頂刊動態丨Nature子刊/Nano Letters/AFM等期刊電子材料學術進展匯總（電子周報第14期）

本期導讀：今天電子電工材料周報組邀您一起來看看Nature Communications/Nano Letters/ACS Nano/Advanced Functional Materials等期刊電子材料領域最新的研究進展。本期內容預覽：用于緊急情況下的基于復合型納米發電機的自驅動安全帽；用于從液體壓力波動收集能量的彈性模量可調的介孔壓電高分子復合薄膜；等離子體納米顆粒內耦合的邊緣模式；FeSe的磁基態；適于光電應用的寬禁帶鉍基P型摻雜物；Au納米天線/MoS2異質結構中的超快等離子體熱電傳輸；阿伏苯宗氟化硼顏色調控以實現全彩色發光；單層MoTe2和WxMo1-xTe2合金中電荷注入引起的可逆金屬-絕緣體相變；兩層石墨烯支撐的單層二硫化鎢的激子效應；揭示MoS2場效應晶體管的邊緣狀態和電不均勻性。

1、ACS Nano：用于緊急情況下的基于復合型納米發電機的自驅動安全帽

圖1 自驅動安全帽的結構設計

物聯網的快速發展和相關傳感器技術在推進現代工業與信息化技術中起著至關重要的作用。而有限的電池壽命、傳感器節點的大范圍分布及潛在的健康和環境危害，使得完全由電池來給物聯網中功能各異的傳感器節點供能顯得越來越不切實際。在此，研發可以利用周邊環境能量來驅動自己的自驅動傳感器是非常迫切需要的。

近日，西南交通大學楊維清教授（通訊作者）和佐治亞理工學院、中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士（通訊作者）等將摩擦納米發電機（TENG）和電磁發電機通過合理整合成雙層夾層結構，研發了一款基于復合型納米發電機可高效收集周邊環境能量的安全帽。通過創造性的使用Al-Kapton-Al波浪形結構，該裝置可自恢復到外部機械激勵，將機械振動轉化成摩擦層的接觸-分離運動和線圈的磁通變化。結合變壓器和整流器，該混合型納米發電機可提供功率密度高達167.22 W／m3。帶上該安全帽，通過混合型納米發電機從人體運動中收集的振動能量能給一個實時傳輸數據到手機上的無線計步器提供電源。

文獻鏈接：Self-Powered Safety Helmet Based on Hybridized Nanogenerator for Emergency（ACS?Nano，2016，DIO: 10.1021/acsnano.6b03760）

2、Adv. Funct. Mater.：用于從液體壓力波動收集能量的彈性模量可調的介孔壓電高分子復合薄膜

圖2 復合薄膜制備過程

近期，壓電納米發電機的發明的和快速發展代表一個具有廣闊前景的環境機械能收集方法。各種不同的納米發電機設計使其可從不同的機械能源收集能量，如聲波、隨機振動，甚至是生物活動。而在所有可行的應用方向中，由于對可植入式裝置的自驅動能力的強烈需求及人體中極為有限的其他可能能源，使得收集生物力學能具有一個非常獨特的潛力。

來自美國威斯康星大學麥迪遜分校的Xudong Wang（通訊作者）等基于介孔PVDF薄膜研發了一款柔性壓電納米發電機，其中大塊介孔PVDF是利用無模板溶膠-凝膠法在室溫條件下制作而成。通過將PDMS彈性體填充進PVDF表面孔中，形成的復合物的彈性模量可有效地在很寬范圍內調整到生物系統的同一水平。形變發生時，該復合物納米發電機具有相當于甚至高于其他基于PVDF的納米發電機的輸出。他們還利用PDMS制作了一個人工動脈系統，同時上述復合物納米發電機也被集成在人工動脈系統內部。該系統可從液體壓力波動（模擬血液流動）中有效地收集能量。

文獻鏈接：Mesoporous Piezoelectric Polymer Composite Films with Tunable Mechanical Modulus ?for Harvesting Energy from Liquid Pressure Fluctuation（Advanced Functional Materials，2016，DOI: 10.1002/adfm.201602624）

3、Nano Letters：等離子體納米顆粒內耦合的邊緣模式

圖3 立方體納米顆粒邊緣和薄膜模式的展開EEL光譜

納米顆粒是指納米量級的微觀顆粒，它被定義為至少在一個維度上小于100納米的顆粒。由于納米顆粒體積極小，常表現出一些大體積同類物質不具有的性質，如半導體納米粒子的量子束縛、一些金屬納米顆粒的表面胞質共振及磁性材料的超順磁性等。

近日，來自奧地利格拉茨大學和格拉茨技術大學的Franz-Philipp Schmidt（通訊作者）等在文章中介紹到等離子體納米粒子的內耦合可以顯著修飾它們的光學性質，在單獨的矩形納米粒子內部的這些邊緣耦合會導致模式分裂?并導致正鍵、反鍵模式的形成。這一理論結果將為今后的解釋和設計等離子體光譜提供了指導。

文獻鏈接：Edge Mode Coupling within a Plasmonic Nanoparticle（Nano Letters，2016，DOI：10.1021/acs.nanolett.6b02097）

4、Nature Communications：FeSe的磁基態

圖4 在4~110K范圍內FeSe自旋波動的動量相關圖

高溫超導電性往往發生在長程反鐵磁有序附近，因此磁性被認為與高溫超導的產生有著密切的關系。銅氧化物超導體的母體化合物是奈爾（Néel）磁體，鐵砷類鐵基超導體的母體化合物是條紋（stripe）磁體，與銅氧化物和鐵砷類超導體不同，鐵硒類超導體的母體FeSe沒有靜態反鐵磁序。FeSe表現出一系列奇異的超導特性，比如在加壓、電子摻雜及單層薄膜下超導電性迅速增強，單層FeSe薄膜的超導轉變溫度甚至高達65到109 K，研究FeSe的奇異超導特性的關鍵是理解其磁性基態。

近日，來自復旦大學物理系、應用表面物理國家重點實驗室及人工微結構科學與技術協同創新中心的趙俊（通訊作者）等利用中子散射技術在鐵硒（FeSe）超導體中首次觀測到了一種新奇的自旋為1的向列性量子無序順磁態，這一磁基態的發現對理解 FeSe類高溫超導機理提供了新的角度。

文獻鏈接：Magnetic ground state of FeSe（Nature Communications，2016，DOI:?10.1038/ncomms12182）

5、Angew：適于光電應用的寬禁帶鉍基P型摻雜物

圖5 用作P型參雜物的不同三（羧酸）鉍（III）的化學式

分子用作半導體構建新型光電器件正引起極大的研究興趣。這些軟材料的性質使光電器件具有很多新的特性，如透明、柔性。然而，特別是OLED照明，降低成本的同時也必需進一步提高效率和壽命，而摻雜正是提高有機半導體性能的重要措施。為避免摻雜所導致的開殼基和電荷轉移復合物的產生而吸收光電器件所發射的光，摻雜需滿足以下三點：1）摻雜物高效可處理；2）摻雜物具有高光學帶隙（3.1ev左右）；3）不在摻雜物上產生可見光吸收物質。

來自德國西門子股份公司的G?nter Schmid（通訊作者）等研究將三（羧酸）鉍（III）的化合物作為用于光電器件中的空穴傳輸材料（HTMS）的P型參雜物。與最先進的摻雜有機半導體（OSC）系統相比，HTMS中摻雜上述路易斯酸類（Lewis acids）后，表現出增強的電導率。此外，摻雜HTMS具有較高的透明度，這是因為摻雜物的固有帶隙在UV區，而摻雜產生的復合物的帶隙在IR區。他們之所以選擇鉍，一是鉍是一種非危險元素；二是鉍（III）化合物具有滿足HTMS摻雜前提的形成穩定電荷轉移復合物的大配位層；三是鉍（III）化合物中心的親電性可通過改變羧酸配體進行調整，從而調整化合物的路易斯酸性。

文獻鏈接：Wide Band-Gap Bismuth-based p-Dopants for Opto-Electronic Applications（Angewandte Chemie International Edition，2016，DOI: 10.1002/anie.201601926）

6、Adv. Funct. Mater.：Au納米天線/MoS2異質結構中的超快等離子體熱電傳輸

圖6 a-c） Si/SiO2/MoS2，Au NA/MoS2和 Au NA/Al2O3/MoS2在激發波長為400nm下的PL光譜；d）樣品及相應基底Si/SiO2，Au NA和 Au NA/Al2O3的PL光譜； e）樣品作為泵功率的函數時的PL峰位置；f）樣品作為泵功率的函數時的PL峰強度

二維過渡金屬硫化物由于光電性能優異，而且其帶隙分布于近紅外到可見光區，因此，對光電器件和光伏器件極具吸引力。利用金屬納米結構的二維金屬制備器件是近期才發展起來的一種制備以熱電子為基礎的光檢測器的有效方法。

近日，北京大學的方哲宇（通訊作者）等采用基于模板的濺射方法首次制備了Au納米天線（Au NA）/MoS2異質結構，該Au NA/MoS2異質結構成本低、準備過程簡單、光譜響應寬、相應時間短。飛秒泵浦探測光譜測試表明在Au NA/MoS2異質結構中發生了等離子體誘導的熱電傳輸。光致發光光譜證實MoS2的激子能量可被Au NA增強、耦合和再輻射。金屬半導體異質結構中的這種超快等離子體誘導的熱電傳輸提高了二維器件的光捕獲能力和光電轉化效率。

文獻鏈接：Ultrafast Plasmonic Hot Electron Transfer in Au Nanoantenna/MoS2 Heterostructures（Advanced Functional Materials，2016 ，DOI: 10.1002/adfm.201601779）

7、Adv. Funct. Mater.: 阿伏苯宗氟化硼顏色調控以實現全彩色發光

圖7 a）器件4結構；圖1b）實線為器件4AVB-BF2在1000 cd m?2下的EL光譜，虛線為器件4AVB-BF2在1000 cd m?2下的PL光譜；圖1c）器件4的J-V-L特征；圖1d）器件4EQE亮度特征

在過去的十幾年中，有機發光半導體在各類有機半導體中的應用持續吸引著科研人員的注意。DAM-BF2做為一種功能性材料以其易于制備、高AIE、PLQY值引起了研究人員的注意。通過控制DAM-BF2濃度，其發出的光可以由藍光連續變到綠光。

近日，日本九州大學的Chihaya Adachi（通訊作者）和Youichi Tsuchiya（通訊作者）、信州大學的Fuyuki Ito（通訊作者）等發現通過控制單體、準分子以及基態復合物發射，只使用DAM-BF2做為發射材料，有機發光二極管（OLEDs）有著較廣的顏色變化。通過控制DAM-BF2摻雜濃度可以使EL在T2T基體中發射光由藍光到綠光變化。同時，由綠光至紅光的變化可以通過ABV-BF2與mCBP形成的基態復合物實現。在聚合狀態下ABV-BF2可以為基態復合物提供電子受體。

文獻鏈接：Color Tuning of Avobenzone Boron Difluoride as an Emitter to Achieve Full-Color Emission （Advanced Functional Materials， 2016，DOI: 10.1002/adfm.201601257）

8、ACS Nano：單層MoTe2和WxMo1-xTe2合金中電荷注入引起的可逆金屬-絕緣體相變

圖8 不同x（W組分）時T'相（藍）和H相（紅）WxMo1?xTe2 的形成能

一直以來金屬-絕緣體相變材料都十分搶手，這是因為它們在兩端和三端電子開關、光學器件、電子振蕩器、憶阻器件、熱傳感器和化學傳感器等器件應用上很有希望。利用VO2和TaS2作為溝道材料，已經制備出一些基于金屬-絕緣體轉變的快速開關器件，它們展示了相變器件的可行性。但是環境條件下低維材料的金屬- 絕緣體轉變十分罕見的，而且轉變也不容易被控制。

近期，美國德克薩斯大學達拉斯分校的Kyeongjae Cho（通訊作者）等利用密度泛函理論（DFT）研究靜電電荷注入對單層MoTe2和WTe2相位穩定性的影響，此外研究還發現單層WxMo1-xTe2的過渡金屬合金化可以通過降低H相（半導體性）和T′相（半金屬性）之間的能量差促進相變。本論文發現對于組分為x≈0.333的單層WxMo1-xTe2，極少量的電荷就可以顛倒H相和T'相之間的相對熱力學穩定性，從而顯示出一個很有希望的動態金屬 - 絕緣體轉變。

文獻鏈接：Charge Mediated Reversible Metal-Insulator Transition in Monolayer MoTe2 and WxMo1-xTe2 Alloy （ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b00148）

9、ACS Nano：兩層石墨烯支撐的單層二硫化鎢的激子效應

圖9 WS2/石墨烯異質結構光致發光特性的層數依賴

最近分離單層的二維（2D）過渡金屬硫化物（TMDs）為探索原子薄的半導體材料的基本物理提供了有吸引力的平臺，以及開發其在光電子學、光子學和快速、低功耗的電子學中的應用潛力。垂直堆疊單層二維材料的異質性集成確保了新架構工程學，它提供了一個豐富的組合的光學和電學性質，這是他們獨立存在或者體材料時不存在的。

英國國家物理實驗室的Cristina E. Giusca（通訊作者）等發現二維襯底的厚度對于光發射調制是至關重要。研究人員利用一層和二層外延石墨烯上制備單層硫化鎢（WS2）構成的垂直異質結構，研究層依賴的電荷轉移性質，揭示這種異質結構中層間電子耦合對激子性質的影響。該研究表明WS2的激子性質可通過襯底石墨烯層數進行有效調諧。單層WS2和雙層石墨烯的集成導致光致發光反應的顯著增強，與單層石墨烯支撐WS2高一個數量級。這一研究結果突出強調了構建原子薄層異質結構時襯底工程的重要性。

文獻鏈接：Excitonic Effects in Tungsten Disulfide Monolayers on Two-Layer Graphene （ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b03518）

10、PNAS：揭示MoS2場效應晶體管的邊緣狀態和電不均勻性

圖10 實驗裝置和器件表征

原子薄的過渡金屬硫屬化物（TMDs）中存在著各類缺陷，包括邊緣處的懸掛鍵、體材料中硫屬元素空位以及襯底電荷。這些現象的理解對于TMD材料運用于電子學和光子學中具有根本性的重要性。由于這些缺陷的存在，當電子運動在這些二維晶體中時，將受到在空間上不均勻的庫侖作用，這些現象對于電荷傳輸的影響卻并沒有微觀地進行研究。

美國德州大學奧斯汀分校Keji Lai （通訊作者）等利用微波阻抗顯微鏡（MIM）進行研究，報道了單層和多層MoS2場效應晶體管的介觀電導圖像。絕緣體- 金屬轉變空間演化已經明確地解決了。有趣的是，隨著晶體管逐漸導通，電傳導首先出現在邊緣處，先于二硫化鉬塊料，這可以通過第一性原理計算進行說明。結果明確證實，在閾值電壓以下時邊緣態向通道電導的貢獻十分顯著，但是當TMD體材料器件變得可導時便可以忽略不計。二維層片紊亂勢波動引起的強電導不均勻性，這也是在MIM圖像觀察到的，是未來器件性能提升的指南。

文獻鏈接：Uncovering edge states and electrical inhomogeneity in MoS2 field-effect transistors （Proceedings of the National Academy of Sciences，2016，DOI: 10.1073/pnas.1605982113）

本期內容由材料人電子電工材料學習小組王小瘦、李小依、天行健和以亦供稿，材料牛編輯整理。

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