頂刊動態丨Adv.Mater./Nano Lett.等期刊電子材料前沿最新科研成果精選【第19期】

本期精選預覽：Angew 液相剝離多層銻烯；Nano Lett. 通過雙軸應變實現懸浮單層MoS2的大帶隙工程；Nat. Commun. Bi2Te3在60 °處孿晶界處自由電子的產生；北京大學 Adv. Funct. Mater. 高溫BiScO3-PbTiO3壓電式振動能量采集器；ACS Nano 柔性納米多孔WO3?x非易失性儲存設備；ACS Nano 懸空鍵上的單分子旋轉開關；Nano Lett. 遠程N2等離子體照射MoS2的共價氮摻雜和壓縮應變；ACS Nano 原子級厚度MoS2的窄波段和寬波段的超級光吸收；Adv. Mater. 高摻雜有機電化學晶體管中的接觸電阻效應。

1、Angew 液相剝離多層銻烯

圖1 多層銻烯薄片的表征

目前，二維材料代表了最活躍的研究領域之一。除了各種相當完備的二維材料，如石墨烯、h-BN和二硫化鉬，在過去的兩年里黑磷（BP）也已得到相當的重視。然而，孤立的黑磷對于環境十分敏感，在空氣中暴露后會強烈退化，這限制了它們的應用。因此，發現新的適當的帶隙并在環境條件下具有穩定性的二維材料是一個挑戰。

西班牙馬德里自治大學的Félix Zamora（通訊作者）和德國埃爾朗根-紐倫堡大學的 Gonzalo Abellán（通訊作者）等人報道了一種快速和簡單的方法用以產生高度穩定的異丙醇/水（4:1）懸浮的多層銻烯，在這一過程中通過超聲處理液相剝離銻晶體，但不需要添加任何表面活性劑。這個簡單的方法產生多層銻烯分散液適合表面隔離。利用原子力顯微鏡、掃描透射電子顯微鏡和電子能量損失譜進行分析，證實了高質量的具有大橫向尺寸的多層銻烯薄片的形成。這些納米結構的環境條件下是非常穩定的。它們的拉曼信號強烈依賴于厚度，這可以根據密度泛函理論計算結果來解釋。

文獻鏈接：Few-Layer Antimonene by Liquid-Phase Exfoliation（Angew，2016，DOI: 10.1002/anie.201605298）

2、Nano Lett. 通過雙軸應變實現懸浮單層MoS2的大帶隙工程

圖2 MoS2的PL譜隨施加應變變化而位移

納米材料的出現改變了通過機械應變調節和增強半導體物質性質的傳統途徑。此外，已經表明應變能改善MoS2晶體管的性能或可以用來收集能量的寬譜光吸收劑。

美國波士頓大學的J. Scott Bunch（通訊作者）等人證明了通過施加大雙軸應變懸浮單層MoS2膜的光學帶隙可以在高達500 meV范圍內進行連續、可逆地調節。通過使用化學氣相沉積（CVD）生長高度不透氣的晶體，研究人員能夠在懸浮膜施加壓力差以產生雙軸應變。研究人員觀察到了應變對光致發光（PL）譜峰值能量和強度的影響，并發現光學帶隙線性調諧率為99 meV/%。此方法用于研究應變下的雙層和三層器件的PL譜，以此發現單層MoS2的兩種拉曼模式的位移率和Grüneisen 常數。最后，結果表明可以在微米區域施加高達 5.6%的雙軸應變，并報道了應變調節高光學躍遷的證據。

文獻鏈接：Band Gap Engineering with Ultralarge Biaxial Strains in Suspended Monolayer MoS2 （Nano Lett.，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02615）

3、Nat. Commun. Bi2Te3在60 °處孿晶界處自由電子的產生

圖3 薄膜的結構表征

界面，比如固體材料中的晶界，是探究由于局部對稱性破缺引起的新性質的優秀的區域。例如，在層狀硫系材料的界面，由于復雜的原子鍵結構，晶界處原子的電位重構將導致電子特性的顯著改性。

韓國科學技術院的Jin-Sang Kim（通訊作者）和Seung-Hyub Baek（通訊作者）等人報告了實驗觀測到的以Bi2Te3為代表的層狀硫化物材料在60 °孿晶界處產生電子的現象。第一性原理計算表明，改變在60 °孿晶界處的原子間距離以調節晶格不匹配可以改變Bi2Te3的電子結構。在一個對于創建載流子以及擴大導帶底附近狀態密度而言有利的條件下，電子結構的變化將在原始的帶隙內產生被占據的狀態。本文提供了洞察熱電器件和拓撲絕緣體各種輸運行為的途徑。

文獻鏈接：Free-electron creation at the 60 °twin boundary in Bi2Te3 （Nat. Commun.，2016， DOI: 10.1038/ncomms12449）

4、Adv. Funct. Mater. 高溫BiScO3-PbTiO3壓電式振動能量采集器

圖4 雙層壓電片型復合懸臂示意圖

傳統有效的機械振動能量采集器主要基于(Pb,Zr)TiO3 (PZT)陶瓷、聚偏氟乙烯（PVDF）聚合物或PVDF/PZT及其他壓電復合材料，但這些材料的工作溫度一般都限制在常溫（R-T）或是低于150°C。要實現高溫工作，則必然要改善能量采集器所使用的材料。

北京大學董蜀湘教授（通訊作者）團隊制備出一種BiScO3-PbTiO3（BSPT）的新型陶瓷材料，這種材料具有大約450°C的高居里溫度點，可以應用在高溫（H-T）振動能量采集器。實驗結果顯示，這種陶瓷材料具極佳的高溫壓電特性，可在相當寬的溫度范圍（從室溫到250°C），可以有效轉換機械振動能成電能。這項研究表明BSPT壓電式能量采集器在高溫環境下工作的自功能型無線傳感器網絡系統有著潛在的應用前景。

文獻鏈接：High-Temperature BiScO3-PbTiO3 Piezoelectric Vibration Energy Harvester（Adv. Funct. Mater.，2016，DOI：10.1002/adfm.201602645）

5、ACS Nano 柔性納米多孔WO3?x非易失性儲存設備

圖5 柔性Cu/NP WO3?x/ITO儲存設備圖示及微觀形貌

為了解決基于傳統晶體管存儲設備的限制，如最小的元件尺寸、高制備成本、復雜的制備工藝及高功耗等，柔性阻變存儲器（RRAM）可作為新一代儲存設備從而一直處于研究熱點中，其在未來的非易失性存儲器上有著很大的應用前景。但在高溫下制備活性層薄膜對于將RRAM建造在柔性基底上也是一個阻礙。

萊斯大學的James M. Tour（通訊作者）等人通過在室溫下進行陽極處理得到柔性納米多孔（NP）WO3?x RRAM。這種柔性NP WO3?x RRAM表現出雙極開關特征和高Ion/Ioff比（大約為105），同時，該設備具穩定的保持時間（超過5 × 105s），極佳的元件間的均一性，并且在平面或最大彎曲條件下耐彎曲程度都會超過103次循環。

文獻鏈接：Flexible Nanoporous WO3?x Nonvolatile Memory Device（ACS Nano，2016，DOI：10.1021/acsnano.6b02711）

6 、ACS Nano 懸空鍵上的單分子旋轉開關

圖6 分子旋轉開關制備及運行圖示

對于原子尺度的電路及分子機器而言，制備問題上的最大挑戰則在于保留整個體系自身的電子特性的前提下，通過控制單個分子直線或旋轉運動，來設計分子轉子和開關。

目前，來自波蘭雅蓋隆大學的Szymon Godlewski（通訊作者）和新加坡材料與工程研究所的Hiroyo Kawai（通訊作者）等人實現在一個三亞萘分子吸附二聚物懸掛鍵過程中，連續的旋轉開關和受控制的逐步單個開關控制，懸掛鍵則是在氫鈍化的Ge(001):H表面上產生的。當分子和二聚物懸掛鍵間的共價鍵可控斷裂或是分子通過遠程的范德華力作用吸附到二聚物上時，分子開關可在表面組裝。并且通過結合掃描隧道顯微鏡及掃描隧道譜（STM/STS）測定，密度泛函理論（DFT）計算及STM圖像分析確定，在結構上，分子保持著其固有的電子特性。結合其能在原子精度上構建二聚物的懸掛鍵的能力，這可控的旋轉分子開關也有望成為更為復雜的表面原子尺寸設備的電路構建模塊。

文獻接鏈：Single Molecule Rotational Switch on a Dangling Bond Dimer Bearing（ACS Nano，2016，DOI：10.1021/acsnano.6b03590）

7、Nano Lett. 遠程N2等離子體照射MoS2的共價氮摻雜和壓縮應變

圖7 遠程N2等離子作用在MoS2的示意圖和能量變化

二維過渡金屬硫化物（TMDs）在解決降低場效應晶體管半導體溝道材料的厚度問題中，提供了很大的可能性。使其厚度達到了次納米尺度，避免了發生在三維晶體中由于量子限域效應帶來的能帶間隙的突然增加。控制基于TMDs器件（包括p-n節，FETs和隧穿場效應晶體管）中TMDs的摻雜類型和摻雜濃度是一個非常重要的研究課題。

德克薩斯大學達拉斯分校Robert M. Wallace（通訊作者）等人提出了一種利用遠程N2等離子體處理的有效方法對MoS2進行氮摻雜。通過利用原位X射線光電譜儀監測N2等離子體處理MoS2的表面化學變化，研究者發現了MoS2中氮的共價鍵，氮替代了硫原子。進一步研究發現，電學表征實驗表明氮摻雜實現了MoS2的P型摻雜，這和理論預測結果一致。此外，研究者發現氮的存在對MoS2結構產生了壓縮張力，這是第一次在過渡金屬硫化物中發現替代摻雜誘導產生張力。

文獻鏈接：Covalent Nitrogen Doping and Compressive Strain in MoS2?by Remote N2Plasma Exposure（Nano Lett.，2016，DOI:?10.1021/acs.nanolett.6b01853）

8、ACS Nano 原子級厚度MoS2的窄波段和寬波段的超級光吸收

圖8 MoS2薄膜共振光吸收結構的窄波段和寬波段吸收光譜，以及結構表征

二維過渡金屬硫化物（TMDC），包括單層或者少層MoS2，WS2，MoSe2和WSe2，作為新興二維材料，為現代物理科學與工程的發展提供了合適的研究對象。由于這些材料的半導體性質和突出的激發特性，這些材料最誘人的發展就是應用于新型原子級光學器件。

北卡羅萊納州立大學Linyou Cao(通訊作者)等人結合理論計算和實驗發現原子級厚度MoS2薄膜（不大于4層）在任意設定波長的窄入射波段或者類似太陽光的寬入射波段，均有很強的光吸收，吸收效率大于70%。這是利用基于漏模耦合的可逆設計方法結合MoS2薄膜設計出共振光吸收結構來實現的。該設計思路是這樣的，開始先為目標強吸收識別出必要漏模的特征，然后，搜尋支持這些模式的納米結構的幾何特征。由于光函數和漏模之間，以及漏模和納米結構的幾何特征之間的直接強相關性，這個過程是非常依靠直覺的，僅僅設計到很少的計算。該項工作為高性能原子光器件的發展提供了有效的指導。

文獻鏈接：Atomically Thin MoS2?Narrowband and Broadband Light Superabsorbers（ACS Nano，2016，DOI:?10.1021/acsnano.6b02195）

9、Adv. Mater. 高摻雜有機電化學晶體管中的接觸電阻效應

圖9 OETs的器件結構示意圖和輸運特性

自從1984年被發明以來，有機電化學晶體管（OETs）已經吸引了眾多科學家的研究興趣。由于OETs本身具有的獨特性質，使得它們非常適合應用于生物電學領域。比如，OETs可以在水溶液環境和低壓條件下工作，以及柔性和生物兼容性。目前，OETs主要被用作傳感器，探測離子、代謝產物、激素、DNA和多巴胺等，此外，還可以記錄大腦活動、電活性細胞或者組織的活性、驅動活性基質排列。

肯特州立大學Bj?rn Lüssem（通訊作者）等人發現接觸電阻依舊在耗盡模式限制有機場效應晶體管PEDOT：PSS基OETs的性能。和傳統累積型晶體管中，接觸電阻會隨著柵壓的增加不同，接觸電阻會在整個操作范圍內限制OETs的性能。研究者對OETs標準模型進行了改進，包括OETs中的接觸效應，提出了跨導對柵壓依賴性的量化描述。

文獻鏈接：Contact Resistance Effects in Highly Doped Organic Electrochemical Transistors (Adv. Mater.，2016，DOI:?10.1002/adma.201602125)

本期內容由材料人電子電工學術組天行健，大黑天，靈寸供稿，材料牛編輯整理。

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