頂刊動態丨電子材料前沿最新科研成果精選【第17期】

本期精選預覽：ACS Nano 中科院北京納米能源與系統研究所：GaN納米線的壓電-光電效應提高自對準MoS2場效應晶體管的光響應；ACS Nano 等離子體振子單層石墨烯電子探測器；ACS Nano 北京大學：利用Au(001)六方重構所產生的周期性準一維電勢調制石墨烯電學性能；Angew. Chem. Int. Ed. 中科院化學所：有機小分子的高性能n型熱電材料鉍界面摻雜；Adv. Funct. Mater. 北京化工大學：基于二維串聯FRET過程的發光無機/有機復合超薄膜及其潛在的VOC選擇性傳感性能；Adv. Funct. Mater. 用于全碳納米管印刷電子的聚全氟混合電解質；Adv. Mater. 反鐵磁自旋電子學領域——補償亞鐵磁Heusler薄膜；Adv. Mater. 單層MoS2的壓電-壓電效應應用于漏-柵柔性光電子學。

1、ACS Nano GaN納米線的壓電-光電效應提高自對準MoS2場效應晶體管的光響應

圖1 GaN納米線頂柵MoS2晶體管的自對準制備工藝流程圖

單層MoS2具有優異的電學性能、良好的透明性以及強健的機械靈活性，被認為是電子和光電應用的一個有希望的“候選人”。

中國科學院北京納米能源與系統研究所的潘曹峰研究員（通訊作者）等人報道了具有增強光響應的高性能自對準MoS2場效應晶體管（FET），其中光響應的增強是由于壓電-光電效應引起的。該場效應管的制備基于單層二硫化鉬，其中壓電GaN納米線（NW）作為局域柵極，利用自對準工藝來確定源漏電極。該制備方法可以保持MoS2的固有性質且抑制MoS2 / GaN界面的散射中心密度，這導致了高的電學和光電性能。研究人員已經制備了通道長度為～200 nm且亞閾值斜率小至64 mV/dec的MoS2場效應管。其光響應度是443.3 A·W?1，550 nm波長的光照射下具有快速響應和～5 ms的恢復時間。當在GaN納米線中引入應變后，光響應度進一步提高到734.5 A·W?1，且保持一致的響應和恢復時間，這是可以與機械剝離二硫化鉬晶體管相比較的。這一方法打開了通向高性能頂柵壓電增強二硫化鉬探測器的大道。

文獻鏈接：Enhancing Photoresponsivity of Self-Aligned MoS2 Field-Effect Transistors by Piezo-Phototronic Effect from GaN Nanowires （ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b01839）

2、ACS Nano 等離子體振子單層石墨烯電子探測器

圖2 單層石墨烯六邊形納米鏈接點的等離子體振子電子探測器

等離子體振子—導電材料中集體振動的電子—由于其能夠將電子和光子的自由度自由的匹配而在納米光電學方面扮演著及其重要的角色。尤其，等離子體振子在石墨烯—單原子厚度碳材料—提供了較強的空間限制、長的壽命和獨特的光電子性質。可以理解，這種材料在應用方面可以加強器件的整體性。然而，如何建立探測石墨烯等離子體振子的有效體系依然是個挑戰。

近日，巴塞羅那科學技術研究所的Javier García de Abajo（通訊作者）等人介紹了極其簡單的石墨烯納米材料可以制備等離子體振子的單芯片電子探測器。特別地，他們預測了單一等離子振子可以激發通過石墨烯納米連接點的電流雙倍增加，這種作用與伴隨等離子體振子衰退的電子溫度增加有關，時間在一皮秒之間。更進一步，該團隊為我們說明可以通過連接點的電摻雜和改變納米材料的尺寸是來實現更廣闊的光譜探測范圍。該石墨烯可以作為未來綜合納米等離子振子探測器器件的組成部分。

文獻鏈接：Electrical Detection of Single Graphene Plasmons（ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b04139）

3、ACS Nano 利用Au(001)六方重構所產生的周期性準一維電勢調制石墨烯電學性能

圖3（a）左圖為Au層表面進行六方重構的原子模型，表現為寬約1.44nm的周期性條紋。右圖為Au（001）的倆相鄰重構示意圖；（b）化學氣相沉積石墨烯后，兩重構Au（001）區域的掃描透射顯微鏡圖；（c）圖（b）中的矩形區域放大圖，兩條紋區域呈90°交叉

在周期性重構基體上制備單層石墨烯的結構和電學性能，可通過表面產生的條紋進行調制，從而產生有趣的物理性質，如磁性和超導。目前石墨烯納米級周期勢的應用仍是挑戰。作為替代法，石墨烯與其他材料的異質結構已有研究，但一維周期勢調制鮮有報道。

北京大學的張艷鋒（通訊作者）和吳孝松（通訊作者）等人使用化學氣相沉積方法，在低晶面指數的Au（001）金屬表面上合成了厚度均勻的單層石墨烯。他們利用Au（001）表層原子的1×1方形晶格在一定溫度下轉變為準六邊晶格，即進行六方重構的原理，在STM下發現了石墨烯呈準一維條紋的超晶格點陣。而掃描隧道譜發現的兩個新狄拉克點受超晶格點陣產生的一維周期勢影響。該研究表明石墨烯的電學性能能夠為一維周期勢所調制，并導致能帶中狄拉克點的演變，該研究對理論研究與應用都具有重大意義。

文獻鏈接：Modulating the Electronic Properties of Monolayer Graphene Using a Periodic Quasi One-Dimensional Potential Generated by Hex Reconstructed Au(001) （ACS Nano ，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b02548）

4、Angew. Chem. Int. Ed. 有機小分子的高性能n型熱電材料鉍界面摻雜

圖4 a）TDPPQ界面鉍摻雜機理。b）TDPPQ的分子結構。C）原始TDPPQ和鉍摻雜后TDPPQ的能級圖。d）低動力學能區域（二次電子中止）和e）在TDPPQ膜上沉積不同厚度的Bi的過程中UPS的低能帶區域（HOMO）。

化學摻雜的高性能n型有機熱電材料（TE）在柔性發電的應用中至關重要。

中科院化學所的狄重安?（通訊作者）和 朱道本（通訊作者）等人第一次描述對有機半導體n型化學摻雜鉍（Bi）形成具有高性能的TE材料。噻吩二酮吡咯并吡咯系醌（TDPPQ）分子的Bi界面摻雜使膜具有了3.3 S?cm?1均衡電導率和585μVK-1塞貝克系數。新開發的TE材料具有113μWM-1 K-2的最大功率因數，這是在有機小分子基n型的TE材料中最為前列的。這些研究表明，重金屬摻雜有機半導體的微調開啟了探索高性能有機熱電材料的新方法。

文獻鏈接：Bismuth Interfacial Doping of Organic Small Molecules for High Performance n-type Thermoelectric Materials. （Angew. Chem. Int. Ed.，2016，DOI: 10.1002/anie.201604478）

5、Adv. Funct. Mater. 基于二維串聯FRET過程的發光無機/有機復合超薄膜及其潛在的VOC選擇性傳感性能

圖5?A）一步和兩步串聯FRET過程的圖示，B）供體和受體的分子結構，和C）薄膜形成過程示意圖

串聯熒光共振能量轉移（FRET）是一種無輻射的多步驟過程，其在小于10nm的范圍內發生于不止一對能量供體和受體分子之間，因為它的簡單性和靈敏度使得其在發展熒光傳感器起到了重要的作用。

北京化工大學的陸軍（通訊作者）等人利用層層疊加的方法將藍色發光中性聚（乙烯基咔唑），綠色發光三-(8-羥基喹啉)鋁，三[2-(4,6-二氟苯基)吡啶-C2,N]銥(III)和橙色發光4-(二氰亞甲基)-2-甲基-6-(4-二甲基氨基苯乙烯基)-4H-吡喃（DCM）和雙層氫氧化物納米片組裝形成無機/有機復合發光超薄膜（UTF）。紫外-可見吸收，掃描電子顯微鏡和小角度X射線衍射結果表明，所制造的超薄膜是有序的、線性增長和均勻的。光致發光光譜表明二維串聯FRET過程得到實現，并在UTF中獲得了顯著增強的光發射，而且延長了DCM染料壽命。此外，這些復合UTF朝基于干擾二維串聯FRET過程的常見揮發性有機化合物（VOCs）顯示出了快速，靈敏，和選擇性的熒光信號，這意味著其在VOC的選擇性傳感領域具有潛在的應用。

文獻鏈接：A Luminescent Inorganic/Organic Composite Ultrathin Film Based on a 2D Cascade FRET Process and Its Potential VOC Selective Sensing Properties（Adv. Funct. Mater.，2016，DOI：10.1002/adfm.201601087）

6、Adv. Funct. Mater. 用于全碳納米管印刷電子的聚全氟混合電解質

圖6 （A）復合液固化過程中化學轉化示意圖 （B）左圖膜層結構為金層-聚全氟電解質；右圖結構為玻璃板-金層-聚全氟電解質層-金層，圖左至圖右發現PFE已經固化透明

傳輸系統對柔性電子元件的高熱穩定性和高機械強度至關重要。由于優良的可印刷性、柔韌靈活性、熱穩定性和力學性能，半導體單壁碳納米管成為一種先進的薄膜晶體管材料。另一個重要組件是具有大電容的電介質，其中聚合物電解質可用于柔性電子印刷領域，但其機械強度較差、服役溫度較低。

美國原子納米電子股份有限公司的Huaping Li（第一作者、通訊作者）等人在高溫下固化聚全氟樹脂（PFR）和離子液體復合液，制備出一種透明、柔韌、耐熱的高電容聚全氟電解質（PFE）。這種聚全氟電解質繼承了聚全氟樹脂（PFR）的柔韌性和熱穩定性。用純單手性單壁碳納米管制備的薄膜晶體管表現出高跨導（1 mS）并在空氣中穩定、均一、可靠的雙極性特征。在低電壓空氣環境中，對P型和N型載流子有較小的亞閾值擺幅（<0.15 V dec?1），且在低工作電壓下兩種載體的開/關流動比率都 ＞105。總的來說，采用高電容聚全氟電解質（PFE）制備的碳納米管電子產品，具有優異的電學性能、力學性能以及熱穩定性。

文獻鏈接：Polyfluorinated Electrolyte for Fully Printed Carbon Nanotube Electronics（Adv. Funct. Mater.，2016，DOI: 10.1002/adfm.201601605）

7、Adv. Mater. 反鐵磁自旋電子學領域——補償亞鐵磁Heusler薄膜

圖7 （a）補償亞鐵磁Mn2.35Pt0.65Ga(膜厚27 nm)和亞鐵磁Mn2.8Pt0.2Ga(膜厚16 nm)膜層結構圖；（b）雙膜層結構橫截面的掃面透射電子顯微鏡圖；（c）第一層和第二層的高分辨率透射圖以及（d）選區電子衍射花樣

自旋電子學是一個很大的研究領域，該學科的研究主要集中在鐵磁薄膜結構上，然而，鐵磁體會產生隨著設備尺寸變小而規模越大靜磁偶極子場，此磁場必須最小化或消除，否則將影響設備的傳感和磁記憶等功能。

為此，普朗克固體化學物理研究所的Ajaya K. Nayak（通訊作者）等人基于Heusler化合物設計了一種利用遠程振蕩現象的層間耦合結構，目的在于構建人造反鐵磁性的異質結構或在亞鐵磁材料的補償點應用稀土金屬與過渡金屬的合金。該合金的應用可以在原子尺度上完全消除偶極子場，從而確保傳感和磁記憶功能的正常發揮。

文獻鏈接：Compensated Ferrimagnetic Tetragonal Heusler Thin Films for Antiferromagnetic Spintronic（Adv. Mater.，2016，DOI: 10.1002/adma.201602963）

8、Adv. Mater. 單層MoS2的壓電-壓電效應應用于漏-柵柔性光電子學

圖8 單層MoS2壓電-光電器件和測試操作示意圖

在光電子學中，光子和電子的動態操控通常是通過靜態偏壓來實現的。然而，隨著光電子學在柔性可穿戴器件和人機接口連接等新領域的發展和應用，需要發展出能夠直接通過來自人體的刺激/輸入信號來對光子/電子操控的功能化光電子學。

美國喬治亞理工學院的王中林教授（通訊作者）等人報道了在基于單層壓電半導體MoS2的柔性漏柵光電子學的研究成果。他們利用在金屬-MoS2界面產生的壓電極化電荷，操控光生載流子的分離和輸運。壓電-光電效應在兩電極原子級厚度光電晶體管中得到應用，其光探測過程通過襯底產生的張力系統地調諧完成的。在低光照度3.4 μW cm?2（波長為442nm）的光照下，當施加一個-0.38%的壓縮靜態張力時，單層MoS2光電晶體管的光響應度超過已經報道最高的記錄，達到2.3 × 104 A/ W。二維原子級厚度材料的壓電效應、光激發和半導體性質間的耦合能夠促進柔性納米光電機械系統、適應性生物光電探測和超薄光電子學的發展。

文獻鏈接：Piezophototronic Effect in Single-Atomic-Layer MoS2 for Strain-Gated Flexible Optoelectronics（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201602854）

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

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