本文來源 | 上?？萍即髮W(xué)
北京時間4月29日晚，上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院和生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的兩項重大學(xué)術(shù)成果于國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）同時上線。這是繼4月24日該校兩項學(xué)術(shù)成果在《科學(xué)》（Science）在線發(fā)表后的又一“雙發(fā)”。
2020年的短短四個月以來，上科大在世界三大頂級期刊Nature，Science和Cell發(fā)表的10項高水平研究成果中，第一或共同第一作者為該校碩博研究生的有8位，培養(yǎng)的青年科學(xué)家（含畢業(yè)后留校）5位，外訪生或外訪學(xué)者2位。
這兩篇剛發(fā)表的Nature分別為：
1、生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院胡霽課題組和清華大學(xué)免疫學(xué)研究所祁海課題組、麥戈文腦科學(xué)研究所鐘毅課題組合作，發(fā)現(xiàn)了第一條由神經(jīng)信號傳遞（非內(nèi)分泌激素介導(dǎo)）的中樞神經(jīng)對適應(yīng)性免疫應(yīng)答進行調(diào)控的解剖學(xué)明確的通路，此項成果以“Brain control of humoral immune responses amenable to behavioural modulation”為題發(fā)表。
2、物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院于奕教授課題組與美國普渡大學(xué)研究團隊合作，在新型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)研究中取得重要進展，首次成功制備并表征了二維鹵化物鈣鈦礦橫向外延異質(zhì)結(jié)，此項成果以“Two-dimensional halide perovskite lateral epitaxial heterostructures”為題發(fā)表。
下面重點介紹一下鈣鈦礦這一篇
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2219-7
半導(dǎo)體是信息時代的物質(zhì)基礎(chǔ)，而半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)精準(zhǔn)制備則是半導(dǎo)體器件的起點，是現(xiàn)代電子學(xué)和光電子學(xué)的重要基石。隨著社會對信息產(chǎn)品性能要求的不斷提升，半導(dǎo)體材料雖然經(jīng)歷了以硅為代表的單質(zhì)半導(dǎo)體、以砷化鎵等為代表的化合物半導(dǎo)體和以氮化鎵等為代表的寬禁帶半導(dǎo)體這三代半導(dǎo)體材料的快速發(fā)展，卻始終不能滿足人們對新型半導(dǎo)體材料的渴求。鹵化物鈣鈦礦材料作為一類近年來引起廣泛關(guān)注的新興半導(dǎo)體，在太陽能電池、發(fā)光二極管、激光等領(lǐng)域展示出巨大的應(yīng)用前景。同時，與傳統(tǒng)的共價半導(dǎo)體不同，鹵化物鈣鈦礦材料對缺陷的容忍度很高，因此在異質(zhì)結(jié)的構(gòu)建以及進一步器件的大規(guī)模集成方面具有得天獨厚的優(yōu)勢。
在構(gòu)建鹵化物鈣鈦礦半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的道路上，有兩個科學(xué)難題一直在國際上沒有得到解決。一方面由于該材料易發(fā)生離子擴散，難以獲得高質(zhì)量的原子級平整的異質(zhì)界面。另一方面，鹵化物鈣鈦礦對空氣、水分、電子束輻照等因素十分敏感，其微觀結(jié)構(gòu)解析、特別是原子結(jié)構(gòu)成像困難重重。缺乏原子結(jié)構(gòu)信息的指導(dǎo)，材料的精準(zhǔn)構(gòu)筑與性能設(shè)計難以開展。
于奕課題組與美國普渡大學(xué)研究團隊通力合作，在這兩個前沿難題的解決上取得了突破。通過在材料制備過程中引入剛性有機配體來抑制離子擴散，普渡大學(xué)團隊成功制備了二維有機-無機雜化鹵化物鈣鈦礦橫向異質(zhì)結(jié)。于奕課題組發(fā)展了低劑量像差校正電子顯微技術(shù)，首次揭示了二維橫向異質(zhì)結(jié)的界面原子結(jié)構(gòu)，直接有力地證實了普渡大學(xué)團隊已成功獲得了原子級平整界面。由于含有大量有機成分，這類有機-無機雜化的材料是鹵化物鈣鈦礦體系中最輻照敏感的一種，給高分辨結(jié)構(gòu)解析帶來巨大挑戰(zhàn)，尤其是二維有機-無機雜化鹵化物鈣鈦礦的原子分辨率成像至今還從未被實現(xiàn)過。在針對輻照敏感材料的顯微成像上，現(xiàn)今最有效的手段當(dāng)屬2017年諾貝爾化學(xué)獎授予的生物冷凍電鏡技術(shù)。生物樣品通常是對輻照最敏感的材料，但幾納米厚二維有機-無機鹵化物鈣鈦礦材料由于其原子間結(jié)合力大幅度減弱，在電子顯微觀察過程中，變得比生物大分子還要脆弱，對于它們的原子尺度結(jié)構(gòu)解析，是最先進的生物冷凍電鏡技術(shù)和材料像差校正電鏡技術(shù)都難以實現(xiàn)的。
于奕團隊基于在像差校正電子顯微學(xué)研究多年的經(jīng)驗與技術(shù)積累，進一步發(fā)展低劑量的像差校正電子顯微技術(shù)，經(jīng)過長時間的摸索與多次的嘗試與改進，最終找到了一種優(yōu)化的低劑量成像方法，首次實現(xiàn)了輻照敏感的二維橫向異質(zhì)結(jié)原子結(jié)構(gòu)解析。這一突破提供的界面原子結(jié)構(gòu)、缺陷構(gòu)型以及晶格應(yīng)變等的準(zhǔn)確信息，為這類新型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了最為直觀的指導(dǎo)。在這些研究發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)上，整個研究團隊進一步通力合作，成功展示了新型異質(zhì)結(jié)原型器件中的整流效應(yīng)，驗證了這類新型半導(dǎo)體走向應(yīng)用的前景。
異質(zhì)結(jié)界面處的高分辨晶格像
上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院電鏡中心（C?EM）經(jīng)過幾年的建設(shè)和運行，已經(jīng)構(gòu)建起了一套多元、開放的先進電子顯微平臺，于奕課題組2017級碩博連讀研究生原彪正是在這樣自由、創(chuàng)新的科研氛圍下成長和鉆研，與導(dǎo)師一起取得了研究課題的突破。電鏡中心主任、知名電子顯微專家Osamu Terasaki教授對該研究成果評價道：“上?？萍即髮W(xué)是一所年輕而朝氣蓬勃的大學(xué)，物質(zhì)學(xué)院年輕教授于奕指導(dǎo)研究生原彪在二維鹵化物鈣鈦礦橫向外延異質(zhì)結(jié)方面的研究中取得了矚目的成果。電鏡中心很高興支持了這個具有挑戰(zhàn)性和原創(chuàng)性的科研項目。我和C?EM團隊共同祝賀優(yōu)秀的年輕教授以及研究生同學(xué)取得的研究成果?！?/p>
在本研究中，美國普渡大學(xué)博士后Enzheng Shi（師恩政）和上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2017級碩博連讀研究生原彪為論文共同第一作者。普渡大學(xué)Letian Dou（竇樂添）教授、Brett Savoie教授和上?？萍即髮W(xué)于奕教授為論文共同通訊作者。樣品合成制備與分子動力學(xué)模擬計算由普渡大學(xué)團隊完成，原子尺度顯微結(jié)構(gòu)研究由上海科技大學(xué)團隊完成。此外，美國麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)伯克利分校研究團隊也參與此項研究。該研究工作得到了上?？萍即髮W(xué)研究啟動基金、國家自然科學(xué)青年基金、上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)學(xué)院電鏡中心(C?EM)以及上海市科委自然科學(xué)基金的支持。
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