頂刊動態丨Nature子刊電子材料學術進展匯總（160525期）

風之翼 7年前 (2016-05-25) 5325瀏覽

本期導讀：

今天電子電工材料周報組邀您一起來看看Nature Materials/Nature Nanotechnology期刊電子材料領域最新的研究進展。本期內容預覽：發現具備磁性斯格明子的超薄鐵；梯度成分的鐵電體薄膜能實現高靈動控制鐵彈疇；自旋-軌道轉矩在雙層鐵磁性材料與非鐵磁性材料之間的磁性轉化；原子相干量子點顆粒的電荷傳輸和定位；一種用于電磁設備中信號高能效傳輸和本地處理的可重構波導；室溫下通過多層膜中的加性界面手征相互作用形成穩態小型的獨立斯格明子；作為可重新配置自旋波納米通的磁疇壁；基于Lewis酸化學的二維金屬硫屬化合物的表面功能化；大單晶雙層石墨烯的氧氣活化生長和能帶可調性；雙層MoS2晶體管實現谷霍爾效應的電學調控。

1、Nature Materials: 發現具備磁性斯格明子的超薄鐵

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?斯格明子的產生過程

磁性斯格明子是一種的拓撲自旋結構，具備奇特的物理性能，可應用在節能的自旋電子元件中。然而斯格明子目前僅在低溫下一些特殊材料中才得以發現，且在快電流驅動下，斯格明子的獲得率會降低。因而，這成為斯格明子研究的最大阻礙。

來自美國和德國的多所研究院校組成的研究團隊發表了關于斯格明子的最新研究成果，稱在Pt/Co/Ta和Pt/CoFeB/MgO這兩種超薄的過渡金屬鐵磁體中，室溫下可以觀測到穩定的磁性斯格明子。同時也證實了在短路電流脈沖驅動下，鐵磁體中的斯格明子可實現增值。這項研究成果也將為我們研究室溫下薄膜異質結的斯格明子自旋電子學開辟新的道路。

文獻鏈接：
Observation of room-temperature magnetic skyrmions and their current-driven dynamics in ultrathin metallic ferromagnets

2、Nature Materials: 梯度成分的鐵電體薄膜能實現高靈動控制鐵彈疇

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?PbZr1-xTixO3異質結的疇結構

鐵電體材料的性質主要取決于疇和疇壁，實現對疇產生、湮滅或移動的控制利于新一代電子設備的發展。在鐵電體薄膜中，疇趨于形成高取向的鐵彈疇結構，以平衡彈性和靜電能。若要將鐵彈疇應用在納米尺度的電子設備中，則需要獲得高靈動的鐵彈疇，使其空間位相易改變，并在不同外界刺激下易操作，可重復性好。雖然電場可實現鐵電體的疇壁180方向的改變，但相同的控制方式未能應用在鐵彈疇上。

來自美國加州大學伯克利分校及其他多所研究院校的研究者們研究了應變梯度和成分梯度是如何改變鐵彈疇形成時的能譜，并證實梯度成分的PbZr1-xTixO3異質結在梯度應變下會形成針狀的鐵彈疇。這些針狀疇在外加電場下，平面方向處高度不穩定，因此局部上會增強壓電效應。這個發現將推動疇工程的發展，對尚未實現的納米功能電子設備的發展有著潛在的應用價值。

文獻鏈接：
Highly mobile ferroelastic domain walls in compositionally graded ferroelectric thin films

3、Nature Materials:自旋-軌道轉矩在雙層鐵磁性材料與非鐵磁性材料之間的磁性轉化

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?樣品結構與磁性能

日本東北大學的科研團隊發現在施加與電流呈線性關系的磁場后，對于雙層鐵磁性材料與非鐵磁性材料系統有足夠大的自旋-軌道轉矩去切換鐵磁性材料的磁性。在外加磁場的作用下，研究人員觀察到了雙相垂直磁化的切換。反鐵磁性材料PtMn展示出了與Ta和Pt相媲美的自旋霍爾效應。基于軌道自旋的磁性切換為超快和可靠的自旋電子設備、磁化操縱電氣設備、固態器件以及神經態計算的實現帶來了希望。

文獻鏈接：
Magnetization switching by spin–orbit torque in an antiferromagnet–ferromagnet bilayer system

4、Nature Materials：原子相干量子點顆粒的電荷傳輸和定位

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 超晶格結構（a）和原子結構（b）的環形暗場掃描透射電子顯微鏡圖像

納米結構材料具有獨特的電子性質，這給未來的應用帶來了希望。最近控制外延生長半導體納米晶(NCs)形成超晶格——也被稱為“量子點”取得了突破，從而有希望制備一些具有所設計屬性的材料。理論上雖然預測了一些電子現象——包括拓撲狀態和和狄拉克錐，但卻仍然缺乏實驗的支持。預測的電子能帶結構在實驗中實現的前提是局域電子向非局域電子的轉變，但是這需要有序的超晶格結構和NC之間的強耦合。

Tobias Hanrath等人結合先進的結構表征技術以應對這一挑戰——利用像差校正電鏡和X射線散射來精確地確定結構和紊亂參數，將確定的參數作為緊束縛電子模型的參數輸入。通過整合結構分析、輸運測量和電子結構計算，他們證實了由于外延間點之間連接的異質性載流子被局域在幾個點之間。重要的是，分析表明，通過優化點和點之間的鍵合從而實現完全的離域是可能的。這提供了一種可以實現理論性質的量子點固體的前進方向。

文獻鏈接：
Charge transport and localization in atomically coherent quantum dot solids

5、Nature Nanotechnology：一種用于電磁設備中信號高能效傳輸和本地處理的可重構波導

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 實驗與工作原理示意圖

基于自旋波的設備將帶來一個低功耗計算的時代，將利用電子的自旋過程攜帶信息，而非傳統的通過電荷來傳遞信息，但是由于這種應用需要使用偏置磁場，這必須持續供電以維持各向異性器件的特性，因此其應用潛力受到影響。

Arabinda Haldar等人提出了一種可重構波導的設計，在初始化之后不需要任何外加偏置磁場，即可傳輸并可本地操縱自旋波。作者通過實驗驗證了未加偏置場情況下自旋波在直波導及彎曲波導中的傳輸，至今為止，這一點并不容易實現。此外，我們在波導中通過切換磁場實現了自旋波信號的二進制選通。文中所取得的研究成果將對于室溫下納米磁性設備的高密度集成和高能效運行具有一定的幫助。

文獻鏈接：
A reconfigurable waveguide for energy-efficient transmission and local manipulation of information in a nanomagnetic device?-pp437 - 443

6、Nature Nanotechnology：室溫下通過多層膜中的加性界面手征相互作用形成穩態小型的獨立斯格明子

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 非對稱多層膜的DMI界面

面對著數據的不斷增長的需求，人們需要一種新的存儲結構。由于納米尺寸的磁性斯格明子可以說是自然界中的磁性薄膜里最小的自旋紋理，它們有可能可以解決該問題。

C. Moreau-Luchaire等人設計了一種基于鈷的多層薄膜，其中鈷層夾在兩層重金屬中間，用以提供加性界面dzyaloshinskii–Moriya相互作用，在Ir|Co|Pt這樣的非對稱多層膜中達到了接近2mJ每平米的數值。通過使用磁化敏感掃描型X射線透射顯微技術，作者對這些多層膜在非常低的場中給小磁疇進行成像。通過對它們在垂直磁場中的行為表現進行研究，作者發現它們實際上是由巨大的dzyaloshinskii–Moriya相互作用所穩定下來的磁性斯格明子。在室溫下發現技術相關材料中的穩定的亞100納米尺寸的獨立斯格明子，這為將來設備的應用鋪平了道路。

文獻鏈接：
Additive interfacial chiral interaction in multilayers for stabilization of small individual skyrmions at room temperature?-pp444 - 448

7、Nature Nanotechnology：作為可重新配置自旋波納米通的磁疇壁

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 輸送原理、樣品幾何形狀和磁化配置

在磁振子的研究領域中，可以設想自旋波將被用作信息載體，操作其波動性。在過去的幾年中，在磁振子領域已經付出了巨大的努力，來實現了利用自旋波進行數據處理的概念。最近，這一概念已經取得了顯著的進展，導致基于自旋波為邏輯的原型構建塊的出現。先前關于納米尺度自旋波傳播的研究依賴于波導幾何圖案的約束，這缺乏可編程器件所需的控制傳播路徑的靈活性。另一方面，在微尺度二維結構中的自旋波的動態調控已經實現，但由于需要不斷施加外場，這導致能耗很高。

在這篇文章中，H. Schultheiss等人提出了克服這些挑戰的可能方法。他們在實驗上探索內在的自旋波的本征模式，它沿疇壁的寬度方向是量化的并具有一個明確的確保信息傳遞的沿疇壁的波矢量。針對這類未知的自旋波模式，該團隊專注于利用納米尺度疇壁作為納米尺度的自旋波通道從而對在兩個維度的自旋波傳播進行能效控制能力。

文獻鏈接：
Magnetic domain walls as reconfigurable spin-wave nanochannels

8、Nature Nanotechnology：基于Lewis酸化學的二維金屬硫屬化合物的表面功能化

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 基于InSe的2D配位絡合物的形成機理和InSe–Ti復合晶格結構

電子表面狀態在二維材料中發揮著主導作用，并改變原始原子層的內在屬性。在需要有機官能團的器件中，如染料敏化光電系統或傳感器，官能團需要共價連接到2D表面，以實現有效的耦合。對于表面修飾，如弱非共價相互作用，缺陷處的共價鍵合，納米顆粒裝飾，目前的方法往往導致不穩定或擾亂原始晶格結構。此外，大多數的報告官能方法依賴于在給定材料的特殊性能，因此僅僅應用在非常窄的光譜范圍是有用的。

另一種方法是建立一個可以作為大多數2D材料進行穩定的表面官能化同時保留2D拓撲性質的指南的解決方案。對很多2D材料的表面進行檢查表明，表面上的原子通常以孤對電子終止——這是路易斯堿的一個特征，因此可與路易斯酸連接形成配合物。接著，這些2D配位復合物可作為一個平臺，用于針對特定應用的進一步的官能化。Kaustav Banerjee等人展示了這一方法在不同的二維材料的通用性和有效性，并報告新類型的基于路易斯酸- 堿化學的二維固體層狀復合物的合成。

文獻鏈接：
Surface functionalization of two-dimensional metal chalcogenides by Lewis acid–base chemistry

9、Nature Nanotechnology: 大單晶雙層石墨烯的氧氣活化生長和能帶可調性

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?氧氣活化CVD方法制備出的BLG樣品電鏡成像

AB型堆疊的雙層石墨烯（BLG）是一種能帶可以通過橫向電場調諧的半導體，在眾多光電器件應用方面具有巨大的潛在應用價值。因此，一種可行性的合成高質量BLG的方法是十分重要的，該方法必須滿足在兩個石墨烯層上都有最小的晶體缺陷，最大的AB型堆疊面積，這樣，才可能實現能帶的可調性。

近日，美國哥倫比亞大學Rodney S. Ruoff等人研究出一種氧氣活化化學氣相沉積（CVD）方法，該方法在銅襯底上制備出半厘米級的AB型堆疊雙層石墨烯（BLG）單晶。除了單層石墨烯（SLG）的傳統表面限制生長，作者發現了一種新的微觀調控步驟：由于銅表面碳氫分子完全脫氫后，利用穿過銅箔的碳原子的擴散作用，調節第二層石墨烯在第一層石墨烯上的生長，該過程在沒有氧氣的情況不會發生。此外，在銅箔－第一層石墨烯界面，碳原子的有效擴散會進一步促進第二層石墨烯經疇的生長。該方法制備出的BLG具有超高的電子性質，器件開關比超過10^4，在0.9v/nm位移電場作用下，可調能帶隙高達100meV。

文獻鏈接：
Oxygen-activated growth and bandgap tenability of large single-crystal bilayer graphene

10、Nature Nanotechnology：雙層MoS2晶體管實現谷霍爾效應的電學調控

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 雙層MoS2晶體管的示意圖

除了固體電子電荷和自旋外，固體電子的谷自由度作為一種新型信息載體已經被提出。過渡金屬硫化物具有大范圍的可調能隙，是研究電子谷自由度的最佳材料。關于二維半導體過渡金屬硫化物（TMDs）的谷基電子和光電應用，已經被實驗證實，在單層MoS2發現谷極化和谷霍爾效應的光學定向。然而，單層MoS2是一種非中心對稱晶體，其谷霍爾傳導性調諧比較困難，給谷基應用的發展帶來了挑戰。

近日，賓夕法尼亞州立大學Jie Shan等人研究制作了一種雙層MoS2晶體管，雙層MoS2的谷霍爾效應可以被柵電壓調控。柵極施加的電場垂直于材料平面，打破了雙層MoS2的反演對稱性。由縱向電流引起的谷極化可以通過克爾旋轉顯微鏡成像觀察。極化信號只在器件溝道的邊緣被發現，兩個邊緣的信號是相反的，并且可以被柵電壓調控。這項工作促進了二維半導體在谷基電子光電應用方面的發展。

文獻鏈接：
Electrical control of the valley Hall effect in bilayer MoS2 transistors

11、Nature Nanotechnology:超薄納米結構的室溫斯格明子的手性磁性

納米尺寸的旋轉磁場結構被命名為斯格明子磁性，斯格明子磁性是伴隨著旋轉結構的手性自旋結構，這個發現開辟了在納米尺度上磁化操作的新路徑。這種磁性物體的一個重要特征是它們擁有不平凡的拓撲自旋結構、手性結構和納米尺寸，并可以通過小的電流密度來移動，也就是說，它們的磁化結構不能連續地轉化為均勻的磁場，而不引起奇異性，這在納米尺度上的進行磁化操縱開辟了一個典范。到目前為止，斯格明子手性結構只在外加磁場和低溫下的散裝材料和外延薄膜材料中被證實。

在本篇文章中，研究人員觀察了室溫和外磁場為零的條件下濺射超薄Pt/Co/MgO納米結構的穩定斯格明子。使用高分辨率的X射線磁性圓二色性顯微鏡顯示Néel手性的內部結構，主要是由于手性的相互作用就猶如自旋波光譜測量所顯示的一樣。通過微磁學模擬和數值模型來驗證最后的結果，這些都可以用來調節斯格明子的大小和穩定性的物理機制。

文獻鏈接：
Room-temperature chiral magnetic skyrmions in ultrathin magnetic nanostructures

12、Nature Nanotechnology:金屬鐵磁異質結的電流脈沖控制

盡管已經證實非中心對稱的半導體材料在自旋軌道相互作用下會產生電和圓偏振光，但這種觀念在一些常用金屬材料的自旋電子學器件尚未得到應用。現如今的一些電子設備，不僅要利用電荷還要利用電子的自旋，這個想法造就了電子學的發展，促進了信息存儲和處理的改革。利用飛秒激光脈沖將會是超快自旋電子學發展的一個新的方向。