功能器件前沿每周精选丨0610-0616

纳米人

2019-06-18

1. 罗彻斯特大学Nature Nanotech.：基于应变的室温非挥发性MoTe₂铁电相变晶体管

目前，几乎所有晶体管的主要操作机制依赖于半导体沟道中的电场效应，以将其导电性从导通“导通”状态调节到非导通“截止”状态。随着晶体管继续缩小以提高计算性能，纳米级场效应操作的物理限制开始引起不可避免的漏电，这对计算性能是不利的。美国罗彻斯特大学Stephen M. Wu采用了一种全新的操作机制。通过薄膜和铁电体的纳米级应变工程，过渡金属二硫化物MoTe₂可以在场效应晶体管几何结构中，通过1T'-MoTe₂（半金属）相与半导体MoTe₂之间的电场诱导应变可逆地切换。这种用于晶体管切换的替代机制避开了传统场效应晶体管中的所有静态和动态功耗问题。研究人员在室温下实现了沟道电导率的大的非易失性变化（G_on/G_off≈10⁷对比对照组中的G_on/G_off≈0.04）。铁电器件有可能在atoujoule/bit级别达到亚纳秒级非易失性应变切换，可应用于超快低功耗非易失性逻辑和存储器。

Hou, W., Azizimanesh, A. et al. Strain-based room-temperature non-volatile MoTe2 ferroelectric phase change transistor. Nat. Nanotechnol., 2019

Doi:10.1038/s41565-019-0466-2.

https://www.nature.com/articles/s41565-019-0466-2

2. Nature Photonics：用于无透镜近场光学纳米检测的高效率纳米聚焦

近场扫描光学显微镜探头，特别是高分辨率探头，需要复杂的光学器件，但只能集中少于10^-3的入射光，这限制了其应用。加州大学河滨分校Ming Liu 和 Ruoxue Yan等人报道了一种两步顺序宽带纳米聚焦技术，在光纤耦合纳米线扫描探针的几乎所有可见光范围内具有约50％的外部纳米聚焦效率，该探针能够进行光传输和光谱收集，具有纳米级空间分辨率。通过将其与便携式扫描隧道显微镜相结合，展示了无透镜尖端增强拉曼光谱，并实现了1 nm的空间分辨率。基于光纤的纳米聚焦技术提供的高性能和广泛的多功能性，这使得纳米光学显微镜易于结合到各种现有的测量平台。

Kim, S., Yu, N. et al. High external-efficiency nanofocusing for lens-free near-field optical nanoscopy. Nat. Photonics, 2019

Doi:10.1038/s41566-019-0456-9.

https://www.nature.com/articles/s41566-019-0456-9

3. Nature Commun.：原子范德华异质结构的多铁性

同时具有铁磁性和铁电性的材料 - 多铁性 - 有望控制不同的铁电序，从而导致微波磁电应用和下一代自旋电子学的技术进步。单相多铁性受到两种铁质体所施加的相反d轨道占据的挑战，并且非均质纳米复合材料多铁性要求成分与所得多铁性仅在材料间边界处的结构相容性。近日，加州大学伯克利分校Xiang Zhang联合蔚山国立科学技术研究院Ceunsik Lee通过堆叠铁磁性Cr₂Ge₂Te₆和铁电In₂Se₃的原子层来提出二维异质结构多铁性，从而实现全原子多铁性。通过第一性原理密度泛函理论计算，研究人员发现当In₂Se₃反转其极化时，Cr₂Ge₂Te₆的磁性被切换，并且相应地In₂Se₃由于邻近效应而变成可切换的磁性半导体。这种前所未有的多铁性对偶性（即可切换的铁磁体和可切换的磁性半导体）使得两层都能用于逻辑应用。范德瓦尔斯异质结构多铁性为探索基于人工超晶格的低维磁电物理和自旋电子应用打开了大门。

Gong, C. Lee, C. Zhang, X. et al. Multiferroicity in atomic van der Waals heterostructures. Nat. Commun. 2019.

DOI:10.1038/s41467-019-10693-0

https://www.nature.com/articles/s41467-019-10693-0.pdf

4. 吴长征JACS：具有二维超导性的立方ZrN单晶薄膜

自支撑的二维（2D）晶体具有高晶体质量和宏观连续性。目前研究主要限于范德华（vdW）层状材料，而关于如何从非层状块状晶体获得2D材料的研究鲜有报道。中国科学技术大学吴长征团队报道了vdW立方ZrN单晶的合成，并研究了受限电子在稳定二维极限的原子结构中的重要作用。此外，剥离的几纳米厚ZrN单晶膜表现出新兴的2D超导性，与Pauli顺磁极限之外的非常规上临界场的尺寸交叉效应。该研究表明了尺寸受限的超导体的配对机制中的尺寸效应。

Guo, Y., Peng, J. et al. Freestanding Cubic ZrN Single-crystalline Films with Two-dimensional Superconductivity. J. Am. Chem. Soc., 2019

Doi:10.1021/jacs.9b05114.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b05114

5. UNC最新JACS：2D供体-受体异质结构中的准键

调控原子间距离是材料设计中最重要的方案之一，然而，控制2D材料堆叠中的层间距离仍然是一个挑战。北卡罗来纳大学教堂山分校Scott C. Warren课题组研究了堆叠电子驻极体（一种新型的电子供给2D材料）与其他2D材料。所得的供体-受体异质结构的层间距离小于范德华（vdW）层状材料，但比共价键或离子键高1Å。这就产生一类具有普通化学键和范德华相互作用特征的准键（quasi-bonds）。研究发现，准键具有可调极性和强度，2D供体-受体异质结构的几种特性，包括超润滑性、超低功函数以及提高锂离子电池电压。

Woomer, A. H., Druffel, D. L., Sundberg, J. D., Pawlik, J. T. & Warren, S. C. Bonding in 2D donor-acceptor heterostructures. J. Am. Chem. Soc., 2019

Doi:10.1021/jacs.9b03155.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b03155

6. 南洋理工大学AM：溶液制备的PbI₂，用于太赫兹光子器件的超快全光开关

溶液处理的碘化铅（PbI₂）具有独特的光学和超敏感光响应特性，而这些特性尚未完全开发。南洋理工大学Tze Chien Sum和Ranjan Singh等人研究了溶液处理的PbI₂薄膜的光物理和超快载流子动力学。开发出了一种PbI₂集成的超材料光子器件，具有可切换的皮秒时间响应和极低的光激发能量。研究表明，对于不同厚度的PbI₂薄膜，明显限制太赫兹场引起的灵敏度和超材料共振的切换时间。同时，PbI₂也可应用于其他的光学可切换光子器件。

Manjappa, M., Solanki, A., Kumar, A., Sum, T. C., Singh, R., Solution‐Processed Lead Iodide for Ultrafast All‐Optical Switching of Terahertz Photonic Devices. Adv. Mater. 2019, 1901455.

https://doi.org/10.1002/adma.201901455

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201901455

7. AM综述：原位透射电镜用于能源材料和器件研究

可充电电池、燃料电池和太阳能电池等能源设备是为可再生、移动和电气化的未来提供动力的核心。要发展这些装置，需要对与能量转换过程相关的复杂化学反应、物质转换和电流有基本的了解。原位透射电子显微镜(TEM)是一种强大的工具，可在原子尺度上原位直接可视化这些复杂的过程。近日，深圳大学Yumeng Shi，加州大学洛杉矶分校黄昱、段镶锋，燕山大学Jianyu Huang等多团队合作，综述了原位TEM在能源材料和器件方面的应用最新进展。作者首先综述了利用TEM研究纳米电池从开路电池结构到闭路电池结构再到全电池结构的演化过程。然后利用原位TEM探究了在实际运行环境中的充电离子电池，以及应用原位TEM直接观察电催化剂形成、演变等。最后，介绍了TEM和冷冻电镜在探测清洁能源材料方面的最新进展，并讨论了能源材料和器件原位TEM研究中出现的机遇和挑战。

Zheng Fan, Yumeng Shi,* Jianyu Huang,* Yu Huang,* Xiangfeng Duan*, et al. In Situ Transmission Electron Microscopy for Energy Materials and Devices. Adv. Mater. 2019,

DOI: 10.1002/adma.201900608

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201900608

8. Angew：受生物启发的自发可再生水凝胶

海绵动物的再生能力很强，在被分解成无数块后，还可以恢复到原来的样子，并能够自动恢复自身的功能。具有类似这种性能的材料一直以来都是科研人员所期待的，但却很难实现。有鉴于此，深圳大学 Liu Zhou、Han Zhang、Tiantian Kong等人制备出了一种受海绵动物启发的可再生粒状粉末，通过简单的水化作用，这些粉末可以再生成具有机械性能的双网状水凝胶。粉末到凝胶的转化可以重复多次，反之亦然。在多次再生循环过后仍然能够保持再生能力和机械性能，这高度类似于海绵动物的再生。该策略使双网状水凝胶在储存和成型方面具有显著的优势。这项工作对涂料和粘合剂再生材料的开发具有一定的指导意义。

Gang Qu,Yang Li,Yafeng Yu,Yuxing Huang,Wei Zhang,Liu Zhou*,Han Zhang*,Tiantian Kong*. Bio‐inspired spontaneously regenerative tough hydrogels. Angew. Chem. Int. Ed., 2019

DOI：10.1002/anie.201904932

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201904932

9. Optics Letters：单层MoS₂与等离子体Au纳米天线的超快非线性吸收增强

单层过渡金属硫族化物，如MoS₂，虽然有着独特的激子特性和强的光与物质相互作用，但是，其非线性吸收(NLA)仍然不够强，不能直接用于光开关、超短脉冲产生、光限幅等应用中。因此，对其非线性吸收特性的提升仍有着很大的需求。近期，国防科技大学江天联合湖南大学段辉高通过将单层MoS₂材料与周期金纳米天线构成异质结，对非线性吸收增强进行了微区 I扫描实验研究，并结合微区超快泵浦探测技术对其增强机理进行了研究。具体来说，其线性吸收系数在1.85 eV时增长为之前的13倍，双光子吸收系数在1.65 eV时增长8倍，吸收的增强是由于激子-等离激元耦合共振和热电子转移引起的。1. 研究人员通过稳定的光致发光实验证明了激子-等离激元的耦合效应。2. 此外，研究人员通过超快光谱测量，发现激子寿命从18.5 ps(纯MoS2)缩短到了1.84 ps（异质结），热电子转移导致的激子寿命缩短会有效的增强非线性吸收过程。该发现为调制非线性光学响应和提高非线性光子器件的性能提供了一个新的方向。

Miao, R. Duan, H. Jiang, T. et al. Ultrafast nonlinear absorption enhancement of monolayer MoS2 with plasmonic Au nanoantennas. Optics Letters 2019.

DOI:10.1364/OL.44.003198

https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-44-13-3198