頂刊動態丨Nature/Nat. Mater.等期刊電子材料前沿最新科研成果精選【第21期】

本期精選預覽：AFM 基于電化學摻雜碳納米管纖維復合材料的傳感器制備；Nat. Mater. 二維電子氣中的巨大電荷-自旋轉換效率；北京理工大學 Adv. Mater. 原位制備用于顯示器背光的具有增強光致發光性的鹵化物鈣鈦礦納米晶體-嵌入聚合物復合膜；陜西師范大學 Adv. Mater. 控制厚度-形狀生長用于大批制備高級光電器件的超薄單晶鈣鈦礦晶圓；臺灣交通大學 Adv. Mater. 含MnO2單層膜的復合氧化物異質結構的金屬-絕緣體轉變；Nature 節點-鏈金屬；Nature 在超導回路中，延長具誤差修正的量子比特壽命；中國科學技術大學 Adv. Energy Mater. 通過空位工程調控二維材料的電子和聲子結構。

1、AFM 基于電化學摻雜碳納米管纖維復合材料的傳感器制備

圖1?(a)不同尺寸的CNT纖維結構 (b)流體徑向滲透CNT纖維示意圖以及浸水后縱向纖維電阻相對變化

宏觀結構中納米模塊的裝配，大大優化了納米組分在宏觀尺度上的有效利用，隨著探索研究程度的不斷加深，材料的新時代也慢慢開啟。

西班牙馬德里材料研究所的Juan José Vilatela （通訊作者）等人一起研制了一種由碳納米管制備而成的宏觀纖維，并制備成擁有優良軸向性能的塊狀結構，該結構基于對滲入多孔纖維中液體/聚合物分子的吸附作用，被用于觀測真空灌注的結構復合材料制備過程中的聚合物流動和熱固性固化。該纖維可在實驗室條件下達到1千米/天的產量，實驗表明，該纖維保留的一些碳納米管低維特性可在傳感器領域大施拳腳。且考慮到碳納米管纖維獨特的韌性，它還可以在不適用場效應管或布拉格光柵傳感器的多種應用領域。

文獻鏈接：A Composite Fabrication Sensor Based on Electrochemical Doping of Carbon Nanotube Yarns?（Adv. Funct. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adfm.201602949）

2、Nat. Mater. 二維電子氣中的巨大電荷-自旋轉換效率

圖2 測量布置，結果，及電子結構解釋

自旋-軌道相互作用指電子的自旋運動與它們繞原子核的軌道運動產生相互作用。于是，電荷流經自旋軌道耦合產生橫向自旋流（自旋霍爾效應），反之亦然（逆自旋霍爾效應）。這兩種效應被用在多種器件結構中，但其在體材料中的轉換效率很少超過百分之十。

最近，法國巴黎-薩克雷大學的J. C. Rojas-Sánchez（通訊作者）和洛林大學的M. Bibes（通訊作者）等人通過一種界面驅動的自旋軌道耦合機制——Rashba效應，在二維電子氣體系LaAlO3/SrTiO3中獲得了前所未有的自旋-電荷轉換效率。作者將自旋流從NiFe中泵浦到二維電子氣體系中，并探測其造成的電荷流。同時，他們在這項工作中探討了該效應的幅值及基于電子結構的柵壓依賴關系。這項研究將自旋電子學器件的廣泛應用又向前推進一步。

文獻鏈接：Highly efficient and tunable spin-to-charge conversion through Rashba coupling at oxide?interfaces?（Nat. Mater., 2016, DOI:10.1038/NMAT4726）

3、Adv. Mater. 具有增強光致發光性的鹵化物鈣鈦礦納米晶體-嵌入聚合物復合膜

圖3 MAPbI3 NCs嵌入PVDF復合膜的原位制備示意圖和表征

有機金屬鹵化物鈣鈦礦（OHPs）不僅在光電器件方面表現優異性能，而且也被作為新興的光電子材料而廣泛研究。尤其是因為OHPs具有顏色可調和飽和釋放性使得它們成為發光二極管（LED），激光器和光學傳感器的候選材料。

北京理工大學的鐘海政教授（通訊作者）等人通過控制前驅體溶液的結晶過程研究了一種簡單的MAPbX3納米晶體嵌入高分子復合膜的原位合成方法。該復合膜表現出增強的光致發光性能，較好的穩定性，以及優秀的壓電性能和機械性能。通過展示這些復合膜在液晶顯示器背光的顏色轉換器的應用，表明其在顯示技術方面具有很大的潛力。

文獻鏈接：In Situ Fabrication of Halide Perovskite Nanocrystal-Embedded Polymer Composite Films with Enhanced Photoluminescence for Display Backlights（Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201602651）

4、Adv. Mater. 大批量制備高級光電器件的超薄單晶鈣鈦礦晶圓

圖4 超薄單晶晶圓的制備示意圖

有機鉛鹵化物鈣鈦礦已經成為具有高效率的太陽能電池和光電器件最優帶隙的光吸收材料。事實上，目前的鈣鈦礦太陽能電池的電力轉換效率已經高達22.1％。目前，發展無缺陷的單晶（SC）鈣鈦礦已成為焦點，因為它具有更好的穩定性和光電性能，其中包括延長載流子壽命、更寬的光吸收光譜、更長的擴散長度和低得多的陷阱態密度等。

陜西師范大學的楊周（通訊作者）和劉生忠（通訊作者）等人通過使用動態流動微型反應器系統成功生長了幾何可控的超薄SC鈣鈦礦晶圓。他們已經制備了一些不同形狀的厚度約150μm的薄晶圓。他們發現，這些超薄晶片具有陷阱態密度低至約6×108cm-3。與由微晶鈣鈦礦薄膜制備的光電檢測器相比，由SC晶片制備的檢測器示出了350倍以上的光電流響應。此外他們還在一塊SC晶圓上制備了約100個光電探測器，這表明在超薄SC晶片上大批量生產集成電路（ICs）的可行性。

文獻鏈接：Thinness- and Shape-Controlled Growth for Ultrathin Single-Crystalline Perovskite Wafers for Mass Production of Superior Photoelectronic Devices（Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201601995）

5、Adv. Mater. 含MnO2單層膜的復合氧化物異質結構的金屬-絕緣體轉變

圖5 設計具有不同靜電邊界條件的單層MnO2示意圖

近年來，大量的研究表明復合氧化物中的界面可以為處理復合氧化物中的晶格，電荷，軌道和自旋這些自由度提供了新的方法，而且為下一代的設備提供了可能性，從而為研究物理和凝聚狀態提供了一個平臺。

英國杜倫大學的Qing He（通訊作者）和臺灣交通大學的Ying-Hao Chu（通訊作者）等人通過表面工程建立了二維氧化物單層。這個二維氧化物單層可以從異質結構獲得，這種結構類似于單晶胞錳超薄膜夾在兩個相鄰復合氧化物之間。在這樣的異質結構中，二維單層氧化物的內在特性可提供對與電子系統相關聯的維度限定物理的基本理解。這項研究提供了一個通用的方法來研究尺寸限制的強關聯電子系統，并為設計新的電子設備提供了一個方向。

文獻鏈接：A Metal–Insulator Transition of the Buried MnO2 Monolayer in Complex Oxide Heterostructure（Adv. Mater. , 2016, DOI: 10.1002/adma.201602281）

6、Nature 節點-鏈金屬

圖6 IrF4的晶體結構及能帶結構圖

由能帶理論獲得的電子波函數使得一些具電子能譜強、拓撲保護及費米準粒子的金屬具備拓撲特性。大多準粒子是標準模型中的基本粒子的類似物，但都不具有相對的高能理論的對應物。即使在無相互作用下，固體中完整的準粒子也是缺失的。

瑞士蘇黎世聯邦理工學院的Tomá? Bzdu?ek（通訊作者）等人提出了一個迄今并未有認知，但可能在金屬中存在的費米激子形態。這種激子形成一個節點鏈—連接著動量空間的循環—相關者傳導和接觸價帶。他們證實這種節點鏈在拓撲結構上相異于早先報道的激子。并提出這種激子可能存在于IrF4和其他這類材料的化合物中。

文獻鏈接：Nodal-chain metals（Nature, 2016, DOI：10.1038/nature19099）

7、Nature 在超導電路中，延長具有誤差修正的量子比特壽命

圖7 cat-code循環圖示

量子誤差修正（QEC）可通過量子位來校正誤差，并且將是未來量子計算機的主要部件。為實現QEC，量子位則無需利用量子態小心的裁制成對稱性從而編碼入更高的二維空間中。盡管早先已有研究揭示了QEC的一小部分，但主要針對的是其特征和比例性質而不是探測系統隨著時間存儲量子位的能力。

耶魯大學的Nissim Ofek，Andrei Petrenko和R. J. Schoelkopf（共同通訊作者）等人證實通過抑制由量子邏輯編碼在超導諧振器的薛定諤狀態下引起的能量損失而帶來的誤差，QEC系統可達到一個等值點。并且證實利用高效的硬件量子位編碼較傳統的QEC機制更為有益，同時促進了實驗誤差校正領域的發展，并且邁向容錯系統的實現。

文獻鏈接：Extending the lifetime of a quantum bit with error correction in superconducting circuits（Nature, 2016, DOI：10.1038/nature18949）

8、Adv. Energy Mater. 通過空位工程調控二維材料的電子和聲子結構

圖8 In2O3多孔薄片的制備及其表征

二維無機材料由于其電子和聲子局限于二維層狀晶格之間，所以表現出了一系列獨特的物理化學性質，比如催化性能、電學性能、熱電性能及磁學性能，因此，已經廣泛應用于催化、熱電以及電子自旋器件等領域。然而，未經調控的二維材料具有的物理化學特性限制了其在理論研究和實際中的應用。所以，對二維材料的電子和聲子結構進行調控就成為必要的了。

近日，來自中國科學技術大學的肖翀副研究員（通訊作者）和謝毅院士（通訊作者）等人對利用空位工程調控二維材料的電子和聲子結構進而優化其物理化學性能進行了詳細的闡述，文中首先介紹了二維材料具有的獨特性質及其應用，指出了現階段研究的不足，進而提出了以空位工程的方法提高材料性能的思路。此外，作者還分別對空位（單空位、空位集團、多空位）的調控策略及其表征進行了說明，并展望了經過空位調控的二維材料的應用前景（光催化、高效電催化劑、熱電、納米電子器件、磁學特性）。最后，作者指出，雖然現階段對二維材料進行了大量的研究，且應用于很多領域，但對于二維材料中缺陷類型和濃度的精確調控還需要結合大量的實驗數據及理論計算進行更深入的研究。

文獻鏈接：Vacancy Engineering for Tuning Electron and Phonon Structures of Two-Dimensional Materials?（Adv. Energy Mater. , 2016, DOI:10.1002/aenm.201600436）

本期內容由材料人電子電工學術組大黑天，franch7，forest，Newgate，大城小愛供稿，材料牛編輯整理。

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