頂刊動態丨Nature子刊/Nano Letters/JACS等期刊電子材料學術進展匯總（電子周報160726 期）（二）
本期導讀：
今天電子電工材料周報組邀您一起來看看Nature Nanotechnology/Nano Letters/ACS Nano/JACS等期刊電子材料領域最新的研究進展。本期內容預覽：基于石墨烯的約瑟夫遜隧道結中的臨界電流縮放；石墨烯和BN界面的拓撲缺陷提高了其界面導熱性；載流子轉移實現了雙層石墨烯中88%的馳豫長度為30微米旋轉電流的定向引導；利用海洋能的納米摩擦發電機；非磁場中反鐵磁/鐵磁/氧化物結構的垂直磁化；納米線驗磁器展示了左右偏置的細胞轉動力矩；石墨烯模擬電路和硅互補金屬氧化物（CMOS）半導體數字電路的混合集成；具有特殊和可調諧局域表面等離激元共振的氫摻雜金屬氧化物半導體；單層MoSe2-x晶體中空位遠超固有水平時載流子類型和光響應的變化；二維共面石墨烯-金屬硫化物p-n結的載流子離域化；通過選擇表面層氧化實現WSe2的層狀可控。
1、Nano Letters：基于石墨烯的約瑟夫遜隧道結中的臨界電流縮放
圖1 ?（a）基于石墨烯的約瑟夫遜隧道結光學顯微照片；（b）不同的電流和觸發電壓下，節中的不同電阻；（c）電阻放大圖
電流可以無耗散地通過與超導接觸相連接的正常（非超導）材料。利用石墨烯做正常區域人們可以制備門控超導器件，這種門控超導器件的特點是電子遷移率高、費米速度大。但是迄今為止，超電流通過擴散石墨烯的機理仍無法被全面深入地理解。
近日，來自杜克大學的Chung Ting Ke（通訊作者）和Gleb Finkelstein（通訊作者）研究了在相同的石墨烯晶體上制備的具有不同長度的Josephson結的ICRN和ETh之間的關系。有些在CVD石墨烯單結上制備的結接觸厚度一致，均為9μm，而長度不等，在400nm和1000nm之間變動。在用門電壓調節載流子密度時，這些結的臨界電流從幾毫微安增加到大于5μA，而Thouless能量卻變化了大約2個數量級。研究人員發現ICRN和ETh成線性關系，這和理論預測相一致。
文獻鏈接：Critical Current Scaling in Long Diffusive Graphene-Based Josephson?Junctions??（Nano Letters，2016，DOI:10.1021/acs.nanolett.6b00738）
2、Nano Letters：石墨烯和BN界面的拓撲缺陷提高了其界面導熱性
圖2 ?在石墨烯和BN界面沿熱通量方向的溫度分布
冷凍可以大幅度地降低界面熱阻，這一特性已經吸引了許多科研人員去研究納米尺度下的熱管理。通過添加界面層可以提高20%-30%的界面熱傳導率。然而，這一方法對于兩種材料的質量比依賴較高，并且在兩種材料之間的極薄的界面材料難以制造。
近日，來自新加坡高性能計算研究所的Zhang Gang（通訊作者）等人通過運用非平衡分子動力學模擬研究了二維石墨烯和氮化硼異質結構界面的熱傳導性能。該研究發現了四種界面結合配置并且該界面的熱導率很高。由于氮碳共價鍵比硼碳共價鍵強，所以其ITC要比硼碳界面ITC高出48%。同時基于聲子振動光譜分析，研究人員還發現ITC的提高是由于適配位錯和平面外變形的界面引起的。
文獻鏈接：Topological Defects at the Graphene/h?BN interface Abnormally Enhance Its Thermal Conductance?（Nano Letters，2016，DOI:10.1021/acs.nanolett.6b01565）
3、Nano Letters：載流子轉移實現了雙層石墨烯中88%的馳豫長度為30微米旋轉電流的定向引導
圖3 ?模型的邏輯圖
自旋擴散長久以來一直被用來研究自旋運輸，因為自旋擴散是一個緩慢且無方向性的過程，但是它的這一特性業限制了其在自旋極化情況下的傳輸范圍。相比之下，由載流子漂移誘導的傳輸可用作旋轉的快速且定向長途運輸。目前自旋信號和長距離自旋傳輸的電控制是自旋電子學領域的主要問題。
近日，來自格羅寧根大學的Josep Ingla-Aynes（通訊作者）報道了一種利用載流子漂移實現高遷移率的由氮化硼修飾的密封六邊形雙分子層石墨烯的自旋電流在室溫下有效定向引導的方法。在實驗中自旋馳豫長度為7.7μm，當分別應用了大小為?90 μA的DC電流時自旋馳豫長度可以在0.6~90μm之間調節。同時，該實驗實現了將自旋電流引導向自旋軌道鏈接的一邊。當Idc =-90 μA時，其88%的自旋子流向下圖中的左邊；而當漂移電流翻轉的時候82%的自旋子流向下圖中的右邊。該實驗創造了一種基于自旋的利用載流子漂移原理的邏輯操作和器件的可能性。
文獻鏈接：Eighty-Eight Percent Directional Guiding of Spin Currents with 90 μm Relaxation Length in Bilayer Graphene Using Carrier Drift（Nano Letters，2016，DOI:10.1021/acs.nanolett.6b01004）
4、ACS Nano：利用海洋能的納米摩擦發電機
圖4 ?收集海洋能的納米摩擦發動機（TENG）的工作網絡圖（圖片改編自：ACS nano, 2015, 9(3): 3324-3331，DOI: 10.1021/acsnano.5b00534）
一直以來，人類社會一直依賴化石能源（如煤、石油、天然氣等）來滿足其能量需求。然而，這些能源的利用導致碳的排放也導致了氣候改變、空氣污染和酸雨的產生。 “Blue Energy”是指海洋能，它是一種以海浪的形式提供的一個龐大的能量源。海洋能的獲取是存在很大挑戰的，因為它是一種以海浪的形式儲存的動能，而海浪則是振幅極其不規則且頻率較低。電磁發電機（EMGs）因儲存電磁動能而為人們所知，但它們對于海洋能的轉換存在致命的缺陷。那就是EMGs對于海浪的低頻率運動會輸出低電壓，這些電壓由于太低而無用。相比之下摩擦納米發電機（TENGs）則很適合用來收集海洋能，因為，它們可以有效的獲取從低頻（<1Hz）到高頻（~KHz）的機械能，并且它們造價低、便于攜帶且制備簡單。
近日，來自韓國成均館大學的Sang-Woo Kim（通訊作者）等在一篇Perspective中詳細介紹了有關納米摩擦發電機目前的進展，并著重考慮了該發電機在嚴酷海洋工作環境下封裝的長期有效性以及商業應用的高效功率轉換與分配的能量管理機制等方面的問題。
文獻鏈接：Triboelectric Nanogenerators for Blue Energy Harvesting?（ACS Nano，2016，DOI:10.1021/acsnano.6b04213）
5、Nature Nanotechnology：非磁場中反鐵磁/鐵磁/氧化物結構的垂直磁化
圖5 ?Ta(5nm)/CoFeB(3nm)/IrMn(3nm)/CoFeB/MgO的樣品在無外磁場中發生自旋轉轉矩的轉變
自旋轉矩主要產生于非磁性的重金屬的自旋軌道的耦合，并且允許在垂直磁化時發生電轉換。然而，在橫向均勻結構中并不僅僅是電轉換。需要一個額外的面內磁場來實現轉變的確定性，這對設備的應用是有害的。另一方面，如果非鐵磁體能夠產生自旋軌道轉矩，它能確保發生穩定的電轉換，主要是由于所需的磁場可以被它們的交換偏置所取代。
韓國科學技術院的 Byong-Guk Park（通訊作者）和高麗大學的Kyung-Jin Lee教授（通訊作者）等人報道了在IrMn/CoFeB/MgO結構中有大量的自旋軌道扭矩。反鐵磁IrMn層也提供了一個平面內的交換偏置場，它使所有的電發生確定性垂直磁化轉變而不從外部磁場中得到任何援助。它們具有相當大的自旋軌道轉矩，這些特點使得鐵磁體有望成為未來自旋電子器件的候選人。研究還表明了，在以不同的軌道自旋力矩為基礎的機構無法用現有的理論解釋，因此需要一些理論上的進展。
文獻鏈接：Field-free switching of perpendicular magnetization through spin–orbit torque in antiferromagnet/ferromagnet/oxide structures?（Nature Nanotechnology，2016，DOI:10.1038/nnano.2016.109）
6、ACS Nano：納米線驗磁器展示了左右偏置的細胞轉動力矩
圖6 ?Ni納米線和納米線的轉動
細胞力控制了多種類型的細胞力學和相關的生理行為。最近的研究表明，細胞左右偏置的運動可能是導致組織結構不對稱的起因。肌動球蛋白活性是研究過程中必不可少的一項研究，它預示了一種協調組織形成左右偏置不對稱發展的細胞力。然而，由于缺乏合適的研究平臺，左右偏置細胞力尚未被發現。
香港城市大學的Ting-Hsuan Chen（通訊作者）等人發明了一個納米線驗磁器，揭示了細胞產生的旋轉力矩。將鐵磁納米線沉積并且融入微細胞中，在一個均勻、水平磁場中，最初與磁場對齊的納米線最終由于細胞的轉矩發生了旋轉。我們發現，左右偏置的轉矩取決于細胞的類型。該發現揭示了一個單細胞的左右偏置力矩和細胞骨架手性的基本原因。更確切的說，我們的方法將為細胞生理學有關的力學和力矩在組織形成左右偏置的研究提供了不同的視角。
文獻鏈接：Nanowire Magnetoscope Reveals a Cellular Torque with Left–Right Bias（ACS Nano，2016，DOI:10.1021/acsnano.6b01142）
7、ACS Nano：石墨烯模擬電路和硅互補金屬氧化物（CMOS）半導體數字電路的混合集成
圖7 ? 硅CMOS數字電路和石墨烯模擬電路的混合集成
近些年來，由于石墨烯場效應晶體管被視作下一代電子器件有力的候選人，因而已被廣泛的研究。然而最近似乎有了一個共識，因為石墨烯的無帶隙結構，石墨烯晶體管不適合數字電路。另一方面，由于其高載流子遷移率和高的飽和速度，石墨烯晶體管在模擬電路中具有巨大的優勢。
韓國科學技術院的Byung Jin Cho（通訊作者）在文章中展示了石墨烯模擬電路和硅數字電路的混合集成，這一方案結合了石墨烯器件和硅器件的優點。該混合信號電路通過三維（3D）集成技術在硅互補金屬氧化物半導體場效應晶體管（CMOS FET）的環形振蕩器頂部制備石墨烯晶體管的多模移相器。這種三維集成技術使我們能夠將石墨烯優良的固有性質和目前成熟的硅CMOS技術相結合用于下一代電子器件。
文獻鏈接：Hybrid Integration of Graphene Analog and Silicon Complementary Metal?Oxide?Semiconductor Digital Circuits?（ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b03382）
8、JACS：具有特殊和可調諧局域表面等離激元共振的氫摻雜金屬氧化物半導體
圖8 ?H1.68MoO3費米能級附件電子的電荷密度分布以及紫外-可見-近紅外漫反射光譜
近幾年，隨著納米科學和納米技術的出現，等離激元納米結構迅猛發展，該結構中自由電子對入射光的相干振蕩會引起局部表面等離激元共振（LSPR）；這種現象伴隨著光學近場放大，而且已經在表面增強拉曼散射（SERS）、生物檢測以及能量存儲和轉換等方面有所應用。
大阪大學和京都大學的Hiromi Yamashita（通訊作者）及山東大學晶體材料國家重點實驗室的Baibiao Huang（通訊作者）等通過簡單的H-溢出方法制備了氫摻雜MoO3和WO3，即含氫青銅（氫鉬青銅與氫鎢青銅），其表現出在可見光區域的強局部表面等離激元共振。通過改變化學計量組成，可以在很寬的范圍內觀察到可調的等離激元共振，這一現象取決于溫度的降低、金屬的種類、支撐H2還原反應的金屬氧化物性質和尺寸以及在合成過程中氧化處理。這一研究結果提供了在氫摻雜的金屬氧化物半導體上實現等離激元共振的直接證據，并可能允許低價和地球豐富元素的大規模應用。
文獻鏈接：Hydrogen Doped Metal Oxide Semiconductors with Exceptional and Tunable Localized Surface Plasmon Resonances （JACS，2016，DOI: 10.1021/jacs.6b05396）
9、Nano Letters：單層MoSe2-x晶體中空位遠超固有水平時載流子類型和光響應的變化
圖9 ?Se原子空位變化引起的光學和電學性質改變
目前，缺陷工程已經成為控制電子器件輸運特性的關鍵步驟，此外它能夠創建、調整和消滅缺陷，這對于確保下一代器件缺陷范圍是十分重要的。而缺陷的形成已經在三維半導體很好的實現的，原子薄的二維半導體的異質性上的類似探索及其原子結構、缺陷和性質之間的聯系尚未得到廣泛的研究。
近期，美國橡樹嶺國家實驗室的Masoud Mahjouri-Samani（通訊作者）開發了一種MoSe2-x單晶的生長方法，這一方法的硒（Se）空位遠遠大于固有空位，高達~20%，隨著Se空位濃度的增長電子輸運性質出現了一個顯著的轉變——從n型變為p型。 在~250 cm^-1出現一個新的缺陷激活聲子帶。此外，A1g拉曼特征模式從240 cm^-1 軟化為~230 cm^-1，而可以表明晶體中的空位濃度。這一研究發現可以利用脈沖激光蒸發硒原子能修復Se空位進行后硒化，這幾乎可以恢復為原始晶體的特性。第一性原理計算揭示了空缺引起的電學和光學性質轉變的潛在機制。
文獻鏈接：Tailoring Vacancies Far Beyond Intrinsic Levels Changes the Carrier Type and Optical Response in Monolayer MoSe2-x Crystals（Nano Letters，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02263）
10、Nano Letters：二維共面石墨烯-金屬硫化物p-n結的載流子離域化
圖10 ?石墨烯-MoS2橫向異質結的離域化效果圖
二維材料異質結是構建納米電子學和光電子學“大廈”的基石，因此，對于二維材料異質結的研究是十分重要的。近幾年來，很多科學界對于二位材料垂直異質結的性質進行了研究，然而對于橫向異質結的研究由于工藝條件苛刻，致使研究進展緩慢。隨著二維單層材料的橫向共面異質結由設計構想成為現實，關于二維材料的電子學、經典學、摻雜和尺寸性質的量化理解研究變得十分重要和迫切。
美國萊斯大學Boris I. Yakobson（通訊作者）等人研究了二位橫向異質結的電荷平衡過程。與傳統三維異質結通過局域電荷重新分布達到載流子平衡相反，二維橫向異質結的載流子平衡是通過高離域化電荷輸運實現的。耗盡層寬度為1/p，而差分電容隨摻雜水平p變化很小。研究者利用數值計算對石墨烯-MoS2橫向異質結的性質進行了更進一步的分析。關于內建勢場的詳細分析表明費米能級釘扎的急劇減少，說明二維金屬-半導體結的載流子可以比較容易的調控。
文獻鏈接：Carrier Delocalization in Two-Dimensional Coplanar p–n Junctions of Graphene and Metal Dichalcogenides（Nano Letters，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01822）
11、ACS Nano：通過選擇表面層氧化實現WSe2的層狀可控
圖11 ?雙層WSe2在遠程氧離子體處理前后的拉曼光譜和光致發光譜
二維過渡金屬硫化物（TMDCs，比如MoS2、WSe2和MoSe2）已經被證實具有優異的光學和電學性質，在電子和光電子器件領域具有巨大的應用價值。目前，基于TMDCs的各種器件已經被研究，包括FETs、光探測器和LEDs。由于TMDCs的高比表面積，其與襯底的相互作用和表面態在二維材料系統的研究中顯得尤為重要。
南加利福尼亞大學Stephen B. Cronin（通訊作者）等人對在單層和少層WSe2進行遠程氧等離子體處理前后的拉曼光譜和光致發光譜進行了分析研究。對于雙層和三層WSe2做氧等離子體處理后，其光致發光密度增高，并且光致發光峰發生藍移。三層WSe2的光致發光譜在氧離子體處理后，具有雙層WS2的特征；雙層WSe2的光致發光譜在氧離子體處理后，具有單層WS2的特征；單層WSe2在做同等處理好，其光譜消失了。這種變化機制是由于最上層的選擇性氧化造成的。此外，研究者對陽離子體處理前后的WSe2的拉曼光譜也做了相應的分析，也存在對應的變化。由于遠程氧離子體的氧自由基具有很低的動能，其對WSe2的氧化具有自限制性。該項工作為逐層控制WSe2的厚度提供了一個很有潛力的方法。
文獻鏈接：Layer Control of WSe2 via Selective Surface Layer Oxidation（ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b02488）
本期內容由材料人電子電工材料學習小組樹苗(seeding)、王小瘦、ZZZZ、天行健和靈寸供稿，材料牛編輯整理。
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