頂刊動態丨Nature子刊/AM等期刊電子材料最新科研成果精選【第20期】

本期精選預覽：Nat.Commun. 用于全息技術的非線性超材料；Nano Lett. 基于單壁碳納米管薄膜的電致變色器件；武漢大學-Adv. Funct. Mater. 自對準納米線頂柵MoS2晶體管的性能極限；Nano Lett. II型Weyl半金屬候選者T′?MoTe2的反演對稱破缺激活新的拉曼模式；Adv. Mater. 增強光學和電學性質的用于發光二極管的聚合物輔助全無機鈣鈦礦；Adv. Mater. 由表面工程得到的高效鈣鈦礦量子點發光二極管；Adv. Energy Mater. 有機半導體的結構次序和分子間作用對其電離能和電荷遷移態能量的影響；Nano Lett. 利用納米機械多模共振顯微光譜對黑磷的各向異性機械性能進行分析和調節；Nano Lett. 制備在晶圓上的自對準多溝道石墨烯納米帶晶體管；Nat. Commun. 現場原位技術量化憶阻器件中氧化還原引起的肖特基勢壘變化。

1、Nat.Commun. 用于全息技術的非線性超材料

圖1 多層非線性超材料概念圖

全息元件是存儲相位和振幅信息的光學元件，其通過相干光的照射和散射建立起物體的三維圖像。并且，當與入射光束波長相同時，就會生成圖像。近年來，研究表明信息可以存儲在納米天線中，從而產生了超薄元件。

以色列魏茨曼科學研究所的Euclides Almeida（通訊作者）等人展示了非線性多層超材料的全息圖。在一個新的頻率——光束的第三次諧波下形成了背景自由圖像。利用電子束光刻的多層電漿納米天線，研究者制作了對偏振敏感的非線性元件，如光柵、透鏡和其他計算產生的全息圖。他們對這些全息元件進行了分析，并討論了在未來設備應用上的前景。

文獻鏈接：Nonlinear metamaterials for holography （Nat.Commun., 2016, DOI: 10.1038/ncomms12533）

2、Nano Lett. 基于單壁碳納米管薄膜的電致變色器件

圖2 單壁碳納米管薄膜的電致變色器件示意圖

通過施加電場，我們可以改變電致變色材料的光學性質。在此基礎上，我們可以實現一些新型應用，比如智能窗技術，通過它可以控制室內環境，并且還可以節能。

美國加利福尼亞大學的Mikhail E. Itkis（通訊作者）等人用單壁碳納米管（SWNT）制備了由離子液體極化控制的薄膜型電光調制器，他們通過半導體（SC）單壁碳納米管薄膜制備電致變色活性層，通過金屬（MT）單壁碳納米管薄膜制備了反電極。這種器件的光學調制深度可達到3.7dB，并且響應時間在毫秒范圍內，速度比典型的電解質控制裝置快幾千倍。此外，雙光電器件是由光電活性SC-SWNT薄膜電極制備的，從而還可以在保留響應速度的基礎上增加6.7dB的調制深度。

文獻鏈接：Fast Electrochromic Device Based on Single-Walled Carbon Nanotube Thin Films （Nano Lett., 2016, DOI:?10.1021/acs.nanolett.6b01564 ）

3、Adv. Funct. Mater. 自對準納米線頂柵MoS2晶體管的性能極限

圖3 短溝道自對準納米線頂柵MoS2 FET的制備流程

發掘MoS2作為溝道材料的潛力是制備高性能的頂柵MoS2場效應晶體管（FET）所必不可少的，尤其是在背柵器件不能單獨柵控的情況下。雖然均勻的高k電介質薄膜，如HfO2，可以通過在MoS2溝道中引入人工成核位點制作頂柵FET，但這必然會降低溝道/電介質界面的質量，并產生明顯的帶電雜質散射和較低的載流子遷移率。

武漢大學的廖蕾教授（通訊作者）和肖湘衡教授（通訊作者）以及電子科技大學的熊杰教授（通訊作者）等人通過自對準納米線頂柵制備MoS2FET，這可有效減少MoS2表面的帶電雜質散射。具體而言，所制備的短溝道器件表現出可觀的電學性能，如高的電流開/關比、低的界面陷阱密度以及室溫下接近理想的亞閾值斜率。此外，文章系統地分析了短溝道效應，結果表明當帶電雜質的量通過自對準柵納米線有效降低時，該器件的主要散射機制可以變為聲子散射。

文獻鏈接：Performance Limits of the Self-Aligned Nanowire Top-Gated MoS2 Transistors （Adv. Funct. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adfm.201602250）

4、Nano Lett. II型Weyl半金屬候選者T′?MoTe2的反演對稱破缺激活新的拉曼模式

圖4 MoTe2低溫相變后拉曼模式的變化

據預測，扭曲八面體（T′）相的過渡金屬硫化物（TMDCs）具有拓撲非平凡的電子能帶，在費米能級附近的主量子自旋霍爾態和II型Weyl費米子，這引發了理解這類拓撲層狀化合物的許多興趣。

馬薩諸塞大學安姆斯特分校的Jun Yan（通訊作者）等人合成了扭曲八面體（T′）相的MoTe2，并通過拉曼光譜、密度泛函理論以及對稱性分析研究了其振動特性。與高溫中心對稱單斜晶系（T′Mo）相的結果相比，低溫正交晶系（T′or）相出現了四個新的拉曼譜帶，根據最近的預測這是一個II型Weyl半金屬。晶體的角度依賴性和光偏振測量表明，所有觀察到的拉曼峰屬于兩類：沿鋸齒狀Mo原子鏈的振動（z-模式）和垂直于鋸齒鏈的鏡面振動（m-模式）。有趣的是，在樣品冷卻引起到T′or晶體結構的相變時，T′mo相的譜中缺少的低剪切z-模式和m-模式將被激活。研究認為這是反演對稱性破缺導致的，這對于層狀晶體中Weyl費米子的存在是至關重要。

文獻鏈接：Activation of New Raman Modes by Inversion Symmetry Breaking in Type II Weyl Semimetal Candidate T′?MoTe2 （Nano Lett., 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02666）

5、Adv. Mater. 增強光學和電學性質的用于發光二極管的聚合物輔助全無機鈣鈦礦

圖5 使用PEO添加劑合成的高品質CsPbBr3薄膜

溶液處理的鹵化物鈣鈦礦由于其具有低成本、高性能光電等特性，其作為下一代的新型光敏材料顯示出巨大的潛力。

佛羅里達州立大學的Biwu Ma（通訊作者）和Hanwei Gao（通訊作者）等人研究了基于溶液處理的全無機鈣鈦礦薄膜的高亮度發光二極管。利用旋涂的方法，加入一種新的聚（環氧乙烷）添加劑合成了銫溴化鉛（CsPbBr3），其光致發光量子產率高達60％，且具有十分均勻的電流分布現象。使用光滑的CsPbBr3膜作為發光層，綠色鈣鈦礦型發光二極管（PeLEDs）電致發光強度高于53000 cd m?2 而且發光效率也高于4%，而這兩個數據是全無機PeLEDs器件性能的一個新基準。

文獻鏈接：Enhanced Optical and Electrical Properties of Polymer-Assisted All-Inorganic Perovskites for Light-Emitting Diodes （Adv. Mater.， 2016，DOI: 10.1002/adma.201602513）

6、Adv. Mater. 由表面工程得到的高效鈣鈦礦量子點發光二極管

圖6 CsPbBr3 量子點表面的配體交換機制

由于具有尺寸可調的光學帶隙、窄發射和非常優秀的電子轉移性能，鉛鹵化物鈣鈦礦最近成為最有希望應用在光電、激光和光電檢測器等方面的材料。這些令人印象深刻的性能也引發了研究者們將鈣鈦礦應用到發光二極管（LED）的強烈興趣。

多倫多大學的Edward H. Sargent（通訊作者）和沙特國王科技大學的Osman M. Bakr（通訊作者）等人研究了一種兩步配體交換的方法，在這種方法中全無機鈣鈦礦(CsPbX3, X = Br, Cl)量子點（QDs）表面的長碳鏈全部被鹵化物離子對配體所替換。與未處理的量子點相比，由鹵化物離子對封端的量子點合成的綠色和藍色發光二極管表現出高的外量子效率。

文獻鏈接：Highly Efficient Perovskite-Quantum-Dot Light-Emitting Diodes by Surface Engineering?（Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201600784）

7、Adv. Energy Mater. 有機半導體的結構次序和分子間作用對其電離能和電荷遷移態能量的影響

圖7 不同分子的化學結構和C60分子

有機半導體材料的能量圖景對其電荷和激子的特性有巨大影響，同時對于有機電子器件的運行也至關重要。其能量圖景強烈地依賴于材料存在相的狀態。因此，研究不同結構及相組成的有機半導體材料對于其電荷和激子的具體影響及其機理就顯得極其必要。

最近，來自沙特阿卜杜拉國王科技大學的Kenneth R. Graham（通訊作者）和Aram Amassian（通訊作者）研究了六噻吩:C60和紅熒烯:C60等不同有機半導體體系，并通過分別測量不同體系中電離能的紫外光電子能譜和電荷遷移態能的外量子效率描繪了有機半導體光伏材料的能量圖景。實驗結果表明，電離能和電荷遷移態能與體系結構次序和相組成有關，原因在于發生在混合區域里電荷遷移態中的電荷和純相里的自由電荷之間的電荷補償克服了電荷遷移態中的結合能，因此體系中的能量圖景得以存在。這項研究提出了有機半導體體系中能量圖景發生變化的機理，為今后設計有機半導體器件提供了理論指導，具有重要意義。

文獻鏈接：The Roles of Structural Order and Intermolecular Interactions in Determining Ionization Energies and Charge-Transfer State Energies in Organic Semiconductors?（Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/aenm.201601211）

8、Nano Lett. 利用納米機械多模共振顯微光譜對黑磷的各向異性機械性能進行分析和調節

圖8 黑磷的晶體結構、不同方向的楊氏模量及其共振圖譜空間映像

近年來，微電子機械系統（MEMS）得到了長足的發展，并在多個領域得到了應用，但隨著器件尺寸逐漸向著納米尺度邁進，以Si為主要材料的傳統微電子機械系統已經遠遠不能滿足要求。于是，二維層狀材料在構建納米電子機械系統（NEMS）方面表現出了巨大優勢，黑磷就是其中最重要的二維材料之一。

凱斯西儲大學的Philip X.-L. Feng（通訊作者）等人在高溫高壓條件下制得了黑磷晶體，并利用機械方法將其剝離，最后將黑磷轉移到覆有電極的SiO2?Si襯底上，制作了圓形和矩形的器件，研究了不同幾何形狀、不同晶體取向器件與其各向異性機械性能之間的關系，并將空間多模納米機械共振技術引入到對晶體取向和各向異性機械性能的表征上，通過結合有限元模型，測得多層黑磷器件在Z字型和手椅型方向上的楊氏模量分別為116.1和46.5 GPa。本次工作首次證明了黑磷在多模響應下的共振納米結構，不同于傳統的光學和電子技術，納米機械多模共振顯微光譜技術不需要結合極化光學光譜或在多個取向上連接多根導線就可以精確地測定黑磷的取向，并能夠同時定量測定多個各向異性機械性能參數。這項方法為測定除黑磷外的其他二維層狀材料的各向異性機械性能提供了有效的技術手段。

文獻鏈接：Resolving and Tuning Mechanical Anisotropy in Black Phosphorus?via Nanomechanical Multimode Resonance Spectromicroscopy?（Nano Lett., 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01598）

9、Nano Lett. 制備在晶圓上的自對準多溝道石墨烯納米帶晶體管

圖9 多溝道石墨烯納米帶晶體管

碳基納米電子作為能夠超越硅基納米電子學的基礎限制的最有希望的“候選人”，在過去的十幾年間，受到研究者的極大關注。特別是，次10納米石墨烯納米帶（GNRs）作為高速晶體管的溝道材料用于硅基納米電子學，被廣泛研究。GNRs的高載流子遷移率和有限能隙能使其能形成具有高效開關比的二維平面幾何結構，該結構可以通過控制GNRs在晶圓上的位置來調控。

韓國三星尖端研究所Seongjun Park（通訊作者）和Seong-Jun Jeong（通訊作者）等人研究出一種利用先進直接自組裝（DSA）納米刻蝕技術制備出基于緊密排列的多溝道石墨烯納米帶（GNR）的大面積場效應晶體管（FETs）的新奇方法。該設計策略集中在FET溝道的有效集成和使用完美兼容性的方法，比如熱力學隧穿和化學氣相沉積。研究者通過控制金限制圖案的厚度，實現具有次10納米半間距關鍵尺寸（CD）的線性堆疊DSA納米圖案陣列。優異的粗糙度（約CD的10%）表明集成次10納米石墨烯納米帶進入商業化半導體進程的可能性。

文獻鏈接：Self-Aligned Multichannel Graphene Nanoribbon Transistor Arrays Fabricated at Wafer Scale（Nano Lett., 2016, DOI:?10.1021/acs.nanolett.6b01542）

10、Nat. Commun. 現場原位技術量化憶阻器件中氧化還原引起的肖特基勢壘變化

圖10 石墨烯電極用于憶阻器件的現場原位技術

隨著便攜式計算機和智能器件在微型化和多功能化等方面，不斷地取得革命性的成功，致使對記憶存儲器件的讀寫速度和存儲容量有了更高的要求。研究出新型、低廉和高效的記憶存儲器件成為計算機發展的一個重大課題。電阻轉換是開發新型記憶存儲的一個有趣方向。在電學刺激下，復雜的納米氧化還原過程被猜測會引起憶阻器件產生一個電阻的變化。目前為止，該過程的量化信息依舊很難達到。

德國Peter Gruenberg 研究所的Regina Dittmann（通訊作者）等人利用現場原位能譜顯微技術證實了氧化還原反應驅動電阻變化。氧化還原態的量化實驗和器件模擬出現驚人的一致結果，同時揭露了在電極-氧化物界面，施主濃度2-3倍的變化促使肖特基勢壘的有效調制，導致器件電阻變化至少兩個數量級。這些發現允許真實器件的模擬，減少為了發展未來新型記憶器件的實驗性預測設計量。

文獻鏈接：Quantifying redox-induced Schottky barrier variations in memristive devices via?in operandospectromicroscopy with graphene electrodes（Nat. Commun., 2016, doi:10.1038/ncomms12398）

本期內容由材料人電子電工學術組風之翼，天行健，forest，大城小愛，靈寸供稿，材料牛編輯整理。

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