顶刊动态丨PNAS/AEM/Nano Letters等电子材料学术进展汇总【160621期】

本期导读：
今天电子电工材料周报组邀您一起来看看AEM/JACS/Nano Letters/ACS Nano/PNAS期刊电子材料领域最新的研究进展。本期内容预览：金属-硫属化合物基的热电材料以及相关热电增强机制的最新研究进展综述；磁序和铁电性可共存于二维纳米层片界面中；可降低电触点电阻率的石墨-石墨烯接触面；通过掺硼向石墨烯中导入大尺寸非对称亚晶格；二维异质结的超快能带结构控制；低温激光处理揭示单层WS2缺陷态的光致发光；温度场中的极磁电阻相位图；GdAg2 单层的高温铁磁性。

1、AEM：金属-硫属化合物基的热电材料以及相关热电增强机制的最新研究进展综述

图1 热电材料的典型应用

由于能源和环境问题的紧迫性，各种具有成本效益和无污染的技术已引起人们相当的重视，其中，热电技术取得了巨大的进步。通过采用先进的纳米科学和纳米技术，我们可以创造出大量的具有高品质因数（ZT）的新型热电材料。而金属-硫属化合物基的热电材料更是如此，并且，在所有热电材料中，这种材料具有相对较高的ZT以及成本比较低。

苏州大学医学部和澳大利亚卧龙岗大学的Zhen Li（通讯作者）等人全面得综述了金属-硫属化合物基的热电材料以及相关热电增强机制的最新研究进展。并且他们总结了一些新的策略，有望促进无论是金属硫属化合物还是其他材料性能的进一步提高。

文献链接：Thermoelectric Enhancement of Different Kinds of Metal Chalcogenides（Advanced Energy Materials，2016，DOI: 10.1002/aenm.201600498）

2、JACS：磁序和铁电性可共存于二维纳米层片界面中

图2 人工构建出高品质超晶格多铁性材料

对于多铁性材料，可以通过磁场使其中的电子极化发生切换，反之亦然，这对于新电子技术是十分重要的。但是，在室温下也存在极少数的单相材料表现出交叉耦合特性，并且只有通过复杂的技术才能获得具有较强的磁电耦合性质的异质结构。

日本国立材料科学研究所的Minoru Osada和Takayoshi Sasaki（通讯作者）等人提出了一种多铁性材料的合理设计：对二维纳米片层进行叠层处理。他们通过交错堆叠Ti0.8Co0.2O2铁磁性纳米片与钙钛矿结构的Ca2Nb3O10纳米片，从而人工构建出新型的高品质超晶格多铁性材料。这种人造结构可以使研究人员控制层间耦合、并且（Ti0.8Co0.2O2/Ca2Nb3O10/Ti0.8Co0.2O2）这种超晶格在存在铁磁有序的情况下引发室温铁电性。这种技术为制备高度可控的多铁性材料提供了一种新的思路。

文献链接：Coexistence of Magnetic Order and Ferroelectricity at 2D Nanosheet Interfaces（JACS，2016，DOI: 10.1021/jacs.6b02722）

3、Nano Letters：可降低电触点电阻率的石墨-石墨烯接触面

图3 不同相对角度下石墨-石墨烯电触点的电阻率

导电体与石墨烯这类二维材料的强电触点对这些二维材料在电子器件的应用是十分重要的。现在一般都会采用金属触点，而这种触点无论是在边缘还是在接触面，电阻率需要小于100Ω µm，但是实际上往往大于10 KΩ µm。

哥伦比亚大学的Kenneth Shepard（通讯作者）等人为降低接触面的电阻率，将石墨单晶代替传统的金属作为与石墨烯接触的导电体，惊奇的发现，石墨的电子传输长度较传统的金属接触面高达四倍之多。另外，通过控制石墨与石墨烯间的相对方向，可以将接触面电阻率降低至6.6Ω µm2。接触面电阻率呈现一个60°的周期性，相对角在与晶体对称性相关的22°和39°左右时，接触面电阻率急剧下降，而这又与双层石墨烯的扭转角相对应。

文献链接：Resistivity of Rotated Graphite−Graphene Contacts（Nano Letters，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01657）

4、Nano Letters：通过掺硼向石墨烯中导入大尺寸非对称亚晶格

图4 失衡的亚晶格掺杂石墨烯模式图

未来，将石墨烯基电子设备投入使用还存在一个限制，即石墨烯电子结构中缺少能隙。而目前能利用可重复及加工的方法来制备出能隙的选择却并不多，最可行的方法则是导入大尺寸的非对称亚晶格。

俄罗斯圣彼得堡国立大学的Dmitry Yu. Usachov（第一作者及通讯作者）等通过光电子衍射和能谱证实选择性的硼掺杂能在石墨烯中导入1~2个亚晶格。将石墨烯有序排列在Co(0001)面上，碳原子相对于Co晶格则占据两个非等效位，即顶端和空隙。向石墨烯晶格中掺杂硼，使其占据空隙位，因为该位能与Co晶格相互作用。经理论计算，可以通过控制硼的掺杂浓度来调节掺硼石墨烯的能隙。因此，这种非对称掺杂的硼-石墨烯作为一种新型材料在电子设备应用领域上有着很大的前景。

文献链接：Large-Scale Sublattice Asymmetry in Pure and Boron-Doped Graphene（Nano Letters，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01795）

5、ACS NANO：二维异质结的超快能带结构控制

图5 MoS2和石墨烯异质结中光诱导载流子密度对MoS2带隙的调节

在2D半导体中，准粒子的带隙和激子结合能显著的受到衬底材料的选取和2D材料中的激发电子的影响。当放置单层的过渡金属硫化物（SL TMDC）在金属衬底上如Au（111），可以观察到一个强烈的带隙重整化，但降低的带隙几乎不受额外激发的载流子密度影响。

丹麦奥胡斯大学的Philip Hofmann（通讯作者）等人证明了单层二硫化钼和石墨烯（MoS2/ G）异质结构中，由相邻的石墨烯屏蔽作用会引起准粒子带隙的较小的减少，此时二硫化钼层会保留了强烈的光可调谐性。利用时间和角分布光电子能谱（TR-ARPES），该研究在飞秒尺度显示了自由载流子的光学激发导致能带结构变化，此外还能够分离单层MoS2和石墨烯的基本的电子结构以及载流子动力学。研究结果表明，与石墨烯组成的异质结的单层MoS2载流子的静态屏蔽足够弱，可以通过光激发载流子诱导显著带隙重整化。

文献链接：Ultrafast Band Structure Control of a TwoDimensional Heterostructure（ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b02622）

6、ACS NANO: 低温激光处理揭示单层WS2缺陷态的光致发光

图6 老化前后的光学图像以及老化和激光处理的PL光谱对比图

单层的过渡金属二硫属化物（TMDs）已经由于它们的物理性质，引起了极大的兴趣。而单层TMDs能否有效应用的重要因素在于它们的稳定性和处理能力，气体敏感使得对于制造和处理大尺寸的样品具有很大的挑战。但暴露于大气条件下引起的TMD性能改变对于实现器件依赖时间的可变性能是很重要的。研究表明，当放置在空气（富氧）和自然光（含紫外线）中时，单层TMDs具有一些不稳定性。因此，开发可以检测暴露于大气条件时单层TMDs变化的方法是非常重要的。

英国牛津大学的Jamie H. Warner（通讯作者）等人考察了大气环境下单层WS2的退化起点，与黑磷相比他将在更长的时间尺度下发生。文章采用低温PL光谱的方法来检测WS2中缺陷态的PL，通过激光诱导的清洗工艺去除表面的吸附剂，新峰出现与单层WS2中的缺陷有关。这项工作显示了利用低温PL方法可以检测放置在空气中单层WS2晶体内缺陷形成。

文献链接：Revealing Defect-State Photoluminescence in Monolayer WS2 by Cryogenic Laser Processing（ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b00714）

7、PNAS：温度场中的极磁电阻相位图

图7 LaSb的热容量（C）与温度（T2）的关系曲线

具有很大的磁电阻材料（MR）已经应用于电子器件，如磁记忆；自旋电子器件，如电磁阀以及磁传感器或磁性开关。最近的报告的几个非磁性半金属的极磁电阻（XMR），由于其特殊的性能，引起了人们极大的兴趣。

普林斯顿大学的Robert Joseph Cava（通讯作者）等人研究了LaBi中的极磁电阻。通过比较LaBi 和LaSb的磁效应，他们在温度场中建立了一个三角形的相位图，说明了磁场是如何调整材料中电子行为。并且，这种三角形相图还可以推广到其他的具有不同晶体结构和化学成分的拓扑半金属中。通过进行能带结构计算比较实验结果，研究人员发现LaBi 和LaSb中的极磁电阻源于电子空穴补偿孔和粒子的电子空穴中特定轨道结构的相互结合作用。这种轨道可能是各种拓扑半金属的一般特征，会在零场条件下小残余电阻率和受磁场诱导的强散射中产生。

文献链接：Temperature−field phase diagram of extreme magnetoresistance（PNAS，2016，DOI: 10.1073/pnas.1607319113）

8、Nano Letters：GdAg2 单层的高温铁磁性

图8 GdAg2 单层合金样品的结构和性能

材料所表现出来的磁性、界面稳定性和可调性是在异质结构中产生新兴磁电现象所需要的。西班牙巴斯克大学的 M. Ormaza等人主要研究了具有这些性能的 GdAg2单层合金。

他们通过X射线吸收、克尔效应和角分辨光电子与原始计算来分析Gd基合金的铁磁性。从GdAu2 到 GdAg2居里温度可以从19 K可以升高85 K这样很高的温度。在实验中发现，Gd原子与贵金属原子的充分协调对原子之间的耦合几乎没有影响，相反，在贵金属中混合Gd的S，P - d能带却能够有效的进行磁耦合。直接比较GdAu2和GdAg2单层的晶体结构可以解释表面高度约束和混合的S，P - d能带是如何提高后者的居里温度的。最终，通过作为有机半导体或磁性纳米点的基体证明了GdAg2合金稳定的化学成分和结构。这些稀土/贵金属合金表面和界面的系统研究结果可促进磁电应用的开发。

文献链接：High Temperature Ferromagnetism in a GdAg2 Monolayer（Nano Letters，2016，DOI:  10.1021/acs.nanolett.6b01197）

本期内容由材料人电子电工材料学习小组大黑天、天行健、ZZZZ和风之翼供稿，材料牛编辑整理。

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