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《自然》《科学》一周(2.19-2.25)材料科学前沿要闻 发布时间:2018-02-27   浏览量:1939次

1. 源自多晶单层二硫化钼的多端子型晶体管

(Multi-terminal memtransistors from polycrystalline monolayer molybdenum disulfide)

材料名称:多晶单层二硫化钼

研究团队:美国西北大学Hersam研究组


忆阻器是开发出来用于非易失性电阻式随机存取存储器的双端无源电路元件,并且也可用于神经形态计算。忆阻器比闪存具有更高的耐用性和更快的读写速度,并且可以提供多位数据存储。然而,尽管已经证明了双端忆阻器具有用作基础神经功能的能力,但人脑中的突触超过了神经元的千倍以上,这意味着需要多端忆阻器来执行复杂功能,例如异质突触可塑性。先前的试图超越双端忆阻器(例如三端子 Widrow-Hoff 忆阻器和具有纳米离子门或浮栅的场效应晶体管)在晶体管中没有实现忆阻切换。Sangwan 等人报导了通过在可扩展制造工艺中使用多晶单层二硫化钼(MoS2),实验实现了多端混合忆阻器和晶体管(即,记忆晶体管)。二维 MoS2 晶体管在单个电阻状态下的栅极可调性提高了四个数量级,并且开关比大,循环耐久性高,且可以长期保持状态。除了长期加强/抑制的常规神经学习行为之外,六端 MoS2 记忆晶体管具有可调节栅极功能的异质突触功能,这是使用两端忆阻器无法实现的。例如,通过将电压脉冲施加到调制终端,一对浮动电极(前突触和后突触神经元)之间的电导变化可以达到约 10 倍。原位扫描探针显微镜、低温电荷传输测量和器件模拟表明,偏置引起的 MoS2 缺陷的变化通过动态改变 Schottky 势垒高度驱动了电阻切换。总体而言,将忆阻器和晶体管无缝集成到一个多端子器件中可以实现复杂的神经形态学习以及二维材料中缺陷动力学物理的研究。(Nature  DOI: 10.1038/nature25747) 


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2. 利用微谐振器孤子频率梳实现的超快光学测距

(Ultrafast optical ranging using microresonator soliton frequency combs)

材料名称:氮化硅微谐振器

研究团队:德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)Koos和瑞士洛桑联邦理工学院Kippenberg联合研究组


光检测和测距被广泛使用在科学和工业中。在过去的十年中,光梳被证明具有光学测距的优势,使得能够实现高精度的快速距离采集。在工业传感、无人机导航或自动驾驶等新兴大量应用的推动下,现在对紧凑型测距系统的需求日益增长。Trocha 等人展示了在集成氮化硅微谐振器中生成孤子 Kerr 梳,这为高性能芯片尺寸测距系统提供了一条途径。Trocha 等人演示了艾伦方差低至 12 纳米的双梳距离测量,即平均时间 13 微秒采集速率 100 兆赫下的超快测距,这使得能够对以 150 米每秒移动的飞行中的枪射弹进行采样。将集成的孤子梳测距系统与芯片级纳米光子相控阵列相结合,可以为新兴的大规模应用实现紧凑型超快测距系统。(Science  DOI: 10.1126/science.aao3924)


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3.基于纳米结构范德华材料的红外双曲超表面

(Infrared hyperbolic metasurface based on nanostructured van der Waals materials)

材料名称:纳米结构范德华材料,如:六方氮化硼

研究团队:西班牙Hillenbrand研究组


具有强各向异性光学性质的超表面可以支持深度亚波长尺度的受限电磁波(极化波),这为光子和光电子应用中的光控制提供了机会。Li 等人通过纳米结构化六面体氮化硼的薄层开发出中红外双曲超表面,该薄层支持深度亚波长尺度的声子极化激元,其与面内双曲色散一起传播。通过应用红外纳米成像技术,可以看到发散极化声子束的凹(不规则)波前,这正代表了双曲极化声子的标志性特征。这些结果阐明了近场显微镜如何应用于揭示各向异性材料中极化声子的外来波前,并证明纳米结构的范德华材料可以为双曲红外超表面器件和电路形成高度可变和紧凑的平台。(Science DOI: 10.1126/science.aaq1704)


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4. 在硼上进行的固氮和还原

(Nitrogen fixation and reduction at boron)

材料名称:二配位亚硼基非金属

研究团队:德国Braunschweig研究组


目前,已知的在非基质条件下支持二氮(N2)的固定和官能化的唯一化合物是基于金属的。Légaré 等人介绍了通过一种非金属(二配位亚硼基)实现的 N2 的结合和还原的观察。在钾石墨作为还原剂的反应条件下,N2 与两个亚硼基单元的结合导致产生中性(B2N2)或双阴离子([B2N2]2-)产物,其可通过进一步分别暴露于还原剂或空气实现相互变换。通过 15N 标记的二氮制备的中性和双阴离子分子 15N 同位素体,可以允许通过 15N 核磁共振光谱观察氮核。用蒸馏水进行质子化的双阴离子化合物提供了具有中心肼基 B2N2H2 单元的双自由基产物。所有三种产品都通过光谱学和晶体学进行了表征。(Science  DOI: 10.1126/science.aaq1684)


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5. 通过独立同轴硅纳米线对神经元活动进行光电化学调制

(Photoelectrochemical modulation of neuronal activity with free-standing coaxial silicon nanowires)

材料名称:同轴硅纳米线

研究团队:美国芝加哥大学Bezanilla和Tian联合研究组


调节细胞行为的光学方法对于基础和临床应用都是很有前景的。然而,大多数可用的方法或者是机械侵入性的、或是需要靶细胞的遗传操作或是不能提供亚细胞特异性。Parameswaran 等人展示了利用独立同轴 p 型/本征/n 型硅纳米线进行光学神经调节从而解决所有这些问题。Parameswaran 等人揭示了纳米线表面是存在原子金的,可能是源于材料生长期间的黄金扩散。为了评估表面金如何影响单个纳米线的光电化学特性,使用了膜片钳中的改性石英移液管,并记录了单纳米线的持续阴极光电流。最终表明,这些电流可以通过主要是由原子金增强的光电化学过程,引起原代大鼠背根神经节神经元的动作电位。(Nature Nanotechnology  DOI: 10.1038/s41565-017-0041-7)  


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6. 范德华基底上单层 VSe2 中的强室温铁磁性

(Strong room-temperature ferromagnetism in VSe2 monolayers on van der Waals substrates)

材料名称:单层 VSe2

研究团队:美国南佛罗里达大学Batzill研究组


与体材料相比,单层范德华材料中降低了的维数和层间耦合产生了从根本上不同的电子、光学和多体量子性质。这种层相关性使得能够在单层的方案中发现新的材料性质。二维材料中的铁磁有序是人们所渴望的性质,它将使得能够对低维自旋行为进行基础研究,并促成新的自旋电子学应用。最近的研究表明,对于大块铁磁层状材料 CrI3 和 Cr2Ge2Te6 ,铁磁有序在低温下保持在超薄的限制下。与这些观测相反,Bonilla 等人报导了单层 VSe2 的强铁磁有序的出现,VSe2 是一种在体材料情况下呈顺磁性的材料。重要的是,具有大磁矩的铁磁有序一直持续到室温以上,使得 VSe2 成为范德华自旋电子学应用方面十分有吸引力的材料。(Nature Nanotechnology  DOI: 10.1038/s41565-018-0063-9)


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7. 对天然 Ia 型钻石中片晶的原子结构和局部化学的成像

(Imaging the atomic structure and local chemistry of platelets in natural type Ia diamond)

材料名称:天然 Ia 型钻石

研究团队:南非纳尔逊·曼德拉大学Olivier研究组


在过去的几十年中,有许多致力于表征 Ia 型钻石中 {001} 片晶缺陷的努力。已知 N集中在缺陷的核心。但是对缺陷的原子结构和 N 在其中所起的作用仍没有准确的描述。Olivier 等人通过使用球差校正透射电子显微镜和电子能量损失能谱,确定了天然 Ia 型金刚石中片晶缺陷内的原子排列,并将其与普遍的理论模型进行了匹配。这种片晶具有各向异性的原子结构,沿着缺陷线缺陷对呈现锯齿形排列。从片晶核心获得的碳 K-边缘和氮 K-边缘的电子能量损失近边缘精细结构与间隙位点处的三角形结合排列一致。实验观测支持了天然钻石中片晶缺陷的填隙原子聚集形成模式。(Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0024-6)  


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8. 欧姆空穴注入到高电离能有机半导体的通用策略

(Universal strategy for Ohmic hole injection into organic semiconductors with high ionization energies)

材料名称:有机光电子器件

研究团队:德国马普所Wetzelaer研究组


无障碍(欧姆)触点是高效有机光电子器件(如有机发光二极管,太阳能电池和场效应晶体管)的关键需求。Kotadiya 等人提出一种在高电离能(IE)有机半导体上形成欧姆空穴接触的简单且稳健的方法。通过使用比有机半导体具有更高 IE 的中间层,使得来自高功函数金属氧化物电极的注入空穴电流提高了超过一个数量级。中间层的插入导致电极与半导体的静电解耦以及费米能级与有机半导体 IE 的重排。构造欧姆接触能够用于多种材料组合,并解决高达 6 eV 的高 IE 有机半导体的空穴注入问题。(Nature Materials  DOI: 10.1038/s41563-018-0022-8) 


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9. 胶体卤化铅钙钛矿纳米晶体的形成、挑战和机遇

(Genesis, challenges and opportunities for colloidal lead halide perovskite nanocrystals)

材料名称:卤化铅钙钛矿

研究团队:意大利理工学院Liberato Manna研究组


纳米尺寸胶体晶体或纳米晶体(NC)形式的铅卤化物钙钛矿(LHP),由于具有独特的光学多功能性、高光致发光量子产率且容易合成,从而引起了各种材料科学家的关注。LHP NC 具有“软”的主要离子晶格,并且它们的光学和电子性质高度耐受结构缺陷和表面态。因此,利用与传统半导体 NC 相同的实验思维和理论框架是无法实现它们的。Akkerman 等人讨论了 LHP NC 的历史、当前的研究活动、实际应用面临的挑战以及对相关的现在和未来解决策略的探索。(Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0018-4)


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