功能器件前沿每周精选丨0520-0526

纳米人

2019-05-31

1. Science：利用光尺测量纳米位移

新加坡南洋理工大学Nikolay I. Zheludev团队介绍了一种用于纳米位移测量，类似于物理尺的光尺。光尺是由光在超表面上衍射产生的复杂电磁场，在这个电磁场中，可通过高分辨干涉观测出奇点，作为刻度标记。采用Pancharatnam-Berry相位超表面，作者证明了在800 nm波长下，光尺的位移分辨能力优于1 nm（λ/800，λ为光波长）。同时，作者认为，光尺有望实现~λ/ 4000（约原子尺寸）的分辨能力。最后，作者指出，尺寸只有几十微米的光尺在纳米计量、纳米监测和纳米制造领域有广泛的应用，特别是在未来智能制造工具的苛刻和受限的环境中。

图1. 光尺测量位移的原理。

图2. 光尺位移传感的实现。

Guang Hui Yuan, Nikolay I. Zheludev*. Detecting nanometric displacements with optical ruler metrology. Science, 2019.

DOI: 10.1126/science.aaw7840

https://science.sciencemag.org/content/364/6442/771

2. Science综述：利用有源超表面的时空光控

在探索如何操纵光的过程中，光学超表面开辟了一个全新的领域。光学超表面可以局部地改变传播波的振幅、相位和偏振。到目前为止，这些超表面大多是无源的，光学性质在很大程度上取决于制造过程。斯坦福大学Mark L. Brongersma团队回顾了时变超表面的最新研究进展，并探讨了增加动态控制对于有源控制光传播的作用。

图：可通过时空超表面实现的光学现象。

Amr M. Shaltout, Vladimir M. Shalaev, Mark L. Brongersma. Spatiotemporal light control with active metasurfaces. Science, 2019.

DOI: 10.1126/science.aat3100

https://science.sciencemag.org/content/364/6441/eaat3100

3. Science：利用磁性单分子传感器探测和成像自旋相互作用

通过在探针尖端吸附CO等分子，可以大幅提高扫描探针显微技术的分辨率。加州大学尔湾分校Ruqian Wu和W. Ho团队证明，这种方法可以用来扫描表面分子的自旋属性和磁性质。研究者首先将磁性分子[双(环戊二烯)镍(II)]吸附在银表面，然后将其中一个分子转移到扫描隧道显微镜的探针尖端。随后，研究者把尖端朝向被吸附物覆盖的表面，并绘制出超交换作用的强度。

图：自旋-交换作用的强度成像。

Gregory Czap, Peter J. Wagner, Feng Xue, Lei Gu, Jie Li, Jiang Yao, Ruqian Wu, W. Ho. Probing and imaging spin interactions with a magnetic single-molecule sensor. Science, 2019.

DOI: 10.1126/science.aaw7505

https://science.sciencemag.org/content/364/6441/670

4. 北大刘开辉Nature：首次实现分米级二维单晶六方氮化硼的制备

由于二维材料相比传统的硅基器件能够提供更小的尺寸、更快的速度和更多的功能，因此二维材料的发展为其在电子、光电和光伏领域的应用开辟了可能。实现二维元件（即导体、半导体和绝缘体）大型、高质量的单晶的生长对于二维器件的工业应用至关重要。原子层六方氮化硼（hBN）具有稳定性好、表面平整、带隙大等优点，是目前国内外最好的二维绝缘材料。然而，二维六方氮化硼单晶的尺寸由于生长困难通常在1毫米以下。这些困难包括过度成核阻止从单核成长为大的单晶体，以及hBN晶格的三重对称性导致反平行域和基底上的双边界。在本文中，北京大学刘开辉教授团队发现通过退火工业铜箔能实现100平方厘米单层单晶hBN在低对称Cu（110）表面上的外延生长。结构表征和理论计算表明，铜台阶边缘与hBN之字形边缘的耦合实现了外延生长，这打破了反平行hBN域的等效性，使得单向域排列超过99%。该发现有望促进二维器件的广泛应用，并实现广泛的非中心对称二维材料的外延生长。

Li Wang, Kaihui Liu et al, Epitaxial growth of a 100-square-centimetre single-crystal hexagonal boron nitride monolayer on copper, Nature,2019

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1226-z

5. Nature Mater.：二维材料范德华异质结中的紊乱

原子级薄的2D材料因其独特结构引起研究者们的广泛兴趣，其性质和性能在很大程度上受到材料紊乱化的影响，包括由结晶缺陷引起的内在紊乱和由环境引起的外在紊乱，特别是2D体系对外部紊乱源非常敏感。最小化紊乱对于实现2D材料的期望特性以及改善设备性能和实际应用的可重复性是至关重要的。

哥伦比亚大学James Hone 课题组讨论了影响2D材料特性不同类型的紊乱结构，并回顾了两种典型2D体系中控制紊乱的进展：石墨烯和过渡金属二硫族化合物（TMD），以及通过将这些材料与六方氮化硼结合实现的范德瓦尔斯异质结构。对于石墨烯，现在可以通过机械剥离或生长获得高质量的薄膜，主要的紊乱是外在引起的。封装和器件制造技术的不断改进能够显著改进性能，从而能够研究各种新颖现象。对于TMD，外在和内在紊乱都是相关的。虽然可以通过减少外部紊乱来改善半导体TMD的电子和光学性能，但是还必须解决固有晶体质量的问题以实现石墨烯中所示类似的进展。此外，研究者还展示了如何利用原子缺陷或紊乱来提供有用的电子、光学、化学和磁学功能。

图：2D材料中结构紊乱的类型。

Daniel Rhodes, Sang Hoon Chae, Rebeca Ribeiro-Palau, James Hone, Disorder in van der Waals heterostructures of 2D materials. Nature Materials, 2019.

DOI: 10.1038/s41563-019-0366-8

https://www.nature.com/articles/s41563-019-0366-8

6. Nature Phys.：[磁性绝缘体/重金属]异质结中发现室温以上拓扑霍尔效应

磁斯格明子（Magnetic skyrmion）是具有稳健拓扑的纳米级自旋结构，可以用低电流密度操纵，因此是未来自旋电子器件的潜在信息载体。到目前为止，斯格明子主要存在于金属薄膜中，而金属薄膜具有欧姆损耗，因此具有很高的能量耗散。磁性绝缘体由于其低阻尼和无焦耳热损失，可以提供一个更节能的斯格明子平台。然而，在之前的研究中，对于绝缘化合物(Cu₂OSeO₃)而言，只在超低温下观察到过斯格明子——因为在低温下，斯格明子通过块体Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）而稳定下来。

最近，加州大学洛杉矶分校Kang L. Wang和Qiming Shao团队在室温以上的[磁性绝缘体(铥铁石榴石，Tm₃Fe₅O₁₂)/重金属(Pt)]双层异质结中观测到了拓扑霍尔效应——磁斯格明子的一个特征。拓扑霍尔效应对面内偏场和磁性绝缘体厚度的依赖关系表明，磁斯格明子是由界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用稳定的。通过改变温度，可以调整系统的磁各向异性，在更大外磁场范围内获得斯格明子，并在易平面各向异性状态下提升斯格明子的稳定性。

图1. Tm₃Fe₅O₁₂/Pt中拓扑霍尔效应示意图以及输运性质。

图2. 拓扑霍尔效应的实验观测。

图3. 磁性绝缘体厚度对拓扑霍尔效应的影响。

Qiming Shao, Yawen Liu, Guoqiang Yu, Se Kwon Kim, Xiaoyu Che, Chi Tang, Qing Lin He, Yaroslav Tserkovnyak, Jing Shi & Kang L. Wang. Topological Hall effect at above room temperature in heterostructures composed of a magnetic insulator and a heavy metal. Nature Electronics, 2019.

DOI: 10.1038/s41928-019-0246-x

https://www.nature.com/articles/s41928-019-0246-x#article-info

7. Nature Rev. Phys.展望：用二维材料定量评估透射电镜辐照效应

近年来，透射电镜仪器的发展使其成为原子尺度材料表征不可缺少的技术。同时，二维材料成为了理想的样品——其中每个原子或空位都可分辨。目前，聚焦电子辐照正在展示出新应用——对材料微结构甚至单个原子的受控操纵。评估这种方法的全部潜在应用需要精确理解电子与物质的相互作用，由于实验技术和理论模型的进步，这种方法正变得可行。在这篇展望中，奥地利维也纳大学Toma Susi团队总结了二维材料最新研究成果中相关的基础物理知识，重点是电子-物质相互作用的物理原理，而不是辐照引起的特定材料的缺陷。作者认为，二维材料可以为开发适用于多种材料的定量模型提供实验指导。

图1. 弹性/非弹性损伤。

图2. 运动核的弹性背散射中的能量传递。

图3. 电子辐照损伤截面大小。

Toma Susi, Jannik C. Meyer & Jani Kotakoski. Quantifying transmission electron microscopy irradiation effects using two-dimensional materials. Nature Reviews Chemistry, 2019.

DOI: 10.1038/s42254-019-0058-y

https://www.nature.com/articles/s42254-019-0058-y#article-info

8. 哥伦比亚大学Nature Electron.：稳定、无损伤的理想二维晶体管的加工平台

二维半导体具有许多有价值的特性，可用于制造新颖的电子器件。然而，创建具有良好接触和稳定性能的2D设备已证明具有挑战性。哥伦比亚大学James T. Teherani团队报道了可转移的接触点，由嵌入绝缘六方氮化硼的金属制成并干法转移到2D半导体上，可用于制造高质量的2D晶体管。该方法可防止直接金属化引起的损坏，为2D器件制造提供清洁，稳定且无损伤的平台。采用该方法，我们制备了基于双层p型WSe₂的场效应晶体管（FET），其具有高空穴迁移率和低接触电阻。制造的器件在超过两个月的测量中也表现出高电流和稳定性。此外，低接触电阻和干净的通道使得能够制备一个近乎理想的顶栅式p-FET，在290 K下，其阈值摆幅为每十倍频64 mV。

Jung, Y., Choi, M. S. et al. Transferred via contacts as a platform for ideal two-dimensional transistors. Nature Electronics 2, 187-194, 2019

Doi:10.1038/s41928-019-0245-y.

https://www.nature.com/articles/s41928-019-0245-y

9. 俞书宏&从怀萍Nature Commun.：具有多响应驱动的各向异性、修复水凝胶

由于在外部刺激下具有独特的形状转换和自我修复功能，受智能生物组织的启发，人造肌肉状执行器具有迷人的前景。然而，由于缺乏制造具有各向异性响应性的巧妙柔软材料的简单和通用路线，进一步的实际应用受到阻碍。合肥工业大学从怀萍和中科大俞书宏团队设计了用于制造各向异性水凝胶的普适性的原位聚合策略。该各向异性水凝胶由通过金属纳米结构组件交联的高度有序的层状网络组成，并具有在机械、光学、去溶胀和溶胀行为上的显着各向异性性能。由于动态硫醇-金属配合作为愈合基序，复合材料在NIR辐照和低pH条件下表现出快速和有效的多响应自愈合性能。取决于明确定义的各向异性结构，水凝胶呈现可控的溶剂响应机械致动性能。

Qin, H.; Zhang, T.; Li, N.; Cong, H.-P.; Yu, S.-H. Anisotropic and self-healing hydrogels with multi-responsive actuating capability. Nat. Commun. 2019, 10, 2202.

Doi:10.1038/s41467-019-10243-8.

https://www.nature.com/articles/s41467-019-10243-8

10. JACS：无HF的简便快速合成2D MXenes的通用策略

2D MXenes适用于各种与能源相关的应用，如储能装置和水分解的电催化。目前大量报道的MXenes是由HF酸刻蚀制备的，但HF酸的毒性阻碍了MXenes的大规模制造及其应用。因此，探索无害合成MXenes的方法是非常令人鼓舞的。香港理工大学Jianhua Hao课题组开发了基于热辅助电化学蚀刻途径的通用策略以合成MXenes（如Ti₂CT_x，Cr₂CT_x和V₂CT_x）。此外，钴离子掺杂的MXenes显示出异常增强的HER和OER活性，它们的多功能性与商业化催化剂相当。研究者成功开发了MXenes作为新型水性可充电电池正极，具有良好的容量保持率和出色的电输出性能。

Sin-Yi Pang, Yuen-Ting Wong, Shuoguo Yuan, Yan Liu, Ming-Kiu Tsang, Zhibin Yang, Haitao Huang, Wing-Tak Wong, Jianhua Hao, A universal strategy for HF-free facile and rapid synthesis of 2D MXenes as multifunctional energy materials, J. Am. Chem. Soc., 2019.

DOI: 10.1021/jacs.9b02578

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.9b02578