頂刊動態丨Nature子刊/Adv. Mater.等期刊電子材料前沿最新科研成果精選【第22期】

本期精選預覽：ACS Nano MoS2耦合納米結構襯底實現光學增益：Fabry–Perot干涉和等離激元的激發；JACS Terazulene 異構體：通過分子軌道分布差異實現OFETs極性變化；JACS 通過氧化結合Bi-2方形網與層狀Y2O2Bi形成二維超導材料；Nat. Commun. 熔融半導體電解；Adv. Mater. 膠體合成尺寸均一二硫化鉬納米片制備晶片規模柔性非易失性存儲器；Adv. Mater. 超靈敏多位二硫化鉬光電存儲器；Adv. Mater. 無定型BPIII聚合物基納米器件的光電記憶效應；Adv. Mater. Co替位BiFeO3外延薄膜的偏振旋轉提高壓電響應。

1、ACS Nano MoS2耦合納米結構襯底實現光學增益：Fabry–Perot干涉和等離激元的激發

圖1 器件結構示意圖

盡管單層過渡金屬硫化物（TMDs）具有直接帶隙，由于在原子薄的層狀材料中糟糕的光吸收率光學增益一直受到限制。大多數提高TMDs的光學增益的方法主要通過對活性材料進行調制或多層疊加。

韓國基礎科學研究所的Young Hee Lee（通訊作者）以及三星先進技術研究院的Yeonsang Park （通訊作者）和Un Jeong Kim（通訊作者）等人報道了一個簡單地通過設計納米襯底的方法提高MoS2的光學吸收和激發。襯底包括介電薄膜隔層（TiO2）和金屬膜。納米襯底上單層MoS2整體的光致發光（PL）強度基于TiO2厚度并受到Fabry–Perot 干涉放大。此外，中性激子通過局域場產生的等離激元被發射選擇性地放大，而局域場源于間隔厚度小于10納米的金屬膜表面粗糙。進一步研究表明，該器件的質量因子也可以通過選擇不同折射率的間隔材料而進行設計。

文獻鏈接：Optical Gain in MoS2 via Coupling with Nanostructured Substrate: Fabry–Perot Interference and Plasmonic Excitation （ACS Nano, 2016, DOI: 10.1021/acsnano.6b03237）

2、JACS Terazulene異構體：通過分子軌道分布差異實現OFETs極性變化

圖2 terazulene異構體化學結構、OFET器件結構和輸運

Azulene（C10H8）是非苯芳香烴化合物中備受關注的分子，這源自于其獨特的性能，一個大的偶極矩和長波長的吸收。到目前為止，基于azulene的共軛化合物已被研究用在各種應用中，包括近紅外吸收材料、導電高分子材料、非線性光學、熒光開關、電致變色材料和有機太陽能電池材料。

最近，日本山形大學的Hiroshi Katagiri（通訊作者）報道了通過對分子軌道分布的控制，2,6′:2′,6″-terazulene (TAz1)表現出作為n型晶體管（OFET）的優異性能。為了驗證和發展了這一概念，論文提出三種異構體的terazulene，這三類分子有沿著azulene 長軸的2-或6-位置的三個azulene 基團，從而構建一個線性擴展π共軛體系：2,2′:6′,2″-terazulene (TAz2)、2,2′:6′,6″-terazulene (TAz3)和 6,2′:6′,6″-terazulene (TAz4)。TAz2和TAz3表現出雙極特性；TAz4作為一個有機場效應晶體管呈現明顯的N型晶體管特性。所有terazulenes的最低未占據分子軌道（LUMO）是在整個分子中完全離域的。相反，TAz2 和 TAz3 的最高占據分子軌道（HOMO）是在2,2′-biazulene單元離域的；而TAz4的HOMOs在位于azulene的一端是局域的。這些研究結果證實，作為簡單碳氫化合物的terazulene異構體極有可調極性的FET特性，極性取決于azulene單元的取向和在terazulene骨干中分子軌道分布相關的差異。

文獻鏈接：Terazulene Isomers: Polarity Change of OFETs through Molecular Orbital Distribution Contrast （JACS, 2016, DOI: 10.1021/jacs.6b06877）

3、JACS 通過氧化結合Bi-2方形網與層狀Y2O2Bi形成二維超導材料

圖3 BaFe2As2?和 Y2O2Bi的晶體結構

層組狀超導體是蘊含高轉變溫度、非傳統配對性超導體的一座金山，人們基于銅酸鹽和鐵基化合物層狀超導體發現了新的超導化合物，其中包含了過渡金屬陽離子的二維層狀材料，其在超導材料中具有重要作用。在銅中插入Bi2Se3和Bi?Se層，其具有很強的自旋軌道耦合并因此具有拓撲超導性。同樣Bi方形網格也可以提供一個新的平臺去探索層狀超導體的拓撲超導性。

近日，來自東京大學的Tomoteru Fukumura（通訊作者）等人發現了在2K下Cr2Si2型層狀氧化物Y2O2Bi含有Bi2?方形網格而具有獨特的超導性。這種超導性僅在Y2O2Bi很大的氧化距離下才出現。該發現揭示著元素結合可以填充間隙為新的超導體提供了另外一種傳統的替換和設置方法。

文獻鏈接：Two-Dimensional Superconductivity Emerged at Monatomic Bi2– Square Net in Layered Y2O2Bi via Oxygen Incorporation（JACS, 2016, DOI: 10.1021/jacs.6b05275）

4、Nat. Commun. 熔融半導體電解

圖4 三層電解槽的原理圖

直接以電化學的方式還原金屬可以簡化流程、減少能源消耗、減輕生產和投入的費用，所以它是一種可持續的提取方法。一個典型例子就是鋁的冶煉使得其可以取代銀的地位而在日常生活中廣泛使用。

麻省理工學院的Donald R. Sadoway（通訊作者）等人開發出了一種高效的電解脫硫工藝其可以直接將熔融半導體輝銻礦（Sb2S3）轉換為純度為99.9%的銻液體和硫蒸氣。在液態銻底部為熔融的輝銻礦陰極，頂部的硫來自于浸入在非混相二次熔鹽電解液的碳棒正極。與傳統的提取方法不同，硫化電解可以避免CO2、CO 以及 SO2氣體的排放。其可以大規模應用于導電過渡金屬硫屬化合物。

文獻鏈接：Electrolysis of a molten semiconductor（Nat. Commun., 2016, DOI: 10.1038/ncomms12584）

5、Adv. Mater. 膠體合成尺寸均一二硫化鉬納米片制備晶片規模柔性非易失性存儲器

圖5 MoS2-MoOx異質結構的晶片規模制備

基于剝離二硫化鉬的器件具有良好性能，但均為單個器件而非大規模器件陣列。幸運的是，通過化學氣相沉積法（CVD）大規模合成二硫化鉬使得晶片規模器件陣列的制備變得可能。然而，基于CVD二硫化鉬的器件在性能、成本上均差于脫落MoS2器件。脫落MoS2納米片的組裝有可能是解決上述問題的一個可行方法，但脫落MoS2的內在分散性會造成大規模器件陣列的非均勻性。

近日，韓國基礎科學研究所的Taeghwan Hyeon（通訊作者）和Dae-Hyeong Kim（通訊作者）報道了尺寸均勻的二硫化鉬的大規模膠體合成以及其晶片規模集成以制造柔性電阻隨機存取存儲器（RRAM）陣列。相較于脫落MoS2，合成MoS2納米片在其大小和厚度分布上均具有良好的均勻性。由合成MoS2納米片制備的記憶裝置優于基于脫落MoS2的控制裝置，如極高的開/關比的RRAM 。此外，組裝MoS2納米片的超薄性質允許變形器件的制備。

文獻鏈接: Colloidal Synthesis of Uniform-Sized Molybdenum Disulfide Nanosheets for Wafer-Scale Flexible Nonvolatile Memory?（Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201602391）

6、Adv. Mater. 超靈敏多位二硫化鉬光電存儲器

圖6 二硫化鉬光電存儲器結構示意圖

作為過渡金屬硫屬化合物（TMDs），單層二硫化鉬（MoS2）的獨特帶隙已使之成為無帶隙石墨烯的一種可行替代通道材料被廣泛應用于包括晶體管和存儲器的各種電子設備中。1.8eV大的帶隙所導致高達10^8 的開關比為單個單元提供可區分的內存狀態及多層次的數據存儲。盡管具備優異的電學、光學性質，具有能夠持續累積照射到器件上光子量、多位光信號發射的能力，或成為全光邏輯處理器件，依然是MoS2光電器件的迫切需要。

近日，來自韓國成均館大學的Jeong Ho Cho（通訊作者）等人向我們展示了一種通過協同組合合理的器件設計的新型非易失性多位MoS2存儲器的開發及大面積的MoS2片有效傳遞。在該器件中，通過粘性受拉的金屬層轉移準備好的大面積高質量單層MoS2被同時用作通道材料和光吸收層，金納米粒子（AuNPs）被嵌在阻擋和隧穿介電層之間作為浮柵存儲光激發電荷。該光電存儲器在高編程柵極電壓時可作為常規電子存儲器運行，此外，該設備還可作為電子讀數器在低（甚至為零）編程柵極電壓存儲光信息。除上述雙重功能外，該存儲裝置的大編程/擦除電流比給實現多位數據存儲提供了一個方向。

文獻鏈接：Multibit MoS2 Photoelectronic Memory with Ultrahigh Sensitivity（Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201603571）

7、Adv. Mater. 無定型BPIII聚合物基納米器件的光電記憶效應

圖7 膽固醇的BPs結構圖

軟材料領域的進步帶動了由液晶或者聚合物自組裝制備動態功能材料自下而上法的發展。其中具有立方對稱（BPI和BPII）的膽固醇的藍相（BP）由于其電可切換的3D納米結構及在光譜范圍為的選擇性布拉格反射而受到了廣泛關注。BPLCs的BPI和BPII分別為體心立方和簡單立方，LC分子為雙螺旋結構。雙螺旋結構不能持續占據3D空間，因此需要通過晶格拓撲缺陷來穩定其結構，即被稱為向錯。BPIII結構被廣泛接受的理論模型稱為“blue fog”和 “foggy phase”BPIII為無定型網絡結構，它由雙螺旋圓柱和向錯組成。

近日，來自美國肯特州立大學的Sahil Sandesh Gandhi（通訊作者）和Liang-Chy Chien（通訊作者）等人介紹了一種具有光電記憶效應的器件，該器件建立在膽甾相液晶的具有3D納米結構無定型BPIII聚合物骨架上，該器件具有光學各向同性、旋光性并且具有亞毫秒級響應速度。這種功能性結構使得長久以來備受爭議的BPIII結構第一次在實驗中被觀察到。

文獻鏈接：Electro-optical Memory of a Nanoengineered Amorphous Blue-Phase-III Polymer Scaffold（Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201603226）

8、Adv. Mater. Co替位BiFeO3外延薄膜的偏振旋轉提高壓電響應

圖8（a）倒易空間圖，（b）~（d）晶體結構圖

由外電場中誘導旋轉極化的壓電材料（例如PbZr1?xTixO3 (PZT)）被廣泛認為是大壓電響應的源頭，然而由于缺少具有旋轉極化的模型材料，這種假設從來沒被在實驗中被證實過。

近日，來自來自東京工業大學的Hajime Hojo（通訊作者）和Masaki Azuma（通訊作者）等人制備了一種高質量的Co替位具有單斜缺陷的BiFeO3外延薄膜，并且系統測試了極化方向和壓電響應間的關系。該團隊證明了極化旋轉在該材料在改進壓電響應方面起到了至關重要的作用。該實驗理論不僅可以被應用在BiFeO3體系，也可以被應用在常規壓電材料中，如PZT。

文獻鏈接：Enhanced Piezoelectric Response due to Polarization Rotation in Cobalt-Substituted BiFeO3 Epitaxial Thin Films（Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201602450）

本期內容由材料人電子電工學術組天行健，樹苗，李小依，王小瘦供稿，材料牛編輯整理。

如果你對電子材料感興趣，愿意與電子電工領域人才交流，并且想及時掌握電子材料研究學術動態并深入剖析行業現狀，請加入材料人電子電工材料學習小組(加入方式：點擊此處報名或者申請加入我們QQ群：482842474)