顶刊动态丨Adv.Mater./Nano Lett.等期刊电子材料前沿最新科研成果精选【第19期】

本期精选预览：Angew 液相剥离多层锑烯；Nano Lett. 通过双轴应变实现悬浮单层MoS2的大带隙工程；Nat. Commun. Bi2Te3在60 °处孪晶界处自由电子的产生；北京大学 Adv. Funct. Mater. 高温BiScO3-PbTiO3压电式振动能量采集器；ACS Nano 柔性纳米多孔WO3−x非易失性储存设备；ACS Nano 悬空键上的单分子旋转开关；Nano Lett. 远程N2等离子体照射MoS2的共价氮掺杂和压缩应变；ACS Nano 原子级厚度MoS2的窄波段和宽波段的超级光吸收；Adv. Mater. 高掺杂有机电化学晶体管中的接触电阻效应。

1、Angew 液相剥离多层锑烯

图1 多层锑烯薄片的表征

目前，二维材料代表了最活跃的研究领域之一。除了各种相当完备的二维材料，如石墨烯、h-BN和二硫化钼，在过去的两年里黑磷（BP）也已得到相当的重视。然而，孤立的黑磷对于环境十分敏感，在空气中暴露后会强烈退化，这限制了它们的应用。因此，发现新的适当的带隙并在环境条件下具有稳定性的二维材料是一个挑战。

西班牙马德里自治大学的Félix Zamora（通讯作者）和德国埃尔朗根-纽伦堡大学的 Gonzalo Abellán（通讯作者）等人报道了一种快速和简单的方法用以产生高度稳定的异丙醇/水（4:1）悬浮的多层锑烯，在这一过程中通过超声处理液相剥离锑晶体，但不需要添加任何表面活性剂。这个简单的方法产生多层锑烯分散液适合表面隔离。利用原子力显微镜、扫描透射电子显微镜和电子能量损失谱进行分析，证实了高质量的具有大横向尺寸的多层锑烯薄片的形成。这些纳米结构的环境条件下是非常稳定的。它们的拉曼信号强烈依赖于厚度，这可以根据密度泛函理论计算结果来解释。

文献链接：Few-Layer Antimonene by Liquid-Phase Exfoliation（Angew，2016，DOI: 10.1002/anie.201605298）

2、Nano Lett. 通过双轴应变实现悬浮单层MoS2的大带隙工程

图2 MoS2的PL谱随施加应变变化而位移

纳米材料的出现改变了通过机械应变调节和增强半导体物质性质的传统途径。此外，已经表明应变能改善MoS2晶体管的性能或可以用来收集能量的宽谱光吸收剂。

美国波士顿大学的J. Scott Bunch（通讯作者）等人证明了通过施加大双轴应变悬浮单层MoS2膜的光学带隙可以在高达500 meV范围内进行连续、可逆地调节。通过使用化学气相沉积（CVD）生长高度不透气的晶体，研究人员能够在悬浮膜施加压力差以产生双轴应变。研究人员观察到了应变对光致发光（PL）谱峰值能量和强度的影响，并发现光学带隙线性调谐率为99 meV/%。此方法用于研究应变下的双层和三层器件的PL谱，以此发现单层MoS2的两种拉曼模式的位移率和Grüneisen 常数。最后，结果表明可以在微米区域施加高达 5.6%的双轴应变，并报道了应变调节高光学跃迁的证据。

文献链接：Band Gap Engineering with Ultralarge Biaxial Strains in Suspended Monolayer MoS2 （Nano Lett.，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02615）

3、Nat. Commun. Bi2Te3在60 °处孪晶界处自由电子的产生

图3 薄膜的结构表征

界面，比如固体材料中的晶界，是探究由于局部对称性破缺引起的新性质的优秀的区域。例如，在层状硫系材料的界面，由于复杂的原子键结构，晶界处原子的电位重构将导致电子特性的显著改性。

韩国科学技术院的Jin-Sang Kim（通讯作者）和Seung-Hyub Baek（通讯作者）等人报告了实验观测到的以Bi2Te3为代表的层状硫化物材料在60 °孪晶界处产生电子的现象。第一性原理计算表明，改变在60 °孪晶界处的原子间距离以调节晶格不匹配可以改变Bi2Te3的电子结构。在一个对于创建载流子以及扩大导带底附近状态密度而言有利的条件下，电子结构的变化将在原始的带隙内产生被占据的状态。本文提供了洞察热电器件和拓扑绝缘体各种输运行为的途径。

文献链接：Free-electron creation at the 60 °twin boundary in Bi2Te3 （Nat. Commun.，2016， DOI: 10.1038/ncomms12449）

4、Adv. Funct. Mater. 高温BiScO3-PbTiO3压电式振动能量采集器

图4 双层压电片型复合悬臂示意图

传统有效的机械振动能量采集器主要基于(Pb,Zr)TiO3 (PZT)陶瓷、聚偏氟乙烯（PVDF）聚合物或PVDF/PZT及其他压电复合材料，但这些材料的工作温度一般都限制在常温（R-T）或是低于150°C。要实现高温工作，则必然要改善能量采集器所使用的材料。

北京大学董蜀湘教授（通讯作者）团队制备出一种BiScO3-PbTiO3（BSPT）的新型陶瓷材料，这种材料具有大约450°C的高居里温度点，可以应用在高温（H-T）振动能量采集器。实验结果显示，这种陶瓷材料具极佳的高温压电特性，可在相当宽的温度范围（从室温到250°C），可以有效转换机械振动能成电能。这项研究表明BSPT压电式能量采集器在高温环境下工作的自功能型无线传感器网络系统有着潜在的应用前景。

文献链接：High-Temperature BiScO3-PbTiO3 Piezoelectric Vibration Energy Harvester（Adv. Funct. Mater.，2016，DOI：10.1002/adfm.201602645）

5、ACS Nano 柔性纳米多孔WO3−x非易失性储存设备

图5 柔性Cu/NP WO3−x/ITO储存设备图示及微观形貌

为了解决基于传统晶体管存储设备的限制，如最小的元件尺寸、高制备成本、复杂的制备工艺及高功耗等，柔性阻变存储器（RRAM）可作为新一代储存设备从而一直处于研究热点中，其在未来的非易失性存储器上有着很大的应用前景。但在高温下制备活性层薄膜对于将RRAM建造在柔性基底上也是一个阻碍。

莱斯大学的James M. Tour（通讯作者）等人通过在室温下进行阳极处理得到柔性纳米多孔（NP）WO3−x RRAM。这种柔性NP WO3−x RRAM表现出双极开关特征和高Ion/Ioff比（大约为105），同时，该设备具稳定的保持时间（超过5 × 105s），极佳的元件间的均一性，并且在平面或最大弯曲条件下耐弯曲程度都会超过103次循环。

文献链接：Flexible Nanoporous WO3−x Nonvolatile Memory Device（ACS Nano，2016，DOI：10.1021/acsnano.6b02711）

6 、ACS Nano 悬空键上的单分子旋转开关

图6 分子旋转开关制备及运行图示

对于原子尺度的电路及分子机器而言，制备问题上的最大挑战则在于保留整个体系自身的电子特性的前提下，通过控制单个分子直线或旋转运动，来设计分子转子和开关。

目前，来自波兰雅盖隆大学的Szymon Godlewski（通讯作者）和新加坡材料与工程研究所的Hiroyo Kawai（通讯作者）等人实现在一个三亚萘分子吸附二聚物悬挂键过程中，连续的旋转开关和受控制的逐步单个开关控制，悬挂键则是在氢钝化的Ge(001):H表面上产生的。当分子和二聚物悬挂键间的共价键可控断裂或是分子通过远程的范德华力作用吸附到二聚物上时，分子开关可在表面组装。并且通过结合扫描隧道显微镜及扫描隧道谱（STM/STS）测定，密度泛函理论（DFT）计算及STM图像分析确定，在结构上，分子保持着其固有的电子特性。结合其能在原子精度上构建二聚物的悬挂键的能力，这可控的旋转分子开关也有望成为更为复杂的表面原子尺寸设备的电路构建模块。

文献接链：Single Molecule Rotational Switch on a Dangling Bond Dimer Bearing（ACS Nano，2016，DOI：10.1021/acsnano.6b03590）

7、Nano Lett. 远程N2等离子体照射MoS2的共价氮掺杂和压缩应变

图7 远程N2等离子作用在MoS2的示意图和能量变化

二维过渡金属硫化物（TMDs）在解决降低场效应晶体管半导体沟道材料的厚度问题中，提供了很大的可能性。使其厚度达到了次纳米尺度，避免了发生在三维晶体中由于量子限域效应带来的能带间隙的突然增加。控制基于TMDs器件（包括p-n节，FETs和隧穿场效应晶体管）中TMDs的掺杂类型和掺杂浓度是一个非常重要的研究课题。

德克萨斯大学达拉斯分校Robert M. Wallace（通讯作者）等人提出了一种利用远程N2等离子体处理的有效方法对MoS2进行氮掺杂。通过利用原位X射线光电谱仪监测N2等离子体处理MoS2的表面化学变化，研究者发现了MoS2中氮的共价键，氮替代了硫原子。进一步研究发现，电学表征实验表明氮掺杂实现了MoS2的P型掺杂，这和理论预测结果一致。此外，研究者发现氮的存在对MoS2结构产生了压缩张力，这是第一次在过渡金属硫化物中发现替代掺杂诱导产生张力。

文献链接：Covalent Nitrogen Doping and Compressive Strain in MoS2 by Remote N2Plasma Exposure（Nano Lett.，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01853）

8、ACS Nano 原子级厚度MoS2的窄波段和宽波段的超级光吸收

图8 MoS2薄膜共振光吸收结构的窄波段和宽波段吸收光谱，以及结构表征

二维过渡金属硫化物（TMDC），包括单层或者少层MoS2，WS2，MoSe2和WSe2，作为新兴二维材料，为现代物理科学与工程的发展提供了合适的研究对象。由于这些材料的半导体性质和突出的激发特性，这些材料最诱人的发展就是应用于新型原子级光学器件。

北卡罗莱纳州立大学Linyou Cao(通讯作者)等人结合理论计算和实验发现原子级厚度MoS2薄膜（不大于4层）在任意设定波长的窄入射波段或者类似太阳光的宽入射波段，均有很强的光吸收，吸收效率大于70%。这是利用基于漏模耦合的可逆设计方法结合MoS2薄膜设计出共振光吸收结构来实现的。该设计思路是这样的，开始先为目标强吸收识别出必要漏模的特征，然后，搜寻支持这些模式的纳米结构的几何特征。由于光函数和漏模之间，以及漏模和纳米结构的几何特征之间的直接强相关性，这个过程是非常依靠直觉的，仅仅设计到很少的计算。该项工作为高性能原子光器件的发展提供了有效的指导。

文献链接：Atomically Thin MoS2 Narrowband and Broadband Light Superabsorbers（ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b02195）

9、Adv. Mater. 高掺杂有机电化学晶体管中的接触电阻效应

图9 OETs的器件结构示意图和输运特性

自从1984年被发明以来，有机电化学晶体管（OETs）已经吸引了众多科学家的研究兴趣。由于OETs本身具有的独特性质，使得它们非常适合应用于生物电学领域。比如，OETs可以在水溶液环境和低压条件下工作，以及柔性和生物兼容性。目前，OETs主要被用作传感器，探测离子、代谢产物、激素、DNA和多巴胺等，此外，还可以记录大脑活动、电活性细胞或者组织的活性、驱动活性基质排列。

肯特州立大学Björn Lüssem（通讯作者）等人发现接触电阻依旧在耗尽模式限制有机场效应晶体管PEDOT：PSS基OETs的性能。和传统累积型晶体管中，接触电阻会随着栅压的增加不同，接触电阻会在整个操作范围内限制OETs的性能。研究者对OETs标准模型进行了改进，包括OETs中的接触效应，提出了跨导对栅压依赖性的量化描述。

文献链接：Contact Resistance Effects in Highly Doped Organic Electrochemical Transistors (Adv. Mater.，2016，DOI: 10.1002/adma.201602125)

本期内容由材料人电子电工学术组天行健，大黑天，灵寸供稿，材料牛编辑整理。

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