顶刊动态丨Nature子刊电子材料学术进展汇总（160525期）
本期导读：
今天电子电工材料周报组邀您一起来看看Nature Materials/Nature Nanotechnology期刊电子材料领域最新的研究进展。本期内容预览：发现具备磁性斯格明子的超薄铁；梯度成分的铁电体薄膜能实现高灵动控制铁弹畴；自旋-轨道转矩在双层铁磁性材料与非铁磁性材料之间的磁性转化；原子相干量子点颗粒的电荷传输和定位；一种用于电磁设备中信号高能效传输和本地处理的可重构波导；室温下通过多层膜中的加性界面手征相互作用形成稳态小型的独立斯格明子；作为可重新配置自旋波纳米通的磁畴壁；基于Lewis酸化学的二维金属硫属化合物的表面功能化；大单晶双层石墨烯的氧气活化生长和能带可调性；双层MoS2晶体管实现谷霍尔效应的电学调控。
1、Nature Materials: 发现具备磁性斯格明子的超薄铁
斯格明子的产生过程
磁性斯格明子是一种的拓扑自旋结构，具备奇特的物理性能，可应用在节能的自旋电子元件中。然而斯格明子目前仅在低温下一些特殊材料中才得以发现，且在快电流驱动下，斯格明子的获得率会降低。因而，这成为斯格明子研究的最大阻碍。
来自美国和德国的多所研究院校组成的研究团队发表了关于斯格明子的最新研究成果，称在Pt/Co/Ta和Pt/CoFeB/MgO这两种超薄的过渡金属铁磁体中，室温下可以观测到稳定的磁性斯格明子。同时也证实了在短路电流脉冲驱动下，铁磁体中的斯格明子可实现增值。这项研究成果也将为我们研究室温下薄膜异质结的斯格明子自旋电子学开辟新的道路。
2、Nature Materials: 梯度成分的铁电体薄膜能实现高灵动控制铁弹畴
PbZr1-xTixO3异质结的畴结构
铁电体材料的性质主要取决于畴和畴壁，实现对畴产生、湮灭或移动的控制利于新一代电子设备的发展。在铁电体薄膜中，畴趋于形成高取向的铁弹畴结构，以平衡弹性和静电能。若要将铁弹畴应用在纳米尺度的电子设备中，则需要获得高灵动的铁弹畴，使其空间位相易改变，并在不同外界刺激下易操作，可重复性好。虽然电场可实现铁电体的畴壁180方向的改变，但相同的控制方式未能应用在铁弹畴上。
来自美国加州大学伯克利分校及其他多所研究院校的研究者们研究了应变梯度和成分梯度是如何改变铁弹畴形成时的能谱，并证实梯度成分的PbZr1-xTixO3异质结在梯度应变下会形成针状的铁弹畴。这些针状畴在外加电场下，平面方向处高度不稳定，因此局部上会增强压电效应。这个发现将推动畴工程的发展，对尚未实现的纳米功能电子设备的发展有着潜在的应用价值。
文献链接：
Highly mobile ferroelastic domain walls in compositionally graded ferroelectric thin films
3、Nature Materials:自旋-轨道转矩在双层铁磁性材料与非铁磁性材料之间的磁性转化
样品结构与磁性能
日本东北大学的科研团队发现在施加与电流呈线性关系的磁场后，对于双层铁磁性材料与非铁磁性材料系统有足够大的自旋-轨道转矩去切换铁磁性材料的磁性。在外加磁场的作用下，研究人员观察到了双相垂直磁化的切换。反铁磁性材料PtMn展示出了与Ta和Pt相媲美的自旋霍尔效应。基于轨道自旋的磁性切换为超快和可靠的自旋电子设备、磁化操纵电气设备、固态器件以及神经态计算的实现带来了希望。
文献链接：
Magnetization switching by spin–orbit torque in an antiferromagnet–ferromagnet bilayer system
4、Nature Materials：原子相干量子点颗粒的电荷传输和定位
超晶格结构（a）和原子结构（b）的环形暗场扫描透射电子显微镜图像
纳米结构材料具有独特的电子性质，这给未来的应用带来了希望。最近控制外延生长半导体纳米晶(NCs)形成超晶格——也被称为“量子点”取得了突破，从而有希望制备一些具有所设计属性的材料。理论上虽然预测了一些电子现象——包括拓扑状态和和狄拉克锥，但却仍然缺乏实验的支持。预测的电子能带结构在实验中实现的前提是局域电子向非局域电子的转变，但是这需要有序的超晶格结构和NC之间的强耦合。
Tobias Hanrath等人结合先进的结构表征技术以应对这一挑战——利用像差校正电镜和X射线散射来精确地确定结构和紊乱参数，将确定的参数作为紧束缚电子模型的参数输入。通过整合结构分析、输运测量和电子结构计算，他们证实了由于外延间点之间连接的异质性载流子被局域在几个点之间。重要的是，分析表明，通过优化点和点之间的键合从而实现完全的离域是可能的。这提供了一种可以实现理论性质的量子点固体的前进方向。
文献链接：
Charge transport and localization in atomically coherent quantum dot solids
5、Nature Nanotechnology：一种用于电磁设备中信号高能效传输和本地处理的可重构波导
实验与工作原理示意图
基于自旋波的设备将带来一个低功耗计算的时代，将利用电子的自旋过程携带信息，而非传统的通过电荷来传递信息，但是由于这种应用需要使用偏置磁场，这必须持续供电以维持各向异性器件的特性，因此其应用潜力受到影响。
Arabinda Haldar等人提出了一种可重构波导的设计，在初始化之后不需要任何外加偏置磁场，即可传输并可本地操纵自旋波。作者通过实验验证了未加偏置场情况下自旋波在直波导及弯曲波导中的传输，至今为止，这一点并不容易实现。此外，我们在波导中通过切换磁场实现了自旋波信号的二进制选通。文中所取得的研究成果将对于室温下纳米磁性设备的高密度集成和高能效运行具有一定的帮助。
6、Nature Nanotechnology：室温下通过多层膜中的加性界面手征相互作用形成稳态小型的独立斯格明子
非对称多层膜的DMI界面
面对着数据的不断增长的需求，人们需要一种新的存储结构。由于纳米尺寸的磁性斯格明子可以说是自然界中的磁性薄膜里最小的自旋纹理，它们有可能可以解决该问题。
C. Moreau-Luchaire等人设计了一种基于钴的多层薄膜，其中钴层夹在两层重金属中间，用以提供加性界面dzyaloshinskii–Moriya相互作用，在Ir|Co|Pt这样的非对称多层膜中达到了接近2mJ每平米的数值。通过使用磁化敏感扫描型X射线透射显微技术，作者对这些多层膜在非常低的场中给小磁畴进行成像。通过对它们在垂直磁场中的行为表现进行研究，作者发现它们实际上是由巨大的dzyaloshinskii–Moriya相互作用所稳定下来的磁性斯格明子。在室温下发现技术相关材料中的稳定的亚100纳米尺寸的独立斯格明子，这为将来设备的应用铺平了道路。
7、Nature Nanotechnology：作为可重新配置自旋波纳米通的磁畴壁
输送原理、样品几何形状和磁化配置
在磁振子的研究领域中，可以设想自旋波将被用作信息载体，操作其波动性。在过去的几年中，在磁振子领域已经付出了巨大的努力，来实现了利用自旋波进行数据处理的概念。最近，这一概念已经取得了显着的进展，导致基于自旋波为逻辑的原型构建块的出现。先前关于纳米尺度自旋波传播的研究依赖于波导几何图案的约束，这缺乏可编程器件所需的控制传播路径的灵活性。另一方面，在微尺度二维结构中的自旋波的动态调控已经实现，但由于需要不断施加外场，这导致能耗很高。
在这篇文章中，H. Schultheiss等人提出了克服这些挑战的可能方法。他们在实验上探索内在的自旋波的本征模式，它沿畴壁的宽度方向是量化的并具有一个明确的确保信息传递的沿畴壁的波矢量。针对这类未知的自旋波模式，该团队专注于利用纳米尺度畴壁作为纳米尺度的自旋波通道从而对在两个维度的自旋波传播进行能效控制能力。
文献链接：
Magnetic domain walls as reconfigurable spin-wave nanochannels
8、Nature Nanotechnology：基于Lewis酸化学的二维金属硫属化合物的表面功能化
基于InSe的2D配位络合物的形成机理和InSe–Ti复合晶格结构
电子表面状态在二维材料中发挥着主导作用，并改变原始原子层的内在属性。在需要有机官能团的器件中，如染料敏化光电系统或传感器，官能团需要共价连接到2D表面，以实现有效的耦合。对于表面修饰，如弱非共价相互作用，缺陷处的共价键合，纳米颗粒装饰，目前的方法往往导致不稳定或扰乱原始晶格结构。此外，大多数的报告官能方法依赖于在给定材料的特殊性能，因此仅仅应用在非常窄的光谱范围是有用的。
另一种方法是建立一个可以作为大多数2D材料进行稳定的表面官能化同时保留2D拓扑性质的指南的解决方案。对很多2D材料的表面进行检查表明，表面上的原子通常以孤对电子终止——这是路易斯碱的一个特征，因此可与路易斯酸连接形成配合物。接着，这些2D配位复合物可作为一个平台，用于针对特定应用的进一步的官能化。Kaustav Banerjee等人展示了这一方法在不同的二维材料的通用性和有效性，并报告新类型的基于路易斯酸- 碱化学的二维固体层状复合物的合成。
文献链接：
Surface functionalization of two-dimensional metal chalcogenides by Lewis acid–base chemistry
9、Nature Nanotechnology: 大单晶双层石墨烯的氧气活化生长和能带可调性
氧气活化CVD方法制备出的BLG样品电镜成像
AB型堆叠的双层石墨烯（BLG）是一种能带可以通过横向电场调谐的半导体，在众多光电器件应用方面具有巨大的潜在应用价值。因此，一种可行性的合成高质量BLG的方法是十分重要的，该方法必须满足在两个石墨烯层上都有最小的晶体缺陷，最大的AB型堆叠面积，这样，才可能实现能带的可调性。
近日，美国哥伦比亚大学Rodney S. Ruoff等人研究出一种氧气活化化学气相沉积（CVD）方法，该方法在铜衬底上制备出半厘米级的AB型堆叠双层石墨烯（BLG）单晶。除了单层石墨烯（SLG）的传统表面限制生长，作者发现了一种新的微观调控步骤：由于铜表面碳氢分子完全脱氢后，利用穿过铜箔的碳原子的扩散作用，调节第二层石墨烯在第一层石墨烯上的生长，该过程在没有氧气的情况不会发生。此外，在铜箔－第一层石墨烯界面，碳原子的有效扩散会进一步促进第二层石墨烯经畴的生长。该方法制备出的BLG具有超高的电子性质，器件开关比超过10^4，在0.9v/nm位移电场作用下，可调能带隙高达100meV。
文献链接：
Oxygen-activated growth and bandgap tenability of large single-crystal bilayer graphene
10、Nature Nanotechnology：双层MoS2晶体管实现谷霍尔效应的电学调控
双层MoS2晶体管的示意图
除了固体电子电荷和自旋外，固体电子的谷自由度作为一种新型信息载体已经被提出。过渡金属硫化物具有大范围的可调能隙，是研究电子谷自由度的最佳材料。关于二维半导体过渡金属硫化物（TMDs）的谷基电子和光电应用，已经被实验证实，在单层MoS2发现谷极化和谷霍尔效应的光学定向。然而，单层MoS2是一种非中心对称晶体，其谷霍尔传导性调谐比较困难，给谷基应用的发展带来了挑战。
近日，宾夕法尼亚州立大学Jie Shan等人研究制作了一种双层MoS2晶体管，双层MoS2的谷霍尔效应可以被栅电压调控。栅极施加的电场垂直于材料平面，打破了双层MoS2的反演对称性。由纵向电流引起的谷极化可以通过克尔旋转显微镜成像观察。极化信号只在器件沟道的边缘被发现，两个边缘的信号是相反的，并且可以被栅电压调控。这项工作促进了二维半导体在谷基电子光电应用方面的发展。
文献链接：
Electrical control of the valley Hall effect in bilayer MoS2 transistors
11、Nature Nanotechnology:超薄纳米结构的室温斯格明子的手性磁性
纳米尺寸的旋转磁场结构被命名为斯格明子磁性，斯格明子磁性是伴随着旋转结构的手性自旋结构，这个发现开辟了在纳米尺度上磁化操作的新路径。这种磁性物体的一个重要特征是它们拥有不平凡的拓扑自旋结构、手性结构和纳米尺寸，并可以通过小的电流密度来移动，也就是说，它们的磁化结构不能连续地转化为均匀的磁场，而不引起奇异性，这在纳米尺度上的进行磁化操纵开辟了一个典范。到目前为止，斯格明子手性结构只在外加磁场和低温下的散装材料和外延薄膜材料中被证实。
在本篇文章中，研究人员观察了室温和外磁场为零的条件下溅射超薄Pt/Co/MgO纳米结构的稳定斯格明子。使用高分辨率的X射线磁性圆二色性显微镜显示Néel手性的内部结构，主要是由于手性的相互作用就犹如自旋波光谱测量所显示的一样。通过微磁学模拟和数值模型来验证最后的结果，这些都可以用来调节斯格明子的大小和稳定性的物理机制。
文献链接：
Room-temperature chiral magnetic skyrmions in ultrathin magnetic nanostructures
12、Nature Nanotechnology:金属铁磁异质结的电流脉冲控制
尽管已经证实非中心对称的半导体材料在自旋轨道相互作用下会产生电和圆偏振光，但这种观念在一些常用金属材料的自旋电子学器件尚未得到应用。现如今的一些电子设备，不仅要利用电荷还要利用电子的自旋，这个想法造就了电子学的发展，促进了信息存储和处理的改革。利用飞秒激光脉冲将会是超快自旋电子学发展的一个新的方向。
利用太赫兹（1012 Hz）发射光谱和自旋轨道相互作用，T. J. Huisman等研究人员证实了金属铁磁体的异质结构会在飞秒时间内使带电的光电流产生光。光电流的方向由圆偏振光的螺旋度控制。这些结果为太赫兹电子学打开了前所未有的新机遇，并且为全光控制磁性能提供新的见解。
文献连接：
Femtosecond control of electric currents in metallic ferromagnetic heterostructures
本期内容由材料人电子电工材料学习小组提供，材料牛编辑整理。
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