顶刊动态丨Nature子刊/Adv. Mater.等期刊电子材料前沿最新科研成果精选【第22期】

本期精选预览：ACS Nano MoS2耦合纳米结构衬底实现光学增益：Fabry–Perot干涉和等离激元的激发；JACS Terazulene 异构体：通过分子轨道分布差异实现OFETs极性变化；JACS 通过氧化结合Bi-2方形网与层状Y2O2Bi形成二维超导材料；Nat. Commun. 熔融半导体电解；Adv. Mater. 胶体合成尺寸均一二硫化钼纳米片制备晶片规模柔性非易失性存储器；Adv. Mater. 超灵敏多位二硫化钼光电存储器；Adv. Mater. 无定型BPIII聚合物基纳米器件的光电记忆效应；Adv. Mater. Co替位BiFeO3外延薄膜的偏振旋转提高压电响应。

1、ACS Nano MoS2耦合纳米结构衬底实现光学增益：Fabry–Perot干涉和等离激元的激发

图1 器件结构示意图

尽管单层过渡金属硫化物（TMDs）具有直接带隙，由于在原子薄的层状材料中糟糕的光吸收率光学增益一直受到限制。大多数提高TMDs的光学增益的方法主要通过对活性材料进行调制或多层叠加。

韩国基础科学研究所的Young Hee Lee（通讯作者）以及三星先进技术研究院的Yeonsang Park （通讯作者）和Un Jeong Kim（通讯作者）等人报道了一个简单地通过设计纳米衬底的方法提高MoS2的光学吸收和激发。衬底包括介电薄膜隔层（TiO2）和金属膜。纳米衬底上单层MoS2整体的光致发光（PL）强度基于TiO2厚度并受到Fabry–Perot 干涉放大。此外，中性激子通过局域场产生的等离激元被发射选择性地放大，而局域场源于间隔厚度小于10纳米的金属膜表面粗糙。进一步研究表明，该器件的质量因子也可以通过选择不同折射率的间隔材料而进行设计。

文献链接：Optical Gain in MoS2 via Coupling with Nanostructured Substrate: Fabry–Perot Interference and Plasmonic Excitation （ACS Nano, 2016, DOI: 10.1021/acsnano.6b03237）

2、JACS Terazulene异构体：通过分子轨道分布差异实现OFETs极性变化

图2 terazulene异构体化学结构、OFET器件结构和输运

Azulene（C10H8）是非苯芳香烃化合物中备受关注的分子，这源自于其独特的性能，一个大的偶极矩和长波长的吸收。到目前为止，基于azulene的共轭化合物已被研究用在各种应用中，包括近红外吸收材料、导电高分子材料、非线性光学、荧光开关、电致变色材料和有机太阳能电池材料。

最近，日本山形大学的Hiroshi Katagiri（通讯作者）报道了通过对分子轨道分布的控制，2,6′:2′,6″-terazulene (TAz1)表现出作为n型晶体管（OFET）的优异性能。为了验证和发展了这一概念，论文提出三种异构体的terazulene，这三类分子有沿着azulene 长轴的2-或6-位置的三个azulene 基团，从而构建一个线性扩展π共轭体系：2,2′:6′,2″-terazulene (TAz2)、2,2′:6′,6″-terazulene (TAz3)和 6,2′:6′,6″-terazulene (TAz4)。TAz2和TAz3表现出双极特性；TAz4作为一个有机场效应晶体管呈现明显的N型晶体管特性。所有terazulenes的最低未占据分子轨道（LUMO）是在整个分子中完全离域的。相反，TAz2 和 TAz3 的最高占据分子轨道（HOMO）是在2,2′-biazulene单元离域的；而TAz4的HOMOs在位于azulene的一端是局域的。这些研究结果证实，作为简单碳氢化合物的terazulene异构体极有可调极性的FET特性，极性取决于azulene单元的取向和在terazulene骨干中分子轨道分布相关的差异。

文献链接：Terazulene Isomers: Polarity Change of OFETs through Molecular Orbital Distribution Contrast （JACS, 2016, DOI: 10.1021/jacs.6b06877）

3、JACS 通过氧化结合Bi-2方形网与层状Y2O2Bi形成二维超导材料

图3 BaFe2As2 和 Y2O2Bi的晶体结构

层组状超导体是蕴含高转变温度、非传统配对性超导体的一座金山，人们基于铜酸盐和铁基化合物层状超导体发现了新的超导化合物，其中包含了过渡金属阳离子的二维层状材料，其在超导材料中具有重要作用。在铜中插入Bi2Se3和Bi−Se层，其具有很强的自旋轨道耦合并因此具有拓扑超导性。同样Bi方形网格也可以提供一个新的平台去探索层状超导体的拓扑超导性。

近日，来自东京大学的Tomoteru Fukumura（通讯作者）等人发现了在2K下Cr2Si2型层状氧化物Y2O2Bi含有Bi2−方形网格而具有独特的超导性。这种超导性仅在Y2O2Bi很大的氧化距离下才出现。该发现揭示着元素结合可以填充间隙为新的超导体提供了另外一种传统的替换和设置方法。

文献链接：Two-Dimensional Superconductivity Emerged at Monatomic Bi2– Square Net in Layered Y2O2Bi via Oxygen Incorporation（JACS, 2016, DOI: 10.1021/jacs.6b05275）

4、Nat. Commun. 熔融半导体电解

图4 三层电解槽的原理图

直接以电化学的方式还原金属可以简化流程、减少能源消耗、减轻生产和投入的费用，所以它是一种可持续的提取方法。一个典型例子就是铝的冶炼使得其可以取代银的地位而在日常生活中广泛使用。

麻省理工学院的Donald R. Sadoway（通讯作者）等人开发出了一种高效的电解脱硫工艺其可以直接将熔融半导体辉锑矿（Sb2S3）转换为纯度为99.9%的锑液体和硫蒸气。在液态锑底部为熔融的辉锑矿阴极，顶部的硫来自于浸入在非混相二次熔盐电解液的碳棒正极。与传统的提取方法不同，硫化电解可以避免CO2、CO 以及 SO2气体的排放。其可以大规模应用于导电过渡金属硫属化合物。

文献链接：Electrolysis of a molten semiconductor（Nat. Commun., 2016, DOI: 10.1038/ncomms12584）

5、Adv. Mater. 胶体合成尺寸均一二硫化钼纳米片制备晶片规模柔性非易失性存储器

图5 MoS2-MoOx异质结构的晶片规模制备

基于剥离二硫化钼的器件具有良好性能，但均为单个器件而非大规模器件阵列。幸运的是，通过化学气相沉积法（CVD）大规模合成二硫化钼使得晶片规模器件阵列的制备变得可能。然而，基于CVD二硫化钼的器件在性能、成本上均差于脱落MoS2器件。脱落MoS2纳米片的组装有可能是解决上述问题的一个可行方法，但脱落MoS2的内在分散性会造成大规模器件阵列的非均匀性。

近日，韩国基础科学研究所的Taeghwan Hyeon（通讯作者）和Dae-Hyeong Kim（通讯作者）报道了尺寸均匀的二硫化钼的大规模胶体合成以及其晶片规模集成以制造柔性电阻随机存取存储器（RRAM）阵列。相较于脱落MoS2，合成MoS2纳米片在其大小和厚度分布上均具有良好的均匀性。由合成MoS2纳米片制备的记忆装置优于基于脱落MoS2的控制装置，如极高的开/关比的RRAM 。此外，组装MoS2纳米片的超薄性质允许变形器件的制备。

文献链接: Colloidal Synthesis of Uniform-Sized Molybdenum Disulfide Nanosheets for Wafer-Scale Flexible Nonvolatile Memory （Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201602391）

6、Adv. Mater. 超灵敏多位二硫化钼光电存储器

图6 二硫化钼光电存储器结构示意图

作为过渡金属硫属化合物（TMDs），单层二硫化钼（MoS2）的独特带隙已使之成为无带隙石墨烯的一种可行替代通道材料被广泛应用于包括晶体管和存储器的各种电子设备中。1.8eV大的带隙所导致高达10^8 的开关比为单个单元提供可区分的内存状态及多层次的数据存储。尽管具备优异的电学、光学性质，具有能够持续累积照射到器件上光子量、多位光信号发射的能力，或成为全光逻辑处理器件，依然是MoS2光电器件的迫切需要。

近日，来自韩国成均馆大学的Jeong Ho Cho（通讯作者）等人向我们展示了一种通过协同组合合理的器件设计的新型非易失性多位MoS2存储器的开发及大面积的MoS2片有效传递。在该器件中，通过粘性受拉的金属层转移准备好的大面积高质量单层MoS2被同时用作通道材料和光吸收层，金纳米粒子（AuNPs）被嵌在阻挡和隧穿介电层之间作为浮栅存储光激发电荷。该光电存储器在高编程栅极电压时可作为常规电子存储器运行，此外，该设备还可作为电子读数器在低（甚至为零）编程栅极电压存储光信息。除上述双重功能外，该存储装置的大编程/擦除电流比给实现多位数据存储提供了一个方向。

文献链接：Multibit MoS2 Photoelectronic Memory with Ultrahigh Sensitivity（Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201603571）

7、Adv. Mater. 无定型BPIII聚合物基纳米器件的光电记忆效应

图7 胆固醇的BPs结构图

软材料领域的进步带动了由液晶或者聚合物自组装制备动态功能材料自下而上法的发展。其中具有立方对称（BPI和BPII）的胆固醇的蓝相（BP）由于其电可切换的3D纳米结构及在光谱范围为的选择性布拉格反射而受到了广泛关注。BPLCs的BPI和BPII分别为体心立方和简单立方，LC分子为双螺旋结构。双螺旋结构不能持续占据3D空间，因此需要通过晶格拓扑缺陷来稳定其结构，即被称为向错。BPIII结构被广泛接受的理论模型称为“blue fog”和 “foggy phase”BPIII为无定型网络结构，它由双螺旋圆柱和向错组成。

近日，来自美国肯特州立大学的Sahil Sandesh Gandhi（通讯作者）和Liang-Chy Chien（通讯作者）等人介绍了一种具有光电记忆效应的器件，该器件建立在胆甾相液晶的具有3D纳米结构无定型BPIII聚合物骨架上，该器件具有光学各向同性、旋光性并且具有亚毫秒级响应速度。这种功能性结构使得长久以来备受争议的BPIII结构第一次在实验中被观察到。

文献链接：Electro-optical Memory of a Nanoengineered Amorphous Blue-Phase-III Polymer Scaffold（Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201603226）

8、Adv. Mater. Co替位BiFeO3外延薄膜的偏振旋转提高压电响应

图8（a）倒易空间图，（b）~（d）晶体结构图

由外电场中诱导旋转极化的压电材料（例如PbZr1−xTixO3 (PZT)）被广泛认为是大压电响应的源头，然而由于缺少具有旋转极化的模型材料，这种假设从来没被在实验中被证实过。

近日，来自来自东京工业大学的Hajime Hojo（通讯作者）和Masaki Azuma（通讯作者）等人制备了一种高质量的Co替位具有单斜缺陷的BiFeO3外延薄膜，并且系统测试了极化方向和压电响应间的关系。该团队证明了极化旋转在该材料在改进压电响应方面起到了至关重要的作用。该实验理论不仅可以被应用在BiFeO3体系，也可以被应用在常规压电材料中，如PZT。

文献链接：Enhanced Piezoelectric Response due to Polarization Rotation in Cobalt-Substituted BiFeO3 Epitaxial Thin Films（Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201602450）

本期内容由材料人电子电工学术组天行健，树苗，李小依，王小瘦供稿，材料牛编辑整理。

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