頂刊動態丨電子材料前沿最新科研成果精選【第16期】

本期精選預覽：Nano lett. 柵壓調控黑磷的熱電系數；Nano lett. 基于單層WSe2的高品質因子諧振器；Nano Lett. 電荷轉移驅動納米級別的混合半導體復合材料合成；Nano Lett. 中科院量子信息重點實驗室：強耦合的納米管機電諧振器；Nano Lett. 二維摻雜半導體中的動態激子效應；Nat.Commun. 多層石墨烯光學機械器件的力靈敏度；Nat. Commun. 簡單Mott絕緣體中重建費米面時電子–空穴摻雜的不對稱；Nat. Commun. 電解質柵控ReS2的紊亂工程和電導率穹頂。

1、Nano lett. 柵壓調控黑磷的熱電系數

圖1 ?左：測量布置，右：熱電系數的測量結果

電場效應既是表征材料本征性質的有效手段，又可用來設計功能器件。雙電層晶體管（EDLT）使得在較大范圍內調控載流子密度成為可能，同時也是研究熱電性質的有效工具。

最近日本東京大學的Yu Saito（通訊作者）等人通過用離子液體作為柵極材料，研究了單晶黑磷層的熱電性質。在該工作中，黑磷的熱電系數S在210 K時達到了+510 μV/K，較室溫下塊材的+340 μV/K高出很多。與第一性原理計算的結果比較后，研究者認為S的提高源于柵控有效地收窄了黑磷的有效導電通道。該工作為黑磷應用于熱電材料提供了很好的契機。

文獻連接：Gate-Tuned Thermoelectric Power in Black Phosphorus?（Nano lett.，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b00999）

2、Nano lett. 基于單層WSe2的高品質因子諧振器

圖2 ?諧振器結構示意圖

單層過渡族金屬硫化物（TMD）薄膜同時具有超小質量和優越光學特性，使他們可以應用于光電機械材料中。但是目前TMD諧振器較低的品質因子阻礙著該領域的發展。

最近巴塞羅那理工大學的Antoine Reserbat-Plantey教授（通訊作者）和Adrian Bachtold教授（通訊作者）報道了一種超光敏的單層TMD諧振器，可揭示TMD材料低溫下的力學性質。研究者們發現單層WSe2諧振器的品質因子可在液氮溫度下達到1.6 × 104，在液氦溫度下達到4.7 × 104。這遠遠超過了單層石墨烯諧振器。研究者們認為共振頻率隨溫度下降而增加源于WSe2晶格的收縮。該工作為二維激子、谷電子學、單量子發射器等與機械振動態的耦合提供了新的契機。

文獻鏈接：High Quality Factor Mechanical Resonators Based on WSe2 Monolayers（Nano lett.，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02038）

3、Nano Lett. 電荷轉移驅動納米級別的混合半導體復合材料合成

圖3 ?(SnTe)x(CdO)1?x納米復合材料的形貌分析（TEM）

新材料的發現往往通過混合幾種材料來制備出具有特定應用的合金或者復合材料。其中，復合材料是特別有意思的一類，因為它們可以展現或增強單獨組分不具備的功能。特別的，復合半導體材料被廣泛的用來制造具有增強的光學性能、能級分裂和能級抵消的新材料。這種例子廣泛存在，包括GaAs/GaP超晶體、InAs量子點和CdS/TiO2異質結等。制備復合材料用來約束沉積物和物理混合。因此混合結構可以控制和設計多分子層和量子線和點在集群矩陣中的嵌入。

近日，來自美國勞倫斯伯克利國家實驗室的Wladek Walukiewicz（通訊作者）和他的團隊介紹了一種統一并可用化學計量計算的SnTe和CdO復合材料，該復合材料是在兩組分具有相異電子帶結構的情況下能夠穩定存在的納米復合材料結構。該復合材料增加了介于n型半導體的CdO和P型半導體的SnTe電子性能。這可以用混合成分的導帶和價帶相結合來解釋。最后，該團隊的工作確定了一個組分材料間的電荷傳輸自組織并能穩定的復合半導體材料新種類。

文獻鏈接：Formation of Nanoscale Composites of Compound Semiconductors Driven by Charge Transfer（Nano Lett.，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02395）

4、Nano Lett. 強耦合的納米管機電諧振器

圖4 ?單個碳納米管上的雙諧振器

由于良好的導電性和缺乏雜質以及凈核自旋，在柵極定義的碳納米管量子點（DQs）的電子電荷和自旋態在固態量子信息處理中極具潛力。一個可擴展的量子處理器需要遠程耦合，而這對于DQs來說是個很大的挑戰，因為相鄰的量子點之間的只有局部相互作用。另一方面，碳納米管優異的機械性能，使其可作為高頻和品質因子極高的納米機械諧振器。懸浮的碳納米管的振動可以調節量子點的電化學電位，從而導致單電子電荷和聲子之間的相干耦合；碳納米管的變形可誘導一個施加于由自旋軌道相互作用產生的電子自旋的有效橫向磁場，從而允許由聲子導致的自旋翻轉。

來自中國科學技術大學中科院量子信息重點實驗室的郭國平教授（通訊作者）等人利用一種新的微轉移技術，首次在單個碳納米管上制作了兩種強耦合且可電調諧的機械諧振器。兩個諧振器的頻率可以通過底部的柵極單獨調諧，同時每個諧振器的電荷態和聲子模式都能被觀察到強耦合，此外，任何一個諧振器都能通過另一個諧振器的聲子模式進行非局域調制。

文獻鏈接：Strongly Coupled Nanotube Electromechanical Resonators（Nano Lett.，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01875）

5、Nano Lett. 二維摻雜半導體中的動態激子效應

圖5 摻雜對本征二維半導體材料能帶結構的影響

在半導體中，如果一個電子從滿的價帶激發到空的導帶上去，則在價帶內產生一個空穴，而在導帶內產生一個電子，從而形成一個電子-空穴對。空穴帶正電，電子帶負電，它們之間的庫侖互相吸引作用在一定的條件下會使它們在空間上束縛在一起，這樣形成的復合體稱為激子。眾說周知，在二維材料中，激子效應在控制材料的光學性質中起主要作用。而激子效應可以通過摻雜載流子進行修改。

美國圣路易斯華盛頓大學的Li Yang（通訊作者）和桑迪亞國家實驗室Catalin D. Spataru（通訊作者）等人通過第一性原理貝特沙耳皮特方程計算，研究了摻雜對二維材料激子效應的影響。發現在摻雜系統中動態屏蔽效應（包括通過求和規則保留廣義等離子體極點模型）是很重要的。以單層MoS2為例，研究者發現利用適度摻雜，激子束縛能可以在幾百meV內進行調節，然而，由于準粒子能隙重歸一化的取消，激子峰位置基本保持無變化。在更高的摻雜密度下，激子峰位置隨著能量的增加線性遞增，逐漸與費米邊緣奇點重合。該項工作對于二維材料光學性質的量化解釋是非常重要的，同時促進了從頭算理論研究電荷激發的發展。

文獻鏈接：Dynamical Excitonic Effects in Doped Two-Dimensional Semiconductors（Nano Letters，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02118）

6、Nat.Commun. ?多層石墨烯光學機械器件的力靈敏度

圖6 ?器件的假彩色圖像及表征

基于低維材料（如碳納米管、半導體納米線、石墨烯和單層半導體）的機械諧振器在力和質量傳感實驗中具有很大的潛力。這些諧振器的特殊性在于其尺寸小和極低的質量，使它們在力和質量的測量中具有空前的靈敏度。然而，將納米級機械系統的機械振動轉導成一個可測量的電或光輸出信號是具有挑戰性的，因為這些超輕諧振器的力靈敏度往往受到振動測量的不精確性、機械諧振頻率的波動、測量引起的熱的限制。

近日，西班牙巴塞羅那科學技術研究所的A. Bachtold （通訊作者）等人研究了多層石墨烯耦合到超導腔的機械諧振器的力靈敏度。他們還特別地量化了在空腔內泵浦光子數目增加時的動力反作用、焦耳發熱、頻率噪聲對力靈敏度的影響。通過平衡測量的不精確性、光學機械阻尼、測量所產生的熱，他們最好的力靈敏度是390 zN Hz-1/2 （帶寬：200 Hz）。

文獻鏈接：Force sensitivity of multilayer graphene optomechanical device（Nat.Commun.，2016，DOI: 10.1038/ncomms12496）

7、Nat. Commun. 簡單Mott絕緣體中重建費米面時電子–空穴摻雜的不對稱

圖7 ?EDLT器件和場效應對層電阻率的影響

眾做周知Mott絕緣體的摻雜效應是復雜的且不可預測的，這可以通過檢查高Tc銅酸鹽的霍爾系數看出。由于摻雜的有機Mott絕緣體具有簡單的電子結構，因而包括電子–空穴摻雜不對稱在內的摻雜效應可能會易于研究。

日本理化學研究所的Yoshitaka Kawasugi（通訊作者）、Hiroshi M. Yamamoto（通訊作者）和Reizo Kato（通訊作者）等人探究了有機Mott絕緣體摻雜不對稱性，通過進行雙電層晶體管測量以及使用集群微擾理論。計算預測了對空穴摻雜費米弧狀態頻譜權重結果的強烈各向異性抑制，而相對均勻的光譜權重導致電子摻雜態中類非相互作用費米面（FS）的出現。根據計算來看，實驗觀察到的霍爾系數和電阻率各向異性符合空穴摻雜下的費米弧形成的口袋以及電子摻雜下的非相互作用費米面。

文獻鏈接：Electron–hole doping asymmetry of Fermi surface reconstructed in a simple Mott insulator （Nat. Commun.，2016，DOI:10.1038/ncomms12356）

8、Nat. Commun. 電解質柵控ReS2的紊亂工程和電導率穹頂

圖8 ?有無聚合物電解質時的單層ReS2

原子級薄的錸二硫化物（ReS2）是過渡金屬硫化物材料中的成員之一。這種二維半導體具有弱的層間耦合和結構扭曲1T相，這導致了其電學和光學性質的各向異性。

來自瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）的Andras Kis（通訊作者）等人報告了具有聚合物電解質門控的單層ReS2和多層ReS2的電子輸運。研究結果表明在高載流子密度時單層ReS2的電導率被完全抑制，這是一個對于單層ReS2而言獨特的不尋常的特性，使得ReS2成為TMD材料中的首例。使用雙柵控器件，研究人員可以區分柵極誘導摻雜和聚合物電解質本身引起的靜電紊亂（disorder）。理論計算和運輸模型表明觀察到的導電性抑制可以通過結合窄導帶和Anderson局域來解釋，其中Anderson局域是由于電解質引起的紊亂（disorder）。

文獻鏈接：Disorder engineering and conductivity dome in ReS2 with electrolyte gating （Nat. Commun.，2016，DOI: 10.1038/ncomms12391）

本期內容由材料人電子電工材料學習小組franch7、王小瘦、天行健、李小依和靈寸供稿，材料牛編輯整理。

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