Nature Nanotechnology：6月納米前沿精選科研成果

今天材料牛邀您一起來看看Nature Nanotechnology期刊2016年6月納米前沿精選科研成果：康奈爾大學開發了一種深亞波長機制中平行結構間近場輻射熱的轉換技術；密歇根州立大學開發了一種輻射熱在電介質與金屬納米級間隙平行板間的傳導技術；康奈爾大學設計了一種原子級厚度的手性薄膜材料；馬里蘭大學研究了一種單自旋固態光量子開關技術；意大利米蘭理工大學和美國喬治亞理工學院合作開發了一種利用熱輔助掃描探針印刷法繪制可重構的磁性納米圖案的技術；格勒諾布爾-阿爾卑斯大學研究了硅納米諧振器的頻率波動對諧振器自身穩定的影響機制； IBM公司T. J. Watson研究中心用自組裝碳納米管構建物理不可克隆的密碼學原語。

1. ?深亞波長機制中平行結構間近場輻射熱的轉換技術?
圖1 利用MEMS實現平行納米束的組合從而實現深亞波長熱轉換機制：（a）MEMS的幾何示意圖和工作原理；（b）紅線為擬合線，黑線為不同間距下的熱輻射曲線；（c）不同間距下（50 nm，1500 nm）輻射熱和頻率的關系曲線；（d）結構松弛后的色差掃描電子顯微鏡（SEM）圖；（e）結構松弛前下納米束的側面色差掃描電子顯微鏡（SEM）圖。

當頻率集中時，深亞波長級間隙平行結構間的熱輻射及其大的熱梯度（>100 K）可以產生非常高的溫度。這種優異的性能可以幫助人們突破可控熱轉換技術并實現下一代電子器件（例如，輻射熱精確吻合帶隙頻率的光伏電池）。然而，為避免其他傳熱機制——熱導的發生，保持較大的熱梯度比較困難，所以該種熱轉換機制還沒有在實驗室實現過。

近日，美國康奈爾大學電子與計算機工程學院的Michal Lipson（通訊作者）課題組為我們展示了一種在深亞波長級SiC納米束間的近場熱輻射轉換機制。納米束之間的間距利用高精度微電子機械系統（micro-electromechanical system，MEMS）進行調控。他們利用納米束的高彎曲壓來使之對熱穩定性的影響最小化，從而，使間隙即使在高的熱輻射梯度下還能保持在納米級。基于此，他們成功實現了熱轉換過程的優化，實現了兩種量級，其中，42 nm的間隙為最遠場輻射。同時，他們實現了冷-熱界面間距約為100 nm時高達260 K的熱梯度。

文獻鏈接：Near-field radiative heat transfer between parallel structures in the deep subwavelength regime（Nature Nanotechnology，2016，DOI: 10.1038/nnano.2016.20）

2. 輻射熱在電介質與金屬納米級間隙平行板間的傳導技術

圖2 （a）表示發射器和接收器間的取向；（b）實驗測試的輻射熱傳導結果與計算結果相互比較

最近的實驗表明，納米級間隙間的輻射熱轉換已經遠遠超過了遠場輻射熱的理論值。人們對利用這種近場增強的技術應用在諸如熱光生電和納米平板印刷等極端環境下，產生了濃厚的興趣，這是因為該技術能夠在效應、電源轉換或者這些器件的解決方法上具有預期的增強效果。最近，通過近場輻射熱轉換理論預測，過去的方法被用于端板或者球板構型，并且沒有實現輻射熱量級增長的有序化。

近日，美國密歇根州立大學機械工程系和材料科學與工程系Pramod Sangi Reddy（通訊作者）教授團隊報道了在室溫下實現在間隙低于100 nm的兩平行板之間100-1000倍增強的輻射傳導機制，這與近場輻射理論相吻合。他們的方法應用在不同的典型材料間（SiO₂–SiO₂，Au–Au，SiO₂–Au以及Au–Si）構成的雙微器件和自組裝納米位點上，這使得能夠精確控制間隙尺寸在100 nm到10 μm之間。他們的實驗設置可以允許對基于熱現象的不同近場做系統研究，這對熱光生電器件具有非常重要的意義。

文獻鏈接：Radiative heat conductances between dielectric and metallic parallel plates with nanoscale gaps （Nature Nanotechnology ，2016， DOI: 10.1038/nnano.2016.17）

3. 原子級厚度的手性薄膜材料?

圖3 堆疊法制備原子級厚度的手性薄膜技術（a）堆疊法制備雙層石墨烯手性薄膜過程示意圖及其鏡像演示；（b）電子能帶結構（上）和原子的螺旋排布側向觀察示意圖（下）；（c）在扭轉角θ=16.5°時的雙層手性石墨烯薄膜的圓周率譜或圓二色譜（紅色為左旋，藍色為右旋），以及單層石墨烯的圓二色譜（灰色）。

手性材料擁有像左右手一樣的鏡像對稱性。這種材料在偏振光學、立體化學以及自旋電子學等領域具有許多先進的應用。尤其是勻稱的具有原子級可控手性的手性薄膜材料的發現更是為具有手性性能的納米器件的發展提供了一種有力的意義。然而，之前的方法要么基于自然的薄膜，要么基于生長的薄膜，要么是基于裝配式積木陣列，但都不能對原子級納米薄膜提供一個直接的有關本征手性屬性的意義。

近日，美國康奈爾大學化學與化學生物學系的Jiwoong Park（通訊作者）副教授團隊報道了一種手性堆疊技術，可以實現二維材料層與層之間的精確堆疊，通過一定的角度和比例，最終得到一種可協調手性屬性。利用這種方法，他們生產了一種雙原子層厚度的左右手性雙層石墨烯薄膜。并且，這種薄膜呈現出目前報道的薄膜材料中最高的本征橢圓度值（高達6.5 deg μm^-1），通過測試峰強度和θ值與極性的曲線形態可知，其還呈現出超強的圓二色性。他們的研究結果證實了這種手性屬性是源于大的平面磁性在層間的光學躍遷。進一步的研究證實，他們可以利用這種技術通過一層一層地堆疊的方式程序化調控原子級厚度的手性薄膜的手性性能，并且制備了三層厚度的具有結構可控的圓二色光譜石墨烯薄膜。

文獻鏈接：Chiral atomically thin films （Nature Nanotechnology ，2016， DOI: 10.1038/nnano.2016.3）

4. 一種單自旋固態光量子開關?

圖4 相關器件和實驗設置（a）磁場下負極性量子點的能級結構圖；（b）所裝配的器件的掃描電子顯微鏡（SEM）圖；（c）測試手段設置。

單自旋與光子之間的內部反應對于量子網絡和量子分布計算來說非常重要。在固態器件中實現自旋光子的內部反應可以實現緊湊型芯片集成量子電路并實現GHz級可操作帶寬。很多理論成果表明利用在納米光子結構中嵌入自旋得到高運轉速度的界面。這些提議能夠實現一種量子開關，即利用自旋躍遷到光子態以及光子躍遷到自旋態實現開關效果。然而，這種開關還沒有通過固態自旋系統進行實現。

近日，馬里蘭大學量子光電實驗室的Edo Waks（通訊作者）團隊在實驗室利用將單固態自旋嵌入納米光子空腔中的方法，可成功制備的自旋光量子開關。該團隊的研究成果證實，自旋態能夠顯著地改變所反射光子的極性，以及自旋態單光量子的相干轉動。這些強自旋光子間的反應為實現固態下高速量子通訊網絡以及利用納米光學器件的片量子信息中央處理器方面打開一個非常有前景的研究方向。?

文獻鏈接：A quantum phase switch between a single solid-state spin and a photon （Nature Nanotechnology ，2016，DOI: 10.1038/nnano.2015.334）

5. 利用熱輔助的掃描探針印刷法繪制可重構的磁性納米圖案

圖5 通過tam-SPL法得到的磁感線圖案（a）初始化之后，鐵磁層（黃色箭頭）以及反鐵磁層（藍色箭頭）示意圖；（b）樣品表面的掃描探針顯微鏡熱端掃視，產生的額外磁場（綠色箭頭）。（c）當額外磁場被去除后，鐵磁層的磁感線形態；（d、e）修飾前（d）修飾后（e）磁滯回線。?

利用一種神奇的工具來控制納米級的磁性是一種光學、電子學和自旋電子學發展的新方向。目前為止，構造磁性納米結構主要通過不可逆結構或者是化學改良的方式來實現。

近日，意大利米蘭理工大學和美國喬治亞理工學院E. Albisetti（通訊作者）、E. Riedo（通訊作者）以及R.Bertacco（通訊作者）等人合作共同提出了一種手工調節磁各向異性，使鐵磁層與反鐵磁層交換，即可實現納米級可重構磁性結構的新概念。通過對掃描探針顯微鏡熱端實行局部冷卻，能夠任意方向磁化以及不同方向各向異性可調的磁性結構是一種不需要對薄層進行化學成分和形貌修飾的可逆結構。這種技術將為具有微調磁特性的神奇金屬材料的發展提供無限種可能，例如，可重構的磁等離子體以及磁振子晶體等。在這篇報道中，研究者們利用提出的方法通過實驗證實了自旋波激發的空間控制機制和磁性結構圖案的傳輸機制。

文獻鏈接：Nanopatterning reconfigurable magnetic landscapes via thermally assisted scanning probe lithography （Nature Nanotechnology ，2016，DOI: 10.1038/nnano.2016.25）

6. 硅納米諧振器的頻率波動

圖6 諧振器中頻率穩定性報告值與機械熱噪穩定性極限值間的對比圖

頻率穩定性是納米諧振器的關鍵。其中，這種穩定性被認為是提高諧振器性能極限從而解決其中的熱致振動的問題。雖然，有關諧振器穩定性的測試和預測往往是要忽略機械頻率響應上的波動，但最近的理論研究卻被這些存在的波動所吸引。然而，這些波動很難被測試追蹤到。

近日，法國格勒諾布爾-阿爾卑斯大學的Sébastien Hentz（通訊作者）團隊的研究發現，所有的頻率穩定報告值比機械熱噪要大好幾個數量級，他們在室溫下對單晶硅的研究中也發現了與之類似的矛盾之處。于是他們提出了一種新方法用于顯示該種情況是由于存在非預期的頻率波動所致。而這種波動不是由于儀表或者什么其他的已知的原因所致。這一結果的發現對目前人們對頻率波動的認知是一種挑戰，當然也被稱作一種實用性改變。

文獻鏈接：Frequency fluctuations in silicon nanoresonators （Nature Nanotechnology ，2016，DOI: 10.1038/nnano.2016.19）?

7. 用自組裝碳納米管構建物理不可克隆的密碼學原語

圖7 自組裝碳納米管二維陣列：（a）器件組成示意圖；（b，c）5×5交叉結構的SEM照片

信息安全關系到現代社會生活的許多方面。然而，硅芯片很容易通過側信道攻擊（如通過測量功耗、定時或電磁輻射等）而造成偽造、篡改及信息泄露。單壁碳納米管由于其卓越的電學性能和固有的超薄外觀，可替代硅作為晶體管的通道材料。但要使其用于高性能的電子設備，還需要解決諸如有限的半導體純度和非理想組裝等問題。

近日，來自IBM公司T. J. Watson研究中心的Shu-Jen Han（通訊作者）等人利用碳納米管的固有缺陷低成本地構建了一種不可克隆的隨機電子結構。研究人員采用離子交換法使得碳納米管自組裝成氧化鉿溝槽圖案，并對溝槽的寬度進行了優化，以使得納米管排布的隨機性達到最大化。通過這種方法創建了二維隨機位陣列，該二維隨機陣列可通過決定連接收率和納米管器件的轉換方式來提供三元位結構。最終，研究人員得到了一個與傳統的二進制密鑰具有相同大小但安全級別顯著增高的加密密鑰。

文獻鏈接：Physically unclonable cryptographic primitives using self-assembled carbon nanotubes （Nature Nanotechnology ，2016，DOI: 10.1038/nnano.2016.1）

本文由材料人編輯部學術組Carbon和Sea供稿，材料牛編輯整理。

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