顶刊动态丨Nature子刊/AM等期刊电子材料最新科研成果精选【第20期】

本期精选预览：Nat.Commun. 用于全息技术的非线性超材料；Nano Lett. 基于单壁碳纳米管薄膜的电致变色器件；武汉大学-Adv. Funct. Mater. 自对准纳米线顶栅MoS2晶体管的性能极限；Nano Lett. II型Weyl半金属候选者T′‑MoTe2的反演对称破缺激活新的拉曼模式；Adv. Mater. 增强光学和电学性质的用于发光二极管的聚合物辅助全无机钙钛矿；Adv. Mater. 由表面工程得到的高效钙钛矿量子点发光二极管；Adv. Energy Mater. 有机半导体的结构次序和分子间作用对其电离能和电荷迁移态能量的影响；Nano Lett. 利用纳米机械多模共振显微光谱对黑磷的各向异性机械性能进行分析和调节；Nano Lett. 制备在晶圆上的自对准多沟道石墨烯纳米带晶体管；Nat. Commun. 现场原位技术量化忆阻器件中氧化还原引起的肖特基势垒变化。

1、Nat.Commun. 用于全息技术的非线性超材料

图1 多层非线性超材料概念图

全息元件是存储相位和振幅信息的光学元件，其通过相干光的照射和散射建立起物体的三维图像。并且，当与入射光束波长相同时，就会生成图像。近年来，研究表明信息可以存储在纳米天线中，从而产生了超薄元件。

以色列魏茨曼科学研究所的Euclides Almeida（通讯作者）等人展示了非线性多层超材料的全息图。在一个新的频率——光束的第三次谐波下形成了背景自由图像。利用电子束光刻的多层电浆纳米天线，研究者制作了对偏振敏感的非线性元件，如光栅、透镜和其他计算产生的全息图。他们对这些全息元件进行了分析，并讨论了在未来设备应用上的前景。

文献链接：Nonlinear metamaterials for holography （Nat.Commun., 2016, DOI: 10.1038/ncomms12533）

2、Nano Lett. 基于单壁碳纳米管薄膜的电致变色器件

图2 单壁碳纳米管薄膜的电致变色器件示意图

通过施加电场，我们可以改变电致变色材料的光学性质。在此基础上，我们可以实现一些新型应用，比如智能窗技术，通过它可以控制室内环境，并且还可以节能。

美国加利福尼亚大学的Mikhail E. Itkis（通讯作者）等人用单壁碳纳米管（SWNT）制备了由离子液体极化控制的薄膜型电光调制器，他们通过半导体（SC）单壁碳纳米管薄膜制备电致变色活性层，通过金属（MT）单壁碳纳米管薄膜制备了反电极。这种器件的光学调制深度可达到3.7dB，并且响应时间在毫秒范围内，速度比典型的电解质控制装置快几千倍。此外，双光电器件是由光电活性SC-SWNT薄膜电极制备的，从而还可以在保留响应速度的基础上增加6.7dB的调制深度。

文献链接：Fast Electrochromic Device Based on Single-Walled Carbon Nanotube Thin Films （Nano Lett., 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01564 ）

3、Adv. Funct. Mater. 自对准纳米线顶栅MoS2晶体管的性能极限

图3 短沟道自对准纳米线顶栅MoS2 FET的制备流程

发掘MoS2作为沟道材料的潜力是制备高性能的顶栅MoS2场效应晶体管（FET）所必不可少的，尤其是在背栅器件不能单独栅控的情况下。虽然均匀的高k电介质薄膜，如HfO2，可以通过在MoS2沟道中引入人工成核位点制作顶栅FET，但这必然会降低沟道/电介质界面的质量，并产生明显的带电杂质散射和较低的载流子迁移率。

武汉大学的廖蕾教授（通讯作者）和肖湘衡教授（通讯作者）以及电子科技大学的熊杰教授（通讯作者）等人通过自对准纳米线顶栅制备MoS2FET，这可有效减少MoS2表面的带电杂质散射。具体而言，所制备的短沟道器件表现出可观的电学性能，如高的电流开/关比、低的界面陷阱密度以及室温下接近理想的亚阈值斜率。此外，文章系统地分析了短沟道效应，结果表明当带电杂质的量通过自对准栅纳米线有效降低时，该器件的主要散射机制可以变为声子散射。

文献链接：Performance Limits of the Self-Aligned Nanowire Top-Gated MoS2 Transistors （Adv. Funct. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adfm.201602250）

4、Nano Lett. II型Weyl半金属候选者T′‑MoTe2的反演对称破缺激活新的拉曼模式

图4 MoTe2低温相变后拉曼模式的变化

据预测，扭曲八面体（T′）相的过渡金属硫化物（TMDCs）具有拓扑非平凡的电子能带，在费米能级附近的主量子自旋霍尔态和II型Weyl费米子，这引发了理解这类拓扑层状化合物的许多兴趣。

马萨诸塞大学安姆斯特分校的Jun Yan（通讯作者）等人合成了扭曲八面体（T′）相的MoTe2，并通过拉曼光谱、密度泛函理论以及对称性分析研究了其振动特性。与高温中心对称单斜晶系（T′Mo）相的结果相比，低温正交晶系（T′or）相出现了四个新的拉曼谱带，根据最近的预测这是一个II型Weyl半金属。晶体的角度依赖性和光偏振测量表明，所有观察到的拉曼峰属于两类：沿锯齿状Mo原子链的振动（z-模式）和垂直于锯齿链的镜面振动（m-模式）。有趣的是，在样品冷却引起到T′or晶体结构的相变时，T′mo相的谱中缺少的低剪切z-模式和m-模式将被激活。研究认为这是反演对称性破缺导致的，这对于层状晶体中Weyl费米子的存在是至关重要。

文献链接：Activation of New Raman Modes by Inversion Symmetry Breaking in Type II Weyl Semimetal Candidate T′‑MoTe2 （Nano Lett., 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02666）

5、Adv. Mater. 增强光学和电学性质的用于发光二极管的聚合物辅助全无机钙钛矿

图5 使用PEO添加剂合成的高品质CsPbBr3薄膜

溶液处理的卤化物钙钛矿由于其具有低成本、高性能光电等特性，其作为下一代的新型光敏材料显示出巨大的潜力。

佛罗里达州立大学的Biwu Ma（通讯作者）和Hanwei Gao（通讯作者）等人研究了基于溶液处理的全无机钙钛矿薄膜的高亮度发光二极管。利用旋涂的方法，加入一种新的聚（环氧乙烷）添加剂合成了铯溴化铅（CsPbBr3），其光致发光量子产率高达60％，且具有十分均匀的电流分布现象。使用光滑的CsPbBr3膜作为发光层，绿色钙钛矿型发光二极管（PeLEDs）电致发光强度高于53000 cd m−2 而且发光效率也高于4%，而这两个数据是全无机PeLEDs器件性能的一个新基准。

文献链接：Enhanced Optical and Electrical Properties of Polymer-Assisted All-Inorganic Perovskites for Light-Emitting Diodes （Adv. Mater.， 2016，DOI: 10.1002/adma.201602513）

6、Adv. Mater. 由表面工程得到的高效钙钛矿量子点发光二极管

图6 CsPbBr3 量子点表面的配体交换机制

由于具有尺寸可调的光学带隙、窄发射和非常优秀的电子转移性能，铅卤化物钙钛矿最近成为最有希望应用在光电、激光和光电检测器等方面的材料。这些令人印象深刻的性能也引发了研究者们将钙钛矿应用到发光二极管（LED）的强烈兴趣。

多伦多大学的Edward H. Sargent（通讯作者）和沙特国王科技大学的Osman M. Bakr（通讯作者）等人研究了一种两步配体交换的方法，在这种方法中全无机钙钛矿(CsPbX3, X = Br, Cl)量子点（QDs）表面的长碳链全部被卤化物离子对配体所替换。与未处理的量子点相比，由卤化物离子对封端的量子点合成的绿色和蓝色发光二极管表现出高的外量子效率。

文献链接：Highly Efficient Perovskite-Quantum-Dot Light-Emitting Diodes by Surface Engineering （Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201600784）

7、Adv. Energy Mater. 有机半导体的结构次序和分子间作用对其电离能和电荷迁移态能量的影响

图7 不同分子的化学结构和C60分子

有机半导体材料的能量图景对其电荷和激子的特性有巨大影响，同时对于有机电子器件的运行也至关重要。其能量图景强烈地依赖于材料存在相的状态。因此，研究不同结构及相组成的有机半导体材料对于其电荷和激子的具体影响及其机理就显得极其必要。

最近，来自沙特阿卜杜拉国王科技大学的Kenneth R. Graham（通讯作者）和Aram Amassian（通讯作者）研究了六噻吩:C60和红荧烯:C60等不同有机半导体体系，并通过分别测量不同体系中电离能的紫外光电子能谱和电荷迁移态能的外量子效率描绘了有机半导体光伏材料的能量图景。实验结果表明，电离能和电荷迁移态能与体系结构次序和相组成有关，原因在于发生在混合区域里电荷迁移态中的电荷和纯相里的自由电荷之间的电荷补偿克服了电荷迁移态中的结合能，因此体系中的能量图景得以存在。这项研究提出了有机半导体体系中能量图景发生变化的机理，为今后设计有机半导体器件提供了理论指导，具有重要意义。

文献链接：The Roles of Structural Order and Intermolecular Interactions in Determining Ionization Energies and Charge-Transfer State Energies in Organic Semiconductors （Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/aenm.201601211）

8、Nano Lett. 利用纳米机械多模共振显微光谱对黑磷的各向异性机械性能进行分析和调节

图8 黑磷的晶体结构、不同方向的杨氏模量及其共振图谱空间映像

近年来，微电子机械系统（MEMS）得到了长足的发展，并在多个领域得到了应用，但随着器件尺寸逐渐向着纳米尺度迈进，以Si为主要材料的传统微电子机械系统已经远远不能满足要求。于是，二维层状材料在构建纳米电子机械系统（NEMS）方面表现出了巨大优势，黑磷就是其中最重要的二维材料之一。

凯斯西储大学的Philip X.-L. Feng（通讯作者）等人在高温高压条件下制得了黑磷晶体，并利用机械方法将其剥离，最后将黑磷转移到覆有电极的SiO2−Si衬底上，制作了圆形和矩形的器件，研究了不同几何形状、不同晶体取向器件与其各向异性机械性能之间的关系，并将空间多模纳米机械共振技术引入到对晶体取向和各向异性机械性能的表征上，通过结合有限元模型，测得多层黑磷器件在Z字型和手椅型方向上的杨氏模量分别为116.1和46.5 GPa。本次工作首次证明了黑磷在多模响应下的共振纳米结构，不同于传统的光学和电子技术，纳米机械多模共振显微光谱技术不需要结合极化光学光谱或在多个取向上连接多根导线就可以精确地测定黑磷的取向，并能够同时定量测定多个各向异性机械性能参数。这项方法为测定除黑磷外的其他二维层状材料的各向异性机械性能提供了有效的技术手段。

文献链接：Resolving and Tuning Mechanical Anisotropy in Black Phosphorus via Nanomechanical Multimode Resonance Spectromicroscopy （Nano Lett., 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01598）

9、Nano Lett. 制备在晶圆上的自对准多沟道石墨烯纳米带晶体管

图9 多沟道石墨烯纳米带晶体管

碳基纳米电子作为能够超越硅基纳米电子学的基础限制的最有希望的“候选人”，在过去的十几年间，受到研究者的极大关注。特别是，次10纳米石墨烯纳米带（GNRs）作为高速晶体管的沟道材料用于硅基纳米电子学，被广泛研究。GNRs的高载流子迁移率和有限能隙能使其能形成具有高效开关比的二维平面几何结构，该结构可以通过控制GNRs在晶圆上的位置来调控。

韩国三星尖端研究所Seongjun Park（通讯作者）和Seong-Jun Jeong（通讯作者）等人研究出一种利用先进直接自组装（DSA）纳米刻蚀技术制备出基于紧密排列的多沟道石墨烯纳米带（GNR）的大面积场效应晶体管（FETs）的新奇方法。该设计策略集中在FET沟道的有效集成和使用完美兼容性的方法，比如热力学隧穿和化学气相沉积。研究者通过控制金限制图案的厚度，实现具有次10纳米半间距关键尺寸（CD）的线性堆叠DSA纳米图案阵列。优异的粗糙度（约CD的10%）表明集成次10纳米石墨烯纳米带进入商业化半导体进程的可能性。

文献链接：Self-Aligned Multichannel Graphene Nanoribbon Transistor Arrays Fabricated at Wafer Scale（Nano Lett., 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01542）

10、Nat. Commun. 现场原位技术量化忆阻器件中氧化还原引起的肖特基势垒变化

图10 石墨烯电极用于忆阻器件的现场原位技术

随着便携式计算机和智能器件在微型化和多功能化等方面，不断地取得革命性的成功，致使对记忆存储器件的读写速度和存储容量有了更高的要求。研究出新型、低廉和高效的记忆存储器件成为计算机发展的一个重大课题。电阻转换是开发新型记忆存储的一个有趣方向。在电学刺激下，复杂的纳米氧化还原过程被猜测会引起忆阻器件产生一个电阻的变化。目前为止，该过程的量化信息依旧很难达到。

德国Peter Gruenberg 研究所的Regina Dittmann（通讯作者）等人利用现场原位能谱显微技术证实了氧化还原反应驱动电阻变化。氧化还原态的量化实验和器件模拟出现惊人的一致结果，同时揭露了在电极-氧化物界面，施主浓度2-3倍的变化促使肖特基势垒的有效调制，导致器件电阻变化至少两个数量级。这些发现允许真实器件的模拟，减少为了发展未来新型记忆器件的实验性预测设计量。

文献链接：Quantifying redox-induced Schottky barrier variations in memristive devices via in operandospectromicroscopy with graphene electrodes（Nat. Commun., 2016, doi:10.1038/ncomms12398）

本期内容由材料人电子电工学术组风之翼，天行健，forest，大城小爱，灵寸供稿，材料牛编辑整理。

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