顶刊动态丨Nature子刊/Nano Letters/JACS等期刊电子材料学术进展汇总（电子周报160726 期）（二）
本期导读：
今天电子电工材料周报组邀您一起来看看Nature Nanotechnology/Nano Letters/ACS Nano/JACS等期刊电子材料领域最新的研究进展。本期内容预览：基于石墨烯的约瑟夫逊隧道结中的临界电流缩放；石墨烯和BN界面的拓扑缺陷提高了其界面导热性；载流子转移实现了双层石墨烯中88%的驰豫长度为30微米旋转电流的定向引导；利用海洋能的纳米摩擦发电机；非磁场中反铁磁/铁磁/氧化物结构的垂直磁化；纳米线验磁器展示了左右偏置的细胞转动力矩；石墨烯模拟电路和硅互补金属氧化物（CMOS）半导体数字电路的混合集成；具有特殊和可调谐局域表面等离激元共振的氢掺杂金属氧化物半导体；单层MoSe2-x晶体中空位远超固有水平时载流子类型和光响应的变化；二维共面石墨烯-金属硫化物p-n结的载流子离域化；通过选择表面层氧化实现WSe2的层状可控。
1、Nano Letters：基于石墨烯的约瑟夫逊隧道结中的临界电流缩放
图1 （a）基于石墨烯的约瑟夫逊隧道结光学显微照片；（b）不同的电流和触发电压下，节中的不同电阻；（c）电阻放大图
电流可以无耗散地通过与超导接触相连接的正常（非超导）材料。利用石墨烯做正常区域人们可以制备门控超导器件，这种门控超导器件的特点是电子迁移率高、费米速度大。但是迄今为止，超电流通过扩散石墨烯的机理仍无法被全面深入地理解。
近日，来自杜克大学的Chung Ting Ke（通讯作者）和Gleb Finkelstein（通讯作者）研究了在相同的石墨烯晶体上制备的具有不同长度的Josephson结的ICRN和ETh之间的关系。有些在CVD石墨烯单结上制备的结接触厚度一致，均为9μm，而长度不等，在400nm和1000nm之间变动。在用门电压调节载流子密度时，这些结的临界电流从几毫微安增加到大于5μA，而Thouless能量却变化了大约2个数量级。研究人员发现ICRN和ETh成线性关系，这和理论预测相一致。
文献链接：Critical Current Scaling in Long Diffusive Graphene-Based Josephson Junctions（Nano Letters，2016，DOI:10.1021/acs.nanolett.6b00738）
2、Nano Letters：石墨烯和BN界面的拓扑缺陷提高了其界面导热性
图2 在石墨烯和BN界面沿热通量方向的温度分布
冷冻可以大幅度地降低界面热阻，这一特性已经吸引了许多科研人员去研究纳米尺度下的热管理。通过添加界面层可以提高20%-30%的界面热传导率。然而，这一方法对于两种材料的质量比依赖较高，并且在两种材料之间的极薄的界面材料难以制造。
近日，来自新加坡高性能计算研究所的Zhang Gang（通讯作者）等人通过运用非平衡分子动力学模拟研究了二维石墨烯和氮化硼异质结构界面的热传导性能。该研究发现了四种界面结合配置并且该界面的热导率很高。由于氮碳共价键比硼碳共价键强，所以其ITC要比硼碳界面ITC高出48%。同时基于声子振动光谱分析，研究人员还发现ITC的提高是由于适配位错和平面外变形的界面引起的。
文献链接：Topological Defects at the Graphene/h?BN interface Abnormally Enhance Its Thermal Conductance（Nano Letters，2016，DOI:10.1021/acs.nanolett.6b01565）
3、Nano Letters：载流子转移实现了双层石墨烯中88%的驰豫长度为30微米旋转电流的定向引导
图3 模型的逻辑图
自旋扩散长久以来一直被用来研究自旋运输，因为自旋扩散是一个缓慢且无方向性的过程，但是它的这一特性业限制了其在自旋极化情况下的传输范围。相比之下，由载流子漂移诱导的传输可用作旋转的快速且定向长途运输。目前自旋信号和长距离自旋传输的电控制是自旋电子学领域的主要问题。
近日，来自格罗宁根大学的Josep Ingla-Aynes（通讯作者）报道了一种利用载流子漂移实现高迁移率的由氮化硼修饰的密封六边形双分子层石墨烯的自旋电流在室温下有效定向引导的方法。在实验中自旋驰豫长度为7.7µm，当分别应用了大小为∓90 μA的DC电流时自旋驰豫长度可以在0.6~90µm之间调节。同时，该实验实现了将自旋电流引导向自旋轨道链接的一边。当Idc =-90 μA时，其88%的自旋子流向下图中的左边；而当漂移电流翻转的时候82%的自旋子流向下图中的右边。该实验创造了一种基于自旋的利用载流子漂移原理的逻辑操作和器件的可能性。
文献链接：Eighty-Eight Percent Directional Guiding of Spin Currents with 90 μm Relaxation Length in Bilayer Graphene Using Carrier Drift（Nano Letters，2016，DOI:10.1021/acs.nanolett.6b01004）
4、ACS Nano：利用海洋能的纳米摩擦发电机
图4 收集海洋能的纳米摩擦发动机（TENG）的工作网络图（图片改编自：ACS nano, 2015, 9(3): 3324-3331，DOI: 10.1021/acsnano.5b00534）
一直以来，人类社会一直依赖化石能源（如煤、石油、天然气等）来满足其能量需求。然而，这些能源的利用导致碳的排放也导致了气候改变、空气污染和酸雨的产生。 “Blue Energy”是指海洋能，它是一种以海浪的形式提供的一个庞大的能量源。海洋能的获取是存在很大挑战的，因为它是一种以海浪的形式储存的动能，而海浪则是振幅极其不规则且频率较低。电磁发电机（EMGs）因储存电磁动能而为人们所知，但它们对于海洋能的转换存在致命的缺陷。那就是EMGs对于海浪的低频率运动会输出低电压，这些电压由于太低而无用。相比之下摩擦纳米发电机（TENGs）则很适合用来收集海洋能，因为，它们可以有效的获取从低频（<1Hz）到高频（~KHz）的机械能，并且它们造价低、便于携带且制备简单。
近日，来自韩国成均馆大学的Sang-Woo Kim（通讯作者）等在一篇Perspective中详细介绍了有关纳米摩擦发电机目前的进展，并着重考虑了该发电机在严酷海洋工作环境下封装的长期有效性以及商业应用的高效功率转换与分配的能量管理机制等方面的问题。
文献链接：Triboelectric Nanogenerators for Blue Energy Harvesting（ACS Nano，2016，DOI:10.1021/acsnano.6b04213）
5、Nature Nanotechnology：非磁场中反铁磁/铁磁/氧化物结构的垂直磁化
图5 Ta(5nm)/CoFeB(3nm)/IrMn(3nm)/CoFeB/MgO的样品在无外磁场中发生自旋转转矩的转变
自旋转矩主要产生于非磁性的重金属的自旋轨道的耦合，并且允许在垂直磁化时发生电转换。然而，在横向均匀结构中并不仅仅是电转换。需要一个额外的面内磁场来实现转变的确定性，这对设备的应用是有害的。另一方面，如果非铁磁体能够产生自旋轨道转矩，它能确保发生稳定的电转换，主要是由于所需的磁场可以被它们的交换偏置所取代。
韩国科学技术院的 Byong-Guk Park（通讯作者）和高丽大学的Kyung-Jin Lee教授（通讯作者）等人报道了在IrMn/CoFeB/MgO结构中有大量的自旋轨道扭矩。反铁磁IrMn层也提供了一个平面内的交换偏置场，它使所有的电发生确定性垂直磁化转变而不从外部磁场中得到任何援助。它们具有相当大的自旋轨道转矩，这些特点使得铁磁体有望成为未来自旋电子器件的候选人。研究还表明了，在以不同的轨道自旋力矩为基础的机构无法用现有的理论解释，因此需要一些理论上的进展。
文献链接：Field-free switching of perpendicular magnetization through spin–orbit torque in antiferromagnet/ferromagnet/oxide structures（Nature Nanotechnology，2016，DOI:10.1038/nnano.2016.109）
6、ACS Nano：纳米线验磁器展示了左右偏置的细胞转动力矩
图6 Ni纳米线和纳米线的转动
细胞力控制了多种类型的细胞力学和相关的生理行为。最近的研究表明，细胞左右偏置的运动可能是导致组织结构不对称的起因。肌动球蛋白活性是研究过程中必不可少的一项研究，它预示了一种协调组织形成左右偏置不对称发展的细胞力。然而，由于缺乏合适的研究平台，左右偏置细胞力尚未被发现。
香港城市大学的Ting-Hsuan Chen（通讯作者）等人发明了一个纳米线验磁器，揭示了细胞产生的旋转力矩。将铁磁纳米线沉积并且融入微细胞中，在一个均匀、水平磁场中，最初与磁场对齐的纳米线最终由于细胞的转矩发生了旋转。我们发现，左右偏置的转矩取决于细胞的类型。该发现揭示了一个单细胞的左右偏置力矩和细胞骨架手性的基本原因。更确切的说，我们的方法将为细胞生理学有关的力学和力矩在组织形成左右偏置的研究提供了不同的视角。
文献链接：Nanowire Magnetoscope Reveals a Cellular Torque with Left–Right Bias（ACS Nano，2016，DOI:10.1021/acsnano.6b01142）
7、ACS Nano：石墨烯模拟电路和硅互补金属氧化物（CMOS）半导体数字电路的混合集成
图7 硅CMOS数字电路和石墨烯模拟电路的混合集成
近些年来，由于石墨烯场效应晶体管被视作下一代电子器件有力的候选人，因而已被广泛的研究。然而最近似乎有了一个共识，因为石墨烯的无带隙结构，石墨烯晶体管不适合数字电路。另一方面，由于其高载流子迁移率和高的饱和速度，石墨烯晶体管在模拟电路中具有巨大的优势。
韩国科学技术院的Byung Jin Cho（通讯作者）在文章中展示了石墨烯模拟电路和硅数字电路的混合集成，这一方案结合了石墨烯器件和硅器件的优点。该混合信号电路通过三维（3D）集成技术在硅互补金属氧化物半导体场效应晶体管（CMOS FET）的环形振荡器顶部制备石墨烯晶体管的多模移相器。这种三维集成技术使我们能够将石墨烯优良的固有性质和目前成熟的硅CMOS技术相结合用于下一代电子器件。
文献链接：Hybrid Integration of Graphene Analog and Silicon Complementary Metal?Oxide?Semiconductor Digital Circuits（ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b03382）
8、JACS：具有特殊和可调谐局域表面等离激元共振的氢掺杂金属氧化物半导体
图8 H1.68MoO3费米能级附件电子的电荷密度分布以及紫外-可见-近红外漫反射光谱
近几年，随着纳米科学和纳米技术的出现，等离激元纳米结构迅猛发展，该结构中自由电子对入射光的相干振荡会引起局部表面等离激元共振（LSPR）；这种现象伴随着光学近场放大，而且已经在表面增强拉曼散射（SERS）、生物检测以及能量存储和转换等方面有所应用。
大阪大学和京都大学的Hiromi Yamashita（通讯作者）及山东大学晶体材料国家重点实验室的Baibiao Huang（通讯作者）等通过简单的H-溢出方法制备了氢掺杂MoO3和WO3，即含氢青铜（氢钼青铜与氢钨青铜），其表现出在可见光区域的强局部表面等离激元共振。通过改变化学计量组成，可以在很宽的范围内观察到可调的等离激元共振，这一现象取决于温度的降低、金属的种类、支撑H2还原反应的金属氧化物性质和尺寸以及在合成过程中氧化处理。这一研究结果提供了在氢掺杂的金属氧化物半导体上实现等离激元共振的直接证据，并可能允许低价和地球丰富元素的大规模应用。
文献链接：Hydrogen Doped Metal Oxide Semiconductors with Exceptional and Tunable Localized Surface Plasmon Resonances（JACS，2016，DOI: 10.1021/jacs.6b05396）
9、Nano Letters：单层MoSe2-x晶体中空位远超固有水平时载流子类型和光响应的变化
图9 Se原子空位变化引起的光学和电学性质改变
目前，缺陷工程已经成为控制电子器件输运特性的关键步骤，此外它能够创建、调整和消灭缺陷，这对于确保下一代器件缺陷范围是十分重要的。而缺陷的形成已经在三维半导体很好的实现的，原子薄的二维半导体的异质性上的类似探索及其原子结构、缺陷和性质之间的联系尚未得到广泛的研究。
近期，美国橡树岭国家实验室的Masoud Mahjouri-Samani（通讯作者）开发了一种MoSe2-x单晶的生长方法，这一方法的硒（Se）空位远远大于固有空位，高达~20%，随着Se空位浓度的增长电子输运性质出现了一个显著的转变——从n型变为p型。 在~250 cm^-1出现一个新的缺陷激活声子带。此外，A1g拉曼特征模式从240 cm^-1 软化为~230 cm^-1，而可以表明晶体中的空位浓度。这一研究发现可以利用脉冲激光蒸发硒原子能修复Se空位进行后硒化，这几乎可以恢复为原始晶体的特性。第一性原理计算揭示了空缺引起的电学和光学性质转变的潜在机制。
文献链接：Tailoring Vacancies Far Beyond Intrinsic Levels Changes the Carrier Type and Optical Response in Monolayer MoSe2-x Crystals（Nano Letters，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02263）
10、Nano Letters：二维共面石墨烯-金属硫化物p-n结的载流子离域化
图10 石墨烯-MoS2横向异质结的离域化效果图
二维材料异质结是构建纳米电子学和光电子学“大厦”的基石，因此，对于二维材料异质结的研究是十分重要的。近几年来，很多科学界对于二位材料垂直异质结的性质进行了研究，然而对于横向异质结的研究由于工艺条件苛刻，致使研究进展缓慢。随着二维单层材料的横向共面异质结由设计构想成为现实，关于二维材料的电子学、经典学、掺杂和尺寸性质的量化理解研究变得十分重要和迫切。
美国莱斯大学Boris I. Yakobson（通讯作者）等人研究了二位横向异质结的电荷平衡过程。与传统三维异质结通过局域电荷重新分布达到载流子平衡相反，二维横向异质结的载流子平衡是通过高离域化电荷输运实现的。耗尽层宽度为1/p，而差分电容随掺杂水平p变化很小。研究者利用数值计算对石墨烯-MoS2横向异质结的性质进行了更进一步的分析。关于内建势场的详细分析表明费米能级钉扎的急剧减少，说明二维金属-半导体结的载流子可以比较容易的调控。
文献链接：Carrier Delocalization in Two-Dimensional Coplanar p–n Junctions of Graphene and Metal Dichalcogenides（Nano Letters，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01822）
11、ACS Nano：通过选择表面层氧化实现WSe2的层状可控
图11 双层WSe2在远程氧离子体处理前后的拉曼光谱和光致发光谱
二维过渡金属硫化物（TMDCs，比如MoS2、WSe2和MoSe2）已经被证实具有优异的光学和电学性质，在电子和光电子器件领域具有巨大的应用价值。目前，基于TMDCs的各种器件已经被研究，包括FETs、光探测器和LEDs。由于TMDCs的高比表面积，其与衬底的相互作用和表面态在二维材料系统的研究中显得尤为重要。
南加利福尼亚大学Stephen B. Cronin（通讯作者）等人对在单层和少层WSe2进行远程氧等离子体处理前后的拉曼光谱和光致发光谱进行了分析研究。对于双层和三层WSe2做氧等离子体处理后，其光致发光密度增高，并且光致发光峰发生蓝移。三层WSe2的光致发光谱在氧离子体处理后，具有双层WS2的特征；双层WSe2的光致发光谱在氧离子体处理后，具有单层WS2的特征；单层WSe2在做同等处理好，其光谱消失了。这种变化机制是由于最上层的选择性氧化造成的。此外，研究者对阳离子体处理前后的WSe2的拉曼光谱也做了相应的分析，也存在对应的变化。由于远程氧离子体的氧自由基具有很低的动能，其对WSe2的氧化具有自限制性。该项工作为逐层控制WSe2的厚度提供了一个很有潜力的方法。
文献链接：Layer Control of WSe2 via Selective Surface Layer Oxidation（ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b02488）
本期内容由材料人电子电工材料学习小组树苗(seeding)、王小瘦、ZZZZ、天行健和灵寸供稿，欧洲足球赛事 编辑整理。
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