顶刊动态丨Nature子刊/Nano Letters/AFM等期刊电子材料学术进展汇总（电子周报第14期）

本期导读：今天电子电工材料周报组邀您一起来看看Nature Communications/Nano Letters/ACS Nano/Advanced Functional Materials等期刊电子材料领域最新的研究进展。本期内容预览：用于紧急情况下的基于复合型纳米发电机的自驱动安全帽；用于从液体压力波动收集能量的弹性模量可调的介孔压电高分子复合薄膜；等离子体纳米颗粒内耦合的边缘模式；FeSe的磁基态；适于光电应用的宽禁带铋基P型掺杂物；Au纳米天线/MoS2异质结构中的超快等离子体热电传输；阿伏苯宗氟化硼颜色调控以实现全彩色发光；单层MoTe2和WxMo1-xTe2合金中电荷注入引起的可逆金属-绝缘体相变；两层石墨烯支撑的单层二硫化钨的激子效应；揭示MoS2场效应晶体管的边缘状态和电不均匀性。

1、ACS Nano：用于紧急情况下的基于复合型纳米发电机的自驱动安全帽

图1 自驱动安全帽的结构设计

物联网的快速发展和相关传感器技术在推进现代工业与信息化技术中起着至关重要的作用。而有限的电池寿命、传感器节点的大范围分布及潜在的健康和环境危害，使得完全由电池来给物联网中功能各异的传感器节点供能显得越来越不切实际。在此，研发可以利用周边环境能量来驱动自己的自驱动传感器是非常迫切需要的。

近日，西南交通大学杨维清教授（通讯作者）和佐治亚理工学院、中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士（通讯作者）等将摩擦纳米发电机（TENG）和电磁发电机通过合理整合成双层夹层结构，研发了一款基于复合型纳米发电机可高效收集周边环境能量的安全帽。通过创造性的使用Al-Kapton-Al波浪形结构，该装置可自恢复到外部机械激励，将机械振动转化成摩擦层的接触-分离运动和线圈的磁通变化。结合变压器和整流器，该混合型纳米发电机可提供功率密度高达167.22 W／m3。带上该安全帽，通过混合型纳米发电机从人体运动中收集的振动能量能给一个实时传输数据到手机上的无线计步器提供电源。

文献链接：Self-Powered Safety Helmet Based on Hybridized Nanogenerator for Emergency（ACS Nano，2016，DIO: 10.1021/acsnano.6b03760）

2、Adv. Funct. Mater.：用于从液体压力波动收集能量的弹性模量可调的介孔压电高分子复合薄膜

图2 复合薄膜制备过程

近期，压电纳米发电机的发明的和快速发展代表一个具有广阔前景的环境机械能收集方法。各种不同的纳米发电机设计使其可从不同的机械能源收集能量，如声波、随机振动，甚至是生物活动。而在所有可行的应用方向中，由于对可植入式装置的自驱动能力的强烈需求及人体中极为有限的其他可能能源，使得收集生物力学能具有一个非常独特的潜力。

来自美国威斯康星大学麦迪逊分校的Xudong Wang（通讯作者）等基于介孔PVDF薄膜研发了一款柔性压电纳米发电机，其中大块介孔PVDF是利用无模板溶胶-凝胶法在室温条件下制作而成。通过将PDMS弹性体填充进PVDF表面孔中，形成的复合物的弹性模量可有效地在很宽范围内调整到生物系统的同一水平。形变发生时，该复合物纳米发电机具有相当于甚至高于其他基于PVDF的纳米发电机的输出。他们还利用PDMS制作了一个人工动脉系统，同时上述复合物纳米发电机也被集成在人工动脉系统内部。该系统可从液体压力波动（模拟血液流动）中有效地收集能量。

文献链接：Mesoporous Piezoelectric Polymer Composite Films with Tunable Mechanical Modulus for Harvesting Energy from Liquid Pressure Fluctuation（Advanced Functional Materials，2016，DOI: 10.1002/adfm.201602624）

3、Nano Letters：等离子体纳米颗粒内耦合的边缘模式

图3 立方体纳米颗粒边缘和薄膜模式的展开EEL光谱

纳米颗粒是指纳米量级的微观颗粒，它被定义为至少在一个维度上小于100纳米的颗粒。由于纳米颗粒体积极小，常表现出一些大体积同类物质不具有的性质，如半导体纳米粒子的量子束缚、一些金属纳米颗粒的表面胞质共振及磁性材料的超顺磁性等。

近日，来自奥地利格拉茨大学和格拉茨技术大学的Franz-Philipp Schmidt（通讯作者）等在文章中介绍到等离子体纳米粒子的内耦合可以显著修饰它们的光学性质，在单独的矩形纳米粒子内部的这些边缘耦合会导致模式分裂 并导致正键、反键模式的形成。这一理论结果将为今后的解释和设计等离子体光谱提供了指导。

文献链接：Edge Mode Coupling within a Plasmonic Nanoparticle（Nano Letters，2016，DOI：10.1021/acs.nanolett.6b02097）

4、Nature Communications：FeSe的磁基态

图4 在4~110K范围内FeSe自旋波动的动量相关图

高温超导电性往往发生在长程反铁磁有序附近，因此磁性被认为与高温超导的产生有着密切的关系。铜氧化物超导体的母体化合物是奈尔（Néel）磁体，铁砷类铁基超导体的母体化合物是条纹（stripe）磁体，与铜氧化物和铁砷类超导体不同，铁硒类超导体的母体FeSe没有静态反铁磁序。FeSe表现出一系列奇异的超导特性，比如在加压、电子掺杂及单层薄膜下超导电性迅速增强，单层FeSe薄膜的超导转变温度甚至高达65到109 K，研究FeSe的奇异超导特性的关键是理解其磁性基态。

近日，来自复旦大学物理系、应用表面物理国家重点实验室及人工微结构科学与技术协同创新中心的赵俊（通讯作者）等利用中子散射技术在铁硒（FeSe）超导体中首次观测到了一种新奇的自旋为1的向列性量子无序顺磁态，这一磁基态的发现对理解 FeSe类高温超导机理提供了新的角度。

文献链接：Magnetic ground state of FeSe（Nature Communications，2016，DOI: 10.1038/ncomms12182）

5、Angew：适于光电应用的宽禁带铋基P型掺杂物

图5 用作P型参杂物的不同三（羧酸）铋（III）的化学式

分子用作半导体构建新型光电器件正引起极大的研究兴趣。这些软材料的性质使光电器件具有很多新的特性，如透明、柔性。然而，特别是OLED照明，降低成本的同时也必需进一步提高效率和寿命，而掺杂正是提高有机半导体性能的重要措施。为避免掺杂所导致的开壳基和电荷转移复合物的产生而吸收光电器件所发射的光，掺杂需满足以下三点：1）掺杂物高效可处理；2）掺杂物具有高光学带隙（3.1ev左右）；3）不在掺杂物上产生可见光吸收物质。

来自德国西门子股份公司的Gűnter Schmid（通讯作者）等研究将三（羧酸）铋（III）的化合物作为用于光电器件中的空穴传输材料（HTMS）的P型参杂物。与最先进的掺杂有机半导体（OSC）系统相比，HTMS中掺杂上述路易斯酸类（Lewis acids）后，表现出增强的电导率。此外，掺杂HTMS具有较高的透明度，这是因为掺杂物的固有带隙在UV区，而掺杂产生的复合物的带隙在IR区。他们之所以选择铋，一是铋是一种非危险元素；二是铋（III）化合物具有满足HTMS掺杂前提的形成稳定电荷转移复合物的大配位层；三是铋（III）化合物中心的亲电性可通过改变羧酸配体进行调整，从而调整化合物的路易斯酸性。

文献链接：Wide Band-Gap Bismuth-based p-Dopants for Opto-Electronic Applications（Angewandte Chemie International Edition，2016，DOI: 10.1002/anie.201601926）

6、Adv. Funct. Mater.：Au纳米天线/MoS2异质结构中的超快等离子体热电传输

图6 a-c） Si/SiO2/MoS2，Au NA/MoS2和 Au NA/Al2O3/MoS2在激发波长为400nm下的PL光谱；d）样品及相应基底Si/SiO2，Au NA和 Au NA/Al2O3的PL光谱； e）样品作为泵功率的函数时的PL峰位置；f）样品作为泵功率的函数时的PL峰强度

二维过渡金属硫化物由于光电性能优异，而且其带隙分布于近红外到可见光区，因此，对光电器件和光伏器件极具吸引力。利用金属纳米结构的二维金属制备器件是近期才发展起来的一种制备以热电子为基础的光检测器的有效方法。

近日，北京大学的方哲宇（通讯作者）等采用基于模板的溅射方法首次制备了Au纳米天线（Au NA）/MoS2异质结构，该Au NA/MoS2异质结构成本低、准备过程简单、光谱响应宽、相应时间短。飞秒泵浦探测光谱测试表明在Au NA/MoS2异质结构中发生了等离子体诱导的热电传输。光致发光光谱证实MoS2的激子能量可被Au NA增强、耦合和再辐射。金属半导体异质结构中的这种超快等离子体诱导的热电传输提高了二维器件的光捕获能力和光电转化效率。

文献链接：Ultrafast Plasmonic Hot Electron Transfer in Au Nanoantenna/MoS2 Heterostructures（Advanced Functional Materials，2016 ，DOI: 10.1002/adfm.201601779）

7、Adv. Funct. Mater.: 阿伏苯宗氟化硼颜色调控以实现全彩色发光

图7 a）器件4结构；图1b）实线为器件4AVB-BF2在1000 cd m−2下的EL光谱，虚线为器件4AVB-BF2在1000cd m−2下的PL光谱；图1c）器件4的J-V-L特征；图1d）器件4EQE亮度特征

在过去的十几年中，有机发光半导体在各类有机半导体中的应用持续吸引着科研人员的注意。DAM-BF2做为一种功能性材料以其易于制备、高AIE、PLQY值引起了研究人员的注意。通过控制DAM-BF2浓度，其发出的光可以由蓝光连续变到绿光。

近日，日本九州大学的Chihaya Adachi（通讯作者）和Youichi Tsuchiya（通讯作者）、信州大学的Fuyuki Ito（通讯作者）等发现通过控制单体、准分子以及基态复合物发射，只使用DAM-BF2做为发射材料，有机发光二极管（OLEDs）有着较广的颜色变化。通过控制DAM-BF2掺杂浓度可以使EL在T2T基体中发射光由蓝光到绿光变化。同时，由绿光至红光的变化可以通过ABV-BF2与mCBP形成的基态复合物实现。在聚合状态下ABV-BF2可以为基态复合物提供电子受体。

文献链接：Color Tuning of Avobenzone Boron Difluoride as an Emitter to Achieve Full-Color Emission（Advanced Functional Materials， 2016，DOI: 10.1002/adfm.201601257）

8、ACS Nano：单层MoTe2和WxMo1-xTe2合金中电荷注入引起的可逆金属-绝缘体相变

图8 不同x（W组分）时T'相（蓝）和H相（红）WxMo1−xTe2 的形成能

一直以来金属-绝缘体相变材料都十分抢手，这是因为它们在两端和三端电子开关、光学器件、电子振荡器、忆阻器件、热传感器和化学传感器等器件应用上很有希望。利用VO2和TaS2作为沟道材料，已经制备出一些基于金属-绝缘体转变的快速开关器件，它们展示了相变器件的可行性。但是环境条件下低维材料的金属- 绝缘体转变十分罕见的，而且转变也不容易被控制。

近期，美国德克萨斯大学达拉斯分校的Kyeongjae Cho（通讯作者）等利用密度泛函理论（DFT）研究静电电荷注入对单层MoTe2和WTe2相位稳定性的影响，此外研究还发现单层WxMo1-xTe2的过渡金属合金化可以通过降低H相（半导体性）和T′相（半金属性）之间的能量差促进相变。本论文发现对于组分为x≈0.333的单层WxMo1-xTe2，极少量的电荷就可以颠倒H相和T'相之间的相对热力学稳定性，从而显示出一个很有希望的动态金属 - 绝缘体转变。

文献链接：Charge Mediated Reversible Metal-Insulator Transition in Monolayer MoTe2 and WxMo1-xTe2 Alloy（ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b00148）

9、ACS Nano：两层石墨烯支撑的单层二硫化钨的激子效应

图9 WS2/石墨烯异质结构光致发光特性的层数依赖

最近分离单层的二维（2D）过渡金属硫化物（TMDs）为探索原子薄的半导体材料的基本物理提供了有吸引力的平台，以及开发其在光电子学、光子学和快速、低功耗的电子学中的应用潜力。垂直堆叠单层二维材料的异质性集成确保了新架构工程学，它提供了一个丰富的组合的光学和电学性质，这是他们独立存在或者体材料时不存在的。

英国国家物理实验室的Cristina E. Giusca（通讯作者）等发现二维衬底的厚度对于光发射调制是至关重要。研究人员利用一层和二层外延石墨烯上制备单层硫化钨（WS2）构成的垂直异质结构，研究层依赖的电荷转移性质，揭示这种异质结构中层间电子耦合对激子性质的影响。该研究表明WS2的激子性质可通过衬底石墨烯层数进行有效调谐。单层WS2和双层石墨烯的集成导致光致发光反应的显著增强，与单层石墨烯支撑WS2高一个数量级。这一研究结果突出强调了构建原子薄层异质结构时衬底工程的重要性。

文献链接：Excitonic Effects in Tungsten Disulfide Monolayers on Two-Layer Graphene（ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b03518）

10、PNAS：揭示MoS2场效应晶体管的边缘状态和电不均匀性

图10 实验装置和器件表征

原子薄的过渡金属硫属化物（TMDs）中存在着各类缺陷，包括边缘处的悬挂键、体材料中硫属元素空位以及衬底电荷。这些现象的理解对于TMD材料运用于电子学和光子学中具有根本性的重要性。由于这些缺陷的存在，当电子运动在这些二维晶体中时，将受到在空间上不均匀的库仑作用，这些现象对于电荷传输的影响却并没有微观地进行研究。

美国德州大学奥斯汀分校Keji Lai （通讯作者）等利用微波阻抗显微镜（MIM）进行研究，报道了单层和多层MoS2场效应晶体管的介观电导图像。绝缘体- 金属转变空间演化已经明确地解决了。有趣的是，随着晶体管逐渐导通，电传导首先出现在边缘处，先于二硫化钼块料，这可以通过第一性原理计算进行说明。结果明确证实，在阈值电压以下时边缘态向通道电导的贡献十分显著，但是当TMD体材料器件变得可导时便可以忽略不计。二维层片紊乱势波动引起的强电导不均匀性，这也是在MIM图像观察到的，是未来器件性能提升的指南。

文献链接：Uncovering edge states and electrical inhomogeneity in MoS2 field-effect transistors（Proceedings of the National Academy of Sciences，2016，DOI: 10.1073/pnas.1605982113）

本期内容由材料人电子电工材料学习小组王小瘦、李小依、天行健和以亦供稿，欧洲足球赛事 编辑整理。

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