Nature Nanotechnology：6月纳米前沿精选科研成果

今天材料牛邀您一起来看看Nature Nanotechnology期刊2016年6月纳米前沿精选科研成果：康奈尔大学开发了一种深亚波长机制中平行结构间近场辐射热的转换技术；密歇根州立大学开发了一种辐射热在电介质与金属纳米级间隙平行板间的传导技术；康奈尔大学设计了一种原子级厚度的手性薄膜材料；马里兰大学研究了一种单自旋固态光量子开关技术；意大利米兰理工大学和美国乔治亚理工学院合作开发了一种利用热辅助扫描探针印刷法绘制可重构的磁性纳米图案的技术；格勒诺布尔-阿尔卑斯大学研究了硅纳米谐振器的频率波动对谐振器自身稳定的影响机制； IBM公司T. J. Watson研究中心用自组装碳纳米管构建物理不可克隆的密码学原语。

1.  深亚波长机制中平行结构间近场辐射热的转换技术 
图1 利用MEMS实现平行纳米束的组合从而实现深亚波长热转换机制：（a）MEMS的几何示意图和工作原理；（b）红线为拟合线，黑线为不同间距下的热辐射曲线；（c）不同间距下（50 nm，1500 nm）辐射热和频率的关系曲线；（d）结构松弛后的色差扫描电子显微镜（SEM）图；（e）结构松弛前下纳米束的侧面色差扫描电子显微镜（SEM）图。

当频率集中时，深亚波长级间隙平行结构间的热辐射及其大的热梯度（>100 K）可以产生非常高的温度。这种优异的性能可以帮助人们突破可控热转换技术并实现下一代电子器件（例如，辐射热精确吻合带隙频率的光伏电池）。然而，为避免其他传热机制——热导的发生，保持较大的热梯度比较困难，所以该种热转换机制还没有在实验室实现过。

近日，美国康奈尔大学电子与计算机工程学院的Michal Lipson（通讯作者）课题组为我们展示了一种在深亚波长级SiC纳米束间的近场热辐射转换机制。纳米束之间的间距利用高精度微电子机械系统（micro-electromechanical system，MEMS）进行调控。他们利用纳米束的高弯曲压来使之对热稳定性的影响最小化，从而，使间隙即使在高的热辐射梯度下还能保持在纳米级。基于此，他们成功实现了热转换过程的优化，实现了两种量级，其中，42 nm的间隙为最远场辐射。同时，他们实现了冷-热界面间距约为100 nm时高达260 K的热梯度。

文献链接：Near-field radiative heat transfer between parallel structures in the deep subwavelength regime（Nature Nanotechnology，2016，DOI: 10.1038/nnano.2016.20）

2. 辐射热在电介质与金属纳米级间隙平行板间的传导技术

图2 （a）表示发射器和接收器间的取向；（b）实验测试的辐射热传导结果与计算结果相互比较

最近的实验表明，纳米级间隙间的辐射热转换已经远远超过了远场辐射热的理论值。人们对利用这种近场增强的技术应用在诸如热光生电和纳米平板印刷等极端环境下，产生了浓厚的兴趣，这是因为该技术能够在效应、电源转换或者这些器件的解决方法上具有预期的增强效果。最近，通过近场辐射热转换理论预测，过去的方法被用于端板或者球板构型，并且没有实现辐射热量级增长的有序化。

近日，美国密歇根州立大学机械工程系和材料科学与工程系Pramod Sangi Reddy（通讯作者）教授团队报道了在室温下实现在间隙低于100 nm的两平行板之间100-1000倍增强的辐射传导机制，这与近场辐射理论相吻合。他们的方法应用在不同的典型材料间（SiO₂–SiO₂，Au–Au，SiO₂–Au以及Au–Si）构成的双微器件和自组装纳米位点上，这使得能够精确控制间隙尺寸在100 nm到10 μm之间。他们的实验设置可以允许对基于热现象的不同近场做系统研究，这对热光生电器件具有非常重要的意义。

文献链接：Radiative heat conductances between dielectric and metallic parallel plates with nanoscale gaps （Nature Nanotechnology ，2016， DOI: 10.1038/nnano.2016.17）

3. 原子级厚度的手性薄膜材料 

图3 堆叠法制备原子级厚度的手性薄膜技术（a）堆叠法制备双层石墨烯手性薄膜过程示意图及其镜像演示；（b）电子能带结构（上）和原子的螺旋排布侧向观察示意图（下）；（c）在扭转角θ=16.5°时的双层手性石墨烯薄膜的圆周率谱或圆二色谱（红色为左旋，蓝色为右旋），以及单层石墨烯的圆二色谱（灰色）。

手性材料拥有像左右手一样的镜像对称性。这种材料在偏振光学、立体化学以及自旋电子学等领域具有许多先进的应用。尤其是匀称的具有原子级可控手性的手性薄膜材料的发现更是为具有手性性能的纳米器件的发展提供了一种有力的意义。然而，之前的方法要么基于自然的薄膜，要么基于生长的薄膜，要么是基于装配式积木阵列，但都不能对原子级纳米薄膜提供一个直接的有关本征手性属性的意义。

近日，美国康奈尔大学化学与化学生物学系的Jiwoong Park（通讯作者）副教授团队报道了一种手性堆叠技术，可以实现二维材料层与层之间的精确堆叠，通过一定的角度和比例，最终得到一种可协调手性属性。利用这种方法，他们生产了一种双原子层厚度的左右手性双层石墨烯薄膜。并且，这种薄膜呈现出目前报道的薄膜材料中最高的本征椭圆度值（高达6.5 deg μm^-1），通过测试峰强度和θ值与极性的曲线形态可知，其还呈现出超强的圆二色性。他们的研究结果证实了这种手性属性是源于大的平面磁性在层间的光学跃迁。进一步的研究证实，他们可以利用这种技术通过一层一层地堆叠的方式程序化调控原子级厚度的手性薄膜的手性性能，并且制备了三层厚度的具有结构可控的圆二色光谱石墨烯薄膜。

文献链接：Chiral atomically thin films （Nature Nanotechnology ，2016， DOI: 10.1038/nnano.2016.3）

4. 一种单自旋固态光量子开关 

图4 相关器件和实验设置（a）磁场下负极性量子点的能级结构图；（b）所装配的器件的扫描电子显微镜（SEM）图；（c）测试手段设置。

单自旋与光子之间的内部反应对于量子网络和量子分布计算来说非常重要。在固态器件中实现自旋光子的内部反应可以实现紧凑型芯片集成量子电路并实现GHz级可操作带宽。很多理论成果表明利用在纳米光子结构中嵌入自旋得到高运转速度的界面。这些提议能够实现一种量子开关，即利用自旋跃迁到光子态以及光子跃迁到自旋态实现开关效果。然而，这种开关还没有通过固态自旋系统进行实现。

近日，马里兰大学量子光电实验室的Edo Waks（通讯作者）团队在实验室利用将单固态自旋嵌入纳米光子空腔中的方法，可成功制备的自旋光量子开关。该团队的研究成果证实，自旋态能够显著地改变所反射光子的极性，以及自旋态单光量子的相干转动。这些强自旋光子间的反应为实现固态下高速量子通讯网络以及利用纳米光学器件的片量子信息中央处理器方面打开一个非常有前景的研究方向。 

文献链接：A quantum phase switch between a single solid-state spin and a photon （Nature Nanotechnology ，2016，DOI: 10.1038/nnano.2015.334）

5. 利用热辅助的扫描探针印刷法绘制可重构的磁性纳米图案

图5 通过tam-SPL法得到的磁感线图案（a）初始化之后，铁磁层（黄色箭头）以及反铁磁层（蓝色箭头）示意图；（b）样品表面的扫描探针显微镜热端扫视，产生的额外磁场（绿色箭头）。（c）当额外磁场被去除后，铁磁层的磁感线形态；（d、e）修饰前（d）修饰后（e）磁滞回线。 

利用一种神奇的工具来控制纳米级的磁性是一种光学、电子学和自旋电子学发展的新方向。目前为止，构造磁性纳米结构主要通过不可逆结构或者是化学改良的方式来实现。

近日，意大利米兰理工大学和美国乔治亚理工学院E. Albisetti（通讯作者）、E. Riedo（通讯作者）以及R.Bertacco（通讯作者）等人合作共同提出了一种手工调节磁各向异性，使铁磁层与反铁磁层交换，即可实现纳米级可重构磁性结构的新概念。通过对扫描探针显微镜热端实行局部冷却，能够任意方向磁化以及不同方向各向异性可调的磁性结构是一种不需要对薄层进行化学成分和形貌修饰的可逆结构。这种技术将为具有微调磁特性的神奇金属材料的发展提供无限种可能，例如，可重构的磁等离子体以及磁振子晶体等。在这篇报道中，研究者们利用提出的方法通过实验证实了自旋波激发的空间控制机制和磁性结构图案的传输机制。

文献链接：Nanopatterning reconfigurable magnetic landscapes via thermally assisted scanning probe lithography （Nature Nanotechnology ，2016，DOI: 10.1038/nnano.2016.25）

6. 硅纳米谐振器的频率波动

图6 谐振器中频率稳定性报告值与机械热噪稳定性极限值间的对比图

频率稳定性是纳米谐振器的关键。其中，这种稳定性被认为是提高谐振器性能极限从而解决其中的热致振动的问题。虽然，有关谐振器稳定性的测试和预测往往是要忽略机械频率响应上的波动，但最近的理论研究却被这些存在的波动所吸引。然而，这些波动很难被测试追踪到。

近日，法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学的Sébastien Hentz（通讯作者）团队的研究发现，所有的频率稳定报告值比机械热噪要大好几个数量级，他们在室温下对单晶硅的研究中也发现了与之类似的矛盾之处。于是他们提出了一种新方法用于显示该种情况是由于存在非预期的频率波动所致。而这种波动不是由于仪表或者什么其他的已知的原因所致。这一结果的发现对目前人们对频率波动的认知是一种挑战，当然也被称作一种实用性改变。

文献链接：Frequency fluctuations in silicon nanoresonators （Nature Nanotechnology ，2016，DOI: 10.1038/nnano.2016.19） 

7. 用自组装碳纳米管构建物理不可克隆的密码学原语

图7 自组装碳纳米管二维阵列：（a）器件组成示意图；（b，c）5×5交叉结构的SEM照片

信息安全关系到现代社会生活的许多方面。然而，硅芯片很容易通过侧信道攻击（如通过测量功耗、定时或电磁辐射等）而造成伪造、篡改及信息泄露。单壁碳纳米管由于其卓越的电学性能和固有的超薄外观，可替代硅作为晶体管的通道材料。但要使其用于高性能的电子设备，还需要解决诸如有限的半导体纯度和非理想组装等问题。

近日，来自IBM公司T. J. Watson研究中心的Shu-Jen Han（通讯作者）等人利用碳纳米管的固有缺陷低成本地构建了一种不可克隆的随机电子结构。研究人员采用离子交换法使得碳纳米管自组装成氧化铪沟槽图案，并对沟槽的宽度进行了优化，以使得纳米管排布的随机性达到最大化。通过这种方法创建了二维随机位阵列，该二维随机阵列可通过决定连接收率和纳米管器件的转换方式来提供三元位结构。最终，研究人员得到了一个与传统的二进制密钥具有相同大小但安全级别显著增高的加密密钥。

文献链接：Physically unclonable cryptographic primitives using self-assembled carbon nanotubes （Nature Nanotechnology ，2016，DOI: 10.1038/nnano.2016.1）

本文由材料人编辑部学术组Carbon和Sea供稿，材料牛编辑整理。

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