大湾区大学（筹）物质科学学院的陈虎研究员课题组致力于设计合成高性能的有机功能材料并探索其广泛的应用场景。近日，该课题组通过分子设计的手段合成了两类有机小分子，并先后将其应用在了钙钛矿太阳能电池和有机太阳能电池领域。相关工作先后发表在ACS Energy Letters（IF: 19.3）和ACS Materials Letters（IF: 9.6）杂志上。大湾区大学（筹）物质科学学院分别为两项工作的第二通讯单位和第一通讯单位，陈虎研究员为两项工作的通讯作者，我院首批博士后赵书楠和刘万里参与了部分工作。研究成果的合作单位为霍夫曼先进材料研究院胡汉林团队，此外，两项工作均获得了广东省粤莞联合基金和东莞市先进材料与大科学装置前沿交叉重点实验室的共同支持。 在第一个工作中，陈虎课题组精心设计并合成了一种基于有机金属二茂铁分子的化合物——二茂铁基双噻吩[3,2-b]噻吩-2-羧酸酯（FcTTPc），用于钙钛矿/ETL界面的改性。钙钛矿/电子传输层（ETL）处的电荷复合问题以及倒装钙钛矿太阳能电池（PSCs）界面电荷传输优化的需求一直是一个显著的挑战。FcTTPc分子中围绕中心二茂铁基团的羧酸酯和噻吩基团与钙钛矿组分强烈相互作用，有效钝化了界面缺陷。此外，FcTTPc分子的噻吩基团可以与ETL进行强烈的π–π相互作用，从而增强界面电荷传输。通过FcTTPc对界面进行改性后，能级排列得到显著优化，极大地改善了载流子传输。由于FcTTPc分子的界面改性，PSCs的能量转换效率（PCE）达到了25.39%。这些经FcTTPc改性的器件在40%相对湿度条件下运行1500小时后，仍能保持初始效率的96%以上。这项研究为钙钛矿太阳能电池的界面调控提供了新的思路，展示了有机分子在提高太阳能电池性能和稳定性方面的巨大潜力。 在第二个工作中，陈虎课题组设计了一类星型有机小分-3,6-二氟-八(4-甲氧基苯基)苯-1,2,4,5-四胺(DFTAB)，其具有1,4-二氟苯基环核心和富电子的四(4-甲氧基苯基)氨基基团的独特结构，将其与经典的空穴传输材料PEDOT:PSS结合后，其空穴传输性能得到了显著提升。利用DFTAB/PEDOT:PSS的高空穴传输特性，有机太阳能电池在PM6二元器件中实现了18.58%的光电转换效率(PCE)，引入客体供体材料ITOA后，三元器件的PCE提高到了19.15%。该工作在实现高PCE和填充因子(FF)值方面表现出色，超越了其他使用无机或有机材料的改性策略。此外，DFTAB还改善了紫外光吸收，减少紫外光穿透进入活性层，增强了光稳定性。通过优化活性层的形貌和增强电荷传输效率，DFTAB改性不仅显著提高了光电转换效率和填充因子，还改善了器件的光稳定性，使其在长时间使用和各种环境条件下表现出色，展示了其在光伏领域未来实际应用的潜力和前景。 陈虎研究员课题组（课题组主页：https://www.x-mol.com/groups/hu/）的主要研究方向为高性能有机功能材料的设计合成与应用：以材料合成为主导，兼顾有机材料在有机场效应晶体管（OFET）、有机光伏（OPV）、有机热电转换（OTE）以及有机电化学晶体管（OECT）等领域的器件表征以及优化，同时探索有机材料在锂离子/铝离子电池以及水系锌电池等新能源存储领域的应用。 课题组经费充足，资源丰富，现面向海内外公开诚聘联培研究生、研究助理和博士后研究人员，表现优异者可推荐去海外一流高校的课题组继续深造。有志加盟的青年才俊可发送邮件至chenhu@gbu.edu.cn或关注网页（https://www.x-mol.com/groups/hu/positions/62909）进行进一步的沟通交流。

近日，我校物质科学学院陈辰研究员与哈尔滨工业大学（深圳）张倩教授、上海交通大学马杰教授、香港大学陈粤副教授、中国散裂中子源任清勇副研究员等合作，通过使用中子散射技术和理论模拟对Zintl相Sr(Cu, Ag, Zn)Sb热电化合物的晶体结构和晶格动力学进行了研究。Sr2ZnSb2中的晶格空位显著增强了晶格非谐性，导致声子谱的软化，与缺陷散射一起，导致该化合物极低的晶格热导率。空位的存在引起了电荷密度重建，从而破坏了化学键的结合强度。这些微观的见解表明，在热电材料的设计中，可以通过晶格缺陷工程来调整声子非谐性，从而调控晶格热导率。 相关成果以“Vacancies tailoring lattice anharmonicity of Zintl-type thermoelectrics”为题，发表于学术期刊Nature Communications。陈辰研究员为本论文的共同第一作者。 研究背景 晶格缺陷是抑制晶格热导率、优化热电材料性能的一个重要手段，传统的Debye-Callaway模型认为晶格缺陷主要起缺陷-声子散射作用。近年来，在一些新型热电材料中观测到了高浓度的空位缺陷(例如Nb0.8CoSb、Eu2ZnSb2、Sr2ZnSb2等)，且这些缺陷呈无序或短程序分布。这些材料具有更低的晶格热导率，但是传统的缺陷-声子散射模型无法给出一个很好的解释。同时，大量空位缺陷和无序分布情况也为理论研究工作带来了很大的挑战。 研究成果 本工作通过对ZrBeSi型Zintl相SrCuSb，SrAgSb和Sr2ZnSb2的对比研究，阐明了空位对这类化合物的晶格热导率的影响。采用中子粉末衍射表征了晶体结构，采用非弹性中子散射技术和分子动力学模拟研究了晶格动力学，采用X射线光电子能谱分析了空位引起的原子成键变化，并进行了相关理论计算。研究发现，Sr2ZnSb2化合物中的大量空位导致晶格的整体软化，与SrCuSb、SrAgSb相比具有更大的声子非谐性。这种变化是由于Sr和[ZnSb]亚晶格之间的离子键减弱导致的。这些研究结果表明，Zintl相化合物中的空位在晶格热导率的抑制中发挥着比传统缺陷散射更复杂的作用。 图1声子的软化和非谐性 论文链接 https://www.nature.com/articles/s41467-024-46895-4

近日，大湾区大学常建副教授与南方科技大学的邓永红教授和浙江大学的陆俊教授合作，精巧设计并合成了一种新型两极性氟醚溶剂（OFE）分子，并基于该分子开发了一种分子竞争溶剂化结构电解液（MCE）以稳定锂金属负极和高电压正极，从而获得实用型高能量长循环锂金属电池。首先，简易合成了一款双极性OFE溶剂分子，一端是离子离解极性头，另一端是高度氟化的非极性尾。然后，将其与传统醚、碳酸酯或腈类强配位溶剂复配形成分子竞争溶剂化结构电解液。研究发现，双极性OFE分子可以通过弱离子配位重建传统的溶剂化结构，显著降低了强配位活性溶剂在溶剂化结构中的比例。通过改善锂离子去溶剂化动力学，有效消除了强配位活性溶剂在锂金属负极和高压正极表面的有害分解。该氟化电解液使 1.4 Ah 高电压软包锂电池的堆叠能量密度达到 450 Wh kg-1，并且在 400 个循环周期内具有卓越的运行稳定性（保持率：81%）。该文章发表在国际权威期刊Advanced Functional Materials上，相关成果得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广东省普通高校太阳能高效利用与可持续发展重点实验室的资助与支持。 研究背景 近年来，人们对高能量密度电池的需求与日俱增，因此锂金属电池（LMB）引起了广泛的研究兴趣。特别是，通过将高容量锂金属负极与高电压正极相匹配，高电压LMB有望达到500 Wh kg-1的高电池能量密度。然而，高电压LMB的实际应用受到几个关键问题的极大限制。一方面，高活性的Li金属倾向于诱导电解液的快速耗尽、随机树枝状沉积和不稳定的固体电解质界面（SEI）。另外一方面，过渡金属氧化物正极（例如，LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2，NCM811）的催化表面在高电压条件下容易侵蚀电解液溶剂，导致氧化物界面的电解液氧化和不良的正极电解质界面（CEI）。此外，高能量密度LMB的部署迫切要求高质量负载正极、低负正（N/P）比、有限的锂金属过量以及贫电解液的使用。因此，在实际条件下实现高电压LMB的稳定运行是一个巨大的挑战。 在这方面，已经提出了许多稳定高压LMB的策略，包括将锂金属引入多孔宿主、高电压正极包覆、人工界面设计和电解质配方优化。尽管在开发电极和界面方面取得了相当大的进展，但传统电解液（包括碳酸酯、醚和腈）的使用仍然会导致高电压LMB的早期电池故障和短路危险。人们认识到，Li+阳离子与强配位的极性溶剂（如碳酸乙酯（EC）、1,2-二甲氧基乙烷（DME）和乙腈（ACN））配位，而大多数阴离子和残留溶剂分子被排除在主溶剂化鞘之外，并以自由态存在于常规电解液中。这些位于第一溶剂化鞘中的强配位极性溶剂在重复充电期间易于与电极发生副反应。迄今为止，人们一直致力于通过优化电解液组分（包括盐类、溶剂和添加剂）来减少电解液和电极之间的寄生反应。通常情况下，采用盐浓缩策略可通过将游离溶剂和阴离子限制在主溶剂化鞘中来减少它们的数量。高浓度电解液（HCE）独特的溶剂化结构通过增强Li+/阴离子相互作用和阴离子分解来促进稳定的SEI和CEI的形成。随后，还开发了局部高浓度电解液（LHCEs），通过引入各种惰性助溶剂（也称为稀释剂）来降低电解液的盐含量和粘度。这些惰性稀释剂几乎不与Li+阳离子相互作用，在电极表面表现出更稳定的性质，并且被排除在主要溶剂化鞘之外。LHCE在很大程度上减少了自由活性溶剂的量和界面副反应，而不会破坏其原始的溶剂化结构。此外，几种有用的添加剂也被掺入LHCE中，以通过改变电解质电极反应来改善SEI/CEI的界面传输。然而，在Li+去溶剂化过程中，高反应性的游离溶剂仍然暴露在锂金属负极和高电压正极的表面，导致在长循环操作中电解液的连续消耗和界面结构的破坏。因此，迫切需要进一步降低溶剂化结构中活性溶剂的比例，以便在实际条件下为高能量长循环LMB开发出更稳定的电解液。 研究成果 为构建分子竞争性溶剂化电解液有效消除活性溶剂分子在电极界面处的分解，该溶剂分子的设计要点包括以下几个方面：１）醚氧极性端对锂离子具有弱配位作用，能够参与第一溶剂化壳层的竞争性配位，大幅度减少溶剂化结构中活性溶剂分子占比；2）高含氟烷基链非极性端的引入可以通过降低溶剂分子最高占据分子轨道能级改善其氧化稳定性；3）双极性分子对锂金属负极具有良好的兼容性。基于上述考虑，分子设计了一款1,1,2,2,3,4,4-八氟-5-甲氧基戊烷双极性氟化溶剂分子来构建分子竞争溶剂化结构电解液。 图1. 分子竞争溶剂化结构电解液的设计原理及其基本性质表征 基于分子竞争溶剂化电解液的高电压锂电池电化学性能：利用锂铜半电池进行电化学测试，基于OFE/DME的分子竞争电解液对锂金属的库伦效率高达99.8%，优于对比样电解液。类似地，OFE两极性氟化分子也可以扩展以帮助酯（碳酸二甲酯）和腈（乙腈）溶剂分子对锂金属负极的良好稳定性。基于OFE/DME电解质的高电压扣式锂电池循环300圈容量保持率为94%；1.4Ah级高电压软包锂电池的能量密度高达450Wh kg-1，循环400圈容量保持率81%；2.5Ah级软包锂硫全电池也可以实现稳定循环。这种竞争性配位结构电解液的设计理念，为在实际条件下开发高能量长循环的 LMB 提供了一条前景广阔的道路。 图2. 高电压扣式和软包锂电池的电化学性能 论文链接 Guangzhao Zhang, Jiawei Li, Shang-Sen Chi, Jun Wang, Qingrong Wang, Ruohong Ke, Zhongbo Liu, Hui Wang, Chaoyang Wang, Jian Chang,* Yonghong Deng,*Jun Lu*，Molecular Design of Competitive Solvation Electrolytes for Practical High-EnergyLong-Cycling Lithium-Metal Batteries. Advanced Functional Materials, 2023, 2312413. https://doi.org/10.1002/adfm.202312413 博士后招聘信息 具备良好的学术道德和职业操守，具有或即将获得化学、材料、能源、电子等相关专业博士学位，在本领域专业期刊上发表过SCI学术论文；聘期综合年薪不低于35万元（含东莞市每年20万元生活补助），按属地缴费比例上限缴纳五险一金，享受带薪年假、节日慰问等福利待遇，出站留莞工作可获得市财政50万元生活补贴；支持申请广东省海外博士后人才项目，省财政提供60万元生活补贴，同时市财政按1∶1给予配套资助，出站留莞工作可获得省财政40万元住房补贴；支持申报东莞市特色人才，享受购房补贴和生活补贴；可依托学校申请科学城内人才公寓，并协助解决子女入园入学。应聘者请将个人简历材料发送至邮箱changj@gbu.edu.cn，本招聘长期有效。

近日，大湾区大学（筹）物质科学学院龚寿书教授与美国Rice大学博士后Shouvik Sur，博士研究生Yi Xu、Shuyi Li，以及Andriy H. Nevidomskyy教授合作，通过近似可控的理论计算和大尺度张量重正化群数值计算研究了有竞争相互作用的自旋1/2正方晶格海森堡模型在极化磁场附近的物理性质。研究发现，由于阻挫和高磁场的共同作用，体系出现了新的非BEC普适类相变和玻色量子液体态。该结果为理解阻挫量子磁性材料在高磁场下的量子液体态行为提供了新的思路。 相关成果以“Field-Induced Non-BEC Transitions in Frustrated Magnets”为题，发表于学术期刊Physical Review Letters。龚寿书得到了国家自然基金委面上项目（No. 11874078）和重点项目（No. 11834014）的资助，也得到了东莞市先进材料人工智能设计重点实验室的支持。 研究背景 相互作用玻色子体系可以实现很多有趣的物态，如玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)，超流，莫特绝缘相等。在合适条件下，由于玻色子相互作用和较大低能态密度的共同作用，玻色子体系还可以形成所谓的玻色金属态。除了玻色子体系，阻挫磁性材料体系也是实现玻色物态的重要平台。一般情况，阻挫磁性体系很难进行近似可控的理论计算，但是在磁场诱导的极化相变附近，量子涨落会被明显抑制。在这种情况下，磁性体系可以表示为稀疏的相互作用玻色气体。近年来，人们已经发现了阻挫磁性体系在外磁场作用下出现的一些新奇玻色物态。另一方面，磁性体系在外磁场作用下从磁有序相到极化相的相变一般是属于BEC普适类的连续相变，在很多磁性材料中都得到了实验证实。一个有趣的问题是：对于这样一个广泛存在的相变，如果考虑体系存在很强的阻挫，会不会得到新的新奇物态和相变行为呢？ 研究上述问题最经典的磁性体系是具有竞争相互作用的自旋1/2正方晶格海森堡模型。从反铁磁相出发，竞争相互作用会诱导相变。在经典近似下，体系会经过一个Lifshitz相变进入螺旋磁有序相。在量子模型中，经典体系的Lifshitz相变线附近由于很强的阻挫效应会出现磁无序的自旋液体相和共价键固体相。所以，在Lifshitz相变线上研究高磁场下的物态和相变行为是回答上述问题一个很好的尝试。 研究成果 为了研究这个体系，物质科学学院龚寿书教授与美国Rice大学博士后Shouvik Sur，博士研究生Yi Xu、Shuyi Li，以及Andriy H. Nevidomskyy教授合作，通过近似可控的理论计算和大尺度张量重正化群数值计算研究了有竞争相互作用的自旋1/2正方晶格海森堡模型在极化磁场附近的物理性质。我们发现在Lifshitz点附近，极化磁场附近的物理不同于通常的BEC范式，而是被Lifshitz multicritical point决定，出现新的非BEC普适类相变。同时，由于阻挫和高磁场的共同作用，体系在极化磁场以下可能出现玻色量子液体态。计算表明，该玻色液体态可以看成是S=1自旋链在高磁场中的无能隙相在二维体系中的对应。我们的结果为理解阻挫量子磁性材料在高磁场下的量子液体态行为提供了新的思路。 具有竞争相互作用的自旋1/2正方晶格海森堡模型在半经典近似下的相图。通过调节竞争相互作用和磁场，可以得到一个Lifshitz multicritical point（如图中红点所示）。在有限温度下，multicritical point控制了体系在临界圆锥（橘色圆锥）内的物理行为。  论文链接 https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.066701

近日，大湾区大学（筹）物质科学学院龚寿书研究员与加州理工学院刘文渊博士、南方科技大学陈伟强教授、香港中文大学顾正澄教授合作，通过大尺度精确数值计算研究了正方晶格自旋模型中的相变行为。研究发现反铁磁态 - 共价键固体态相变的解禁闭量子临界点和无能隙自旋液体态 - 共价键固体态的连续相变都展现出衍生的O(4)对称性。该结果从分类对称性的角度进一步揭示了解禁闭量子临界点与无能隙自旋液体之间的内在联系。 相关成果以“Emergent symmetry in quantum phase transition: From deconfined quantum critical point to gapless quantum spin liquid”为题，发表于学术期刊Science Bulletin上。龚寿书研究员得到了国家自然基金委面上项目（11874078）、重点项目（11834014）和东莞市先进材料人工智能设计重点实验室的资助。 研究背景 大自然中的物态丰富多彩，其中大多数物态都可以基于对称性的观念来理解。比如反铁磁态破坏了角动量旋转对称性、共价键固体态破坏了空间平移对称性。基于对称性的观念，人们成功发展出了描述物态之间相变的理论，即朗道相变理论。在该理论中，体系从高对称相到低对称相的对称性破缺相变是连续的二级相变。而如果相变两边的物态分别破坏不同的对称性，比如从反铁磁态到共价键固体态的相变，则应该是一级相变或者存在相共存。 随着研究的深入，人们发现了超越对称性破缺框架描述的物态，比如自旋液体。由于存在很强的量子涨落，自旋液体态在低温甚至零温都不会形成有序状态，所以名为自旋液体。另一方面，人们也发现了超越朗道理论的新型相变行为，即分别破坏不同对称性的物态之间的量子相变可以是连续相变，比如从反铁磁态到共价键固体态的量子相变。为了理解这类新型相变行为，人们提出了解禁闭量子临界点（deconfined quantum critical point）的相变机制，并且通过数值计算在微观模型中研究其具体性质。令人惊讶的是人们发现解禁闭量子临界点会展现出更高的对称性（emergent symmetry），这可能有助于理解其背后的深刻物理。  最近，研究人员发现无能隙自旋液体相可以从相图上的解禁闭量子临界点生长出来（Physical Review X 12, 031039 (2022)）。这个结果不仅揭示了这两种现象潜在的内在联系，也提供了一个理解它们的新视角，即解禁闭量子临界点与无能隙自旋液体可以通过相同的量子场论来描述。对于建立这样一个量子场论，衍生对称性扮演了重要的角色。另一方面，分类对称性（categorical symmetry）和全息原理（holographic principle）表明衍生对称性可能广泛存在于超越朗道理论的相变。可是，目前还不清楚与无能隙自旋液体相关的量子相变是否也有可能出现衍生对称性，这成为人们尝试理解无能隙自旋液体和解禁闭量子临界点内在联系的一个无法绕开的障碍。 研究成果 为了探究上述问题，物质科学学院龚寿书研究员与加州理工学院刘文渊博士、南方科技大学陈伟强教授、香港中文大学顾正澄教授合作，通过大尺度精确数值计算研究了正方晶格自旋模型中的相变行为，首先得到了从反铁磁态到共价键固体态的解禁闭量子临界点并发现了衍生的O(4)对称性。进一步改变耦合参数，研究发现反铁磁相和共价键固体相之间会生长出一个无能隙自旋液体相。特别有趣的是，从自旋液体相到共价键固体相的相变也会展现衍生的O(4)对称性。这个结果从分类对称性的角度进一步揭示了解禁闭量子临界点与无能隙自旋液体之间的内在联系，为后续建立场论描述奠定了基础。 左图：通过数值计算得到的体系相图，包括了反铁磁相（AFM），自旋液体相（QSL），共价键固体相（VBS）。右图：通过分析序参量结果确认了相变点上衍生的O（4）对称性。  论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.11.057