功能器件前沿每周精选丨0415-0421

纳米人

2019-04-27

1. Science：揭示石墨烯中电子-声子的不稳定性

理解和控制非平衡电子现象是科学和工程领域的一项突出挑战。近日，哈佛大学Mikhail D. Lukin教授研究团队通过电驱动超净石墨烯器件失去平衡，观察到不稳定性表现为显着增强的电流波动和在微波频率下抑制的电导率。研究人员使用纳米级磁场传感器的非平衡电流波动的空间映射揭示了波动沿载流子方向呈指数增长。包括对密度和温度的依赖，一致地解释了超音速漂移速度下电子 - 声子 Cerenkov不稳定性的出现。这些研究结果为可调谐太赫兹发生和基于二维材料的有源声子器件提供了机会。

Andersen, T. Dwyer, B. Yamagishi-S. Lukin, M. D. et al. Electron-phonon instability in graphene revealed by global and local noise probes. Science, 2019.

DOI: 10.1126/science.aaw2104

https://science.sciencemag.org/content/364/6436/154

 2. Nature Biotech.：新一代智能电子皮肤

微细制造技术、微型化技术和电子化皮肤技术等等领域的迅猛发展极大地促进了可穿戴传感器设备的进步。这些被称为“智能皮肤”的设备也为人类生物学的研究提供了新的契机。日本东京大学Takao Someya教授和庆应大学医学院Masayuki Amagai教授综述了最新的有关于智能电子皮肤的研究。这类新一代的智能皮肤可以进行自我愈合，而且是可拉伸的，因此可以被设计成人工传入神经，甚至可以实现自我供电。而在未来对智能皮肤的探索也需要众多领域的研究者之间进行紧密的合作以充分发挥它的潜力，才能推动其去实现更加广泛的应用。

Someya, T., Amagai, M. Toward a new generation of smart skins. Nature Biotechnology, 2019.

DOI: 10.1038/s41587-019-0079-1

https://www.nature.com/articles/s41587-019-0079-1

3. Nature Mater.：多尺度有序排列的高拉伸聚合物半导体薄膜

可拉伸半导体聚合物已经被广泛应用于类似皮肤的可穿戴电子设备上，但是如果想获得更优异的性质必须改善其电学性能。有鉴于此，美国斯坦福大学鲍哲南教授团队报道了一种新方法成功实现了可伸缩半导体中共轭聚合物的多尺度有序排列，从而大大提高其载流子迁移率。研究表明，在受限的纳米尺度空间内可以使链构象有序排列并促进短程有序的π-π堆积，大幅降低电荷载体运输的能量屏障，使得可拉伸的共轭聚合物薄膜的流动性提高了三倍，并在高达100%的应变下保持不变。

Jie Xu, Hung-Chin Wu, Chenxin Zhu, Anatol Ehrlich, Leo Shaw, Mark Nikolka, Sihong Wang, Francisco Molina-Lopez, Xiaodan Gu, Shaochuan Luo, Dongshan Zhou, Yun-Hi Kim, Ging-Ji Nathan Wang, Kevin Gu, Vivian Rachel Feig, Shucheng Chen, Yeongin Kim, Toru Katsumata, Yu-Qing Zheng, He Yan, Jong Won Chung, Jeffrey Lopez, Boris Murmann & Zhenan Bao. Multi-scale ordering in highly stretchable polymer semiconducting films. Nature Materials, 2019.

DOI: 10.1038/s41563-019-0340-5

https://www.nature.com/articles/s41563-019-0340-5

4. Nature Electron.综述：自我修复的柔性电子器件

生物系统具有强大的自愈能力。例如，人体皮肤可以从不同程度的伤口自主愈合，使其恢复其机械和电气特性。相反，人造电子设备由于操作期间的疲劳，腐蚀或损坏而随着时间而劣化，导致设备故障。近年来，自愈化学作为一种用于构造机械强度且可自修复的软电子材料的有前景的方法而出现。斯坦福大学鲍哲南教授团队回顾了自修复电子材料的发展，并研究了这些材料如何用于制造自我修复的电子设备。同时，探索自我修复电子系统的潜在新功能，这些功能通常不可能用于传统电子系统，并讨论了为实际应用提供自修复柔性电子设备的当前挑战。

Kang, J., Tok, J. B. H. & Bao, Z. Self-healing soft electronics. Nature Electronics, 2019.

DOI: 10.1038/s41928-019-0235-0

https://www.nature.com/articles/s41928-019-0235-0

5. Nature Electron.：二维电子元件的同时合成和集成

过渡金属硫属化合物的二维材料可用于产生电子器件的不同组件，包括半导体通道、金属电极和互连。然而，制造器件的过程可能引起缺陷和杂质，使得器件性能降低。清华大学Tian-Ling Ren和Liying Jiao 课题组发现二维电子元件可以在一个步骤中同时化学合成和集成，创建二维器件，其中有源层中的每个元件通过共价键而不是物理接口连接。该方法涉及原子层的相位图案化生长，并且使用二维 MoTe₂作为活性材料，研究表明，MoTe₂可用于构建高性能场效应晶体管（FET）和逻辑器件阵列。同时，该技术可以构建具有超短栅极长度的FET，具有垂直互连的双层FET和灵活的器件。

Zhang, Q.; Wang, X.-F.; Shen, S.-H.; Lu, Q.; Liu, X.; Li, H.; Zheng, J.; Yu, C.-P.; Zhong, X.; Gu, L.; Ren, T.-L.; Jiao, L. Simultaneous synthesis and integration of two-dimensional electronic components. Nature Electronics, 2019.

DOI: 10.1038/s41928-019-0233-2

https://doi.org/10.1038/s41928-019-0233-2

6. Nature Electron.：基于二维范德华异质结构的TFET

与传统晶体管相比，基于自旋而非充电的晶体管的自旋晶体管可能提供非易失性数据存储和改进的性能。目前，自旋晶体管的相关研究仍然是一个相当大的挑战。二维磁性绝缘体，例如三碘化铬（CrI₃），其提供电可切换的磁性顺序和有效的自旋过滤效应，可以为自旋晶体管提供新的操作原理。

康奈尔大学Jie Shan 和 Kin Fai Mak课题组报道了基于双门控石墨烯/CrI₃/石墨烯隧道结的自旋隧道场效应晶体管（TFET）。这些器件具有双极性能和隧道电导，这取决于CrI₃隧道势垒中的磁性顺序。栅极电压在自旋翻转转变附近的恒定磁偏置下在层间反铁磁和铁磁状态之间切换隧道势垒，从而在具有大滞后的低电导状态和高电导状态之间有效且可逆地改变器件。通过电控制磁化配置而不是自旋电流，改自旋TFET实现了接近400％的高-低电导率（high–low conductance），这表明其在非易失性存储器应用的开发中具有价值。

Jiang, S.; Li, L.; Wang, Z.; Shan, J.; Mak, K. F. Spin tunnel field-effect transistors based on two-dimensional van der Waals heterostructures. Nature Electronics, 2019.

DOI: 10.1038/s41928-019-0232-3

https://www.nature.com/articles/s41928-019-0232-3

7. Science Advances：直接观察MoS₂中的谷耦合拓扑电流

二维过渡金属二硫族化物中的电子谷自由度已经通过理论、光学和光电实验进行了广泛研究。然而，不依赖于光学选择的纯谷电流的产生和检测目前未得到证实。普渡大学Zhihong Chen团队报道了谷电流可以通过谷霍尔效应和逆谷霍尔效应，分别在单层MoS₂中电诱导和检测。比较了单层和多层样品中非局部电信号的温度和通道长度依赖性，以区分谷霍尔效应和经典欧姆贡献。值得注意的是，在室温下单层样品中观察到谷输运距离为4 μm。该研究将使新一代电子设备使用谷自由度，可用于未来的谷电子学应用。

Terry Y. T. Hung, Kerem Y. Camsari, Shengjiao Zhang, Pramey Upadhyaya and Zhihong Chen. Direct observation of valley-coupled topological current in MoS₂. Science Advances, 2019.

DOI: 10.1126/sciadv.aau6478

https://advances.sciencemag.org/content/5/4/eaau6478

8. Science Advances：层状范德华铁电体中巨大负压性的起源

对压电材料的研究主要致力于提高压电系数。然而，该类材料几乎都表现出正的纵向压电性。独特的是，铁电聚合物（聚（偏二氟乙烯）及其共聚物）是通过弱范德华（vdW）相互作用缩合，并显示出负压电性。南洋理工大学Junling Wang和东南大学Shuai Dong报道了另一类vdW固体材料，二维层状铁电CuInP₂S₆。并定量测定了CuInP₂S₆的巨大内在负纵向压电性。研究结果揭示了该系统中负压性的起源，由于Cu离子的大位移不稳定性及其降低的晶格维数所致。此外，二维 vdW压电材料的巨大压电响应和可忽略的衬底钳位效应保证了其在纳米级柔性机电器件中的巨大潜力。

Lu You, Yang Zhang, Shuang Zhou, Apoorva Chaturvedi, Samuel A. Morris, Fucai Liu, Lei Chang, Daichi Ichinose, Hiroshi Funakubo, Weijin Hu, Tom Wu, Zheng Liu, Shuai Dong and Junling Wang. Origin of giant negative piezoelectricity in a layered van der Waals ferroelectric. Science Advances, 2019.

DOI: 10.1126/sciadv.aav3780.

https://advances.sciencemag.org/content/5/4/eaav3780

9. Nature Commun.：原子定义的埃级全碳杂化结

几埃级的全碳电子器件是一项实际挑战，可以通过利用碳同素异形体的多功能性来克服这一挑战。厦门大学洪文晶、谢素原、Zongyuan Xiao联合英国兰卡斯特大学Colin Lambert等人使用单分子操作技术研究通过石墨烯/单富勒烯/石墨烯杂化结的电荷传输。这种亚纳米级电子结可以通过带隙工程进行调整，例如各种原始富勒烯，例如C₆₀，C₇₀，C₇₆和C₉₀。 此外，通过破坏其π系统的共轭来证明电荷传输的进一步控制，这降低了富勒烯的电导，并通过富勒烯的杂原子掺杂增加了富勒烯的电导。

Tan, Z.; Zhang, D.; Tian, H.-R.; Wu, Q.; Hou, S.; Pi, J.; Sadeghi, H.; Tang, Z.; Yang, Y.; Liu, J.; Tan, Y.-Z.; Chen, Z.-B.; Shi, J.; Xiao, Z.; Lambert, C.; Xie, S.-Y.; Hong, W. Atomically defined angstrom-scale all-carbon junctions. Nature Communications, 2019.

DOI: 10.1038/s41467-019-09793-8

https://www.nature.com/articles/s41467-019-09793-8

10. Nature Commun.：能量密度数量级提高！全MXene墨水直接印刷微型超电容

直接印刷功能性油墨对于包括电化学能量存储，智能电子和医疗保健在内的各种领域的应用至关重要。但目前常用额可印刷油墨配方并不理想，一个关键问题在于常用油墨配方中往往含有表面活性剂等添加剂，造成油墨浓度偏低。这 不仅增加了制造的复杂性，还降低了印刷分辨率。

有鉴于此，德雷塞尔大学Yury Gogotsi、都柏林圣三一学院Valeria Nicolosi和Chuanfang (John) Zhang团队报道了一种无添加剂的 浓缩MXene油墨配方，可以直接印刷，具有高印刷效率和空间均匀性。在没有任何添加剂或二元溶剂体系的情况下，研究人员分别利用水性和有机两种类型的二维碳化钛（Ti₃C₂T_x）MXene油墨进行挤出印刷和喷墨印刷。基于全MXene印刷的微型超级电容器都具有出色的面电容和体积电容，能量密度和体积电容比现有的喷墨/挤出印刷活性材料提高了几个数量级。此外，MXene油墨配方和印刷的协议是通用的，即欧姆电阻器也可以喷墨印刷，该印刷平台具有望用于下一代电子器件的可扩展制造。

Chuanfang (John) Zhang, Lorcan McKeon, Matthias P. Kremer, Sang-Hoon Park, Oskar Ronan, Andrés Seral‐Ascaso, Sebastian Barwich, Cormac Ó Coileáin, Niall McEvoy, Hannah C. Nerl, Babak Anasori, Jonathan N. Coleman, Yury Gogotsi, Valeria Nicolosi. Additive-free MXene inks and direct printing of micro-supercapacitors. Nature Communications, 2019.

DOI: 10.1038/s41467-019-09398-1

https://www.nature.com/articles/s41467-019-09398-1

11. AM：一种用于连续海水淡化的高性能自我再生太阳能蒸发器

由于太阳能蒸汽效率高，环境影响小，通过界面蒸发的新兴太阳能海水淡化展示出克服全球水资源短缺的巨大潜力。然而，加热界面处的溶质积累严重影响了当前太阳能蒸发系统的性能和长期稳定性。马里兰大学胡良兵课题组报道了一种自动再生太阳能蒸发器的新策略，通过在木材的自然结构中钻一个简单的通道阵列来制造用于长期太阳能海水淡化的蒸发器，其具有优异的防污性能。作为概念验证，研究者选择具有低热导率（0.29 W m^-1 K^-1）的表面碳化椴木和独特的通道阵列结构作为自再生太阳能蒸发器的模型。

毫米级钻孔通道与来自树木质部细胞的微米级木材通道一起提供了一系列具有不同水力传导率的低曲折通道，这些通道本身通过在木质通道中自然发现的一系列孔相互连接(即“凹坑”)。具体而言，在相同的压力梯度下，根据通道直径和体积流量之间的第四功率关系，钻孔通道的水通量高于木通道。因此，在相同的太阳辐照度下，钻孔通道中的盐浓度将远低于木材通道内的盐浓度，从而导致面内浓度梯度。浓度梯度导致钻孔和木材通道通过通道壁的1-2 μm凹坑自发地进行盐交换。具有高水力传导性的钻孔通道因此起到盐排斥通道的作用，钻孔通道和本体溶液之间更快的盐交换使得钻出的通道中增加的盐浓度可以转移回本体溶液，从而实现蒸发器的实时自我再生。

通过这种多向传质机制，设计的太阳能蒸发器可在连续太阳能海水淡化过程中实现实时防污，在1个太阳辐射下，在高浓度盐溶液（20 wt％NaCl）中也能表现出最高效率（≈75％），以及长期稳定性（超过100 h的连续性）。

Yudi Kuang, Chaoji Chen, Shuaiming He, Emily M. Hitz, Yilin Wang, Wentao Gan, Ruiyu Mi, Liangbing Hu. A High-Performance Self-Regenerating Solar Evaporator for Continuous Water Desalination. Advanced Materials, 2019.

DOI: 10.1002/adma.201900498

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201900498

12. Angew：电化学监测巨噬细胞内单个吞噬溶酶中的ROS/RNS稳态

巨噬细胞的吞噬溶酶体内产生的活性氧/氮(ROS/RNS)与免疫和炎症密切相关，它们会参与清除病原体并且会改变细胞。武汉大学黄卫华教授团队和法国巴黎高等师范学院Christian Amatore教授团队合作，使用镀铂纳米线电极(Pt-NWEs)对细胞的单个吞噬溶酶体内ROS/RNS稳态进行电化学分析和亚毫秒分辨率监测。这也是第一次有研究报道证明可以通过纳米电极表面的氧化过程去消耗ROS/RNS进而刺激吞噬溶酶体内产生大量ROS/RNS。这一研究结果证实了人们假设的ROS/RNS稳态确实存在，并可以对其动过程力学和效率进行量化；进而可以将ROS/RNS的浓度维持在足够高的水平以维持较高的病原体清除速度，同时也不会对巨噬细胞的内部结构造成破坏。

Xin-Wei Zhang, Christian Amatore, Wei-Hua Huang, et al. Electrochemical Monitoring of ROS/RNS Homeostasis Within Individual Phagolysosomes Inside Single Macrophages. Angewandte Chemie International Edition, 2019.

DOI: 10.1002/anie.201902734

http://dx.doi.org/10.1002/anie.201902734

13. AEM综述: 液-固界面组装的软材料用于功能性独立式分层膜器件

独立式分层膜基器件在高效能量存储/转换系统中具有广泛的应用。液-固界面被认为是用于构造这种分层的基于膜装置的独特且通用的界面。

复旦大学孔彪课题组概述了从液固界面组装和异构界面工程技术方面制造软材料以实现层状器件功能化的最新进展，详细讲述了七种液-固界面组装策略，包括流动定向、超晶格、溶剂浇铸、蒸发诱导、浸涂、纺丝和静电纺丝，重点关注其合成途径、形成机制和界面工程策略。同时，研究者介绍了最近有关用于电化学能量应用的分层膜基器件的代表性工作。最后，强调了该研究领域的挑战和机遇。该综述不仅提供了液-固界面的软材料用于各种重要的层状电化学能量装置的全面和实用的方法，而且对这些电化学能量系统的性能增强机制进行了深入的讨论并阐明了基本见解。

Dongwei Li, Kang Liang, Wenlong Cheng, Changming Li, Dongyuan Zhao, Biao Kong. Liquid–Solid Interfacial Assemblies of Soft Materials for Functional Freestanding Layered Membrane–Based Devices toward Electrochemical Energy Systems. Advanced Energy Materials, 2019.

DOI: 10.1002/aenm.201804005

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201804005