光电器件每周精选丨0203-0209

纳米人

2020-02-13

1. Nature Mater.：实现量子反常霍尔效应/拓扑霍尔效应共存于磁性拓扑绝缘体三明治结构

量子反常霍尔效应（QAHE）源于动量空间中非零的贝利（Berry）曲率。量子反常霍尔绝缘体在无外磁场存在下具有零损耗的手性边缘态。然而，拓扑霍尔效应（THE）——手性自旋结构的标志，则源于真实空间的贝利曲率。

最近，宾州州立大学常翠祖、Moses H. W. Chan、Nitin Samarth等人发现，将拓扑绝缘体（TI）层插入两磁性TI层之间（形成三明治结构），在此基础上，通过电场栅控可实现QAHE和THE的共存。THE通过体载流子测得，QAHE则通过手性边缘态反映。其中，量子反常霍尔绝缘体系中的THE来源于手性磁畴壁（注：手性磁畴壁来源于栅诱导的Dzyaloshinskii–Moriya相互作用），且该THE发生于磁性TI三明治结构的磁化反转过程。作者认为，手性边缘态和手性自旋结构的共存为实现零耗散自旋电子应用提供了平台。 

图1. TI三明治异质结构中的QAHE。

图2. 在TI三明治异质结构中实现QAHE和THE的共存。

Jiang, J.,Xiao, D., Wang, F. et al. Concurrence of quantum anomalous Hall and topologicalHall effects in magnetic topological insulator sandwich heterostructures. Nat.Mater. (2020). https://doi.org/10.1038/s41563-020-0605-z

https://www.nature.com/articles/s41563-020-0605-z

2. Nature Mater.：室温下，在少层半金属MoTe₂中同时实现经典/平面自旋霍尔效应

自旋霍尔效应（SHE）通常在具有大量自旋轨道耦合（SOC）的高对称性晶体中以体效应的形式存在。在这之中，对称的自旋轨道场使得自旋霍尔角（θ_SH）和自旋扩散长度（L_sf）之间存在权衡，且自旋极化、自旋电流和荷电流（外部电流）三者之间相互正交。

最近，新加坡国立大学Kian Ping Loh、Vitor M. Pereira和台北中研院物理所Hsin Lin等人发现，低对称性少层半金属MoTe₂在室温下可实现高达0.32的 θ_SH和2.2μm的L_sf，十分有望用于同步的自旋生成、传输以及检测。此外，作者发现面外极化的纵向自旋电流既可由横向的荷电流产生，也可由垂直方向的荷电流产生，分别源于传统SHE和新发现的平面SHE。该研究表明对晶体对称性和SOC的调控能实现新型电荷-自旋转换和自旋-轨道转矩，在自旋电子应用中存在一定前景。

图1. 块体/少层半金属MoTe₂的晶体对称性。

图2. MoTe₂中传统的SHE。

Song, P.,Hsu, C., Vignale, G. et al. Coexistence of large conventional and planar spinHall effect with long spin diffusion length in a low-symmetry semimetal at roomtemperature. Nat. Mater. (2020). https://doi.org/10.1038/s41563-019-0600-4

https://www.nature.com/articles/s41563-019-0600-4

3. Nature Nano.：波导集成型范德华异质结光电探测器，在通讯频段下高速高响应性工作

由于具有独特的材料性质和强烈的物质-光相互作用，过渡金属硫族化合物（TMDCs）被广泛用于构建新型光电器件。其中，响应大且速度快的光电探测器具有广阔的应用领域，例如在标准通讯波段运行的高速率传输互连线。然而，TMDCs的本征载流子迁移率较小，成为发展高速传输装置的瓶颈。

有鉴于此，苏黎世联邦理工学院Lukas Novotny、Juerg Leuthold 、Ping Ma等人提出了一种在硅光子平台上集成的基于垂直范德华异质结的高性能光电探测器。垂直的MoTe₂-石墨烯异质结构使得TMDCs中的载流子渡越路径最短，并在中等偏压下（–3V）实现了高达24 GHz的带宽纪录值。通过施加更高偏压或采用更薄的MoTe₂片，带宽能进一步增加到50 GHz。同时，该器件在1300 nm波长的入射光下实现了高达0.2AW^–1的外响应值。

该研究阐明了高性能光电探测器的性能权衡与设计方针。作者认为，将二维异质结与波导纳米光子器件结合是实现高性能光电器件（例如，光电探测器，发光器件，电光调制器）的有效平台。 

图：MoTe₂-石墨烯垂直异质结构光电探测器。

Flöry, N.,Ma, P., Salamin, Y. et al. Waveguide-integrated van der Waals heterostructurephotodetector at telecom wavelengths with high speed and high responsivity.Nat. Nanotechnol. 15, 118–124 (2020).https://doi.org/10.1038/s41565-019-0602-z

https://www.nature.com/articles/s41565-019-0602-z 

4. Nature Electron.：基于范德华异质结的场效应晶体管

依赖于量子隧穿的半导体器件在逻辑，存储器和射频领域应用广泛。具有负差分电阻的隧穿器件通常遵循以下工作原理：隧穿电流直接影响驱动电流。有鉴于此，华中科技大学吴燕庆教授团队及其合作者报道了一种基于黑磷/ Al₂O₃ /黑磷范德华异质结构制成的隧穿场效应晶体管。

其中，隧穿电流相对于驱动电流为横向。通过静电效应，该隧穿电流会引起输出电流的急剧变化，从而实现可调节的负差分电阻，在室温下其峰谷比大于100。除此之外，所设计的器件还具有可开关特性，在较宽的温度范围内，其栅极电压相对于表面电势的相对变化是传统晶体管玻耳兹曼极限的十分之一。

XiongXiong et al. A transverse tunnelling field-effect transistor made from a vander Waals heterostructure. Nature Electronics 2020.

https://www.nature.com/articles/s41928-019-0364-5

5. Nature Commun.：光子回收在钙钛矿发光二极管中的作用

最近，钙钛矿发光二极管打破了外部量子效率的20％壁垒。这些高效率不能用光耦合的经典模型来解释。剑桥大学Dawei Di,Felix Deschler & Neil C. Greenham 团队分析了光子回收（PR）在协助钙钛矿发光二极管的发光中的作用。空间分辨的光致发光和电致发光测量与光学建模研究表明，当辐射效率足够高时，捕获在基板和波导模式中的光子的重复性重吸收和重发射显著增强了光提取。通过这种方式，PR可以占总发光的70％以上，这与最近报道的高效率相一致。虽然PR的理论上外耦合效率为100％，但由于从电极吸收的寄生吸收损耗显示出限制了当前器件结构中的实际效率。为了克服当前的限制，研究人员提出了一种未来的配置，该配置具有减小的注入电极面积，以将效率提高到100％。

The roleof photon recycling in perovskite light-emitting diodes, Nature Communications,2020

https://www.nature.com/articles/s41467-020-14401-1

6. Matter：诺奖得主新发现：颠覆传统认知，单分子器件迎来新突破！

当分子器件的尺寸缩小至纳米尺度时，宏观体系下的欧姆定律不再适用，而是表现为电子通过分子时多个分立轨道透射系数的叠加，即单分子电输运的量子干涉效应，类似于光的双缝干涉现象。当透射系数的叠加高于分子前线轨道的贡献时，会产生相增量子干涉效应（Constructive Quantum Interference, CQI），提升单分子电输运能力；反之，会产生相消量子干涉效应（Destructive Quantum Interference，DQI），降低单分子电输运能力。量子干涉效应作为分子在量子尺度下的独特特性，对于设计和制备高性能的单分子电学器件具有重要意义。

然而，根据传统的量子叠加规则，中性双平行通道分子体系的电导理论上仅比单通道体系的电导大4倍，因此如何发展一种简便、可行的调控策略以进一步提升双通道体系的电输运效率是现阶段研究量子干涉效应的核心挑战。

近日，美国西北大学的J. FraserStoddart教授课题组与厦门大学洪文晶教授课题组和麦吉尔大学郭鸿教授课题组合作，借助具有飞安级电学测量精度和亚纳米级位移控制灵敏度的单分子电学测量技术，开展了基于带电大环分子体系的量子干涉效应研究，并提出了一种全新的自门控（self-gating）的量子干涉机制，实现了超过50倍的单分子电导调控。

Hongliang Chen, et al. Giant ConductanceEnhancement of Intramolecular Circuits throughInterchannel Gating. Matter(2020).

DOI: 10.1016/j.matt.2019.12.015

https://www.sciencedirect.com

7. AM综述：纤维和纺织电子的应用挑战

基于人们出行和生活的广泛需求，小型化、可穿戴的电子设备得到广泛认同和重视。但是，纤维和纺织电子设备的发展也面临诸多问题，包括低性能、难规模化扩大生产和安全性差等。基于此，复旦大学的Peining Chen, Bingjie Wang和Huisheng Peng团队近日在材料领域顶级期刊Advanced Materials发表综述论文，讨论了一维纤维和纺织电子器件所面临的一系列应用挑战，包括从单纤维器件到连续扩展制造，再到封装和测试以及应用模式探索等方面。其次，作者总结了纤维和纺织电子的发展现状和趋势。最后，强调了促进其商业化应重点关注的未来研究方向。这篇综述可帮助对纤维和纺织电子感兴趣的科研人员对该领域有更全面的了解。

Lie Wang  Xuemei Fu and Jiqing He et al. ApplicationChallenges in Fiber and Textile Electronics. 2020.32(5): 1901971.

DOI：10.1002/adma.201901971

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

8. AM：交流光伏效应

为了人类文明的可持续发展，寻找可再生和清洁能源迫在眉睫。光伏（PV）作为一种替代化石燃料的可持续能源，在太阳能电池中得到了广泛的研究。基于p-n结模型的传统光伏效应通过光吸收、载流子激发、空穴/电子分离、电荷传输和复合等过程将光能直接转化为电能。众所周知，光伏效应在太阳能照明下产生直流电（DC），这是由于在p-n结处光激发电荷载流子的定向分离造成的，空穴流向p侧，电子流向n侧。当材料暴露在光下时，还有一些其他的机制来产生电压和电流。

佐治亚理工学院王中林教授发现除了传统的p-n光伏效应产生的直流电外，还有一种新型的光伏效应，当光照周期性地照射在材料的结/界面时，会在非平衡状态下生成交流电（AC）。在高开关频率下，交流电的峰值电流比直流电的峰值电流大得多。交流电无法通过传统光伏系统的既定机制来解释。取而代之的是，由于在非平衡条件下与结/界面相邻半导体的准费米能级之间的相对移动和重新排列，会导致外部电路中的电子来回流动，以平衡两个电极之间的电位差。凭借这种效应，该器件可以作为一个高性能的宽带光电探测器，在零偏置下具有极高的灵敏度；它也可以用作远程电源，除了传统的光伏效应外，还可提供额外的功率输出。

HaiyangZou, Guozhang Dai, Aurelia Chi Wang, Xiaogan Li, Steven L. Zhang, Wenbo Ding,Lei Zhang, Ying Zhang, Zhong Lin Wang. Alternating Current PhotovoltaicEffect. Adv. Mater. 2020, 1907249.

DOI:10.1002/adma.201907249

https://doi.org/10.1002/adma.201907249

9. AM：超分子手性二维材料及其新兴功能

近几十年来，手性材料在化学、材料科学、生物学和物理学等领域引起了广泛的关注，并在信号放大、非对称合成和光学器件等领域显示出巨大的发展潜力。一个典型的例子是通过手性催化剂直接合成或拆分外消旋混合物来获得手性有机化合物，特别是手性药物。

与分子水平上的均相催化剂不同，超分子手性结构的多相催化剂具有良好的可回收性，因此引起了广泛的研究兴趣。迄今为止，通过合理的结构单元和键合设计，已开发出一系列超分子手性结构，广泛应用于手性催化、对映体分离和手性效应等领域。超分子概念创造的手性材料，由于其明确定义的支架和表面或骨架的精确功能化，可以为新兴的光学性质提供一种见解。在各种超分子手性结构中，二维手性片层结构由于其极高的表面积以及许多独特的化学和物理特性而成为特别令人感兴趣的材料，从而为新一代光学活性系统和光电子器件功能材料提供了潜力。

然而，由于目前很难将分子手性引入到二维手性结构中，有关具有特定功能的二维手性材料的报道相对较少。在此，吉林大学Myongsoo Lee与高丽大学Yongju Kim综述了手性超分子二维材料的结构及其功能的研究进展，并讨论了二维手性的设计原理及其潜在的应用。

BowenShen, Yongju Kim, Myongsoo Lee. Supramolecular Chiral 2D Materials and EmergingFunctions. Adv. Mater. 2020, 1905669.

DOI:10.1002/adma.201905669

https://doi.org/10.1002/adma.201905669

10. AM：二碲化钒中的多态自旋、电荷和晶格波

晶格畸变、自旋相互作用和过渡金属双氧族化合物(TMDs)中的维度交叉导致了有趣的量子相位，如电荷密度波(CDWs)和二维磁性。然而，在TMDs中，在多种因素的综合作用下，例如自旋-轨道、电子-声子、电子-电子等相互作用，使得单个量子相位能在一定的温度和压力下保持稳定，从而限制了原始器件在不同量子相位下的操作。

近日，韩国科学技术院Myung Joon Han，成均馆大学Heejun Yang以及梨花女子大学Suyeon Cho等人报道了二碲化钒(VTe₂)在室温下的非平凡多态量子态，即CDW相，这在各种CDW体系中是独一无二的；掺杂浓度决定了环境条件下VTe₂中两个CDW相的形成。这两个CDW多态性显示了不同的反铁磁自旋序，其中钒原子产生了两种不同的条纹图案自旋波。第一原理计算表明，磁序与VTe₂中相应的CDW是严格耦合的，这表明了一个丰富的相位图与多态自旋，电荷，和晶格波都存在于一个固体中，打开了新概念量子态开关器件应用的一扇门。

DongyeunWon, Do Hoon Kiem, Hwanbeom Cho, Dohyun Kim, Younghak Kim, Min Yong Jeong,Changwon Seo, Jeongyong Kim, Je-Geun Park, Myung Joon Han, Heejun Yang, andSuyeon Cho. Polymorphic Spin, Charge, and Lattice Waves in VanadiumDitelluride. Adv. Mater. 2020.

DOI:10.1002/adma.201906578

https://doi.org/10.1002/adma.201906578

11. AM：具有增强沟谷分裂的Co掺杂MoS₂单分子层的合成

研究表明，在MoS₂单分子层中由掺杂剂诱导的内部磁矩是实现沟谷塞曼分裂(VZS)的一种新方法。近日，南洋理工大学的Weibo Gao & Zheng Liu和中国科学院大学的Zhen-GangZhu & Wu Zhou等人成功地合成了掺杂磁性元素Co的单分子层MoS₂，并通过控制掺杂浓度来设计沟谷分裂的幅度。偏振分辨光致发光(PL)光谱显示，在7 T时Co掺杂的MoS₂中，当Co浓度分别为0.8%、1.7%和2.5%时，谷分裂依次为3.9、5.2和6.15 meV。原子分辨电子显微镜研究清楚地确定了在MoS₂晶格中Co取代的磁性位点，形成了两种不同的构型，即孤立的单掺杂和三掺杂簇。密度泛函理论(DFT)和模型计算表明，观测到的增强VZS是由三掺杂团簇引起的内部磁场产生的，三掺杂团簇将载流子的自旋、原子轨道和谷磁矩从导带和价带耦合起来。本研究提出了一种利用半导体层状材料中的磁性掺杂剂来控制沟谷赝自旋的新方法，为磁-光器件和自旋电子器件的发展奠定了基础。

Jiadong Zhou,Junhao Lin, Hunter Sims, Chongyun Jiang, Chunxiao Cong, John A. Brehm, ZhaoweiZhang, Lin Niu, Yu Chen, Yao Zhou, Yanlong Wang, Fucai Liu, Chao Zhu, Ting Yu,Kazu Suenaga, Rohan Mishra, Sokrates T. Pantelides, Zhen-Gang Zhu, Weibo Gao,Zheng Liu, and Wu Zhou. Synthesis of Co-Doped MoS2 Monolayers withEnhanced Valley Splitting. Adv. Mater. 2020.

DOI:10.1002/adma.201906536

https://doi.org/10.1002/adma.201906536

12. Nano Energy：本征缺陷诱导单层金属硫族化合物中弹性势能波动的自激活

随着具有独特性质的二维（2D）石墨烯的发展，2D材料在纳米电子和光电子领域的广泛应用取得了巨大进展。为了进一步弥补石墨烯在超薄2D电子领域的应用，层状金属硫族化合物（LMC）成为具有各种性能和应用的层状2D结构的主导群体。LMCs由金属元素和硫属原子组成，具有40多种不同的组合。这些层状结构通常表现出强共价键与弱层内范德华（vDW）相互作用，其在未来功能光电器件具有独特的潜力。对二维LMCs进行精确的结构识别是决定其独特的电子和铁电性质起源的关键因素。然而，In₂Se₃的复杂相变及其对固有缺陷的高灵敏度仍然需要先进的技术来识别非均匀电荷分布引起的面内和面外铁电性。

基于此，香港理工大学BolongHuang等人进行了全面的理论研究，揭示了模拟扫描隧道显微镜（STM）图像作为工具箱的实验结果，以区分结构特征。此外，具有主要固有缺陷的α-In₂Se₃的相应电子声子行为为解释不同应用中独特的面内和面外电子和铁电性质提供了重要参考，这对优化未来电子器件用超薄二维LMCs材料的生长至关重要。

MingziSun, Bolong Huang. A full picture of intrinsic defects induced self-activationof elastic potential fluctuation within monolayered metal chalcogenide. NanoEnergy 2020, 70, 104530.

DOI:10.1016/j.nanoen.2020.104530

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104530