【《拓扑材料的应用研究的国内外文献综述》3500字】

拓扑材料的应用研究的国内外文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u25672拓扑材料的应用研究的国内外文献综述 175361.1在异质结中的应用 172491.2在锂离子电池负极中的应用 2近些年来，对拓扑材料的研究从理论到实验都取得了一系列突破性的进展。对拓扑材料的持续关注和研究探索，很大程度上是因为其广阔的应用前景。拓扑材料新奇的物理性质，不仅对基础学科有研究价值，也为应用带来了可能。拓扑绝缘体表面态的自旋-动量锁定的特点，导致电子在表面进行传输的时候，产生自旋极化电流。利用该极化电流可以实现电子自旋操控，进而构建拓扑绝缘体器件。拓扑半金属具有超高的电子迁移率，可以满足电池快速充放电的需求，具有应用到电池电极材料中的潜力。通过寻找合适的拓扑半金属材料，有望构建高性能电池负极。1.1在异质结中的应用由二维结构制备的异质结材料的出现，给材料科学和器件物理带来了许多令人兴奋的研究领域ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[40,41]。目前有丰富可用的纳米材料可供选择来构造异质结构，为研究潜在的新物理现象和设计下一代的器件设备提供了平台。由于构造方式不同，异质结可以分为两大类，纵向范德华异质结和横向的面内异质结。最近，有工作报道纵向范德华异质结构可以通过化学气相沉积直接合成，从而能够精确调节异质结化学成分和电子特性。尤其是，这种方法还可以实现无缝横向异质结构的生长，并且具有清晰的界面ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Alexeev</Author><Year>2019</Year><RecNum>81</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[42]</style></DisplayText><record><rec-number>81</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="pz9zv5xx2pxzdoe0vvzpvawe0vpsza2fpzsd"timestamp="1616767901">81</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Alexeev,EvgenyM.</author><author>Ruiz-Tijerina,DavidA.</author><author>Danovich,Mark</author><author>Hamer,MatthewJ.</author><author>Terry,DanielJ.</author><author>Nayak,PramodaK.</author><author>Ahn,Seongjoon</author><author>Pak,Sangyeon</author><author>Lee,Juwon</author><author>Sohn,JungInn</author><author>Molas,MaciejR.</author><author>Koperski,Maciej</author><author>Watanabe,Kenji</author><author>Taniguchi,Takashi</author><author>Novoselov,KostyaS.</author><author>Gorbachev,RomanV.</author><author>Shin,HyeonSuk</author><author>Fal’ko,VladimirI.</author><author>Tartakovskii,AlexanderI.</author></authors></contributors><titles><title>ResonantlyhybridizedexcitonsinmoirésuperlatticesinvanderWaalsheterostructures</title><secondary-title>Nature</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nature</full-title></periodical><pages>81-86</pages><volume>567</volume><number>7746</number><dates><year>2019</year><pub-dates><date>2019/03/01</date></pub-dates></dates><isbn>1476-4687</isbn><urls><related-urls><url>/10.1038/s41586-019-0986-9</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.1038/s41586-019-0986-9</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[42]，这些界面是通过将不同的原子层在一个平面内无缝拼接在一起而制成的。具有边缘接触的横向异质结构将比纵向的范德华异质结构发挥更有趣的作用，因为界面通过共价键连接，而不是通过弱的范德华相互作用。因此，这种横向异质结构将允许能带的调控在单原子层厚度范围ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Huang</Author><Year>2014</Year><RecNum>30</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[43]</style></DisplayText><record><rec-number>30</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="pz9zv5xx2pxzdoe0vvzpvawe0vpsza2fpzsd"timestamp="1616398109">30</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Huang,Chunming</author><author>Wu,Sanfeng</author><author>Sanchez,AnaM.</author><author>Peters,JonathanJ.P.</author><author>Beanland,Richard</author><author>Ross,JasonS.</author><author>Rivera,Pasqual</author><author>Yao,Wang</author><author>Cobden,DavidH.</author><author>Xu,Xiaodong</author></authors></contributors><titles><title><styleface="normal"font="default"size="100%">LateralheterojunctionswithinmonolayerMoSe</style><styleface="subscript"font="default"size="100%">2</style><styleface="normal"font="default"size="100%">–WSe</style><styleface="subscript"font="default"size="100%">2</style><styleface="normal"font="default"size="100%">semiconductors</style></title><secondary-title>NatureMaterials</secondary-title></titles><periodical><full-title>NatureMaterials</full-title></periodical><pages>1096-1101</pages><volume>13</volume><number>12</number><dates><year>2014</year><pub-dates><date>2014/12/01</date></pub-dates></dates><isbn>1476-4660</isbn><urls><related-urls><url>/10.1038/nmat4064</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.1038/nmat4064</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[43]。在图1.6中，给出了横向异质结的面内外延生长示意图。图1.6横向异质结构的面内外延生长示意图。在拓扑绝缘体异质结研究领域，横向异质结比纵向的异质结发挥着更大的作用ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[44]。因为在一个纵向的异质结中，表面是被消除的，因此没有拓扑表面态。而当两个拓扑绝缘体材料被很好的拼接在一个平面的时候，横向的异质结会生成一个新的界面。这样的横向异质结和新的界面可以容纳新的费米子电子态ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[45,46]。例如，在横向生长的异质结中，通过调控拼接纳米带的宽度，可以改变晶体的性质，可以用于一些量子设备ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[47,48]。另外，构建横向的异质结，在磁电子学的应用领域也有很大的用处。当施加一个量子化的朗道磁场的时候，量子霍尔边界态将会出现并且积累自旋。在界面处，会出现自旋过滤态ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[49,50]。与传统的三维异质结相比，平面横向异质结还有栅极整流可调整的优点。最近实验上合成的二维横向异质结，为实现这些现象提供了可能ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[51,52]。1.2在锂离子电池负极中的应用锂离子电池是现代社会重要的储能设备，其能量密度高，体积轻巧便携，目前已经广泛的应用在生活的各个方面ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Dunn</Author><Year>2011</Year><RecNum>109</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[53]</style></DisplayText><record><rec-number>109</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="pz9zv5xx2pxzdoe0vvzpvawe0vpsza2fpzsd"timestamp="1617635715">109</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Dunn,B.</author><author>Kamath,H.</author><author>Tarascon,J.M.</author></authors></contributors><auth-address>[Dunn,Bruce]UnivCalifLosAngeles,DeptMatSci&Engn,LosAngeles,CA90095USA.[Dunn,Bruce]UnivCalifLosAngeles,CalifNanoSystInst,LosAngeles,CA90095USA.[Kamath,Haresh]ElectPowerResInst,PaloAlto,CA94304USA.[Tarascon,Jean-Marie]UnivPicardieJulesVerne,LabReactChimSolides,F-80039Amiens,France.[Tarascon,Jean-Marie]CollFrance,F-75231Paris,France. Dunn,B(correspondingauthor),UnivCalifLosAngeles,DeptMatSci&Engn,LosAngeles,CA90095USA.</auth-address><titles><title>ElectricalEnergyStoragefortheGrid:ABatteryofChoices</title><secondary-title>Science</secondary-title><alt-title>Science</alt-title></titles><periodical><full-title>Science</full-title></periodical><alt-periodical><full-title>Science</full-title></alt-periodical><pages>928-935</pages><volume>334</volume><number>6058</number><keywords><keyword>electrodematerials</keyword><keyword>lithium</keyword><keyword>li</keyword><keyword>challenges</keyword><keyword>transport</keyword><keyword>cells</keyword><keyword>Science&Technology-OtherTopics</keyword></keywords><dates><year>2011</year><pub-dates><date>Nov</date></pub-dates></dates><isbn>0036-8075</isbn><accession-num>WOS:000297101800043</accession-num><work-type>Review</work-type><urls><related-urls><url><GotoISI>://WOS:000297101800043</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.1126/science.1212741</electronic-resource-num><language>English</language></record></Cite></EndNote>[53]。然而，随着科学技术的发展，尤其因为电动汽车的兴起，对储能设备的要求越来越高，现有的电池性能已经不能满足应用的要求ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Tarascon</Author><Year>2001</Year><RecNum>108</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[54]</style></DisplayText><record><rec-number>108</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="pz9zv5xx2pxzdoe0vvzpvawe0vpsza2fpzsd"timestamp="1617635673">108</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Tarascon,J.M.</author><author>Armand,M.</author></authors></contributors><auth-address>UnivPicardie,LabReact&ChimSolides,UMR6007,F-80039Amiens,France.UnivMontreal,DeptChem,Montreal,PQH3C3J7,Canada. Tarascon,JM(correspondingauthor),UnivPicardie,LabReact&ChimSolides,UMR6007,33RueStLeu,F-80039Amiens,France.</auth-address><titles><title>Issuesandchallengesfacingrechargeablelithiumbatteries</title><secondary-title>Nature</secondary-title><alt-title>Nature</alt-title></titles><periodical><full-title>Nature</full-title></periodical><alt-periodical><full-title>Nature</full-title></alt-periodical><pages>359-367</pages><volume>414</volume><number>6861</number><keywords><keyword>negative-electrodematerials</keyword><keyword>layeredlimno2</keyword><keyword>ion</keyword><keyword>li</keyword><keyword>performance</keyword><keyword>insertion</keyword><keyword>oxide</keyword><keyword>tin</keyword><keyword>failure</keyword><keyword>liquid</keyword><keyword>Science&Technology-OtherTopics</keyword></keywords><dates><year>2001</year><pub-dates><date>Nov</date></pub-dates></dates><isbn>0028-0836</isbn><accession-num>WOS:000172150700056</accession-num><work-type>Review</work-type><urls><related-urls><url><GotoISI>://WOS:000172150700056</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.1038/35104644</electronic-resource-num><language>English</language></record></Cite></EndNote>[54]。锂离子电池材料主要由三部分组成：正极，负极和电解质。负极作为存储锂离子的主要部分，对于提升电池的整体表现性能是非常重要的。锂金属直接作为负极会发生一些不可逆反应，导致循环寿命很差。另外锂金属负极会形成枝晶，这些枝晶会刺破隔膜引起短路，电池会热反应失控并引发着火ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[55,56]。因此，锂离子电池必须使用一些层状或者多孔材料来作负极，为锂离子提供吸附位点ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Goodenough</Author><Year>2013</Year><RecNum>112</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[57]</style></DisplayText><record><rec-number>112</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="pz9zv5xx2pxzdoe0vvzpvawe0vpsza2fpzsd"timestamp="1617689719">112</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Goodenough,J.B.</author><author>Park,K.S.</author></authors></contributors><auth-address>[Goodenough,JohnB.]UnivTexasAustin,TexasMatInst,Austin,TX78712USA.UnivTexasAustin,MatSci&EngnProgram,Austin,TX78712USA. Goodenough,JB(correspondingauthor),UnivTexasAustin,TexasMatInst,Austin,TX78712USA. jgoodenough@</auth-address><titles><title>TheLi-IonRechargeableBattery:APerspective</title><secondary-title>JournaloftheAmericanChemicalSociety</secondary-title><alt-title>J.Am.Chem.Soc.</alt-title></titles><periodical><full-title>JournaloftheAmericanChemicalSociety</full-title><abbr-1>J.Am.Chem.Soc.</abbr-1></periodical><alt-periodical><full-title>JournaloftheAmericanChemicalSociety</full-title><abbr-1>J.Am.Chem.Soc.</abbr-1></alt-periodical><pages>1167-1176</pages><volume>135</volume><number>4</number><keywords><keyword>lithiumbatteries</keyword><keyword>cathodematerials</keyword><keyword>redox-couple</keyword><keyword>stability</keyword><keyword>lifepo4</keyword><keyword>intercalation</keyword><keyword>extraction</keyword><keyword>reduction</keyword><keyword>electrode</keyword><keyword>design</keyword><keyword>Chemistry</keyword></keywords><dates><year>2013</year><pub-dates><date>Jan</date></pub-dates></dates><isbn>0002-7863</isbn><accession-num>WOS:000314492500001</accession-num><work-type>Article</work-type><urls><related-urls><url><GotoISI>://WOS:000314492500001</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.1021/ja3091438</electronic-resource-num><language>English</language></record></Cite></EndNote>[57]。在锂离子电池负极的各种选择中，石墨碳材料的应用是非常广泛的。很早之前石墨就已经被生产用到了工业和生活中去，并且目前仍然是使用最广泛的的负极材料ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[58]。石墨层平面之间的空隙为锂离子的插入提供了位点，并且提供了良好的二维机械稳定性，便于锂离子的传输移动。如图1.7所示，这样每六个碳原子可以存储一个锂原子。碳材料成本低廉，储量丰富，原材料易得。在嵌入和脱出锂的过程中，电极电位低。因此，与任何其他插层型负极材料相比，碳材料在很多方面都具有比较平衡的特性。碳负极在容量上比很多的正极材料大，并且综合的性能表现不错。石墨负极虽然可以满足一些电子设备的储能需求，但是对于需要高能量密度，快速的充放电和极高安全性的电动汽车来说，还远远没有达到要求。另外，在锂插入层间过程中，石墨沿着垂直平面方向承受10％的单轴应变。如此大的应变可能会损坏电极和电解质的界面，并缩短电池的循环寿命。为了进一步提升电池的性能，需要寻找新的负极材料。图1.7石墨储存锂离子示意图。硬碳作为电池负极，会较大的提升电池的理论容量。硬碳是难以石墨化的碳，其碳晶粒小并且取向混乱ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[59,60]。这些晶粒之间还具有纳米空隙，纳米空隙和缺陷还提供了多余储锂位点，从而使硬碳具有很高的容量（一般大于500mAh/g）。其快速充放电性能好，并且具有高的循环寿命。但是，高比例的暴露边界会导致界面不可逆反应发生，从而降低前几个循环中的库仑效率。考虑到整个锂离子电池的储锂容量是有限的，这是一个严重的缺点。多孔碳材料一直被认为是良好的候选材料，因为它的比表面积大并且有许多锂离子的吸附位点ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[61,62]。但是，多孔碳用来储存锂离子也有一些缺点：（1）常规的多孔碳中的无序结构，不利于锂离子的吸附和迁移。（2）在边界处不可逆反应的发生导致库仑效率低，多孔碳的库仑效率一般低于50%，（3）无序的孔洞结构会形成大量的缺陷，影响材料的导电性能，进而降低倍率性能。寻找同时具有有序的纳米通道和良好导电性的材料，是解决以上问题的关键。拓扑半金属材料能带在费米面附近具有线性的色散关系，因此电子具有极高的迁移率。而且，这种能带的线性色散关系是由材料的结构所决定，受到晶体的对称性保护。三维的拓扑碳材料半金属，为找到具有高电导率的负极材料的提供了可能性。最近的一个工作，通过将全碳的三维多孔拓扑半金属用在锂离子电池负极中，将这两个领域结合了起来。如图1.8所示，bco-C16的能带结构在费米能级附近呈现线性的色散关系。该材料是拓扑半金属，其表面有连接狄拉克点的费米弧ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Liu</Author><Year>2017</Year><RecNum>93</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[63]</style></DisplayText><record><rec-number>93</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="pz9zv5xx2pxzdoe0vvzpvawe0vpsza2fpzsd"timestamp="1617346118">93</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Liu,Junyi</author><author>Wang,Shuo</author><author>Sun,Qiang</author></authors></contributors><titles><title>All-carbon-basedporoustopologicalsemimetalforLi-ionbatteryanodematerial</title><secondary-title>ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences</secondary-title></titles><periodical><full-title>ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences</full-title></periodical><pages>651</pages><volume>114</volume><number>4</number><dates><year>2017</year></dates><urls><related-urls><url>/content/114/4/651.abstract</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.1073/pnas.1618051114</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[63]。并且该材料是规则的多孔结构，给锂离子的吸附和迁移提供了位点和路径。通过第一性原理计算和集团展开方法，发现拓扑半金属bco-C16是一个各方面性能都不错的电池负极ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Liu</Author><Year>2017</Year><RecNum>93</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[63]</style></DisplayText><record><rec-number>93</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="pz9zv5xx2pxzdoe0vvzpvawe0vpsza2fpzsd"timestamp="1617346118">93</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Liu,Junyi</author><author>Wang,Shuo</author><author>Sun,Qiang</author></authors></contributors><titles><title>All-carbon-basedporoustopologicalsemimetalforLi-ionbatteryanodematerial</title><secondary-title>ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences</secondary-title></titles><periodical><full-title>ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences</full-title></periodical><pages>651</pages><volume>114</volume><number>4</number><dates><year>2017</year></dates><urls><related-urls><url>/content/114/4/651.abstract</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.1073/pnas.1618051114</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[63]。其理论容量较高，为558mAh/g（Li-C4），远高于石墨电极的容量372mAh/g（Li-C6）。锂离子在bco-C16材料中，沿着一维的通道迁移，并且扩散通道对外界的压力变化并不敏感。在满吸附构型下，锂离子的迁移能垒为0.019eV，平均开路电压为0.23V。以上的研究结果表明，拓扑碳材料作为电池负极有较高的容量，高的倍率性能，因此拥有良好的应用前景。图1.8拓扑半金属bco-C16用在锂离子电池负极。拓扑量子物态和锂离子电池是目前科学技术领域的研究热点。以上工作将拓扑半金属和三维多孔碳结合起来，用到了电池负极中去，将这两个领域联系了起来。这拓宽了拓扑半金属的应用范围，为寻找新型的电池负极提供了新的思路。参考文献[1] 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