頂刊動態丨PNAS/AEM/Nano Letters等電子材料學術進展匯總【160621期】

本期導讀：
今天電子電工材料周報組邀您一起來看看AEM/JACS/Nano Letters/ACS Nano/PNAS期刊電子材料領域最新的研究進展。本期內容預覽：金屬-硫屬化合物基的熱電材料以及相關熱電增強機制的最新研究進展綜述；磁序和鐵電性可共存于二維納米層片界面中；可降低電觸點電阻率的石墨-石墨烯接觸面；通過摻硼向石墨烯中導入大尺寸非對稱亞晶格；二維異質結的超快能帶結構控制；低溫激光處理揭示單層WS2缺陷態的光致發光；溫度場中的極磁電阻相位圖；GdAg2 單層的高溫鐵磁性。

1、AEM：金屬-硫屬化合物基的熱電材料以及相關熱電增強機制的最新研究進展綜述

圖1 熱電材料的典型應用

由于能源和環境問題的緊迫性，各種具有成本效益和無污染的技術已引起人們相當的重視，其中，熱電技術取得了巨大的進步。通過采用先進的納米科學和納米技術，我們可以創造出大量的具有高品質因數（ZT）的新型熱電材料。而金屬-硫屬化合物基的熱電材料更是如此，并且，在所有熱電材料中，這種材料具有相對較高的ZT以及成本比較低。

蘇州大學醫學部和澳大利亞臥龍崗大學的Zhen Li（通訊作者）等人全面得綜述了金屬-硫屬化合物基的熱電材料以及相關熱電增強機制的最新研究進展。并且他們總結了一些新的策略，有望促進無論是金屬硫屬化合物還是其他材料性能的進一步提高。

文獻鏈接：Thermoelectric Enhancement of Different Kinds of Metal Chalcogenides（Advanced Energy Materials，2016，DOI:?10.1002/aenm.201600498）

2、JACS：磁序和鐵電性可共存于二維納米層片界面中

圖2 人工構建出高品質超晶格多鐵性材料

對于多鐵性材料，可以通過磁場使其中的電子極化發生切換，反之亦然，這對于新電子技術是十分重要的。但是，在室溫下也存在極少數的單相材料表現出交叉耦合特性，并且只有通過復雜的技術才能獲得具有較強的磁電耦合性質的異質結構。

日本國立材料科學研究所的Minoru Osada和Takayoshi Sasaki（通訊作者）等人提出了一種多鐵性材料的合理設計：對二維納米片層進行疊層處理。他們通過交錯堆疊Ti0.8Co0.2O2鐵磁性納米片與鈣鈦礦結構的Ca2Nb3O10納米片，從而人工構建出新型的高品質超晶格多鐵性材料。這種人造結構可以使研究人員控制層間耦合、并且（Ti0.8Co0.2O2/Ca2Nb3O10/Ti0.8Co0.2O2）這種超晶格在存在鐵磁有序的情況下引發室溫鐵電性。這種技術為制備高度可控的多鐵性材料提供了一種新的思路。

文獻鏈接：Coexistence of Magnetic Order and Ferroelectricity at 2D Nanosheet Interfaces（JACS，2016，DOI:?10.1021/jacs.6b02722）

3、Nano Letters：可降低電觸點電阻率的石墨-石墨烯接觸面

圖3 不同相對角度下石墨-石墨烯電觸點的電阻率

導電體與石墨烯這類二維材料的強電觸點對這些二維材料在電子器件的應用是十分重要的。現在一般都會采用金屬觸點，而這種觸點無論是在邊緣還是在接觸面，電阻率需要小于100Ω μm，但是實際上往往大于10 KΩ?μm。

哥倫比亞大學的Kenneth Shepard（通訊作者）等人為降低接觸面的電阻率，將石墨單晶代替傳統的金屬作為與石墨烯接觸的導電體，驚奇的發現，石墨的電子傳輸長度較傳統的金屬接觸面高達四倍之多。另外，通過控制石墨與石墨烯間的相對方向，可以將接觸面電阻率降低至6.6Ω μm2。接觸面電阻率呈現一個60°的周期性，相對角在與晶體對稱性相關的22°和39°左右時，接觸面電阻率急劇下降，而這又與雙層石墨烯的扭轉角相對應。

文獻鏈接：Resistivity of Rotated Graphite?Graphene Contacts（Nano Letters，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01657）

4、Nano Letters：通過摻硼向石墨烯中導入大尺寸非對稱亞晶格

圖4 失衡的亞晶格摻雜石墨烯模式圖

未來，將石墨烯基電子設備投入使用還存在一個限制，即石墨烯電子結構中缺少能隙。而目前能利用可重復及加工的方法來制備出能隙的選擇卻并不多，最可行的方法則是導入大尺寸的非對稱亞晶格。

俄羅斯圣彼得堡國立大學的Dmitry Yu. Usachov（第一作者及通訊作者）等通過光電子衍射和能譜證實選擇性的硼摻雜能在石墨烯中導入1~2個亞晶格。將石墨烯有序排列在Co(0001)面上，碳原子相對于Co晶格則占據兩個非等效位，即頂端和空隙。向石墨烯晶格中摻雜硼，使其占據空隙位，因為該位能與Co晶格相互作用。經理論計算，可以通過控制硼的摻雜濃度來調節摻硼石墨烯的能隙。因此，這種非對稱摻雜的硼-石墨烯作為一種新型材料在電子設備應用領域上有著很大的前景。

文獻鏈接：Large-Scale Sublattice Asymmetry in Pure and Boron-Doped Graphene（Nano Letters，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01795）

5、ACS NANO：二維異質結的超快能帶結構控制

圖5 MoS2和石墨烯異質結中光誘導載流子密度對MoS2帶隙的調節

在2D半導體中，準粒子的帶隙和激子結合能顯著的受到襯底材料的選取和2D材料中的激發電子的影響。當放置單層的過渡金屬硫化物（SL TMDC）在金屬襯底上如Au（111），可以觀察到一個強烈的帶隙重整化，但降低的帶隙幾乎不受額外激發的載流子密度影響。

丹麥奧胡斯大學的Philip Hofmann（通訊作者）等人證明了單層二硫化鉬和石墨烯（MoS2/ G）異質結構中，由相鄰的石墨烯屏蔽作用會引起準粒子帶隙的較小的減少，此時二硫化鉬層會保留了強烈的光可調諧性。利用時間和角分布光電子能譜（TR-ARPES），該研究在飛秒尺度顯示了自由載流子的光學激發導致能帶結構變化，此外還能夠分離單層MoS2和石墨烯的基本的電子結構以及載流子動力學。研究結果表明，與石墨烯組成的異質結的單層MoS2載流子的靜態屏蔽足夠弱，可以通過光激發載流子誘導顯著帶隙重整化。

文獻鏈接：Ultrafast Band Structure Control of a TwoDimensional Heterostructure（ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b02622）

6、ACS NANO: 低溫激光處理揭示單層WS2缺陷態的光致發光

圖6 老化前后的光學圖像以及老化和激光處理的PL光譜對比圖

單層的過渡金屬二硫屬化物（TMDs）已經由于它們的物理性質，引起了極大的興趣。而單層TMDs能否有效應用的重要因素在于它們的穩定性和處理能力，氣體敏感使得對于制造和處理大尺寸的樣品具有很大的挑戰。但暴露于大氣條件下引起的TMD性能改變對于實現器件依賴時間的可變性能是很重要的。研究表明，當放置在空氣（富氧）和自然光（含紫外線）中時，單層TMDs具有一些不穩定性。因此，開發可以檢測暴露于大氣條件時單層TMDs變化的方法是非常重要的。

英國牛津大學的Jamie H. Warner（通訊作者）等人考察了大氣環境下單層WS2的退化起點，與黑磷相比他將在更長的時間尺度下發生。文章采用低溫PL光譜的方法來檢測WS2中缺陷態的PL，通過激光誘導的清洗工藝去除表面的吸附劑，新峰出現與單層WS2中的缺陷有關。這項工作顯示了利用低溫PL方法可以檢測放置在空氣中單層WS2晶體內缺陷形成。

文獻鏈接：Revealing Defect-State Photoluminescence in Monolayer WS2 by Cryogenic Laser Processing（ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b00714）

7、PNAS：溫度場中的極磁電阻相位圖

圖7 LaSb的熱容量（C）與溫度（T2）的關系曲線

具有很大的磁電阻材料（MR）已經應用于電子器件，如磁記憶；自旋電子器件，如電磁閥以及磁傳感器或磁性開關。最近的報告的幾個非磁性半金屬的極磁電阻（XMR），由于其特殊的性能，引起了人們極大的興趣。

普林斯頓大學的Robert Joseph Cava（通訊作者）等人研究了LaBi中的極磁電阻。通過比較LaBi 和LaSb的磁效應，他們在溫度場中建立了一個三角形的相位圖，說明了磁場是如何調整材料中電子行為。并且，這種三角形相圖還可以推廣到其他的具有不同晶體結構和化學成分的拓撲半金屬中。通過進行能帶結構計算比較實驗結果，研究人員發現LaBi 和LaSb中的極磁電阻源于電子空穴補償孔和粒子的電子空穴中特定軌道結構的相互結合作用。這種軌道可能是各種拓撲半金屬的一般特征，會在零場條件下小殘余電阻率和受磁場誘導的強散射中產生。

文獻鏈接：Temperature?field phase diagram of extreme magnetoresistance（PNAS，2016，DOI: 10.1073/pnas.1607319113）

8、Nano Letters：GdAg2 單層的高溫鐵磁性

圖8 GdAg2?單層合金樣品的結構和性能

材料所表現出來的磁性、界面穩定性和可調性是在異質結構中產生新興磁電現象所需要的。西班牙巴斯克大學的 M. Ormaza等人主要研究了具有這些性能的 GdAg2單層合金。

他們通過X射線吸收、克爾效應和角分辨光電子與原始計算來分析Gd基合金的鐵磁性。從GdAu2 到 GdAg2居里溫度可以從19 K可以升高85 K這樣很高的溫度。在實驗中發現，Gd原子與貴金屬原子的充分協調對原子之間的耦合幾乎沒有影響，相反，在貴金屬中混合Gd的S，P - d能帶卻能夠有效的進行磁耦合。直接比較GdAu2和GdAg2單層的晶體結構可以解釋表面高度約束和混合的S，P - d能帶是如何提高后者的居里溫度的。最終，通過作為有機半導體或磁性納米點的基體證明了GdAg2合金穩定的化學成分和結構。這些稀土/貴金屬合金表面和界面的系統研究結果可促進磁電應用的開發。

文獻鏈接：High Temperature Ferromagnetism in a GdAg2?Monolayer（Nano Letters，2016，DOI:??10.1021/acs.nanolett.6b01197）

本期內容由材料人電子電工材料學習小組大黑天、天行健、ZZZZ和風之翼供稿，材料牛編輯整理。

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