和条件下的合成过程。卤化物基钙钛矿材料由于其柔软、易于重构的晶格结构，以及在简便且较低温甚至温和条件下可加工的可溶性，为解决这一设计难题提供了潜在的解决途径。
在此，加州大学伯克利分校杨培东院士课题组报道了室温溶液（20 °C）和低温溶液（80°C）合成新型金属卤化物钙钛矿高熵半导体（HES）单晶的方法。由于金属卤化物钙钛矿的软离子晶格性质，这些高熵半导体单晶是在立方体 Cs2MCl6上设计的、 MCl6]2-阴离子八面体分子在强盐酸中充分混合而成。由此产生的单相单晶体跨越了两个 HES 族，五种和六种元素以接近等摩尔比的随机合金形式占据了 M 位，总体上保持了 Cs2MCl6 晶体结构和化学计量学。在高熵五元素和六元素 Cs2MCl6 单晶体中无序加入各种[MCl6]2-八面体分子轨道，会产生复杂的振动和电子结构，并在五或六种不同的孤立八面体分子的约束激子态之间产生能量转移相互作用。相关成果以“High-entropy halide perovskite single crystals stabilized by mild chemistry”为题发表在最新一期《Nature》上。第一作者为Maria C. Folgueras, Yuxin Jiang为共同一作。
作者采用了适当的单元素 Cs2XCl6的起始粉末溶解到单一的、混合均匀的 12 M 盐酸 (HCl) 溶液中，生成游离 Cs+ 阳离子和分离的 [MCl6]2-阴离子八面体分子的多元素墨水（图 1a）。利用这些多元素墨水（图 1a）的（再）结晶过程，可获得 Cs2{SnTeReOsIrPt}1Cl6 和 Cs2{ZrSnTeHfRePt}1Cl6 HES 系列的单晶体。HES 系列包括低熵的二元素、中熵的三元素和四元素、 以及高熵五元素和六元素单晶。与所有 HEM、HEC 和其他 HES 的高温合成过程相比，为生产这些 HES 单晶体而开发的溶液合成方法可在室温（20 °C）或低温（80 °C）条件下生成高熵材料。
图1：高熵五元和六元Cs2MX6单晶的合成设计
得到的高熵五元素 SnTeReIrPt、六元素 SnTeReOsIrPt、五元素 ZrSnTeHfPt 和六元素 ZrSnTeHfRePt 单晶体大小约为 30-100 μm，具有典型的面心立方（FCC）晶体结构的八面体和立方八面体形态（图 1b）。五元素 SnTeReIrPt 和六元素 SnTeReOsIrPt HES 单晶体的粉末 X 射线衍射（PXRD）图（图 2a）以及五元素 ZrSnTeHfPt 和六元素 ZrSnTeHfRePt HES 单晶体的粉末 X 射线衍射（PXRD）图（图 2d）显示了所有四种成分的单相 FCC 晶体结构。对两个突出的 FCC 反射（111）和（220）进行的精细扫描显示没有峰分裂，并且与单相晶系衍射峰所预期的单洛伦兹函数很好地拟合。此外，四种 HES 成分的晶格参数与组成单元素单晶体的晶格参数一致（图 2a、d）。
图2：五元和六元高熵钙钛矿单晶的物相鉴定
然后，作者转而进行了大量的元素分析，以确认每个单相催化裂化晶体系统都包含五个和六个不同的 M 位八面体中心。高熵六元素 SnTeReOsIrPt 单晶的能量色散 X 射线光谱（EDX）图（图 3a）表明，所有六种元素都均匀地分布在一个单晶域中。高熵五元素 SnTeReIrPt、六元素 SnTeReOsIrPt、五元素 ZrSnTeHfPt和六元素 ZrSnTeHfRePt 单晶体（图 3c）显示出五种和六种 M 位元素之间接近等摩尔比。此外，所有四种 HES 成分的 ICP-AES 结果表明，Cs：整体 M 位阳离子的摩尔比约为 2:1。作者证实所有四种 HES 晶体结构都在 Cs2MCl6 空位有序的双过闪石框架内以接近等摩尔比的方式拥有五个或六个不同的 M 位八面体中心。
图 3：高熵钙钛矿单晶的元素分析，以确认 M 位上掺入了五种或六种元素
作者同时收集了六元素 SnTeReOsIrPt 单晶的 Re、Os、Ir 和 Pt L3 边的 X 射线荧光光谱。根据这些 X 射线荧光光谱，可以推导出异常散射因子的虚分量 f″ 和实分量 f′。比较图 4a 中 Re、Os、Ir 和 Pt L3 边缘附近克罗默-利伯曼理论推导的 f″ 和 f′，以及 X 射线荧光实验推导的 f″ 和 f′，可以发现理论和实验中两个分量的预期边缘能量值非常一致。这种吻合进一步证实了在这种六元素 SnTeReOsIrPt 单晶的单胞中存在 Re、Os、Ir 和 Pt。
为了直观地显示该单元晶胞中六个不同 [MCl6]2- 八面体的绝对构型，作者转向了从 0kl 平面上收集的 Re、Os、Ir 和 Pt 的 L3 边缘附近生成的 MAD 前驱图像，所有这些图像都显示出一个 FCC 晶格（图 4b-e）。如果这四种金属中的任何一种出现局部有序排列，衍射图样的边缘就会偏离整体 FCC 晶格。因此，在所有四幅前驱图像的所有边缘观察到的 FCC 晶格的保留表明，六元素 SnTeReOsIrPt 单晶中的所有 M 位元素都随机分布在单位晶胞中和整个晶体结构中（图 4f、g）。
图 4：高熵钙钛矿单晶中 M 位金属中心绝对构型的高分辨率结构测定
全面了解这些 HES 成分结构的最后一个方面是研究单域级别的潜在微观结构，这可以通过背散射电子（BSE）成像和电子背散射衍射（EBSD）轻松实现。六元素 ZrSnTeHfRePt 系统的 BSE 图像（图 5a）显示所有暴露晶面的相位对比均匀，其中相位对比代表原子序数差异。扫描一个三角形平面上大约 45 × 50 μm2 的区域（图 5b），得到的反极图（IPF）为单一颜色（图 5c），与 FCC (111) 紧密堆积平面的单一取向相对应（图 5d）。因此，缺乏 IPF 方向变化表明 HES 晶体不是由随机取向的六元素 HES 晶粒组成的。EBSD 相图加强了这一结论，因为扫描区域具有单一的晶格参数，因此是单一的晶相（图 5e）。
图 5：证实了整个单相高熵钙钛矿系统中五种或六种不同的 [MCl6]2-八面体配合物的无序性质，没有形成微观结构晶粒
正如假设的那样，这些 HES 成分的吸收光谱反映了晶体结构中所有五或六个组成八面体的电子跃迁的叠加。就五元素 ZrSnTeHfPt 单晶而言（图 6a），吸收光谱的大部分主要来自 [TeCl6]2- 和 [PtCl6]2- 八面体分子的电子跃迁。
在 250 纳米的激发下，五元素 ZrSnTeHfPt HES 成分显示出以 580 纳米为中心的金色发射（图 6a、b），国际照明委员会（CIE）的色度坐标为（0.49，0.49）（图 6c）。这种金色发射（图 6d）是[TeCl6]2- 八面体分子的约束激子黄色发射和[PtCl6]2- 八面体分子的约束激子红色发射的叠加结果。
图6：高熵钙钛矿单晶的光电行为
小结
总之，作者实现了室温和低温溶液合成两个系列的高熵金属卤化物钙钛矿半导体单晶，它们基于多元素八面体墨水的立方 Cs2MCl6 空位有序双钙钛矿结构。各种孤立的[MCl6]2-八面体在溶液中的稳定及其在溶液中的良好混合能力似乎是在如此低的能量输入条件下形成这些高熵钙钛矿半导体单晶体的关键。据作者所知，在室温或低温（80 °C）条件下实现任何高熵材料，尤其是单晶形式的高熵材料，都是前所未有的，也是未来将 HES 材料成功融入电子设备架构的关键要求。建立单晶高熵卤化物钙钛矿石半导体体系有助于研究各种孤立的 [MCl6]2- 八面体对潜在光电应用的吸收行为、电子结构、能量传递现象和发射特性的影响。通过温和的溶液合成技术合理设计这些金属卤化物钙钛矿 HES 单晶，有可能普遍应用于其他 HES 系统，特别是那些内聚能相对较低的系统，从而发现新的高熵磁性或热电材料。
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
