顶刊动态丨电子材料前沿最新科研成果精选【第17期】

本期精选预览：ACS Nano 中科院北京纳米能源与系统研究所：GaN纳米线的压电-光电效应提高自对准MoS2场效应晶体管的光响应；ACS Nano 等离子体振子单层石墨烯电子探测器；ACS Nano 北京大学：利用Au(001)六方重构所产生的周期性准一维电势调制石墨烯电学性能；Angew. Chem. Int. Ed. 中科院化学所：有机小分子的高性能n型热电材料铋界面掺杂；Adv. Funct. Mater. 北京化工大学：基于二维串联FRET过程的发光无机/有机复合超薄膜及其潜在的VOC选择性传感性能；Adv. Funct. Mater. 用于全碳纳米管印刷电子的聚全氟混合电解质；Adv. Mater. 反铁磁自旋电子学领域——补偿亚铁磁Heusler薄膜；Adv. Mater. 单层MoS2的压电-压电效应应用于漏-栅柔性光电子学。

1、ACS Nano GaN纳米线的压电-光电效应提高自对准MoS2场效应晶体管的光响应

图1 GaN纳米线顶栅MoS2晶体管的自对准制备工艺流程图

单层MoS2具有优异的电学性能、良好的透明性以及强健的机械灵活性，被认为是电子和光电应用的一个有希望的“候选人”。

中国科学院北京纳米能源与系统研究所的潘曹峰研究员（通讯作者）等人报道了具有增强光响应的高性能自对准MoS2场效应晶体管（FET），其中光响应的增强是由于压电-光电效应引起的。该场效应管的制备基于单层二硫化钼，其中压电GaN纳米线（NW）作为局域栅极，利用自对准工艺来确定源漏电极。该制备方法可以保持MoS2的固有性质且抑制MoS2 / GaN界面的散射中心密度，这导致了高的电学和光电性能。研究人员已经制备了通道长度为∼200 nm且亚阈值斜率小至64 mV/dec的MoS2场效应管。其光响应度是443.3 A·W−1，550 nm波长的光照射下具有快速响应和∼5 ms的恢复时间。当在GaN纳米线中引入应变后，光响应度进一步提高到734.5 A·W−1，且保持一致的响应和恢复时间，这是可以与机械剥离二硫化钼晶体管相比较的。这一方法打开了通向高性能顶栅压电增强二硫化钼探测器的大道。

文献链接：Enhancing Photoresponsivity of Self-Aligned MoS2 Field-Effect Transistors by Piezo-Phototronic Effect from GaN Nanowires （ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b01839）

2、ACS Nano 等离子体振子单层石墨烯电子探测器

图2 单层石墨烯六边形纳米链接点的等离子体振子电子探测器

等离子体振子—导电材料中集体振动的电子—由于其能够将电子和光子的自由度自由的匹配而在纳米光电学方面扮演着及其重要的角色。尤其，等离子体振子在石墨烯—单原子厚度碳材料—提供了较强的空间限制、长的寿命和独特的光电子性质。可以理解，这种材料在应用方面可以加强器件的整体性。然而，如何建立探测石墨烯等离子体振子的有效体系依然是个挑战。

近日，巴塞罗那科学技术研究所的Javier García de Abajo（通讯作者）等人介绍了极其简单的石墨烯纳米材料可以制备等离子体振子的单芯片电子探测器。特别地，他们预测了单一等离子振子可以激发通过石墨烯纳米连接点的电流双倍增加，这种作用与伴随等离子体振子衰退的电子温度增加有关，时间在一皮秒之间。更进一步，该团队为我们说明可以通过连接点的电掺杂和改变纳米材料的尺寸是来实现更广阔的光谱探测范围。该石墨烯可以作为未来综合纳米等离子振子探测器器件的组成部分。

文献链接：Electrical Detection of Single Graphene Plasmons（ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b04139）

3、ACS Nano 利用Au(001)六方重构所产生的周期性准一维电势调制石墨烯电学性能

图3（a）左图为Au层表面进行六方重构的原子模型，表现为宽约1.44nm的周期性条纹。右图为Au（001）的俩相邻重构示意图；（b）化学气相沉积石墨烯后，两重构Au（001）区域的扫描透射显微镜图；（c）图（b）中的矩形区域放大图，两条纹区域呈90°交叉

在周期性重构基体上制备单层石墨烯的结构和电学性能，可通过表面产生的条纹进行调制，从而产生有趣的物理性质，如磁性和超导。目前石墨烯纳米级周期势的应用仍是挑战。作为替代法，石墨烯与其他材料的异质结构已有研究，但一维周期势调制鲜有报道。

北京大学的张艳锋（通讯作者）和吴孝松（通讯作者）等人使用化学气相沉积方法，在低晶面指数的Au（001）金属表面上合成了厚度均匀的单层石墨烯。他们利用Au（001）表层原子的1×1方形晶格在一定温度下转变为准六边晶格，即进行六方重构的原理，在STM下发现了石墨烯呈准一维条纹的超晶格点阵。而扫描隧道谱发现的两个新狄拉克点受超晶格点阵产生的一维周期势影响。该研究表明石墨烯的电学性能能够为一维周期势所调制，并导致能带中狄拉克点的演变，该研究对理论研究与应用都具有重大意义。

文献链接：Modulating the Electronic Properties of Monolayer Graphene Using a Periodic Quasi One-Dimensional Potential Generated by Hex Reconstructed Au(001) （ACS Nano ，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b02548）

4、Angew. Chem. Int. Ed. 有机小分子的高性能n型热电材料铋界面掺杂

图4 a）TDPPQ界面铋掺杂机理。b）TDPPQ的分子结构。C）原始TDPPQ和铋掺杂后TDPPQ的能级图。d）低动力学能区域（二次电子中止）和e）在TDPPQ膜上沉积不同厚度的Bi的过程中UPS的低能带区域（HOMO）。

化学掺杂的高性能n型有机热电材料（TE）在柔性发电的应用中至关重要。

中科院化学所的狄重安 （通讯作者）和 朱道本（通讯作者）等人第一次描述对有机半导体n型化学掺杂铋（Bi）形成具有高性能的TE材料。噻吩二酮吡咯并吡咯系醌（TDPPQ）分子的Bi界面掺杂使膜具有了3.3 S cm−1均衡电导率和585μVK-1塞贝克系数。新开发的TE材料具有113μWM-1 K-2的最大功率因数，这是在有机小分子基n型的TE材料中最为前列的。这些研究表明，重金属掺杂有机半导体的微调开启了探索高性能有机热电材料的新方法。

文献链接：Bismuth Interfacial Doping of Organic Small Molecules for High Performance n-type Thermoelectric Materials. （Angew. Chem. Int. Ed.，2016，DOI: 10.1002/anie.201604478）

5、Adv. Funct. Mater. 基于二维串联FRET过程的发光无机/有机复合超薄膜及其潜在的VOC选择性传感性能

图5 A）一步和两步串联FRET过程的图示，B）供体和受体的分子结构，和C）薄膜形成过程示意图

串联荧光共振能量转移（FRET）是一种无辐射的多步骤过程，其在小于10nm的范围内发生于不止一对能量供体和受体分子之间，因为它的简单性和灵敏度使得其在发展荧光传感器起到了重要的作用。

北京化工大学的陆军（通讯作者）等人利用层层叠加的方法将蓝色发光中性聚（乙烯基咔唑），绿色发光三-(8-羟基喹啉)铝，三[2-(4,6-二氟苯基)吡啶-C2,N]铱(III)和橙色发光4-(二氰亚甲基)-2-甲基-6-(4-二甲基氨基苯乙烯基)-4H-吡喃（DCM）和双层氢氧化物纳米片组装形成无机/有机复合发光超薄膜（UTF）。紫外-可见吸收，扫描电子显微镜和小角度X射线衍射结果表明，所制造的超薄膜是有序的、线性增长和均匀的。光致发光光谱表明二维串联FRET过程得到实现，并在UTF中获得了显著增强的光发射，而且延长了DCM染料寿命。此外，这些复合UTF朝基于干扰二维串联FRET过程的常见挥发性有机化合物（VOCs）显示出了快速，灵敏，和选择性的荧光信号，这意味着其在VOC的选择性传感领域具有潜在的应用。

文献链接：A Luminescent Inorganic/Organic Composite Ultrathin Film Based on a 2D Cascade FRET Process and Its Potential VOC Selective Sensing Properties（Adv. Funct. Mater.，2016，DOI：10.1002/adfm.201601087）

6、Adv. Funct. Mater. 用于全碳纳米管印刷电子的聚全氟混合电解质

图6 （A）复合液固化过程中化学转化示意图 （B）左图膜层结构为金层-聚全氟电解质；右图结构为玻璃板-金层-聚全氟电解质层-金层，图左至图右发现PFE已经固化透明

传输系统对柔性电子元件的高热稳定性和高机械强度至关重要。由于优良的可印刷性、柔韧灵活性、热稳定性和力学性能，半导体单壁碳纳米管成为一种先进的薄膜晶体管材料。另一个重要组件是具有大电容的电介质，其中聚合物电解质可用于柔性电子印刷领域，但其机械强度较差、服役温度较低。

美国原子纳米电子股份有限公司的Huaping Li（第一作者、通讯作者）等人在高温下固化聚全氟树脂（PFR）和离子液体复合液，制备出一种透明、柔韧、耐热的高电容聚全氟电解质（PFE）。这种聚全氟电解质继承了聚全氟树脂（PFR）的柔韧性和热稳定性。用纯单手性单壁碳纳米管制备的薄膜晶体管表现出高跨导（1 mS）并在空气中稳定、均一、可靠的双极性特征。在低电压空气环境中，对P型和N型载流子有较小的亚阈值摆幅（<0.15 V dec−1），且在低工作电压下两种载体的开/关流动比率都 ＞105。总的来说，采用高电容聚全氟电解质（PFE）制备的碳纳米管电子产品，具有优异的电学性能、力学性能以及热稳定性。

文献链接：Polyfluorinated Electrolyte for Fully Printed Carbon Nanotube Electronics（Adv. Funct. Mater.，2016，DOI: 10.1002/adfm.201601605）

7、Adv. Mater. 反铁磁自旋电子学领域——补偿亚铁磁Heusler薄膜

图7 （a）补偿亚铁磁Mn2.35Pt0.65Ga(膜厚27 nm)和亚铁磁Mn2.8Pt0.2Ga(膜厚16 nm)膜层结构图；（b）双膜层结构横截面的扫面透射电子显微镜图；（c）第一层和第二层的高分辨率透射图以及（d）选区电子衍射花样

自旋电子学是一个很大的研究领域，该学科的研究主要集中在铁磁薄膜结构上，然而，铁磁体会产生随着设备尺寸变小而规模越大静磁偶极子场，此磁场必须最小化或消除，否则将影响设备的传感和磁记忆等功能。

为此，普朗克固体化学物理研究所的Ajaya K. Nayak（通讯作者）等人基于Heusler化合物设计了一种利用远程振荡现象的层间耦合结构，目的在于构建人造反铁磁性的异质结构或在亚铁磁材料的补偿点应用稀土金属与过渡金属的合金。该合金的应用可以在原子尺度上完全消除偶极子场，从而确保传感和磁记忆功能的正常发挥。

文献链接：Compensated Ferrimagnetic Tetragonal Heusler Thin Films for Antiferromagnetic Spintronic（Adv. Mater.，2016，DOI: 10.1002/adma.201602963）

8、Adv. Mater. 单层MoS2的压电-压电效应应用于漏-栅柔性光电子学

图8 单层MoS2压电-光电器件和测试操作示意图

在光电子学中，光子和电子的动态操控通常是通过静态偏压来实现的。然而，随着光电子学在柔性可穿戴器件和人机接口连接等新领域的发展和应用，需要发展出能够直接通过来自人体的刺激/输入信号来对光子/电子操控的功能化光电子学。

美国乔治亚理工学院的王中林教授（通讯作者）等人报道了在基于单层压电半导体MoS2的柔性漏栅光电子学的研究成果。他们利用在金属-MoS2界面产生的压电极化电荷，操控光生载流子的分离和输运。压电-光电效应在两电极原子级厚度光电晶体管中得到应用，其光探测过程通过衬底产生的张力系统地调谐完成的。在低光照度3.4 μW cm−2（波长为442nm）的光照下，当施加一个-0.38%的压缩静态张力时，单层MoS2光电晶体管的光响应度超过已经报道最高的记录，达到2.3 × 104 A/ W。二维原子级厚度材料的压电效应、光激发和半导体性质间的耦合能够促进柔性纳米光电机械系统、适应性生物光电探测和超薄光电子学的发展。

文献链接：Piezophototronic Effect in Single-Atomic-Layer MoS2 for Strain-Gated Flexible Optoelectronics（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201602854）

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

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