頂刊動態丨Nature子刊/Chemical Reviews/Nano Letters等電子材料學術進展匯總【160628期】

本期導讀：
今天電子電工材料周報組邀您一起來看看Chemical Reviews/Nano Letters/ACS Nano/AFM/NC等期刊電子材料領域最新的研究進展。本期內容預覽：二維材料之間的原子級厚的歐姆邊緣接觸；單層MoS2-石墨烯異質結的能帶結構和最小帶隙；通過化學氣相沉積合成高發光率的MoS2；MoS2基生物傳感器的大規模生產；解鎖Si-Ge核-殼納米線量子點場效應晶體管的優異性能；以WS2和MoS2為基體的高靈敏度的浮柵晶體管；納米線P-N結導電性的直接測量；錳氧化物薄膜中由界面耦合引起的鐵磁絕緣相；六方氮化硼中點缺陷引起的紫外單光子發射；將膠體光電二極管直接整合到石墨烯光電晶體管上方得到混合光電檢測器。

1、ACS Nano：二維材料之間的原子級厚的歐姆邊緣接觸

圖1 石墨烯和TMD之間的邊緣接觸

對于二維材料而言存在兩種不同形狀的接觸界面：頂部接觸和邊緣接觸。當接觸面積足夠大時，石墨烯頂部接觸可以提供更小的體積和較低的接觸電阻。然而，由于石墨烯和TMD之間的范德瓦爾斯間隙，當石墨烯頂部接觸的長度小于轉移長度時接觸電阻會急劇的增長。另一方面，邊緣接觸提供有效的載流子注入到原子薄材料中的潛力，盡管只有很小的原子級接觸面積。傳統的金屬電極已成功地應用在石墨烯邊緣接觸上，但較大的金屬電極對器件體積仍占主導地位。

康奈爾大學的Jiwoong Park（通訊作者）通過可擴展和圖案化的的生長方法在襯底上生長均勻質量的橫向縫合的石墨烯/ TMD異質結構。得到的一維石墨烯（1DG）接觸具有低的接觸電阻（Rc）約30 kΩ?μm，在液氦溫度下仍表現歐姆行為，與此同時對于器件只增加了最少的體積。

文獻鏈接：Atomically Thin Ohmic Edge Contacts Between Two-Dimensional Materials（ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b02879）

2、Nano Letters: 單層MoS2-石墨烯異質結的能帶結構和最小帶隙

圖2 MoS2/石墨烯異質結的三維費米面和能帶結構

近年來，二維材料大家族的崛起，因其具有獨特的電子和光學性質，開啟了基于范德瓦爾斯（vdW）異質結新器件的前景。到目前為止，大多數研究都集中在基于石墨烯、氮化硼和過渡金屬硫化物的異質結構，這些材料通過機械剝離法或化學氣相沉積（CVD）生長得到。設計異質結的一個關鍵參數是能帶偏移的測定。能帶偏移量對很多性能都是非常重要的，如量子限域和化學活性。

巴黎-薩克雷大學的Abdelkarim Ouerghi（通訊作者）對單層MoS2和石墨烯形成的vdW異質結的能帶結構和相對論性質進行了詳盡的研究。研究得到了一個尖銳的高質量的MoS2-石墨烯界面，并通過微拉曼光譜、高分辨X射線光電子能譜（HRXPS）和掃描高分辨投射電子顯微鏡（STEM/HRTEM）對其進行表征。結果顯示，在費米能級附近，石墨烯顯示了一個強健的、幾乎完美的、無間隙的n摻雜狄拉克錐，同時在MoS2到石墨烯之間沒有明顯電荷轉移摻雜。

文獻鏈接：Band Alignment and Minigaps in Monolayer MoS2-Graphene van der Waals Heterostructures（Nano Letters，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b00609）

3、ACS Nano：通過化學氣相沉積合成高發光率的MoS2

圖3（a）MoS2的制備裝置；(b，c)實驗中兩種樣品的制備路線

對二維過渡金屬二硫化物 (TMDCs) 而言，面臨的最大考驗是利用何種技術大面積地合成高質量材料。化學氣相沉積 (CVD) 是合成TMDCs的一種主要技術，但材料的質量卻受限于生長過程中形成的缺陷。室溫光致發光 (PL) 量子產率 (QY) 是一種可用于探測半導體中缺陷的無損技術。通過機械剝離法制備得到的單層MoS2和WS2，經有機超強酸——雙(三氟甲烷)磺酸亞胺 (TFSI) 處理后，其PLQY可接近100%。

加州大學伯克利分校和勞倫斯伯克利國家實驗室的Ali Javey（通訊作者）等人對MoS2進行的化學處理進行了深入研究，發現原生單層分子需要轉移到二代基體中，以消除壓力，從而通過TFSI處理獲得高QY。并且，MoS2合成過程中，硫磺前驅體溫度對有效處理起著重要的影響。這個鈍化處理的發現將推進高性能的MoS2基光電子和電子設備的快速發展。

文獻鏈接：High Luminescence Efficiency in MoS2 Grown by Chemical Vapor Deposition （ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b03443）

4、ACS Nano：MoS2基生物傳感器的大規模生產

圖4 MoS2的生長過程及其設備

將納米材料與蛋白質結合形成生物傳感器，可敏銳的探測單個蛋白分子的構象變化，從而可以用于探測腫瘤標記蛋白或溶液中的靶向小分子。二維MoS2材料作為具能隙的本征半導體，在該應用領域較石墨烯有著更好的性能。但可再生，高產出的制造工藝依然是一個難點。

賓夕法尼亞大學的A. T. Charlie Johnson（通訊作者）等人通過將單層MoS2晶體致密膜轉移到預制的電極陣列中，獲得具潔凈表面，允許可再生蛋白附著的高質量場效應晶體管。并證實基于MoS2陣列的阿片類生物傳感器場效應晶體管可結合水溶性的-阿片受體(MOR)。在室溫環境，平均電子遷移率2.0 cm2 V-1 s-1 (36 cm2 V-1 s-1)條件下，MoS2場效應晶體管生物傳感器的產率超過95%。而將大規模陣列制造與快速、精確連接的MoS2晶體管結合，對固態藥檢技術的發展及藥物與預期的靶向蛋白分子結合的精確讀出等領域的發展有著重要的推進作用。

文獻鏈接：Scalable Production of Molybdenum Disulfide Based Biosensors?（ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b02137）

5、Nano Letters：解鎖Si-Ge核-殼納米線量子點場效應晶體管的優異性能

圖5 性能控制機制原理圖

半導體核-殼結構納米線技術的持續發展引發新一代場效應晶體管 (FET) 的制備技術。通過施加柵極場來了解如何控制納米線通道的載流子遷移率是發展高性能FET的關鍵。

密歇根理工大學的?Ranjit Pati（通訊作者）等人證實Si-Ge核-殼結構納米線量子點FETs優異性能的控制機制在于其均質的Si配對。量子運輸方法則用于研究超窄帶Si和Si-Ge核-殼納米線量子點FETs中電流的柵極場調節方式。在偏壓測試下，Si-Ge核-殼納米線FET中出現的跨導現象較Si納米線FET要更高，這表明在Si-Ge納米線設備中具有更高的電子流動性，從而表現出更為優異的性能。

文獻鏈接：Unlocking the Origin of Superior Performance of a Si?Ge Core?Shell Nanowire Quantum Dot Field Effect Transistor（Nano Letters，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b00359）

6、AFM：以WS2和MoS2為基體的高靈敏度的浮柵晶體管

圖6 WS2光電晶體管的工作原理

最近幾年，二維層狀材料由于其原子大小的厚度、容易制備單晶范德華瓦爾斯異質結、超快光電特性和寬帶光子吸收等特點，被認為是新一代最有前景的光電晶體管。然而，到目前為止，即使在一個大的偏置電壓中，從這些晶體管中獲得的光敏性仍不理想。

中國科學院上海技術物理研究所的Weida Hu（通訊作者）等人提出并且設計出了高靈敏度的光電晶體管，該晶體管是以WS2和MoS2為基體，同時將納米顆粒的金（AuNPs）鑲嵌在柵介質中。研究發現這些納米顆粒的金（AuNPs）主要分布在通道和阻擋介質之間，使電子有效的分離以強烈抑制暗電流的產生。WS2晶體管子在低源/低漏和波長520nm的零柵壓下獲得了超低暗電流（10-11A），高光響應（1090 AW -1）、高探測率（3.5×1011 Jones）。這些結果都表明，浮柵存儲器結構是一種實現高性能的二維電子/光電器件的有效設備。

文獻鏈接：High-Sensitivity Floating-Gate Phototransistors Based on WS2?and MoS2（Advanced Functional Materials ，2016，DOI:?10.1002/adfm.201601346）

7、Nano Letters：納米線P-N結導電性的直接測量

圖7 GaAs納米線的靜電位圖

半導體納米線（NWs）是未來光電子器件包括發光二極管、激光器和場效應晶體管等的重要候選人。最近研究發現，在Au的催化下，GaAs納米線太陽能電池可達到15%的外部效率。為了更好地合成納米線以及進一步地提高性能，導電性能、傳輸性能、摻雜劑分布、接觸結和表面密度等等的測量是不可缺少的。

西蒙·弗雷澤大學的Karen L. Kavanagh（通訊作者）等人使用原位電探測和離軸電子全息術（EH）來測量單個GaAs納米線 P-N結的運輸性能和電位分布。該研究主要是比較在相同的生長條件下均勻摻雜相同濃度摻雜劑的納米線的P型結和N型結生長情況。通過EH直接成像消耗的電位分布，并與理論的理想P-N結電位相比較，得出在納米Au催化下GaAs納米線P-N結的生長程度。該研究為以納米線為基礎而進一步發展具有低電阻突變界面的多結器件提供了必不可少的機會。

文獻鏈接：Direct Measurement of the Electrical Abruptness of a Nanowire p–n Junction（Nano Letters，2016，DOI:?10.1021/acs.nanolett.6b00289）

8、Nano Letters：錳氧化物薄膜中由界面耦合引起的鐵磁絕緣相

圖8 松散的鐵磁金屬

鈣鈦礦型ABO3外延異質結構界面已經在增強界面的磁有序溫度，提高設備的性能方面引起大量關注。鈣鈦礦型（ABO3）異質結構的原子和電子結構界面微量的差別往往會導致不同的性質，然而其機理仍然難以確定。

布魯克海文國家實驗室的Yimei Zhu（通訊作者）和?新加坡國立大學的Gan Moog Chow（通訊作者）等人對SrTiO3襯底上的Pr0.67Sr0.33MnO3薄膜的結構特性、不同尋常的傳導方式、磁性能進行了綜合研究。Pr0.67Sr0.33MnO3/SrTiO3界面的八面體旋轉特性和平面晶格常數的變化強烈的依賴于Pr0.67Sr0.33MnO3膜的厚度。在12 nm厚的薄膜中，在SrTiO3從立方到四方相變過程中，形成了一個新的磁性極化子絕緣相的敏感界面，顯然是由于在薄膜中電子-聲子相互作用和原子無序的增強。并且30 nm厚的薄膜中磁性極化子絕緣相的傳輸特性被屏蔽，是因為耦合的界面-體積比的減少。該項研究說明了界面耦合是如何依賴厚度，從而形成了一種鐵磁-極化子絕緣體的理論預測。

文獻鏈接：Interfacial Coupling-Induced Ferromagnetic Insulator Phase in Manganite Film（Nano Letters，2016，DOI:?10.1021/acs.nanolett.6b01056）

9、Chemical Reviews：金屬鹵化物鈣鈦礦之迷人的光電特性

?圖9 PSC（鈣鈦礦太陽能電池）結構的發展過程

由于金屬鹵化物鈣鈦（MHPs）作為溶液工藝光電（PV）吸收劑的成功突破，鈣鈦礦輝煌的歷史將翻看嶄新的一頁。雖然MHP研究浪潮主要來自光電器件的快速發展，但是這些材料可能適用于各種光電應用。比如氧化物鈣鈦礦，MHPs具有ABX3這樣的化學計量比，其中A和B是陽離子，X是鹵族陰離子。

美國圣母大學的Prashant V. Kamat（通訊作者）等人著眼于金屬鹵化物鈣鈦在新興光電子技術的潛在應用，綜述了無機和有機-無機復合MHPs的基礎物理和光物理性質。著重討論的是原型化合物——甲基碘化鉛（CH3NH3PbI3），因為人們圍繞這一材料做了大量的研究。此外，本文還討論了其他顯著的MHP系統，比如相關的二維化合物。更具體地說，本文綜述了MHP電子結構，吸收與釋放，載流子動力學和傳輸以及相關光物理過程之間的相互聯系，有助于現代最前沿的光電子學研究。

文獻鏈接：Intriguing Optoelectronic Properties of Metal Halide Perovskite（Chemical Reviews，2016，DOI:?10.1021/acs.chemrev.6b00136）

10、Nano Letters：六方氮化硼中點缺陷引起的紫外單光子發射

圖10 （a） CL發射光譜；（b） 二階相關函數

迄今為止，量子點是獲得紫外光區量子光源的唯一途徑。寬帶隙材料中的色心或許代表著獲得紫外光區量子光源的另一種更為有效的選擇。然而，將有效的紫外激發/檢測光路和靈敏度高的檢測材料的單色心輸入能力相結合卻十分困難，阻礙了在塊晶中實現紫外量子發射。

法國國家科研中心和巴黎第十一大學的Alberto Zobelli（通訊作者）等人使用一種原實驗光路將掃描透射電子顯微鏡的陰極發光耦合到布朗-特威斯光強干涉儀上，從而克服了這一限制。此外，他們發現了一種六邊氮化硼中紫外單光子發射。陰極發光光譜表明發射限域程度高，在陰極發光光譜中出現了經典的零聲子線及聲子伴線的光譜信號，這表明很可能存在氮端的碳取代引起的點缺陷源。非單光子的寬發射也有可能在同樣的光譜區域出現，這是由電子輻射的本征缺陷引起的。

文獻鏈接：Bright UV Single Photon Emission at Point Defects in?h-BN（Nano Letters，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01368）

11、NC：將膠體光電二極管直接整合到石墨烯光電晶體管上方得到混合光電檢測器

圖11 光電晶體管操作的原理圖

很多器件都需要可以檢測紫外到短波紅外光區發光的高靈敏度檢測器，然而，在可見和短波紅外光區實現低成本的、靈敏度高、量子效率高、光響應迅速的光電檢測器仍是光電器件的一大挑戰。目前，光電檢測器分為兩類，分別是光電二極管和光電晶體管，二者各有所長。

西班牙光子科學研究所的Frank H. L. Koppens和Gerasimos Konstantatos（通訊作者）等人將膠體光電二極管整合到石墨烯光電晶體管上方得到了一種混合光電檢測器。就響應速度、量子效率和線性動態范圍而言，該混合光電檢測器都超越了光電晶體管，其量子效率超過70%，線性動態范圍為110dB和3dB，帶寬1.5kHz。該項工作不僅研究如何將光電器件直接整合在石墨烯上方，而且為高性能的柔性二維光電器件的發展奠定了基礎。

文獻鏈接：Integrating an electrically active colloidal quantum dot photodiode with a graphene phototransistor（Nature Communications，2016，DOI: 10.1038/ncomms11954）

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、風之翼、以亦供稿，材料牛編輯整理。

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