南科大程春课题组在微纳功能材料与器件领域取得多项研究成果

2020年03月29日科研新闻

近日，南方科技大学材料科学与工程系副教授程春课题组在微纳功能材料与器件领域取得多项重要研究成果，多篇论文在Chem. Mater. (IF: 10.159)， Nano Energy（IF: 15.548），Adv. Funct. Mater. (IF:15.621)， Appl. Phys. Rev. （IF：12.750），Nano-Micro Letters (IF: 9.043) ，Adv. Mater. Interface，Solar RRL 和Energy Environmental Materials等专业学术期刊上发表，并被遴选为封面或特色热点文章。

发表在Chem. Mater. 上的论文以“Multiple Regulation over Growth Direction, Band Structure, and Dimension of Monolayer WS2 by a Quartz Substrate”为题，分析了m-石英衬底用于二维材料的可控生长，以及其在取向、维度及能带结构等多个方面对单层二硫化钨的调制能力，论文第一作者为程春课题组博士生王经纬。

尽管石英和二硫化钼具有不同的对称性，但是两者奇特的大周期匹配使取向排列的单层二硫化钨外延生长成为可能。通过进一步调节反应条件，课题组实现了对单层二硫化钨形貌从二维到一维的可控调节。同时，由于石英各向异性的热膨胀系数，生长的单层二硫化钨产生了随环境温度变化而高达1%的压缩热应力。当应力增大到0.5%时，单层二硫化钨出现从直接带隙到间接带隙的能带结构转变。

该项研究为直接生长具有可控取向、结构和性能的过渡金属硫属化合物（TMDC）提供了一种普适的方法和策略（对其它TMDC二维材料同样有效），同时有助于加深对大压缩应力下原子层厚度材料物性变化的理解。

图1 原子层厚度WS2在m面石英上取向生长，维度可以从二维到一维进行调控，生长的WS2能够保留单向的压缩应力，能带从直接带隙向间接带隙转变

发表在Nano Energy 的论文以“Single-electrode triboelectric nanogenerator based on economical graphite coated paper for harvesting waste environmental energy”为题介绍了一种新颖的单电极摩擦发电机，可用于将环境中分散的机械能转化为电能的研究，论文第一作者为程春课题组访问学生Smitha。

研究人员将低成本的覆盖石墨的打印纸作为电极，与聚四氟乙烯膜复合成为单电极的摩擦发电机（GCP-TENG）。该器件结构简单，制备过程可以通过卷对卷工艺连续进行，具有较高的应用价值。GCP-TENG展现了320V的电压和~0.8μA/cm的优异输出性能，成功地对发光二极管阵列及液晶显示器等器件供能。

研究表明，GCP-TENG可以工作于包括动物皮肤、常见塑料、各种织物等物体表面，可以有效收集动物运动、落雨、微风等不稳定的分布式的环境“废能”。

图2 （a）单电极纳米摩擦发电机从落下的水滴（b）和环境中的微风收集能量

发表在Adv. Mater. Interface的论文以“Impact of Nanoscale Roughness on Heat Transport across the Solid–Solid Interface”为题报道了在微纳尺度上进行固固界面热传输的定量化研究，论文第一作者为程春课题组博士生王经纬。

工作的研究对象为无穷大固体表面以及在其上微纳尺度的悬臂。该研究发现，随着固体表面粗糙度增大，界面热阻呈指数化增大，同时测量获得的数据也更加弥散。单层石墨烯加入到固固界面之间能够有效降低界面热阻，同时测量的热阻弥散度也快速减小。结合计算模拟的结果，这里发现的奇特热阻的弥散现象（不确定性）可以解释为当悬臂和界面粗糙度的尺度可以比较时，每次悬臂与无穷大固体表面的接触面积将出现极大的差异。

单层石墨烯具有极好的导热系数，且机械性能好，加入到无穷大固体表面和悬臂之间能够增加与两者的接触，形成更多的热传输通道。石墨烯的加入能够使无穷大固体表面的粗糙度“平滑化”，从而使界面热传输增强。

程春介绍，此项工作为研究微纳尺度的热管理问题提供了定量化的测量方法，有助于加深对微纳器件与衬底热输运过程的理解，也为发展高性能热界面材料、实现先进现代热管理提供了思路。

图3 固固界面接触热阻在不同界面粗糙度下及加入单层石墨烯后的变化

发表在Adv. Funct. Mater.的论文以“Towards the Simplest Structure of High-Performance Perovskite Solar Cells”为题总结了近年来在新兴的钙钛矿太阳能领域，为实现制作高性能、低成本电池器件的目标而采用简式构型器件新思路的系列研究，论文第一作者为程春课题组博士生黄毓岚。

课题组总结了传统钙钛矿太阳能电池（PSCs）在降低缺陷密度和优化能级方面的常用方法，以简化其结构。此外，课题组对不同的无电子传输层或者无空穴传输层PSCs的发展进行了分类和讨论，包括它们的工作原理、实现技术、尚存的挑战和未来的展望。

此篇综述旨在提出用最简单的构型器件来实现低成本、高性能的PSCs的策略，最终实现钙钛矿太阳能的商用化和产业化。在此方向，程春课题组已发表前期的探索性工作成果（ACS Nano 2019, 13, 1625；Energy Environmental Materials 2020, 0, 1-7）。

图4 传统钙钛矿结构朝着最简式“三明治”结构发展示意图

程春致力于研究微纳功能材料，主要方向包括智能材料、能源材料和二维材料与器件等，2016年荣获深圳市“青年科技奖”。自2013年加入南科大以来，程春牵头建立了“先进材料-微纳结构调控与应用实验室”，主持国家自然科学基金重大研发计划（培育项目）等省部级以上项目近10项，发表以南科大为联系单位的SCI论文90余篇，其中通讯作者论文54篇（IF>10 论文19篇），ESI高引论文1篇，5篇论文入选期刊热点论文。