Nature/Science盘点: 六月材料领域重大进展


1、Nature:石墨烯-氮化物微谐振器中的栅极可调谐频梳

加州大学洛杉矶分校的姚佰承、Shu-Wei HuangChee Wei Wong以及段镶锋(共同通讯作者)团队将栅极可调的光导与氮化硅光子微谐振器耦合,通过改变费米能级来调制其二阶和更高阶色散从而证明并实现了石墨烯基光学频率梳的门控腔内可调谐性。研究进一步证明了从周期性孤子晶体到具有缺陷的晶体的电压可调谐转换,这种结合了单原子层纳米科学和超快光电子的异质石墨烯微腔将有助于提高我们对动态频率梳和超快光学的理解。

文献链接:Gate-tunable frequency combs in graphene–nitride microresonators(Nature,2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0216-x)

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2Nature:铂表面一氧化碳氧化动力学

德国普朗克生物物理化学研究所的Theofanis N. Kitsopoulos(通讯作者)等人研究发现利用分子束可控引入试剂和离子成像可以绘制产物分子的速率矢量,从而反映出活性位点的对称性和取向,并最终实现了不同位点反应速率的同时观测。利用这一速率分辨的动力学方法,研究人员成功地绘制了一氧化碳在铂表面的氧化速率分布,并观测到不同温度对活性位点的影响。这一方法对加深异质反应的理解和先进催化剂的设计均有深远的意义。

文献链接:Velocity-resolved kinetics of site-specific carbon monoxide oxidation on platinum surfaces(Nature, 2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0188-x)

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3、Science:测量界面水的介电常数

英国曼彻斯特大学 A. K. GeimL. Fumagalli(共同通讯作者)等使用具有狭缝状通道的电容电路对内部水的面外介电常数进行测量确定。研究人员利用石墨和六方氮化硼晶体(hBN)的范德瓦尔斯组装来制造实验器件,这些器件通过图案化形成不同高度的狭缝状通道,用水填充这些通道后通过电学测量可以揭示具有极小极化的界面层的存在。一系列的实验结果为描述水介导的表面相互作用和界面水行为的理论提供了思路,并展示了一种方法来研究在极限条件下的其他流体和固体的介电性质。

文献链接:Anomalously low dielectric constant of confined water(Science, 2018, DOI:10.1126/science.aat4191)

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4、Science:范德华异质结构中的巨隧道磁电阻

在美国华盛顿大学Xiaodong Xu教授,香港大学姚望教授和美国卡耐基梅隆大学Di Xiao(共同通讯作者)等报告了基于范德华(vdW)异质结构的多自旋过滤器磁隧道结(sf-MTJs)的基本结构,其由两个原子级薄CrI3隧道势垒隔开的几层石墨烯接触组成。该团队展示了隧道磁阻随着CrI3层厚度的增加而急剧增加的现象,特别是在低温下使用四层sf-MTJs的磁性多层结构达到创纪录的19000%。使用磁性圆二色性测量发现将这些现象归因于原子级CrI3的本征逐层反铁磁有序性。该团队的工作揭示了将磁信息存储推向原子极限的可能性,并且突出显示了CrI3作为vdW异质结自旋电子器件的最高磁隧道势垒。

文献链接:Giant tunneling magnetoresistance in spin-filter van der Waals heterostructures(Science, 2018, DOI:10.1126/science.aar4851)

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5、Nature:具有程控铁磁畴的3D打印软材料

麻省理工学院赵选贺(通讯作者)等报道了软材料中程控铁磁畴的3D打印,通过磁驱动实现复杂3D形状之间的快速转换。研究方法是基于含有铁磁微粒的弹性体复合材料的直接墨水书写。通过在打印时向分配喷嘴施加磁场,研究人员沿着施加的场重新定向粒子以将打印的细丝赋予图案化的磁极性。这种方法能够在复杂的3D打印软材料中程控铁磁畴,从而实现一系列先前无法获得的转换模式。

文献链接:Printing ferromagnetic domains for untethered fast-transforming soft materials(Nature, 2018,  DOI: 10.1038/s41586-018-0185-0)

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6、Science:用于分子检测的超表面技术

瑞士洛桑联邦理工学院(EPFLHatice Altug教授(通讯作者)等报道了一种基于全介电高Q超表面元素的中红外纳米光电传感器。该团队设计的超表面中的高Q共振利用了Mie共振的集合行为,且高Q共振频谱无需额外的共振背景,因此允许高光谱选择性增强富含光谱的分子指纹信息。进一步来说,该团队实现了一个高Q值的二维阵列,其中各个元像素的共振位置在中红外指纹范围内线性变化。这种构造允许将每个共振位置分配给变换表面的特定像素,从而建立光谱和空间信息之间的一对一映射。通过比较涂覆目标分析物分子前后空间编码的振动信息,证明了化学特性的分子条形码适用于化学鉴定和成分分析。

文献链接:Metasurfaces for molecular detection(Science, 2018, DOI:10.1126/science.aas9768)

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7、Science:狄拉克源晶体管

北京大学的张志勇教授、彭练矛教授(通讯作者)课题组团队提出了一种可以替代MOS晶体管的新型超低功耗场效应管。这种场效应管采用具有特定掺杂的石墨烯作为一个“冷”电子源,用半导体碳纳米管作为有源沟道,并以高效的顶栅结构构建出狄拉克源场效应晶体管,最终在实验上实现了室温下40 mV/DEC左右的亚阈值摆幅。狄拉克源晶体管的发明在保持传统MOS晶体管的高性能的前提下突破了晶体管室温亚阈值摆幅的热发射理论极限,有望将集成电路的工作电压降低到0.5 V及以下,为未来的集成电路技术提供解决方案。

文献链接:Dirac-source field-effect transistors as energy-efficient, high-performance electronic switches(Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aap9195)

8、Nature:范德华异质结构中的异质界面效应

哈佛大学Philip Kim(通讯作者)团队研究使用透射电子显微镜、原位磁阻和光谱学技术,以及低温磁场量子振荡测量和从头计算法,解决了锂在不同范德华层的各个原子界面层面的电子插层问题。该研究构建了基于堆叠六方氮化硼、石墨烯和钼硫族化合物(MoX2; X = S,Se)层的范德华异质结构的电化学装置。这一装置中,石墨烯和MoX2之间形成的范德华异质界面,相比MoX2 / MoX2同质界面,MoX2中电荷的积累量增加了十倍以上,并且强化了至少0.5V的插层电势。该研究结合实验和计算方法操纵和表征分层系统电化学行为,开辟了控制二维电子和光电子器件中电荷密度的新途径。

文献链接:Heterointerface effects in the electrointercala