顶刊动态丨电子材料前沿最新科研成果精选【第16期】

本期精选预览：Nano lett. 栅压调控黑磷的热电系数；Nano lett. 基于单层WSe2的高品质因子谐振器；Nano Lett. 电荷转移驱动纳米级别的混合半导体复合材料合成；Nano Lett. 中科院量子信息重点实验室：强耦合的纳米管机电谐振器；Nano Lett. 二维掺杂半导体中的动态激子效应；Nat.Commun. 多层石墨烯光学机械器件的力灵敏度；Nat. Commun. 简单Mott绝缘体中重建费米面时电子–空穴掺杂的不对称；Nat. Commun. 电解质栅控ReS2的紊乱工程和电导率穹顶。

1、Nano lett. 栅压调控黑磷的热电系数

图1  左：测量布置，右：热电系数的测量结果

电场效应既是表征材料本征性质的有效手段，又可用来设计功能器件。双电层晶体管（EDLT）使得在较大范围内调控载流子密度成为可能，同时也是研究热电性质的有效工具。

最近日本东京大学的Yu Saito（通讯作者）等人通过用离子液体作为栅极材料，研究了单晶黑磷层的热电性质。在该工作中，黑磷的热电系数S在210 K时达到了+510 μV/K，较室温下块材的+340 μV/K高出很多。与第一性原理计算的结果比较后，研究者认为S的提高源于栅控有效地收窄了黑磷的有效导电通道。该工作为黑磷应用于热电材料提供了很好的契机。

文献连接：Gate-Tuned Thermoelectric Power in Black Phosphorus （Nano lett.，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b00999）

2、Nano lett. 基于单层WSe2的高品质因子谐振器

图2  谐振器结构示意图

单层过渡族金属硫化物（TMD）薄膜同时具有超小质量和优越光学特性，使他们可以应用于光电机械材料中。但是目前TMD谐振器较低的品质因子阻碍着该领域的发展。

最近巴塞罗那理工大学的Antoine Reserbat-Plantey教授（通讯作者）和Adrian Bachtold教授（通讯作者）报道了一种超光敏的单层TMD谐振器，可揭示TMD材料低温下的力学性质。研究者们发现单层WSe2谐振器的品质因子可在液氮温度下达到1.6 × 104，在液氦温度下达到4.7 × 104。这远远超过了单层石墨烯谐振器。研究者们认为共振频率随温度下降而增加源于WSe2晶格的收缩。该工作为二维激子、谷电子学、单量子发射器等与机械振动态的耦合提供了新的契机。

文献链接：High Quality Factor Mechanical Resonators Based on WSe2 Monolayers（Nano lett.，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02038）

3、Nano Lett. 电荷转移驱动纳米级别的混合半导体复合材料合成

图3  (SnTe)x(CdO)1−x纳米复合材料的形貌分析（TEM）

新材料的发现往往通过混合几种材料来制备出具有特定应用的合金或者复合材料。其中，复合材料是特别有意思的一类，因为它们可以展现或增强单独组分不具备的功能。特别的，复合半导体材料被广泛的用来制造具有增强的光学性能、能级分裂和能级抵消的新材料。这种例子广泛存在，包括GaAs/GaP超晶体、InAs量子点和CdS/TiO2异质结等。制备复合材料用来约束沉积物和物理混合。因此混合结构可以控制和设计多分子层和量子线和点在集群矩阵中的嵌入。

近日，来自美国劳伦斯伯克利国家实验室的Wladek Walukiewicz（通讯作者）和他的团队介绍了一种统一并可用化学计量计算的SnTe和CdO复合材料，该复合材料是在两组分具有相异电子带结构的情况下能够稳定存在的纳米复合材料结构。该复合材料增加了介于n型半导体的CdO和P型半导体的SnTe电子性能。这可以用混合成分的导带和价带相结合来解释。最后，该团队的工作确定了一个组分材料间的电荷传输自组织并能稳定的复合半导体材料新种类。

文献链接：Formation of Nanoscale Composites of Compound Semiconductors Driven by Charge Transfer（Nano Lett.，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02395）

4、Nano Lett. 强耦合的纳米管机电谐振器

图4  单个碳纳米管上的双谐振器

由于良好的导电性和缺乏杂质以及净核自旋，在栅极定义的碳纳米管量子点（DQs）的电子电荷和自旋态在固态量子信息处理中极具潜力。一个可扩展的量子处理器需要远程耦合，而这对于DQs来说是个很大的挑战，因为相邻的量子点之间的只有局部相互作用。另一方面，碳纳米管优异的机械性能，使其可作为高频和品质因子极高的纳米机械谐振器。悬浮的碳纳米管的振动可以调节量子点的电化学电位，从而导致单电子电荷和声子之间的相干耦合；碳纳米管的变形可诱导一个施加于由自旋轨道相互作用产生的电子自旋的有效横向磁场，从而允许由声子导致的自旋翻转。

来自中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室的郭国平教授（通讯作者）等人利用一种新的微转移技术，首次在单个碳纳米管上制作了两种强耦合且可电调谐的机械谐振器。两个谐振器的频率可以通过底部的栅极单独调谐，同时每个谐振器的电荷态和声子模式都能被观察到强耦合，此外，任何一个谐振器都能通过另一个谐振器的声子模式进行非局域调制。

文献链接：Strongly Coupled Nanotube Electromechanical Resonators（Nano Lett.，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01875）

5、Nano Lett. 二维掺杂半导体中的动态激子效应

图5 掺杂对本征二维半导体材料能带结构的影响

在半导体中，如果一个电子从满的价带激发到空的导带上去，则在价带内产生一个空穴，而在导带内产生一个电子，从而形成一个电子-空穴对。空穴带正电，电子带负电，它们之间的库仑互相吸引作用在一定的条件下会使它们在空间上束缚在一起，这样形成的复合体称为激子。众说周知，在二维材料中，激子效应在控制材料的光学性质中起主要作用。而激子效应可以通过掺杂载流子进行修改。

美国圣路易斯华盛顿大学的Li Yang（通讯作者）和桑迪亚国家实验室Catalin D. Spataru（通讯作者）等人通过第一性原理贝特沙耳皮特方程计算，研究了掺杂对二维材料激子效应的影响。发现在掺杂系统中动态屏蔽效应（包括通过求和规则保留广义等离子体极点模型）是很重要的。以单层MoS2为例，研究者发现利用适度掺杂，激子束缚能可以在几百meV内进行调节，然而，由于准粒子能隙重归一化的取消，激子峰位置基本保持无变化。在更高的掺杂密度下，激子峰位置随着能量的增加线性递增，逐渐与费米边缘奇点重合。该项工作对于二维材料光学性质的量化解释是非常重要的，同时促进了从头算理论研究电荷激发的发展。

文献链接：Dynamical Excitonic Effects in Doped Two-Dimensional Semiconductors（Nano Letters，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02118）

6、Nat.Commun.  多层石墨烯光学机械器件的力灵敏度

图6  器件的假彩色图像及表征

基于低维材料（如碳纳米管、半导体纳米线、石墨烯和单层半导体）的机械谐振器在力和质量传感实验中具有很大的潜力。这些谐振器的特殊性在于其尺寸小和极低的质量，使它们在力和质量的测量中具有空前的灵敏度。然而，将纳米级机械系统的机械振动转导成一个可测量的电或光输出信号是具有挑战性的，因为这些超轻谐振器的力灵敏度往往受到振动测量的不精确性、机械谐振频率的波动、测量引起的热的限制。

近日，西班牙巴塞罗那科学技术研究所的A. Bachtold （通讯作者）等人研究了多层石墨烯耦合到超导腔的机械谐振器的力灵敏度。他们还特别地量化了在空腔内泵浦光子数目增加时的动力反作用、焦耳发热、频率噪声对力灵敏度的影响。通过平衡测量的不精确性、光学机械阻尼、测量所产生的热，他们最好的力灵敏度是390 zN Hz-1/2 （带宽：200 Hz）。

文献链接：Force sensitivity of multilayer graphene optomechanical device（Nat.Commun.，2016，DOI: 10.1038/ncomms12496）

7、Nat. Commun. 简单Mott绝缘体中重建费米面时电子–空穴掺杂的不对称

图7  EDLT器件和场效应对层电阻率的影响

众做周知Mott绝缘体的掺杂效应是复杂的且不可预测的，这可以通过检查高Tc铜酸盐的霍尔系数看出。由于掺杂的有机Mott绝缘体具有简单的电子结构，因而包括电子–空穴掺杂不对称在内的掺杂效应可能会易于研究。

日本理化学研究所的Yoshitaka Kawasugi（通讯作者）、Hiroshi M. Yamamoto（通讯作者）和Reizo Kato（通讯作者）等人探究了有机Mott绝缘体掺杂不对称性，通过进行双电层晶体管测量以及使用集群微扰理论。计算预测了对空穴掺杂费米弧状态频谱权重结果的强烈各向异性抑制，而相对均匀的光谱权重导致电子掺杂态中类非相互作用费米面（FS）的出现。根据计算来看，实验观察到的霍尔系数和电阻率各向异性符合空穴掺杂下的费米弧形成的口袋以及电子掺杂下的非相互作用费米面。

文献链接：Electron–hole doping asymmetry of Fermi surface reconstructed in a simple Mott insulator （Nat. Commun.，2016，DOI:10.1038/ncomms12356）

8、Nat. Commun. 电解质栅控ReS2的紊乱工程和电导率穹顶

图8  有无聚合物电解质时的单层ReS2

原子级薄的铼二硫化物（ReS2）是过渡金属硫化物材料中的成员之一。这种二维半导体具有弱的层间耦合和结构扭曲1T相，这导致了其电学和光学性质的各向异性。

来自瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的Andras Kis（通讯作者）等人报告了具有聚合物电解质门控的单层ReS2和多层ReS2的电子输运。研究结果表明在高载流子密度时单层ReS2的电导率被完全抑制，这是一个对于单层ReS2而言独特的不寻常的特性，使得ReS2成为TMD材料中的首例。使用双栅控器件，研究人员可以区分栅极诱导掺杂和聚合物电解质本身引起的静电紊乱（disorder）。理论计算和运输模型表明观察到的导电性抑制可以通过结合窄导带和Anderson局域来解释，其中Anderson局域是由于电解质引起的紊乱（disorder）。

文献链接：Disorder engineering and conductivity dome in ReS2 with electrolyte gating （Nat. Commun.，2016，DOI: 10.1038/ncomms12391）

本期内容由材料人电子电工材料学习小组franch7、王小瘦、天行健、李小依和灵寸供稿，材料牛编辑整理。

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