顶刊动态丨Nature/Nat. Mater.等期刊电子材料前沿最新科研成果精选【第21期】

本期精选预览：AFM 基于电化学掺杂碳纳米管纤维复合材料的传感器制备；Nat. Mater. 二维电子气中的巨大电荷-自旋转换效率；北京理工大学 Adv. Mater. 原位制备用于显示器背光的具有增强光致发光性的卤化物钙钛矿纳米晶体-嵌入聚合物复合膜；陕西师范大学 Adv. Mater. 控制厚度-形状生长用于大批制备高级光电器件的超薄单晶钙钛矿晶圆；台湾交通大学 Adv. Mater. 含MnO2单层膜的复合氧化物异质结构的金属-绝缘体转变；Nature 节点-链金属；Nature 在超导回路中，延长具误差修正的量子比特寿命；中国科学技术大学 Adv. Energy Mater. 通过空位工程调控二维材料的电子和声子结构。

1、AFM 基于电化学掺杂碳纳米管纤维复合材料的传感器制备

图1 (a)不同尺寸的CNT纤维结构 (b)流体径向渗透CNT纤维示意图以及浸水后纵向纤维电阻相对变化

宏观结构中纳米模块的装配，大大优化了纳米组分在宏观尺度上的有效利用，随着探索研究程度的不断加深，材料的新时代也慢慢开启。

西班牙马德里材料研究所的Juan José Vilatela （通讯作者）等人一起研制了一种由碳纳米管制备而成的宏观纤维，并制备成拥有优良轴向性能的块状结构，该结构基于对渗入多孔纤维中液体/聚合物分子的吸附作用，被用于观测真空灌注的结构复合材料制备过程中的聚合物流动和热固性固化。该纤维可在实验室条件下达到1千米/天的产量，实验表明，该纤维保留的一些碳纳米管低维特性可在传感器领域大施拳脚。且考虑到碳纳米管纤维独特的韧性，它还可以在不适用场效应管或布拉格光栅传感器的多种应用领域。

文献链接：A Composite Fabrication Sensor Based on Electrochemical Doping of Carbon Nanotube Yarns （Adv. Funct. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adfm.201602949）

2、Nat. Mater. 二维电子气中的巨大电荷-自旋转换效率

图2 测量布置，结果，及电子结构解释

自旋-轨道相互作用指电子的自旋运动与它们绕原子核的轨道运动产生相互作用。于是，电荷流经自旋轨道耦合产生横向自旋流（自旋霍尔效应），反之亦然（逆自旋霍尔效应）。这两种效应被用在多种器件结构中，但其在体材料中的转换效率很少超过百分之十。

最近，法国巴黎-萨克雷大学的J. C. Rojas-Sánchez（通讯作者）和洛林大学的M. Bibes（通讯作者）等人通过一种界面驱动的自旋轨道耦合机制——Rashba效应，在二维电子气体系LaAlO3/SrTiO3中获得了前所未有的自旋-电荷转换效率。作者将自旋流从NiFe中泵浦到二维电子气体系中，并探测其造成的电荷流。同时，他们在这项工作中探讨了该效应的幅值及基于电子结构的栅压依赖关系。这项研究将自旋电子学器件的广泛应用又向前推进一步。

文献链接：Highly efficient and tunable spin-to-charge conversion through Rashba coupling at oxide interfaces （Nat. Mater., 2016, DOI:10.1038/NMAT4726）

3、Adv. Mater. 具有增强光致发光性的卤化物钙钛矿纳米晶体-嵌入聚合物复合膜

图3 MAPbI3 NCs嵌入PVDF复合膜的原位制备示意图和表征

有机金属卤化物钙钛矿（OHPs）不仅在光电器件方面表现优异性能，而且也被作为新兴的光电子材料而广泛研究。尤其是因为OHPs具有颜色可调和饱和释放性使得它们成为发光二极管（LED），激光器和光学传感器的候选材料。

北京理工大学的钟海政教授（通讯作者）等人通过控制前驱体溶液的结晶过程研究了一种简单的MAPbX3纳米晶体嵌入高分子复合膜的原位合成方法。该复合膜表现出增强的光致发光性能，较好的稳定性，以及优秀的压电性能和机械性能。通过展示这些复合膜在液晶显示器背光的颜色转换器的应用，表明其在显示技术方面具有很大的潜力。

文献链接：In Situ Fabrication of Halide Perovskite Nanocrystal-Embedded Polymer Composite Films with Enhanced Photoluminescence for Display Backlights（Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201602651）

4、Adv. Mater. 大批量制备高级光电器件的超薄单晶钙钛矿晶圆

图4 超薄单晶晶圆的制备示意图

有机铅卤化物钙钛矿已经成为具有高效率的太阳能电池和光电器件最优带隙的光吸收材料。事实上，目前的钙钛矿太阳能电池的电力转换效率已经高达22.1％。目前，发展无缺陷的单晶（SC）钙钛矿已成为焦点，因为它具有更好的稳定性和光电性能，其中包括延长载流子寿命、更宽的光吸收光谱、更长的扩散长度和低得多的陷阱态密度等。

陕西师范大学的杨周（通讯作者）和刘生忠（通讯作者）等人通过使用动态流动微型反应器系统成功生长了几何可控的超薄SC钙钛矿晶圆。他们已经制备了一些不同形状的厚度约150μm的薄晶圆。他们发现，这些超薄晶片具有陷阱态密度低至约6×108cm-3。与由微晶钙钛矿薄膜制备的光电检测器相比，由SC晶片制备的检测器示出了350倍以上的光电流响应。此外他们还在一块SC晶圆上制备了约100个光电探测器，这表明在超薄SC晶片上大批量生产集成电路（ICs）的可行性。

文献链接：Thinness- and Shape-Controlled Growth for Ultrathin Single-Crystalline Perovskite Wafers for Mass Production of Superior Photoelectronic Devices（Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201601995）

5、Adv. Mater. 含MnO2单层膜的复合氧化物异质结构的金属-绝缘体转变

图5 设计具有不同静电边界条件的单层MnO2示意图

近年来，大量的研究表明复合氧化物中的界面可以为处理复合氧化物中的晶格，电荷，轨道和自旋这些自由度提供了新的方法，而且为下一代的设备提供了可能性，从而为研究物理和凝聚状态提供了一个平台。

英国杜伦大学的Qing He（通讯作者）和台湾交通大学的Ying-Hao Chu（通讯作者）等人通过表面工程建立了二维氧化物单层。这个二维氧化物单层可以从异质结构获得，这种结构类似于单晶胞锰超薄膜夹在两个相邻复合氧化物之间。在这样的异质结构中，二维单层氧化物的内在特性可提供对与电子系统相关联的维度限定物理的基本理解。这项研究提供了一个通用的方法来研究尺寸限制的强关联电子系统，并为设计新的电子设备提供了一个方向。

文献链接：A Metal–Insulator Transition of the Buried MnO2 Monolayer in Complex Oxide Heterostructure（Adv. Mater. , 2016, DOI: 10.1002/adma.201602281）

6、Nature 节点-链金属

图6 IrF4的晶体结构及能带结构图

由能带理论获得的电子波函数使得一些具电子能谱强、拓扑保护及费米准粒子的金属具备拓扑特性。大多准粒子是标准模型中的基本粒子的类似物，但都不具有相对的高能理论的对应物。即使在无相互作用下，固体中完整的准粒子也是缺失的。

瑞士苏黎世联邦理工学院的Tomáš Bzdušek（通讯作者）等人提出了一个迄今并未有认知，但可能在金属中存在的费米激子形态。这种激子形成一个节点链—连接着动量空间的循环—相关者传导和接触价带。他们证实这种节点链在拓扑结构上相异于早先报道的激子。并提出这种激子可能存在于IrF4和其他这类材料的化合物中。

文献链接：Nodal-chain metals（Nature, 2016, DOI：10.1038/nature19099）

7、Nature 在超导电路中，延长具有误差修正的量子比特寿命

图7 cat-code循环图示

量子误差修正（QEC）可通过量子位来校正误差，并且将是未来量子计算机的主要部件。为实现QEC，量子位则无需利用量子态小心的裁制成对称性从而编码入更高的二维空间中。尽管早先已有研究揭示了QEC的一小部分，但主要针对的是其特征和比例性质而不是探测系统随着时间存储量子位的能力。

耶鲁大学的Nissim Ofek，Andrei Petrenko和R. J. Schoelkopf（共同通讯作者）等人证实通过抑制由量子逻辑编码在超导谐振器的薛定谔状态下引起的能量损失而带来的误差，QEC系统可达到一个等值点。并且证实利用高效的硬件量子位编码较传统的QEC机制更为有益，同时促进了实验误差校正领域的发展，并且迈向容错系统的实现。

文献链接：Extending the lifetime of a quantum bit with error correction in superconducting circuits（Nature, 2016, DOI：10.1038/nature18949）

8、Adv. Energy Mater. 通过空位工程调控二维材料的电子和声子结构

图8 In2O3多孔薄片的制备及其表征

二维无机材料由于其电子和声子局限于二维层状晶格之间，所以表现出了一系列独特的物理化学性质，比如催化性能、电学性能、热电性能及磁学性能，因此，已经广泛应用于催化、热电以及电子自旋器件等领域。然而，未经调控的二维材料具有的物理化学特性限制了其在理论研究和实际中的应用。所以，对二维材料的电子和声子结构进行调控就成为必要的了。

近日，来自中国科学技术大学的肖翀副研究员（通讯作者）和谢毅院士（通讯作者）等人对利用空位工程调控二维材料的电子和声子结构进而优化其物理化学性能进行了详细的阐述，文中首先介绍了二维材料具有的独特性质及其应用，指出了现阶段研究的不足，进而提出了以空位工程的方法提高材料性能的思路。此外，作者还分别对空位（单空位、空位集团、多空位）的调控策略及其表征进行了说明，并展望了经过空位调控的二维材料的应用前景（光催化、高效电催化剂、热电、纳米电子器件、磁学特性）。最后，作者指出，虽然现阶段对二维材料进行了大量的研究，且应用于很多领域，但对于二维材料中缺陷类型和浓度的精确调控还需要结合大量的实验数据及理论计算进行更深入的研究。

文献链接：Vacancy Engineering for Tuning Electron and Phonon Structures of Two-Dimensional Materials （Adv. Energy Mater. , 2016, DOI:10.1002/aenm.201600436）

本期内容由材料人电子电工学术组大黑天，franch7，forest，Newgate，大城小爱供稿，材料牛编辑整理。

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