功能器件前沿每周精选丨0429-0505
纳米人 纳米人 2019-05-13
1. Science:观测到石墨在100 K以上的第二声传热

固体中的波状热传输,被称为第二声(波)传热,是一种奇特的现象,以前仅有少数材料在低温下存在这种现象。这种效应的罕见发生,限制了它的科学和实际意义。利用微米尺度上的热输运时间分辨光学测量方法,麻省理工学院陈刚团队K. A.Nelson团队直接观测到了石墨在100 K以上温度下的第二声(传热)。实验结果与预测波状声子流体动力学的从头计算结果在定性上是一致的。作者认为,这些结果可能表明,在大温度范围内的二维/层状材料的微尺度瞬态热传输中,第二声传热具有重要的作用。

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图1. 室温下石墨的瞬态热栅法(TTG)测试。

 

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图2. 具有天然同位素含量的石墨的第二声传热窗口。

S. Huberman, R. A. Duncan, K. Chen, B. Song,V. Chiloyan, Z. Ding, A. A. Maznev, G. Chen, K. A. Nelson. Observation ofsecond sound in graphite at temperatures above 100 K. Science, 2019.

DOI: 10.1126/science.aav3548

https://science.sciencemag.org/content/364/6438/375

 

2. 加州大学伯克利分校Science:单层半导体中所有非辐射复合途径的电抑制

传统半导体中的缺陷大大降低了光致发光(PL)量子产率(QY),这是光电性能的关键指标,直接决定了器件的最大效率。二维过渡金属二硫族化物(TMDC),例如单层MoS2,对于经处理的样品通常表现出低PLQY,这通常归因于大的天然缺陷密度。加州大学伯克利分校Ali Javey团队研究表明,当通过静电掺杂制成固有的MoS2和WS2单层时,而且没有任何化学钝化,其PLQY接近100%。令人惊讶的是,即使在高天然缺陷密度的存在下,中性激子复合也是完全辐射的。 这一发现使得TMDC单层膜可用于光电器件应用,因为可以减轻对低缺陷密度的严格要求。

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Lien, D.-H., Uddin, S. Z. et al. Electrical suppression of all nonradiative recombination pathways in monolayer semiconductors. Science, 2019.

DOI: 10.1126/science.aaw8053

https://science.sciencemag.org/content/364/6439/468

 

3. Nature:Mott纳米器件的亚阈值导通

电阻开关是一种利用电场改变器件电阻的现象,是神经形态计算和电阻存储器等新兴技术的核心。在各类电阻开关中,阈值触发是最有前途的一种,因为它可以实现人工脉冲神经元。阈值触发在具有绝缘体-金属相变特性的Mott绝缘体中被观察到,可以通过施加外部电压触发:如果超过阈值电压,材料就会导通(“firing”)。之前的研究对这种诱导转变的动力学进行了深入的研究,并对其机理和特征时间进行了详细的描述。相比之下,对此过程的反方向转变却知之甚少:即在电压被移除后,系统恢复到绝缘状态的过程。

 

加州大学圣地亚哥分校Javier del Valle团队发现,Mott纳米器件在绝缘电阻恢复后长时间内仍保留着之前电阻开关事件的记忆。研究证明,虽然器件在50到150 ns内恢复到绝缘状态,但可以通过较长时间(最多几毫秒)的亚阈值电压重新触发绝缘体到金属的转变。作者发现一阶相变的固有介稳性是这一现象的起源,因此该现象可能存在于所有Mott系统中。总之,这种效应在Mott基器件中构成了一种新型的易失性存储器,在电阻存储器、固态鉴频器和神经形态电路中具有潜在的应用前景。

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图1. 电压触发的绝缘体-金属转变以及冷却时间。

 

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图2. VO2中的亚阈值导通以及记忆效应。

Javier del Valle, Pavel Salev, Federico Tesler, Nicolás M. Vargas, Yoav Kalcheim, Paul Wang, Juan Trastoy, Min-Han Lee, George Kassabian, Juan Gabriel Ramírez, Marcelo J. Rozenberg & Ivan K. Schuller. Subthreshold firing in Mott nanodevices. Nature, 2019.

DOI: 10.1038/s41586-019-1159-6

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1159-6

 

4. Nature Mater.:粒状铝作为高阻抗量子电路的超导材料

超导量子信息处理机主要基于具有相对低的特征阻抗和小的非谐性的微波电路,这可以限制其的相干性和逻辑门保真度。然而,由介观约瑟夫森结阵列组成的超级导体降低其相干性。卡尔斯鲁厄理工学院Ioan M. Pop课题组提出了一种基于粒状铝超导体带的fluxonium量子比特设计。研究表明,粒状铝可形成具有高动态电感的有效结阵列,并与标准铝电路处理原位集成。测量的量子位相干时间T2*≤30 μs,说明了粒状铝在从受保护的量子位设计到量子限制放大器和探测器的应用中的潜力。


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Grünhaupt, L.; Spiecker, M.;Gusenkova, D.; Maleeva, N.; Skacel, S. T.; Takmakov, I.; Valenti, F.; Winkel,P.; Rotzinger, H.; Wernsdorfer, W.; Ustinov, A. V.; Pop, I. M. Granularaluminium as a superconducting material for high-impedance quantum circuits. Nature Materials, 2019.

DOI: 10.1038/s41563-019-0350-3

https://www.nature.com/articles/s41563-019-0350-3

 

5. Nature Energy:一种在集中太阳照射下工作的热协同光电化学制氢装置

在保持高能量转换效率的同时实现高电流密度是提高光电化学装置竞争力的主要挑战之一。针对这个挑战,洛桑联邦理工学院Sophia Haussener团队提出了一种解决办法——采用热集成、传质优化以及光吸收剂-电催化剂之间的电子一体化,在集中的太阳辐照(最高474 kW m-2)下运行装置。作者量化了热集成所带来的理论最大效率的提高,并使用III–V基光吸收剂和IrRuOx–Pt基电催化剂对这一方法进行了实验验证。当计算所得太阳能-氢转换效率超过15%时,电流密度达到0.88 A cm-2以上。作者对装置性能、动态响应和稳定性进行了研究,证明了该装置在不同条件下稳定产氢2 h以上的能力。总之,所获得的电流密度和输出功率(27 W)为大规模部署光电化学制氢装置提供了途径。

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图:一体化光电化学装置的示意图。

Saurabh Tembhurne, Fredy Nandjou & Sophia Haussener. A thermally synergistic photo-electrochemical hydrogen generator operating under concentrated solar irradiation. Nature Energy, 2019.

DOI: 10.1038/s41560-019-0373-7

https://www.nature.com/articles/s41560-019-0373-7#Abs1

 

6. Nature Commun.:具有迁移边缘量化的ZnO复合纳米层实现多值逻辑晶体管

近日,德克萨斯大学Kyeongjae Cho汉阳大学Myung Mo Sung研究团队提出了一种基于氧化锌复合纳米层的量子限制传输,其具有迁移率边缘量化的导电状态,并可应用于开发具有稳定中间态的多值逻辑晶体管。具有嵌入非晶氧化锌区域中的氧化锌量子点的复合纳米层在迁移率边缘处产生量化的导电状态,研究人员将其称为“迁移率边缘量化”。由于其低的状态密度,独特的量化导通状态有效地限制了载波的占用数量,使得电流饱和。研究人员通过应用由氧化锌复合纳米层和有机势垒组成的混合超晶格作为晶体管中的沟道来实现多值逻辑晶体管。此外,由于复合纳米层中量子化导电态的电流饱和,超晶格沟道产生多个状态,所制备的多值晶体管具有优异的性能特性,运行稳定可靠,无电流波动,可调节多级状态。

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Lee, Y. Cho, K. Sung, M. M. et al. ZnO composite nanolayer with mobility edge quantization for multi-value logic transistors. Nature Communications, 2019.

DOI: 10.1038/s41467-019-09998-x

https://www.nature.com/articles/s41467-019-09998-x

 

7. JACS:非平面多孔纳米石墨烯的表面合成

表面合成为石墨烯纳米结构的合成提供了一种有效的方法,而传统的溶液化学方法难以实现这一目标。近日,德累斯顿工业大学冯新亮瑞士联邦材料科学与技术实验室Roman Fasel马普所Klaus Müllen等多团队合作,报道了一种含有78个sp2碳原子(C78)的非平面多孔纳米石墨烯的设计与合成。通过2,3,6,7,10,11-己(萘-1-基)三苯的高选择性氧化环脱氢反应,在溶液中合成了螺旋桨式纳米石墨烯前驱体。有趣的是,虽然该前驱体在溶液中不能进一步环化,但通过在Au(111)上的表面辅助环脱氢,可由该前驱体成功制备多孔纳米石墨烯C78。作者进一步采用扫描隧道显微镜、非接触原子力显微镜和扫描隧道光谱学研究了C78的结构和电子性能,并辅以计算研究。

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Kun Xu, Klaus Müllen,* RomanFasel*, Xinliang Feng*, et al. On-Surface Synthesis of a Non-Planar Porous Nanographene. Journal of the American Chemical Society, 2019.

DOI: 10.1021/jacs.9b03554

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/jacs.9b03554

 

8. AM:独立硼墨烯及其杂化物

硼墨烯是一种基本的金属狄拉克材料,据预测,其机械和电子特性将是前所未有的。由于对基质和超高真空条件的要求,限制了硼墨烯的大规模应用并极大地阻碍了硼墨烯研究的进展。近日,印度巴特那理工学院Prashant Kumar纽卡斯尔大学Ajayan Vinu等多团队合作,报道了一种简便、可大规模制备独立硼墨烯原子薄片的液相剥离和氧化硼墨烯还原法。

 

作者利用电子显微镜证实β12, X3,及硼墨烯的中间相;并利用X射线光电子能谱、扫描隧道显微镜,结合密度泛函理论计算带结构,验证了相纯度和金属性质。硼墨烯具有良好的锚定性能,可用于光、气体、分子和应变的传感。作者进一步对硼墨烯杂化材料的储能性质进行了预测与探讨。实验结果表明,氧化硼墨烯的比容量约为4941 mA h g−1,明显优于现有二维材料及其杂化物的比容量。

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Pranay Ranjan, Prashant Kumar,* Ajayan Vinu*, et al. Freestanding Borophene and ItsHybrids. Advanced Materials, 2019.

DOI: 10.1002/adma.201900353

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201900353

 

9. Angew:非层状镁低温剥离为二维晶体

层状前体的物理剥离是制备2D晶体最普遍的技术之一,然而,这种方法自然地被认为本质上不适用于非层状体。中科院上海硅酸盐研究所施剑林课题组确定了金属镁在低温(CT)下的平面解理分化,并且开发了非层状镁到2D晶体的低温剥离策略。研究发现,Mg晶格响应外部机械应力的解理各向异性源于CT诱导的基底滑动特异性的失活,其导致垂直于c轴的基底解理。剥离的新型2D Mg晶体表现出明显的局部表面等离子体共振,对于捕获和转换太阳能的应用具有很大的潜力。

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Chen Zhang, Yingfeng Xu, Ping Lu, ChenyangWei, Chenxi Zhu, Heliang Yao, Fangfang Xu, Jianlin Shi. Cryogenic Exfoliationof Non‐layered Magnesium into Two-Dimensional Crystal.Angewandte Chemie International Edition, 2019.

DOI: 10.1002/anie.201903485

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201903485

 

10. Angew:从晶体到无定型双层氧化锗膜:合成与表征

非晶态材料微观结构的阐明是一个近年来的研究热点。近日,德国马普弗利兹-哈伯研究所Markus Heyde团队制备了一种新型二维氧化锗薄膜。该薄膜由相互连接的锗四面体单元组成,形成双层结构,弱耦合到Pt(111)金属基板。密度DFT计算表明,对于锗薄膜,558元环结构稳定,而对于硅薄膜,6元环结构更稳定。实验发现,通过改变制备条件,可以调整锗薄膜的有序度。作者进一步进行扫描隧道显微镜研究,对其图像进行分析得到了晶体、中间有序和纯非晶态薄膜结构。

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Adrian L. Lewandowski, MarkusHeyde,* et al. From Crystalline to Amorphous GermaniaBilayer Films at the Atomic Scale: Preparation and Characterization. Angewandte Chemie International Edition, 2019.

DOI: 10.1002/anie.201903922

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201903922

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