功能器件前沿每周精选丨0715-0721

纳米人

2019-07-23

1. 新南威尔士大学Nature：硅中磷供体电子间的双量子门

在硅中原子形成的电子自旋量子比特具有很大的轨道能量（数十毫电子伏）和较弱的自旋-轨道耦合，因而产生了相干时间单位以秒计的孤立电子自旋基态。这种高保真度的量子比特相干控制有望为量子计算提供一种全新的平台。然而，在原子基量子比特中实现大规模电路所必需的量子比特间的耦合尚未实现。电子自旋之间的交换相互作用预示着用两个量子比特门进行快速（千兆赫兹）的门操作，这在最近门定义的硅量子点得到了证明。然而，在两个与磷原子量子位元结合的电子之间产生可调谐的交换作用直到现在都难以实现。这是因为很难确定开启和关闭交换交互所需的原子距离，同时校准原子电路以获得高保真、独立的自旋读数。在本文中，澳大利亚新南威尔士大学的M. Y. Simmons等发现在硅中磷供体电子自旋量子比特之间存在着快速的交换门相互作用，在完整的基态上其保真度高达94%。这种在原子尺度上对量子比特的放置进行工程设计的策略，为基于硅中供体量子比特的多量子比特量子电路的实现和有效表征提供了一条途径。

Y. He, M. Y. Simmons et al, A two-qubit gate between phosphorus donor electrons in silicon, Nature, 2019

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1381-2

2. UNIST最新Nature Electron.：基于隧道的三元金属氧化物半导体技术

通过从二元逻辑系统转变为三元逻辑系统，可以克服互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的功率密度限制。然而，三元器件通常基于多阈值电压方案，这使得功率可扩展且可大规模生产的三元器件平台的开发具有挑战性。韩国国立蔚山科学技术院Kyung Rok Kim团队报道了晶圆级和节能三元CMOS技术。该方法基于单个阈值电压，并依赖于使用源自量子力学带间隧穿的关态恒定电流产生的第三电压状态。在0.5V的低施加电压下，该恒定电流可以缩小到亚皮安级别。三元CMOS反相器的分析说明了第三中间输出电压状态的变化容限，以及其对称的输入电压传输特性，可以制备具有三元逻辑和存储器锁存单元功能的集成电路。

Jeong, J. W., Choi, Y.-E. et al. Tunnelling-based ternary metal–oxide–semiconductor technology. Nature Electronics, 2019

Doi:10.1038/s41928-019-0272-8 (2019).

https://www.nature.com/articles/s41928-019-0272-8

3. 北航Nature Electron.综述：用于低功耗电子器件的二维自旋电子学

互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的扩展越来越具有挑战性，但对低功耗数据存储和处理的需求持续增长。在二维（2D）材料中生成，传输和操纵自旋信号的能力表明CMOS可以提供合适的平台来构建超CMOS自旋电子器件。北京航空航天大学Weisheng Zhao团队回顾了2D自旋电子学的发展，并探讨了为低功耗电子应用提供器件和电路的潜力。研究了基本的自旋电子能函数以及其如何用于构建电子器件和电路。最后，还考虑了提供实用存储器和逻辑器件必须解决的挑战。

Lin, X., Yang, W., Wang, K. L. & Zhao, W. Two-dimensional spintronics for low-power electronics. Nature Electronics, 2019

Doi:10.1038/s41928-019-0273-7.

https://www.nature.com/articles/s41928-019-0273-7

4. Nature Chem.：F的引入加速二维材料生长速度

二维材料具有多种优良的性能，控制其生长是其实际应用的一个重要方面。为此，通常将氢、氧等活性物质引入反应器，促进具有特定特性的二维材料的合成。近日，北京大学刘开辉，电子科技大学熊杰，韩国蔚山基础科学研究所Feng Ding等多团队合作，发现氟在调节三种代表性二维材料(石墨烯、六方氮化硼和WS₂)的生长动力学中起着至关重要的作用。当化学气相沉积法在铜箔上生长石墨烯时，通过金属氟化物释放氟可大大加快石墨烯的生长速度(~ 200 μm s⁻¹)。理论计算表明，这是通过促进甲烷原料的分解来实现的，甲烷原料将吸热生长过程转化为放热生长过程。作者进一步证明了氟的存在也促进了二维六方氮化硼和WS₂的生长。

Can Liu, Xiaozhi Xu, Lu Qiu, Muhong Wu, Jie Xiong*, Feng Ding, * Kaihui Liu*, et al. Kinetic modulation of graphene growth by fluorine through spatially confined decomposition of metal fluorides. Nat. Commun., 2019

DOI: 10.1038/s41557-019-0290-1

https://www.nature.com/articles/s41557-019-0290-1

5. Nature Commun.：(η⁹-C₉H₉) Ln(η⁸-C₈H₈)超夹层配合物的合成、结构和磁性

夹层配合物是金属有机化学中不可缺少的组成部分，在镧基单分子磁体领域中发挥着越来越重要的作用。近日，德国卡尔斯鲁理工学院P.W. Roesky，E. Moreno-Pineda，M. Ruben等多团队合作，报道了一种纯夹层配合物[(η⁹-C₉H₉) Ln(η⁸-C₈H₈)] (Ln=Nd, Sm, Dy, Er)。该类中心夹层镧基配合物制包含π-配位平面CH八和九圆环。作者研究了这些化合物的磁性能，发现磁化的缓慢弛豫现象，包括开放迟滞环高达10K的Er(III)类似物。磁化的快速弛豫也可以在零场附近观察到，这对量子信息处理非常重要。

L. Münzfeld, P.W. Roesky*, E . Moreno-Pineda*, M. Ruben*, et al. Synthesis, structures and magnetic properties of [(η⁹-C₉H₉) Ln(η⁸-C₈H₈)] super sandwich complexes. Nat. Commun., 2019

DOI: 10.1038/s41467-019-10976-6

https://www.nature.com/articles/s41467-019-10976-6

6. ACS Nano：可穿戴的皮肤状人工石墨烯喉咙

大多数的说话障碍者都是由于声带受损而不能正常说话。清华大学田禾博士、杨轶博士、任天令教授合作提出了一种可穿戴的皮肤状超灵敏人工石墨烯喉咙 WAGT。由于具有皮肤状的结构和低阻抗的基底，WAGT的检测灵敏度很高，其发声能力也可高达75分贝（0.38 W的功率；2毫米的距离）。研究也对WAGT的声音检测和发声机理进行了讨论。实验结果表明，WAGT可以检测到人类不同的运动，如不同强弱程度的喉运动并可将其转化为OK和NO等不同的声音。这些声/运动检测声学系统使得WAGT能够实现从设备级应用到系统级应用的转变，并且由于其小而轻，因此它也有着良好的可穿戴性能。

Yuhong Wei, He Tian, Yi Yang, Tian-Ling Ren. et al. A Wearable Skinlike Ultra-Sensitive Artificial Graphene Throat. ACS Nano. 2019

DOI: 10.1021/acsnano.9b03218

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b03218