功能器件前沿每周精选丨0422-0428

纳米人

2019-05-04

1. Nature：共振电光频梳

高速光通信是通过波分复用实现的，通过波分复用，数以百计的单个稳定激光器在单模光纤中编码信息。更高的带宽则要求更高的光总功率，但光纤内部的光非线性限制了光纤的功率，光源的能量消耗开始成为一个重要的成本因素。为了解决这一问题，人们提出了光学频率梳（光频梳）——在一个单片器件内产生大量离散的等频间距的激光谱线；然而，目前它们有限的稳定性和相干性只允许它们在很小的参数范围内工作。

近日，马克斯·普朗克光科学研究所Harald G. L. Schwefel团队的研究结果表明，在高品质的回音壁模谐振腔内，利用电光效应实现的宽带频率梳可以在较低的微波功率和光功率下工作。不同于通常的三阶科尔非线性光频梳，作者提出的频率梳依赖于二阶非线性效应，这是更有效的。研究结果使用了一个固定的微波信号与一个光泵信号混合产生一个精确确定载波分离的相干频率梳。这种共振增强使得在低于商业化设备功率三个数量级的微波功率下工作成为可能。作者也强调了研究结果与高速数据通信的实际相关性。

总之，为了克服光纤非线性效应的限制，必须解决两个问题：提供一个紧凑的、完全集成的、高质量的、相干的频率梳发生器；并实时计算非线性信号的传播。作者的研究则为第一个问题提出了一种解决方案。

图1：产生基于回音壁膜的二阶频率梳的原理。

图2：共振电光频梳的实验实现。

Alfredo Rueda, Florian Sedlmeir, Madhuri Kumari, Gerd Leuchs & Harald G. L. Schwefel. Resonant electro-optic frequency comb. Nature, 2019.

DOI: 10.1038/s41586-019-1110-x

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1110-x#article-info

2. 哥本哈根大学Nature：平面Josephson结中拓扑超导性的实验证据

Majorana零模(拓扑超导体边界处的准粒子态)有望成为容错量子计算的理想构件。之前的研究中，研究人员采用隧穿光谱法，在超导-半导体纳米线中临界磁场以上条件下观测到几次零偏电导峰，这被视为Majorana零模的标志。另一方面，二维系统提供了一种替代的方法——使得Majorana通道限域在平面的Josephson结内。这种情况下，超导体铅之间的相差φ构成另一调谐参数——据预测，相比无相差的系统，有相差的系统能在较弱磁场下驱动系统的拓扑转变。

近日，丹麦哥本哈根大学Fabrizio Nichele团队和Charles M. Marcus团队通过测量基于Al（上）/InAs异质结的Josephson结末端的隧穿光谱，发现零偏电导峰是相位相关的。相对φ=0而言，将Josephson结偏置为φ≈π将降低零偏电导峰出现的临界磁场。在有限尺寸的Josephson结中，零能态的相位和磁场依赖关系与Majorana零模模型是一致的。除了提供相位调谐拓扑超导性的实验证据，作者的实验装置还可用于超导量子电动力学系统，并可扩展到拓扑量子计算所需的复杂外形。

图1. 拓扑Josephson结。

图2. 平行磁场中零偏峰的演变。

图3. 临界磁场的相位相关性。

Antonio Fornieri, Alexander M. Whiticar, F. Setiawan, Elías Portolés, Asbjørn C. C. Drachmann, Anna Keselman, Sergei Gronin, Candice Thomas, Tian Wang, Ray Kallaher, Geoffrey C. Gardner, Erez Berg, Michael J. Manfra, Ady Stern, Charles M. Marcus & Fabrizio Nichele. Evidence of topological superconductivity in planar Josephson junctions. Nature, 2019.

DOI: 10.1038/s41586-019-1068-8

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1068-8#article-info

3. 哈佛大学Nature：相位控制Josephson结中的拓扑超导性

拓扑超导体可以在其边界上支持局域Majorana态。这些准粒子激发遵循非阿贝尔统计，可以用拓扑保护的方式编码和操纵量子信息。虽然Majorana边界态的特征在一维系统中已经被观测到，但目前人们正在努力寻找不需要微调参数、并且可以轻松地扩展到大量状态的替代平台。有鉴于此，哈佛大学Amir Yacoby团队提出了一种实验方法用于Majorana边界态的二维构筑。

作者采用与薄膜Al耦合的HgTe量子阱形成的Josephson结（超导隧道结），通过控制横跨结的相位差以及施加面内磁场，能够调节平凡-拓扑超导态之间的转变。通过测量结边缘的隧穿电导来确定产生的超导体的拓扑状态。弱磁场下，隧穿谱零偏置处存在极小值，与平凡超导体一致。然而，随着磁场增强，隧穿电导出现一个零偏峰（零偏置处极大值），这种零偏峰持续存在于一系列相位差范围内，该相位差随磁场的增大而系统地扩大。观测结果与对该系统的理论预测相一致，且与对具有相似尺寸和参数的模型系统进行的全量子力学数值模拟相一致。作者认为，此工作为在二维系统中实现拓扑超导性，创建和操纵Majorana模，以及探测拓扑超导相提供了一个很有前途的平台。

图1. 相位控制的Josephson结中的拓扑转变。

图2. 弱/强磁场下隧穿电导的相位调制。

Hechen Ren, Falko Pientka, Sean Hart, Andrew T. Pierce, Michael Kosowsky, Lukas Lunczer, Raimund Schlereth, Benedikt Scharf, Ewelina M. Hankiewicz, Laurens W. Molenkamp, Bertrand I. Halperin & Amir Yacoby. Topological superconductivity in a phase-controlled Josephson junction. Nature, 2019.

DOI: 10.1038/s41586-019-1148-9

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1148-9

4. Nature Mater.：扭曲双层石墨烯范德华界面的原子和电子重构！

控制二维范德华（vdW）异质结构的层间扭曲角度，可以设计出长度可调的准周期莫尔超晶格。在扭曲的双层石墨烯中，简单的莫尔超晶格能带表明，在魔角情况下，电子带宽可以调控至接近于vdW层间相互作用，并表现出强相关行为。然而，vdW层间相互作用在界面处容易引发显著的结构重构。

近日，剑桥大学Philip Kim课题组报道了扭曲双层石墨烯中的原子级重构及其对电子结构的影响。作者发现，随着特征旋转角度的变小，材料从不相称的莫尔结构逐渐过渡到具有孤子边界的相称域阵列。在原子和电子重构极其重要的孤子区域（θ<θc）中，一个简单的莫尔能带消失，同时出现次级狄拉克能带。该研究为范德华异质结中的原子和电子重构提供了新的认识，为连续可调的能带工程系统提供了新的途径。

Hyobin Yoo, Philip Kim et al. Atomic andelectronic reconstruction at the van der Waals interface in twisted bilayergraphene. Nature Materials， 2019.

DOI: 10.1038/s41563-019-0346-z

https://www.nature.com/articles/s41563-019-0346-z

5. Nature Mater.：发现普适性规律！有机半导体中水诱导陷阱产生

电荷载流子陷阱通常对半导体器件的性能非常不利。与无机半导体的情况不同，关于有机半导体中陷阱的特征和原因的深入研究仍然非常有限。瑞士林雪平大学Martijn Kemerink课题组准确地确定了各种有机半导体薄膜的空穴和电子陷阱能量。研究发现，电子和空穴陷阱能量遵循类似的经验规则，分别位于HOMO上方和LUMO下方约0.3-0.4eV。结合实验和理论方法，陷阱的起源是水渗透纳米空隙在有机半导体薄膜中的介电效应。研究人员还提出了一种溶剂退火方法，用于从所研究的材料中去除与水相关的陷阱。该研究为实现无陷阱有机半导体薄膜提供了一条全新途径。

GuangzhengZuo, Mathieu Linares, Tanvi Upreti & Martijn Kemerink. General rule for theenergy of water-induced traps in organic semiconductors. Nature Materials, 2019.

DOI: 10.1038/s41563-019-0347-y

https://www.nature.com/articles/s41563-019-0347-y

6. Science Advances：室温2D异质结的纳米腔激光器

过渡金属二硫属化物的激子激光器的发射仍然是单层的内在能带隙。南洋理工大学Yuanda Liu和中山大学Hanlin Fang团队报道了具有MoS₂/WSe₂异质结构的室温层间激子激光器。通过“L-L”曲线中的明显扭结和明显的谱线宽度崩溃来识别激光的开始。与单层组件中层内激子的可见发射不同，该激光器在红外范围内工作，这与硅光子学中成熟的技术完全兼容。层间激子的长寿命使腔质量因子的要求降低了数量级。室温夹层激子激光器可能为在硅光子平台上开发具有定制光学特性的相干光源开辟了新的前景。

Liu, Y.; Fang, H.; Rasmita, A.; Zhou, Y.; Li,J.; Yu, T.; Xiong, Q.; Zheludev, N.; Liu, J.; Gao, W. Room temperaturenanocavity laser with interlayer excitons in 2D heterostructures. Science Advances, 2019.

DOI: 10.1126/sciadv.aav4506

https://advances.sciencemag.org/content/5/4/eaav4506

7. Nature Commun.：2D COFs中晶格声子与超快电荷转移的耦合

共价有机框架(COFs)已成为一种很有前途的光捕获组件，用于人工光合作用和光伏发电。近年来，为了有效地生成自由载流子，在二维(2D) COFs中实现了给体-受体(D-A)共轭。在二维D-A COFs中，光激发会产生极化子对，极化子对是自由载流子的前驱体，比激子具有更低的结合能。虽然初级激发态的性质是决定材料光电性质的一个关键因素，但导致极化子对产生的激发态动力学尚未得到研究。

有鉴于此，韩国科学技术研究院Hyotcherl Ihee、Hyungjun Kim以及韩国化学技术研究所Jin-Ook Baeg、韩国仁川大学Jeongho Kim等人结合飞秒级光谱学和非绝热的分子动力学模拟，研究了二维D-A COFs中光生载流子的动力学。研究表明，极化子对是通过超快的层内空穴转移和二维晶格的耦合振动形成的，这说明了声子辅助电荷转移的机理。

Tae Wu Kim, Sunhong Jun, Yoonhoo Ha, Rajesh K.Yadav, Abhishek Kumar, Chung-Yul Yoo, Inhwan Oh, Hyung-Kyu Lim, Jae Won Shin,Ryong Ryoo, Hyungjun Kim, Jeongho Kim, Jin-Ook Baeg & Hyotcherl Ihee.Ultrafast charge transfer coupled with lattice phonons in two-dimensionalcovalent organic frameworks. Nature Communications, 2019.

DOI: 10.1038/s41467-019-09872-w

https://www.nature.com/articles/s41467-019-09872-w

8. AM综述：超薄二维稀土纳米材料：组成、合成及应用

超薄二维（2D）纳米材料因其电子限域在单个或几个原子层内而具有良好的性能。作为一类新兴的功能材料，超薄2D稀土纳米材料具有独特的光学、磁性和催化性能，在光电、磁性器件、晶体管、催化等诸多领域显示出巨大的应用潜力。近日，南开大学严纯华、杜亚平团队对超薄2D稀土纳米材料进行了总结，内容涵盖所有超薄2D稀土纳米材料，介绍了它们的组成、合成和应用。总结了目前取得的研究结果后，作者还对超薄2D稀土纳米材料发展的机遇与挑战进行了评估。

Jun Xu, Yaping Du,* Chunhua Yan*, et al. Ultrathin 2D Rare-Earth Nanomaterials: Compositions, Syntheses,and Applications. Advanced Materials, 2019.

DOI: 10.1002/adma.201806461

https://doi.org/10.1002/adma.201806461

9. Nature Commun.：新方向！手性杂化钙钛矿的圆偏振光检测

在药物筛选，安全监督和量子光学等各个领域都需要进行圆偏振光（CPL）检测。传统上，CPL光电探测器需要安装光学元件，这给集成设备带来了困难。已建立的没有光学元件的CPL探测器依赖于手性有机半导体和金属超材料，但其具有极低的响应度。有机-无机杂化材料结合了手性有机物诱导的CPL敏感吸收和无机骨架的有效电荷传输，为直接CPL检测提供了选择。华中科大唐江团队报道了使用手性有机-无机杂化钙钛矿的CPL检测器，并获得了响应度为797 mA W^-1，检测率为7.1×10¹¹ Jones和优异的稳定性的圆偏振光检测。得益于溶液处理，进一步拓展到聚对苯二甲酸乙二醇酯基材上的柔性器件，具有相当的性能。

Chen, C.; Gao, L.; Gao, W.; Ge, C.; Du, X.;Li, Z.; Yang, Y.; Niu, G.; Tang, J. Nature Communications, 2019.

DOI: 10.1038/s41467-019-09942-z

https://www.nature.com/articles/s41467-019-09942-z

10. AM：带隙可调谐微腔钙钛矿人造人体感光器

近日，台湾清华大学Hao-Wu Lin团队发现卤化钙钛矿人造人体光感受器具有红色，绿色和蓝色的特定光响应。与目前的可编程光谱响应技术相比，研究人员将新型微腔结构与钙钛矿吸收剂结合，无需使用外部光学滤波器即可实现目标光谱。制造的人造光感受器表现出优异的性能，包括大于1013 Jones的高检测率，154 dB的大线性动态范围和580 ns的短响应时间。这些数值等于或优于天然人视网膜的值。通过使用真空沉积，这些器件可以集成在单个柔性基板上，并且演示了真正的概念验证全色图像重建。

Tsai, W.-L. Lin, H.-W. et al Band TunableMicrocavity Perovskite Artificial Human Photoreceptors. Advanced Materials, 2019.

DOI:10.1002/adma.201900231

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201900231

11. AM：比色多功能传感方法用于构建健康监测系统

韩国成均馆大学SunkookKim团队和韩国汉阳大学HanseungLee团队合作研制了一种比色多功能基于光透射的耐久性健康监测系统。该系统包括基于4个铟镓氧化锌(IGZO)的光电晶体管组成的阵列、一个发射波长为405 nm的光源以及对pH和氯具有选择性的变色膜组成。

在405 nm波长的光照下，处于应力腐蚀状态的膜会对pH和氯做出进而出现颜色的改变，其透射光强度也会随之变化，这种变化会被光电晶体管阵列以电流的形式接收。当pH值在10到12之间时，I_ds和R (I_ds/I_{pH 12})与pH值成反比，即当pH值从12降到10时，I_ds和R增加约10³倍。而对氯进行检测时，随着氯的浓度增加0.05 wt%，I_ds和R (Ids/I_Cl 0wt%)则会增加近50倍，当氯浓度达到0.30wt%时，I_ds和R则会增加10³倍。该比色传感系统具有较高的稳定性、灵敏度和多种功能，是一种新型的健康诊断工具。

Healin Im, Hanseung Lee, Sunkook Kim, et al. AColorimetric Multifunctional Sensing Method for Structural-Durability-HealthMonitoring Systems. Advanced Materials, 2019.

DOI: 10.1002/adma.201807552

https://doi.org/10.1002/adma.201807552

12. Angew：MOFs薄膜的光电导

光电导是半导体的一种特性，可应用于如光敏晶体管和光传感等诸多领域。近日，卡尔斯鲁厄理工学院Lars Heinke等多团队合作，报道了一种光导晶体MOF，其薄膜具有两个数量级的开关光电流比。该MOF薄膜骨架中含有卟啉分子，并且孔隙中负载着C₆₀客体分子。通过与参照MOF结果的对比及DFT计算表明，宿主MOF的卟啉分子与C₆₀客体分子之间的供体-受体相互作用引起电荷的快速分离；随后，空穴和电子分别通过卟啉和C₆₀形成的独立的通道进行运输；使得该MOF薄膜具有好的光电导性。

Xiaojing Liu, Lars Heinke,* et al. Photoconductivity in Metal-Organic Framework Thin Films. Angewandte ChemieInternational Edition, 2019.

DOI: 10.1002/anie.201904475

https://doi.org/10.1002/anie.201904475

13. Angew：累积多烯分子线不寻常的电导

累积多烯有时被描述为“金属”，因为无限长的累积多烯具有金属的带状结构。近日，牛津大学Harry L. Anderson，利物浦大学Edmund Leary、Richard J. Nichols及兰卡斯特大学Colin J. Lambert等多团队合作，报道了一系列累积多烯和累积多烯类似物的单分子电导率（连续的C=C数为n = 1,2,3和5）。

研究发现，n=3和5的[n]累积多烯的电导率几乎相同，且都比烯烃的电导率高(n=1)，这是不寻常的，因为分子电导通常随长度呈指数下降。而n=2由于其几何形状的扭曲，其电导要低得多。计算模拟预测与实验结果具有相似的趋势，表明在n为偶数的情况下，烯的低电导是[n]累积多烯的一个普遍特征；n=3和5的[n]累积多烯的电导不依赖于长度是由于随着长度的增加，HOMO-LUMO带隙的减小。

Wenjun Xu, Edmund Leary,* Songjun Hou, Colin J. Lambert,* Richard J. Nichols,* Harry L. Anderson,* et al. Unusual Length-Dependence of Conductance in Cumulene MolecularWires. Angewandte Chemie International Edition, 2019.

DOI: 10.1002/anie.201901228

https://doi.org/10.1002/anie.201901228