顶刊动态丨Nature子刊/Chemical Reviews/Nano Letters等电子材料学术进展汇总【160628期】

本期导读：
今天电子电工材料周报组邀您一起来看看Chemical Reviews/Nano Letters/ACS Nano/AFM/NC等期刊电子材料领域最新的研究进展。本期内容预览：二维材料之间的原子级厚的欧姆边缘接触；单层MoS2-石墨烯异质结的能带结构和最小带隙；通过化学气相沉积合成高发光率的MoS2；MoS2基生物传感器的大规模生产；解锁Si-Ge核-壳纳米线量子点场效应晶体管的优异性能；以WS2和MoS2为基体的高灵敏度的浮栅晶体管；纳米线P-N结导电性的直接测量；锰氧化物薄膜中由界面耦合引起的铁磁绝缘相；六方氮化硼中点缺陷引起的紫外单光子发射；将胶体光电二极管直接整合到石墨烯光电晶体管上方得到混合光电检测器。

1、ACS Nano：二维材料之间的原子级厚的欧姆边缘接触

图1 石墨烯和TMD之间的边缘接触

对于二维材料而言存在两种不同形状的接触界面：顶部接触和边缘接触。当接触面积足够大时，石墨烯顶部接触可以提供更小的体积和较低的接触电阻。然而，由于石墨烯和TMD之间的范德瓦尔斯间隙，当石墨烯顶部接触的长度小于转移长度时接触电阻会急剧的增长。另一方面，边缘接触提供有效的载流子注入到原子薄材料中的潜力，尽管只有很小的原子级接触面积。传统的金属电极已成功地应用在石墨烯边缘接触上，但较大的金属电极对器件体积仍占主导地位。

康奈尔大学的Jiwoong Park（通讯作者）通过可扩展和图案化的的生长方法在衬底上生长均匀质量的横向缝合的石墨烯/ TMD异质结构。得到的一维石墨烯（1DG）接触具有低的接触电阻（Rc）约30 kΩ∙μm，在液氦温度下仍表现欧姆行为，与此同时对于器件只增加了最少的体积。

文献链接：Atomically Thin Ohmic Edge Contacts Between Two-Dimensional Materials（ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b02879）

2、Nano Letters: 单层MoS2-石墨烯异质结的能带结构和最小带隙

图2 MoS2/石墨烯异质结的三维费米面和能带结构

近年来，二维材料大家族的崛起，因其具有独特的电子和光学性质，开启了基于范德瓦尔斯（vdW）异质结新器件的前景。到目前为止，大多数研究都集中在基于石墨烯、氮化硼和过渡金属硫化物的异质结构，这些材料通过机械剥离法或化学气相沉积（CVD）生长得到。设计异质结的一个关键参数是能带偏移的测定。能带偏移量对很多性能都是非常重要的，如量子限域和化学活性。

巴黎-萨克雷大学的Abdelkarim Ouerghi（通讯作者）对单层MoS2和石墨烯形成的vdW异质结的能带结构和相对论性质进行了详尽的研究。研究得到了一个尖锐的高质量的MoS2-石墨烯界面，并通过微拉曼光谱、高分辨X射线光电子能谱（HRXPS）和扫描高分辨投射电子显微镜（STEM/HRTEM）对其进行表征。结果显示，在费米能级附近，石墨烯显示了一个强健的、几乎完美的、无间隙的n掺杂狄拉克锥，同时在MoS2到石墨烯之间没有明显电荷转移掺杂。

文献链接：Band Alignment and Minigaps in Monolayer MoS2-Graphene van der Waals Heterostructures（Nano Letters，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b00609）

3、ACS Nano：通过化学气相沉积合成高发光率的MoS2

图3（a）MoS2的制备装置；(b，c)实验中两种样品的制备路线

对二维过渡金属二硫化物 (TMDCs) 而言，面临的最大考验是利用何种技术大面积地合成高质量材料。化学气相沉积 (CVD) 是合成TMDCs的一种主要技术，但材料的质量却受限于生长过程中形成的缺陷。室温光致发光 (PL) 量子产率 (QY) 是一种可用于探测半导体中缺陷的无损技术。通过机械剥离法制备得到的单层MoS2和WS2，经有机超强酸——双(三氟甲烷)磺酸亚胺 (TFSI) 处理后，其PLQY可接近100%。

加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室的Ali Javey（通讯作者）等人对MoS2进行的化学处理进行了深入研究，发现原生单层分子需要转移到二代基体中，以消除压力，从而通过TFSI处理获得高QY。并且，MoS2合成过程中，硫磺前驱体温度对有效处理起着重要的影响。这个钝化处理的发现将推进高性能的MoS2基光电子和电子设备的快速发展。

文献链接：High Luminescence Efficiency in MoS2 Grown by Chemical Vapor Deposition （ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b03443）

4、ACS Nano：MoS2基生物传感器的大规模生产

图4 MoS2的生长过程及其设备

将纳米材料与蛋白质结合形成生物传感器，可敏锐的探测单个蛋白分子的构象变化，从而可以用于探测肿瘤标记蛋白或溶液中的靶向小分子。二维MoS2材料作为具能隙的本征半导体，在该应用领域较石墨烯有着更好的性能。但可再生，高产出的制造工艺依然是一个难点。

宾夕法尼亚大学的A. T. Charlie Johnson（通讯作者）等人通过将单层MoS2晶体致密膜转移到预制的电极阵列中，获得具洁净表面，允许可再生蛋白附着的高质量场效应晶体管。并证实基于MoS2阵列的阿片类生物传感器场效应晶体管可结合水溶性的-阿片受体(MOR)。在室温环境，平均电子迁移率2.0 cm2 V-1 s-1 (36 cm2 V-1 s-1)条件下，MoS2场效应晶体管生物传感器的产率超过95%。而将大规模阵列制造与快速、精确连接的MoS2晶体管结合，对固态药检技术的发展及药物与预期的靶向蛋白分子结合的精确读出等领域的发展有着重要的推进作用。

文献链接：Scalable Production of Molybdenum Disulfide Based Biosensors （ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b02137）

5、Nano Letters：解锁Si-Ge核-壳纳米线量子点场效应晶体管的优异性能

图5 性能控制机制原理图

半导体核-壳结构纳米线技术的持续发展引发新一代场效应晶体管 (FET) 的制备技术。通过施加栅极场来了解如何控制纳米线通道的载流子迁移率是发展高性能FET的关键。

密歇根理工大学的 Ranjit Pati（通讯作者）等人证实Si-Ge核-壳结构纳米线量子点FETs优异性能的控制机制在于其均质的Si配对。量子运输方法则用于研究超窄带Si和Si-Ge核-壳纳米线量子点FETs中电流的栅极场调节方式。在偏压测试下，Si-Ge核-壳纳米线FET中出现的跨导现象较Si纳米线FET要更高，这表明在Si-Ge纳米线设备中具有更高的电子流动性，从而表现出更为优异的性能。

文献链接：Unlocking the Origin of Superior Performance of a Si−Ge Core−Shell Nanowire Quantum Dot Field Effect Transistor（Nano Letters，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b00359）

6、AFM：以WS2和MoS2为基体的高灵敏度的浮栅晶体管

图6 WS2光电晶体管的工作原理

最近几年，二维层状材料由于其原子大小的厚度、容易制备单晶范德华瓦尔斯异质结、超快光电特性和宽带光子吸收等特点，被认为是新一代最有前景的光电晶体管。然而，到目前为止，即使在一个大的偏置电压中，从这些晶体管中获得的光敏性仍不理想。

中国科学院上海技术物理研究所的Weida Hu（通讯作者）等人提出并且设计出了高灵敏度的光电晶体管，该晶体管是以WS2和MoS2为基体，同时将纳米颗粒的金（AuNPs）镶嵌在栅介质中。研究发现这些纳米颗粒的金（AuNPs）主要分布在通道和阻挡介质之间，使电子有效的分离以强烈抑制暗电流的产生。WS2晶体管子在低源/低漏和波长520nm的零栅压下获得了超低暗电流（10-11A），高光响应（1090 AW -1）、高探测率（3.5×1011 Jones）。这些结果都表明，浮栅存储器结构是一种实现高性能的二维电子/光电器件的有效设备。

文献链接：High-Sensitivity Floating-Gate Phototransistors Based on WS2 and MoS2（Advanced Functional Materials ，2016，DOI: 10.1002/adfm.201601346）

7、Nano Letters：纳米线P-N结导电性的直接测量

图7 GaAs纳米线的静电位图

半导体纳米线（NWs）是未来光电子器件包括发光二极管、激光器和场效应晶体管等的重要候选人。最近研究发现，在Au的催化下，GaAs纳米线太阳能电池可达到15%的外部效率。为了更好地合成纳米线以及进一步地提高性能，导电性能、传输性能、掺杂剂分布、接触结和表面密度等等的测量是不可缺少的。

西蒙·弗雷泽大学的Karen L. Kavanagh（通讯作者）等人使用原位电探测和离轴电子全息术（EH）来测量单个GaAs纳米线 P-N结的运输性能和电位分布。该研究主要是比较在相同的生长条件下均匀掺杂相同浓度掺杂剂的纳米线的P型结和N型结生长情况。通过EH直接成像消耗的电位分布，并与理论的理想P-N结电位相比较，得出在纳米Au催化下GaAs纳米线P-N结的生长程度。该研究为以纳米线为基础而进一步发展具有低电阻突变界面的多结器件提供了必不可少的机会。

文献链接：Direct Measurement of the Electrical Abruptness of a Nanowire p–n Junction（Nano Letters，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b00289）

8、Nano Letters：锰氧化物薄膜中由界面耦合引起的铁磁绝缘相

图8 松散的铁磁金属

钙钛矿型ABO3外延异质结构界面已经在增强界面的磁有序温度，提高设备的性能方面引起大量关注。钙钛矿型（ABO3）异质结构的原子和电子结构界面微量的差别往往会导致不同的性质，然而其机理仍然难以确定。

布鲁克海文国家实验室的Yimei Zhu（通讯作者）和 新加坡国立大学的Gan Moog Chow（通讯作者）等人对SrTiO3衬底上的Pr0.67Sr0.33MnO3薄膜的结构特性、不同寻常的传导方式、磁性能进行了综合研究。Pr0.67Sr0.33MnO3/SrTiO3界面的八面体旋转特性和平面晶格常数的变化强烈的依赖于Pr0.67Sr0.33MnO3膜的厚度。在12 nm厚的薄膜中，在SrTiO3从立方到四方相变过程中，形成了一个新的磁性极化子绝缘相的敏感界面，显然是由于在薄膜中电子-声子相互作用和原子无序的增强。并且30 nm厚的薄膜中磁性极化子绝缘相的传输特性被屏蔽，是因为耦合的界面-体积比的减少。该项研究说明了界面耦合是如何依赖厚度，从而形成了一种铁磁-极化子绝缘体的理论预测。

文献链接：Interfacial Coupling-Induced Ferromagnetic Insulator Phase in Manganite Film（Nano Letters，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01056）

9、Chemical Reviews：金属卤化物钙钛矿之迷人的光电特性

 图9 PSC（钙钛矿太阳能电池）结构的发展过程

由于金属卤化物钙钛（MHPs）作为溶液工艺光电（PV）吸收剂的成功突破，钙钛矿辉煌的历史将翻看崭新的一页。虽然MHP研究浪潮主要来自光电器件的快速发展，但是这些材料可能适用于各种光电应用。比如氧化物钙钛矿，MHPs具有ABX3这样的化学计量比，其中A和B是阳离子，X是卤族阴离子。

美国圣母大学的Prashant V. Kamat（通讯作者）等人着眼于金属卤化物钙钛在新兴光电子技术的潜在应用，综述了无机和有机-无机复合MHPs的基础物理和光物理性质。着重讨论的是原型化合物——甲基碘化铅（CH3NH3PbI3），因为人们围绕这一材料做了大量的研究。此外，本文还讨论了其他显著的MHP系统，比如相关的二维化合物。更具体地说，本文综述了MHP电子结构，吸收与释放，载流子动力学和传输以及相关光物理过程之间的相互联系，有助于现代最前沿的光电子学研究。

文献链接：Intriguing Optoelectronic Properties of Metal Halide Perovskite（Chemical Reviews，2016，DOI: 10.1021/acs.chemrev.6b00136）

10、Nano Letters：六方氮化硼中点缺陷引起的紫外单光子发射

图10 （a） CL发射光谱；（b） 二阶相关函数

迄今为止，量子点是获得紫外光区量子光源的唯一途径。宽带隙材料中的色心或许代表着获得紫外光区量子光源的另一种更为有效的选择。然而，将有效的紫外激发/检测光路和灵敏度高的检测材料的单色心输入能力相结合却十分困难，阻碍了在块晶中实现紫外量子发射。

法国国家科研中心和巴黎第十一大学的Alberto Zobelli（通讯作者）等人使用一种原实验光路将扫描透射电子显微镜的阴极发光耦合到布朗-特威斯光强干涉仪上，从而克服了这一限制。此外，他们发现了一种六边氮化硼中紫外单光子发射。阴极发光光谱表明发射限域程度高，在阴极发光光谱中出现了经典的零声子线及声子伴线的光谱信号，这表明很可能存在氮端的碳取代引起的点缺陷源。非单光子的宽发射也有可能在同样的光谱区域出现，这是由电子辐射的本征缺陷引起的。

文献链接：Bright UV Single Photon Emission at Point Defects in h-BN（Nano Letters，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01368）

11、NC：将胶体光电二极管直接整合到石墨烯光电晶体管上方得到混合光电检测器

图11 光电晶体管操作的原理图

很多器件都需要可以检测紫外到短波红外光区发光的高灵敏度检测器，然而，在可见和短波红外光区实现低成本的、灵敏度高、量子效率高、光响应迅速的光电检测器仍是光电器件的一大挑战。目前，光电检测器分为两类，分别是光电二极管和光电晶体管，二者各有所长。

西班牙光子科学研究所的Frank H. L. Koppens和Gerasimos Konstantatos（通讯作者）等人将胶体光电二极管整合到石墨烯光电晶体管上方得到了一种混合光电检测器。就响应速度、量子效率和线性动态范围而言，该混合光电检测器都超越了光电晶体管，其量子效率超过70%，线性动态范围为110dB和3dB，带宽1.5kHz。该项工作不仅研究如何将光电器件直接整合在石墨烯上方，而且为高性能的柔性二维光电器件的发展奠定了基础。

文献链接：Integrating an electrically active colloidal quantum dot photodiode with a graphene phototransistor（Nature Communications，2016，DOI: 10.1038/ncomms11954）

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、风之翼、以亦供稿，材料牛编辑整理。

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