功能器件前沿每周精选丨0701-0707

纳米人

2019-07-12

1. Lieber最新Nature Nanotech.：用于细胞内记录的超小型三维纳米线晶体管探针

用于细胞内电生理学的新工具可以在降低侵袭性的同时突破时空分辨率的极限，可以更深入地了解组织中的生成细胞及其网络，并推动人机界面的进步。尽管在开发用于细胞内探针的纳米器件方面已经取得了显着进步，但是目前的方法表现出器件可扩展性和记录幅度之间的折衷。大牛Charles M. Lieber团队通过将确定性形状控制纳米线转移与空间定义的半导体到金属转换相结合来实现这一挑战，以实现具有可控尖端几何形状和传感器尺寸的可扩展纳米线场效应晶体管探针阵列，从而能够记录高达100 mV的细胞内动作电位来自原代神经元。对神经元和心肌细胞的系统研究表明，控制装置曲率和传感器大小对于实现高振幅细胞内记录至关重要。此外，该设备设计允许从单个细胞和细胞网络进行多重记录，并且可以使得未来能够研究大脑和其他组织中的动态。

Zhao, Y. et al. Scalable ultrasmall three-dimensional nanowire transistor probes for intracellular recording. Nat. Nanotechnol., 2019

Doi:10.1038/s41565-019-0478-y.

https://www.nature.com/articles/s41565-019-0478-y

2. Nature Photon.：光波驱动的无隙超导性和太赫兹对称性破坏的禁量子拍

光诱导超电流为量子工程应用的应急材料相和集体模式的电磁设计绘制了前进的道路。然而，表征这种非平衡宏观量子态的复数阶参数的受控空间 - 时间调制仍然是难以捉摸的。这种超快相位幅度调制可以通过高次谐波模式表现出超过平衡对称性所允许的模式。近日，美国爱荷华州立大学Wang, J研究团队通过非线性振荡太赫兹光电流实现的子循环动态对称破坏来驱动凝结态。这些具有破坏反演对称性的非平衡宏观量子态通过不对称和多周期太赫兹光激发的Cooper对加速来控制。研究人员观测到的超电流携带状态在光波周期中演化并表现出三个显着特征：平衡对称禁止的Anderson伪旋转进动，配对辅助的强高谐波相干振荡和长寿命无间隙超流体，凝结淬火最小。持续光电流的光波调谐可以扩展到非常规超导体和拓扑物质的量子控制，对量子门和传感功能有影响。

Yang, X. Wang, J. et al. Lightwave-driven gapless superconductivity and forbidden quantum beats by terahertz symmetry breaking. Nat. Commun. 2019.

DOI:10.1038/s41566-019-0470-y

https://www.nature.com/articles/s41566-019-0470-y

3. Nature Phys.：硅芯片中光量子态的产生和采样

实现量子算法的大型实例需要在支持不同组件集成的硬件平台中处理许多量子信息载体。虽然已建立的半导体制造工艺可以集成许多光子元件，但许多光子的生成和算法处理一直是集成光子学的瓶颈。布里斯托大学的Jianwei Wang、Mark G. Thompson、Anthony Laing联合丹麦技术大学Yunhong Ding等人报道了多达8个光子的光量子态的片上生成和算法处理。在不同的光泵浦状态之间切换，研究人员在同一硅芯片中实现了scattershot、Gaussian和标准玻色子采样协议，这些协议集成了线性和非线性光子电路。然后，使用这些结果来量化用于计算分子振动光谱的量子算法。该技术可以很容易地扩展到具有数十个光子的专用量子算法的片上实现，比传统计算机的效率具有明显优势。

Paesani, S., Ding, Y. et al. Generation and sampling of quantum states of light in a silicon chip. Nat. Phys., 2019

Doi:10.1038/s41567-019-0567-8.

https://www.nature.com/articles/s41567-019-0567-8

4. Nature Commun.：铁磁半导体量子阱混合结构中交换耦合的低压控制

纳米级铁磁性的电压控制对于开发具有低功耗，高操作速度，可靠的可逆性和与半导体技术的兼容性的新型电子器件具有很大的吸引力。 基于铁磁和半导体构建块的组装的混合结构显示出作为铁磁体的磁性顺序并且可作为半导体电调谐。近日，俄罗斯科学院伊夫研究所V. L. Korenev和I. A. Akimov研究团队展示了由铁磁Co层和半导体CdTe量子阱组成的混合交换耦合的电控制（由一个薄的非磁性（Cd，Mg）Te势垒隔开）。 电场控制声子交流斯塔克效应 - 由铁磁体发射的椭圆偏振声子介导的间接交换机制。 交换相互作用的有效磁场达到2.5 Tesla，并且可以通过在异质结构上施加1V偏压来打开和关闭。

Korenev, V. K. Akimov, I. A. et al. Low voltage control of exchange coupling in a ferromagnet-semiconductor quantum well hybrid structure. Nat. Commun. 2019.

DOI:10.1038/s41467-019-10774-0

https://www.nature.com/articles/s41467-019-10774-0.pdf

5. Nature Commun.：有机半导体薄膜掺杂团簇调整电荷运输动力学

在有机热电材料的设计中，一个重要的挑战是同时实现高电导率和高感应电压对热梯度的响应。传统观点认为，聚合物本身决定了热电效率。近日，马萨诸塞大学阿默斯特分校Zlatan Aksamija、D. Venkataraman等多团队合作，发现掺杂（尤其是共轭聚合物薄膜中掺杂团簇）对其热电性能有着重要的影响。作者将I掺杂的P3HT和PDPP4T薄膜的塞贝克系数和电导率与开尔文探针力显微镜相关联，以确定掺杂物的空间分布对总体电荷输运的作用。作者进一步将实验数据拟合到声子辅助跃迁模型中，发现掺杂物的分布改变了态密度分布和Kang– Snyder输运参数。该工作表明控制掺杂剂在共轭聚合物薄膜中的分布对于热电和其它电子应用具有重要的作用。

Connor J. Boyle, Meenakshi Upadhyaya, Zlatan Aksamija*, D. Venkataraman*, et al. Tuning charge transport dynamics via clustering of doping in organic semiconductor thin films. Nat. Commun., 2019

DOI: 10.1038/s41467-019-10567-5

https://www.nature.com/articles/s41467-019-10567-5

6. Nature Commun.：一种合成二维二元化合物的通用方法

迄今为止，在众多潜在的二维材料中，只有少数被分离或是合成出来。有鉴于此，丹麦技术大学Timothy J. Booth等人展示了合成二维二元化合物薄层的一般方法。作者将该方法应用于制备高品质的MoS₂薄膜，并将该原理扩展到其他材料的合成，包括过渡金属硫化物、硒化物、碲化物和氮化物，包括众所周知的材料以及从未被分离出来过的材料。这种方法大大简化了目前已知材料的合成，并为合成新的二维化合物提供了一个通用方法。

Abhay Shivayogimath, Joachim Dahl Thomsen, David M. A. Mackenzie, Mathias Geisler, Raluca-Maria Stan, Ann Julie Holt, Marco Bianchi, Andrea Crovetto, Patrick R. Whelan, Alexandra Carvalho, Antonio H. Castro Neto, Philip Hofmann, Nicolas Stenger, Peter Bøggild & Timothy J. Booth. A universal approach for the synthesis of two-dimensional binary compounds. Nature Communications. 2019

DOI：10.1038/s41467-019-11075-2

https://www.nature.com/articles/s41467-019-11075-2

7. 哥伦比亚大学JACS：超厉害！可溶液加工的超原子薄膜

通过簇之间的强静电相互作用，原子精确的纳米级团簇可以组装成类似于原子离子固体的结晶离子晶体。哥伦比亚大学Jingjing Yang和Colin Nuckolls团队研究表明，与原子离子固体不同，纳米级团簇之间的静电相互作用可能会受到使用具有长而柔韧的侧链的大簇的阻碍，使得离子簇对不会结晶。基于此，该团队报道了离子超原子材料，可以很容易地溶液加工成完全无定形和均匀的薄膜。这些新的无定形超原子材料显示出可调节的成分和晶体中无法实现的新特性，包括高达300 S/m的极高导电率，0.05 W/m/K的超低导热率，以及高的光学透明度到92％。还展示了基于超原子薄膜的未优化ZT值为0.02的薄膜热电材料。这些特性与最先进的材料相比具有竞争力，并使超级材料成为一种新型的电子和热电材料。

Yang, J. et al. Solution-Processable Superatomic Thin-Films. J. Am. Chem. Soc., 2019

Doi:10.1021/jacs.9b04705.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b04705

8. Chem. Soc. Rev.：碳基量子粒子材料用于电分析和生物医学

碳基量子粒子，如球形碳量子点(CQDs)和石墨烯量子点(GQDs)等具有量子约束效应，是一类有着独特性质的新兴量子点材料。近年来，许多研究都对它们的光学性质、结构和应用进行了介绍，但并没有对碳基纳米粒子的定义及其在传感和生物医学相关的光学及电化学领域的应用进行讨论。莫哈格·阿达比里大学Mandana Amiri团队、英国巴斯大学Frank Marken团队和法国瓦朗谢纳大学Sabine Szunerits团队则合作对此进行了补充，对碳基量子粒子的光学和电化学应用进行了综述，例如其在电化学分析中作为传感器的相关应用等等。通过将碳基量子粒子集成到复合纳米材料中进行传感应用，可以极大地提高检测限，将为个性化医疗的实现提供有力帮助。

Khadijeh Nekoueian, Mandana Amiri, Frank Marken, Sabine Szunerits. et al. Carbon-based quantum particles: an electroanalytical and biomedical perspective. Chemical Society Reviews. 2019

DOI: 10.1039/C8CS00445E

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/cs/c8cs00445e#!divAbstract

9. AM：用于可穿戴应用的智能纺织集成微电子系统

智能纺织品的可编程特性使其成为新兴技术领域不可或缺的一部分。智能纺织集成微电子系统（STIMES）结合了微电子技术和人工智能以及增强或虚拟现实等技术，已经得到了深入探索。医疗保健，物联网（IoT），智能城市管理，机器人等领域的许多有前途的应用已经在世界各地得到证明。近日，香港理工大学Wei Chen、Yang Chai以及Xiaoming Tao概述了过去五年中该领域进展情况。涵盖了功能材料，智能纺织部件的主要制造工艺，功能设备，系统架构和异构集成，人类和非人类相关领域的可穿戴应用，以及STIMES的安全性和安全性。详细讨论了主要类型的纺织综合非传统功能设备：传感器，执行器，显示器，天线，能量采集器及其混合动力，电池和超级电容器，电路板和存储设备。

Shi, J. Chen, W. Chai, Y. Tao, X. et al. Smart Textile‐Integrated Microelectronic Systems for Wearable Applications. AM 2019.

DOI:10.1002/adma.201901958

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201901958

10. AM：纤维和纺织电子领域的应用挑战

现代电子设备正朝着小型化和集成方向发展，并且正在关注可穿戴电子产品。由于它们与人体的紧密接触，可穿戴电子设备具有新的要求，包括重量轻，尺寸小和灵活性。传统的3D和2D电子设备由于其刚性和体积而不能有效地满足这些要求。因此，包括能量收集设备，能量存储设备，发光设备和传感设备在内的一系列新型一维光纤电子设备由于其直径小，重量轻，灵活性和可柔软性而成为一项挑战。近日，复旦大学Peining Chen、Bingjie Wang以及Huisheng Peng讨论了光纤和纺织电子设备从单纤维形状设备到连续可扩展制造，封装和测试以及应用模式探索所面临的应用挑战。然后总结了纤维和纺织电子的发展趋势。最后，强调了促进其商业化所需的未来方向。

Wang, L. Chen, P. Wang, B. Peng, H. et al. Application Challenges in Fiber and Textile Electronics. AM 2019.

DOI:10.1002/adma.201901971

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adma.201901971

11. 刘云圻&郭云龙AM综述：当柔性OFET遇到仿生学时：物联网的前瞻性观点

跨越物理学和仿生学领域的柔性有机电子产品的出现为日常生活中日益简单和智能的产品创造了可能性。有机场效应晶体管（OFET）具有固有的柔韧性、重量轻和生物相容性，在仿生学领域显示出巨大的希望。中国科学院化学研究所 刘云圻院士和郭云龙团队通过将这种仿生OFET应用于物联网（IoT），可以想象未来的新产品和用例。然后，综述了柔性OFET及其在仿生系统中的应用的最新进展。并讨论了实现灵活OFET的策略。同时，详细回顾了仿生感觉系统和神经系统的最新进展。 OFET被证明是模仿感觉和神经系统的最佳系统之一。此外，还介绍了基于OFET的信息存储的简要讨论。最后，提供了在物联网中利用仿生OFET的个人观点以及该研究领域的未来挑战。

Shi, W., Guo, Y., Liu, Y., When Flexible Organic Field‐Effect Transistors Meet Biomimetics: A Prospective View of the Internet of Things. Adv. Mater. 2019, 1901493.

https://doi.org/10.1002/adma.201901493

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201901493

12. AM：用于数字化医疗的柔性混合电子产品

目前，人们在对柔性混合电子产品的材料和结构进行创新设计时取得了一系列进展，这些进步使得这些具有优异性能的电子产品能够被拉伸,弯曲或者扭曲成任意形状，进而实现其从传统医疗到数字化医疗的变换。清华大学冯雪教授团队综述了目前人们在柔性混合电子器件领域对材料创新和结构设计的研究；介绍了这类电子器件在生物医学领域，如生物电监测和刺激、光学监测和治疗、声学模拟和监测以及和体液检测等方面的应用；最后对未来柔性混合电子设备研究所面临的挑战提出了看法。

Yinji Ma, Xue Feng. et al. Flexible Hybrid Electronics for Digital Healthcare. Advanced Materials. 2019

DOI: 10.1002/adma.201902062

https://doi.org/10.1002/adma.201902062

13. 鲍哲南AFM：基于锥体微结构的电容式压力传感器用于监测生物信号

电容式压力传感器已经被证明具有广泛的应用价值，人们可以通过对其介电层的几何形状或材料进行控制进而实现调谐。斯坦福大学鲍哲南教授团队提出了一种改进的制备方法，即通过使用金字塔微结构介电层和叠层来构建可调、稳定和可重现的压力传感器。结果表明，该传感器的性能可以与预期相匹配。研究人员在此基础上建立了一个简单的数学模型，并对其有效性进行了实验验证；随后利用该模型对材料和微观结构的几何特性对传感器性能的影响进行了预估，成功地证明了该方法能够有针对性地设计用于体外脉冲传感压力传感器。

Sara Rachel Arussy Ruth, Zhenan Bao. et al. Rational Design of Capacitive Pressure Sensors Based on Pyramidal Microstructures for Specialized Monitoring of Biosignals. Advanced Functional Materials. 2019

DOI: 10.1002/adfm.201903100

https://doi.org/10.1002/adfm.201903100

14. ACS Nano：具有金属包覆纳米纤维的透气无刺激透明水凝胶隐形眼镜设备

具有高透气性、光学透明性和机械鲁棒性的电子智能隐形眼镜在很多领域都有着很好的应用价值。但是大多数现有的隐形眼镜电子产品都使用了不透气的基底、电子元件和界面粘合层，这对于它们的日常穿戴来说十分不便。北京大学段小洁团队和北京大学人民医院王凯团队合作报道了一种以商用隐形眼镜为基底，利用金属包覆的纳米纤维为导体，通过原位电化学在上面沉积聚PSS作为黏附材料构建了一种水凝胶器件。该水凝胶隐形眼镜装置具有良好的透气性、润湿性、光学透明性和机械鲁棒性。实验使用兔子作为模型，发现当兔子戴上这些水凝胶隐形眼镜设备连续12小时后，它也不会对动物的角膜造成磨损或刺激，证明其具有很好的生物安全性。实验也对家兔进行了全场视网膜电图(ERG)检查，证明了该装置所具有的功能效果。这一工作为开发水凝胶电子平台一实现对生物组织的健康监测和治疗提供了新的方法。

Shiyuan Wei, Kai Wang, Xiaojie Duan. et al. Gas-Permeable, Irritation-Free, Transparent Hydrogel Contact Lens Devices with MetalCoated Nanofiber Mesh for Eye Interfacing. ACS Nano. 2019

DOI: 10.1021/acsnano.9b02305

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b02305