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  • 摘要:

    二维层状半导体材料具有几个原子层厚度,同时能够保持较高载流子迁移率,是抑制短沟道效应、进一步缩小晶体管尺寸的重要备选材料。然而,目前制备大面积二维半导体薄膜的方法大多采用不同成核点成核、晶畴生长拼接而成。这种方法会在晶畴之间形成晶界,而且不能保证半导体薄膜100%的覆盖率,从而限制了基于这类薄膜制备的器件的性能和均一性。基于大面积集成电路对于半导体器件性能以及均一性的要求,在器件基底上直接制备晶圆尺寸连续二维半导体单晶材料是产业界、科研界亟待解决的科学和技术问题。

    为此, 北京大学叶堉研究员课题组 提出了一种利用相变和重结晶过程制备晶圆尺寸单晶半导体相碲化钼(MoTe2 )薄膜的新方法。过渡金属硫属化合物是二维材料中非常重要的一类。MoTe2由于其金属相(1T&apos)与半导体相(2H)之间的自由能差异非常小,为在MoTe2中实现两个相之间的可控相变提供了基础。实验中,他们首先通过碲化磁控溅射钼膜的方法得到含有碲空位的晶圆尺寸多晶1T&apos相MoTe2薄膜。然后,通过定向转移技术将机械剥离的单晶MoTe2纳米片作为诱导相变的籽晶转移到1T&apos-MoTe2晶圆的正中央,通过原子层沉积的致密氧化铝薄膜隔绝1T&apos相MoTe2薄膜与环境中的Te原子接触抑制其他成核。之后在种子区域内打孔,使种子区域成为Te原子补给并维系1T&apos到2H相变的唯一通道,通过面内二维外延实现了单一成核相变生长的单晶薄膜(图1)。实验中发现,籽晶首先通过1T&apos/2H的垂直界面诱导了种子底部1T&apos相MoTe2的相变,进而形成了面内的1T&apos/2H的异质结继续诱导相变的发生。整个相变过程伴随着以异质界面处2H相MoTe2为模板的重结晶过程,使得相变后的整个薄膜的晶格结构和晶格取向与籽晶完全一致,最终得到晶圆尺寸的单晶MoTe2薄膜。该制备方法通过原子的扩散和重排过程实现,无需以衬底为模板,因此可以在非晶的SiO2衬底上进行,为后续的器件制备提供了基础。

    图1a 晶圆尺寸单晶MoTe2薄膜的制备过程示意图。 b 制备的MoTe2薄膜的光学照片。 c 种子区域的STEM表征。

    将得到的晶圆尺寸单晶MoTe2作为模板,通过再次蒸镀钼膜以及再次碲化的方法,可以在垂直方向上实现对该晶圆的快速外延,制备二维半导体的块材单晶晶圆。结合晶圆尺寸的二维层状材料的剥离转移技术,有望实现晶圆尺寸单晶单层MoTe2半导体的批量制备。

    以该薄膜为沟道材料,结合课题组之前发展的MoTe2相变工程方法制备的大面积1T&apos/2H/1T&apos相面内异质结场效应晶体管阵列,器件体现出100%的良率,并具有很好的电学性能,且其电学性能表现出很好的均一性。

    该工作以“Seeded 2D epitaxy of large-area single-crystal films of the van der Waals semiconductor 2H MoTe2”为题,于2021年4月9日在线发表于学术期刊《科学》(Science)上。

    论文原文链接:

    https://science.sciencemag.org/content/372/6538/195.full

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    未来可能会使用信息技术,利用电子自旋在量子计算机中存储、处理和传输信息。在室温下使用基于自旋的量子信息技术一直是科学家们的目标。来自瑞典、芬兰和日本的一组研究人员现在已经构建了一种半导体元件,在该元件中,信息可以在室温或室温以上的条件下有效地在电子自旋和光之间交换,此研究成果发表在《自然光子学》上。

    自旋电子学——未来信息技术的一个很有前途的候选者——利用电子的量子特性来存储、处理和传递信息,比传统电子产品更快的速度和更低的能耗。

      近几十年来,自旋电子学的发展是基于金属的使用,这对存储大量数据的可能性具有重要意义。基于半导体的自旋电子学的一个重要优势是可以将自旋状态表示的信息转换为光,反之亦然。这种技术被称为光自旋电子学。这将使基于自旋的信息处理和存储与通过光传输的信息融合成为可能。

      光自旋纳米结构中的量子点由砷化铟(InAs)制成。每个量子点的厚度大约是人类头发厚度的1万倍。

      由于现在使用的电子是在室温或更高的温度下工作的,自旋电子学发展中的一个严重问题是,当温度升高时,电子倾向于改变自旋方向并使其随机化。这意味着由电子自旋态编码的信息丢失或变得模糊。因此,在室温或更高的温度下,我们可以使所有电子基本处于相同的自旋状态并保持它,换句话说,它们是自旋极化的,这是发展半导体自旋电子学的必要条件。以往的研究在室温下获得了60%左右的最高电子自旋极化,无法实现大规模的实际应用。

      Linköping大学、坦佩雷大学和北海道大学的研究人员现在已经在室温下实现了超过90%的电子自旋极化。即使到了110°C,自旋极化仍然保持在很高的水平。这项技术进步,是基于研究人员从不同半导体材料层构建的光自旋电子纳米结构。它包含被称为量子点的纳米级区域。每个量子点的厚度大约是人类头发厚度的1万倍。当一个自旋极化的电子撞击一个量子点时,它会发出光——更精确地说,它会发出单个光子,其状态(角动量)由电子自旋决定。在自旋电子学、光子学和量子计算中,量子点作为电子自旋和光之间的信息传递界面具有巨大的潜力。该研究成果证明,在室温下,利用相邻的自旋过滤器远程控制量子点的电子自旋是可能的。

      这些量子点由砷化铟(InAs)和一层砷化镓氮(GaNAs)组成,起自旋过滤器的作用。在它们之间夹有一层砷化镓(GaAs)。类似的结构已经被用于基于砷化镓的光电技术中,研究人员相信这可以使自旋电子学与现有的电子和光子元件更容易集成。

    论文信息:"Room-temperature electron spin polarization exceeding 90% in an opto-spintronic semiconductor nanostructure via remote spin filtering", Yuqing Huang, Ville Polojärvi, Satoshi Hiura, Pontus Höjer, Arto Aho, Riku Isoaho, Teemu Hakkarainen, Mircea Guina, Shino Sato, Junichi Takayama, Akihiro Murayama, Irina A. Buyanova and Weimin M. Chen, (2021), Nature Photonics, published online on 8 April 2021, doi: 10.1038/s41566-021-00786-y

    来源机构: Eurekalert | 点击量:1086
  • 摘要:

    英国国家物理实验室(NPL)与国际合作伙伴合作制定了用于测量石墨烯结构性能的ISO/IEC标准ISO/TS 21356-1:2021,用于测量以粉末或液体分散体形式销售的石墨烯。基于曼彻斯特大学在国家物理实验室实践指南制定的方法,ISO/IEC标准需要供应链回答“我的材料是什么?”的问题。

    在过去的几年里,石墨烯已经从实验室转移到汽车和智能手机等现实产品中。然而,仍然有一个阻碍影响其商业化的速度,即了解材料的真实属性。石墨烯不仅仅是一种材料,而是许多种材料,每一种材料都有不同的性能,需要匹配到其不同的应用中。

    由于全球有数百家公司销售各种被贴上“石墨烯”标签的材料,并以不同的方式制造,想要通过加入几层石墨烯薄片来改进产品的用户无法进行比较并为其产品选择合适的材料。

    通过标准化的方法来实现对性能的可靠性和可重复性的测量,例如横向薄片尺寸、薄片厚度、无序程度和比表面积,工业界将能够进行比较并增强石墨烯供应链的信任。结合NPL领导制定的国际ISO/IEC标准ISO/TS 80004-13:2017,可以正确测量商用材料并将其标记为石墨烯、少层石墨烯或石墨。

    作为英国的国家计量研究机构,NPL一直在为石墨烯及相关2D材料的测量开发可靠的计量方法并进行标准化,以使工业能够使用这些材料,并在许多应用领域开发新颖和改进的产品。

    接下来,NPL将继续和ISO TC229(纳米技术)开展标准化工作,确定石墨烯相关2D材料的化学性质,以及不同形式的石墨烯材料(CVD生长的石墨烯)的结构性质。《自然评论物理学》(Nature Reviews Physics)对石墨烯测量框架标准化的国际化进行了更详细的描述,包括对新ISO石墨烯测量标准的进一步技术讨论。

    来源机构: 物理信息 | 点击量:157
  • 4   2021-04-07 中外科学家实现量子纠错“完美编码” (编译服务:后摩尔)     
    摘要:

    据科技日报报道,中国科学技术大学潘建伟、朱晓波、陈宇翱团队,清华大学马雄峰团队,以及牛津大学等机构的科学家们用超导量子比特,对五量子比特纠错码进行了实验探索,在超导量子系统上验证了用超导量子比特实现量子纠错码的可行性。研究成果日前发表于《国家科学评论》上。

      要实现通用容错的量子计算,关键在于量子纠错。量子纠错中,一个重要的里程碑是实现优于简单的物理量子比特的逻辑量子比特的纠错。在未来10年,实现通用量子纠错码仍然是最大的挑战和难题。

      研究人员首先对超导量子比特进行专门的实验优化,实现了100多个量子门。用于实现五量子比特纠错码的设备是一个12比特超导量子处理器。在这12个量子比特中,研究人员选择了5个相邻的量子比特来进行实验,这些量子比特是通过电容耦合到它们最近的比特的。经过仔细校正和对门参数的优化,实现单比特门的平均保真度为0.9993,两比特门的平均保真度为0.986。仅通过使用单量子比特旋转门和两量子比特受控相位门,研究人员实现了对逻辑态进行编码和解码。

      在此基础上,研究人员在理论上编译和优化了编码过程,使最邻近受控相位门的数量减少到8个,最终实现了功能齐全的五比特纠错码的基本组成部分,其中包括将通用逻辑量子比特编码为纠错码。随后,研究人员对纠错码的关键特征进行了验证,包括识别任意单比特错误、逻辑态的逻辑门操作等,从而实现所谓“完美编码”。

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  • 摘要:

    (高分子科学前沿报道)随着微处理器的小型化,为了避免集成电路内部的电子串扰,电荷积累或是信号延迟等一系列问题,亟须开发具有层间低介电常数的功能材料。然而,众所周知,现有已知的低介电常数电介质均具有低的导热性,这无疑会使高功率密度芯片中的散热问题变得更加复杂。二维拓扑结构的共价有机框架(COF)具有高度多孔的和周期性的分层结构,这些特征赋予了其低介电常数以及相对较高的热导率。然而,通过传统合成路线所制备的二维COF由于极易受到污染,不仅难以对其介电性能、导热性能进行评估,同时也不适合集成到设备中实现实际应用。

    鉴于此,美国西北大学(Northwestern University)William R. Dichtel教授等人报道了一种具有高质量二维COF薄膜 (COFs) 制备的新方法。该合成方法通过模板化胶体聚合法合成了由硼酸酯连接的晶圆级二维COFs薄膜(图1)。鉴于这一系列所合成的二维COF薄膜所展现的前所未有的高质量,使其能够准确的进行热反射、阻抗谱等相关参数的测量。测试结果表明,制备所得的COFs薄膜不仅具有高的导热率(1 W m-1 K-1),同时也拥有极低的介电常数(k=1.6)。研究结果表明,具有定向分层结构的二维聚合物有望作为下一代电介质层材料。

    图1. 硼酸酯接枝的COF薄膜的模板化胶体聚合法示意图 (a, b) 及其相关表征 (c-e)

    文章亮点:

      1. 针对采用传统COF合成工艺中极易受到污染,以致难以对其光、电、热等性能和实际应用能力进行准确评估的短板。研究人员通过一种独特的模板化胶体聚合新方法合成了一系列具有超高质量且无杂质污染的晶圆级二维COFs衍生材料,同时系统地表征了这些高质量二维COFs的热机械和光电性能 (图2-4)。

      2. 该工作通过对二维COFs衍生物的结构、热、以及电子特性的精准调控使得其有望用作低介电层。具体而言,研究人员发现具有低密度、低介电常数的COFs材料可展现出异常高的热导率,有望应用于下一代集成电路系统。因此,这项工作为电介质材料的发展提供了新的机遇。

      3. 进一步讲,研究结果也表明,通过合成化学的方法,设计具有高质量且结构精确可控的有机体,有望解锁更多的兼具多种优异性能于一体的新材料。

    此文发表在《Nature Materials》,论文链接:https://www.nature.com/articles/s41563-021-00934-3

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  • 摘要:

    据科技部报道,量子计算和保密通信都是基于单光子发射体,有关量子发射体的研究是量子技术至关重要的基石,将对通信技术产生革命性的影响。二维材料六边形氮化硼一直是最有吸引力的候选材料,但是科学界对六边形氮化硼中如何形成量子发射体的机理知之甚少。

      丹麦技术大学研究人员采用原子轰击与原子计算相结合的新方法,轰击二维材料六边形氮化硼中的单个氧原子,产生了量子发射体。在这一新的实验过程中,研究人员可以精确地调整击中目标的速度和氧原子数,并可以控制局部发光中心(localized luminescent centres) 的缺陷数量。此外,调节氧原子的速度和数量可以帮助了解这些发光中心的形成机理,并提供它们最可能的微观起源。这一理论和实验相结合的新方法,展示了量子发射体如何形成的机制,为深入认识量子发射体最可能的微观起源提供了极大的帮助。

      丹麦技术大学这一最新研究成果已经发表在科学进展杂志(Science Advances)上。下一步,研究人员将致力于在六边形氮化硼中定点生成量子发射体。实现了“位点选择(site-selectivity)”,就能够有效地将量子发射体集成到光学电路中(optical circuits)。

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  • 摘要:

    光-物质相互作用引起界面电荷和能量转移,这是光催化、能量收集和光电探测等技术的基础。与这些过程相关联的最常见机制之一依赖于载流子注入。然而,与这种热电子注入有关的能量传输的确切作用仍然不清楚。当使用中间绝缘层抑制电荷转移或使用非共振激发时,等离子体辅助光催化效率可以提高,这表明即使电荷转移被抑制,额外的能量传输和热效应也可以发挥明显的作用。这为界面处的催化和等离子体增强提供了一种额外的界面机制,该机制超越了传统假设的物理电荷注入

    弗吉尼亚大学工程学院的一项研究突破证明了一种控制温度并延长电子和光子设备(例如传感器,智能手机和晶体管)寿命的新机制。

    该发现来自弗吉尼亚大学在热工程研究小组的实验和模拟中,对有关半导体设计中传热的基本假设提出了挑战。在设备中,金属和半导体材料的连接处形成电接触。传统上,材料和设备工程师一直认为电子能量会通过称为电荷注入的过程跨过这个结。电荷注入假定,随着电荷的流动,电子会从金属物理跃迁到半导体中,并带走多余的热量。这改变了绝缘或半导电材料的电组成和性能。与电荷注入同时进行的冷却会大大降低器件的效率和性能。

    研究团队发现了一条新的传热路径,该路径具有与电荷注入相关的冷却优点,而没有电子物理地移动到半导体器件中的任何缺点。这种机制被称为为弹道热注射。半导体材料吸收大量热量,但电子数量保持恒定。通过保持恒定的电荷密度来冷却电触点的能力为电子冷却提供了新的方向,而又不影响器件的电和光学性能。能够独立优化材料和设备的光学,电和热行为,从而提高了设备性能和使用寿命。”

    研究人员在激光计量学方面的专长-测量纳米级的能量转移-揭示了弹道热注射技术作为设备自冷却的新途径。其中涉及的测量技术特别是光学激光光谱学,是一种测量跨金属-半导体界面传热的全新方法。

    该团队的发现也为红外传感技术提供了希望。同时表明,只要氧化镉保持高温,光学调谐就会持续。

    图1 界面能量传递的机理和实验原理

    该研究成果发表在《Nature Nanotechnology》, 2021, 16:47–51, 题目:“Long-lived modulation of plasmonic absorption by ballistic thermal injection”。

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  • 摘要:

    范德华异质结是当今半导体新材料中的翘楚。范德华异质结可以将具有不同化学组成,不同晶体结构甚至晶格取向完全不同的材料组装在一起,产生不同于现有材料体系的独特电子或光子特性,使功能器件具有前所未有的功能。

    迄今为止,大多数范德华异质结材料都是通过机械剥离或者人工堆叠方法实现。这些方法适用于基础研究过程中的概念验证,但并不适用于对于实际应用体系的发展。和所有纳米材料一样,要想全面探索范德华异质结的潜力,首先就必须实现范德华异质结的规模化精确控制合成,这是该领域长期以来面临的关键挑战之一。

    近期湖南大学段曦东教授和加州大学洛杉矶分校段镶锋教授等人合作解决了这一难题,实现了二维范德华异质结的普适性可控精确合成,并构建了高电流密度的晶体二极管,极大推动了范德华异质结材料在高性能电子器件领域的实用化进程,为实用化应用开辟道路。

    研究人员首先在单层或双层s-TMD(例如WSe2,WS2,MoS2)上进行图案化,制造出具有周期性阵列的成核位点。在该阵列上,m-TMD可以选择性成核并生长以形成周期性m-TMD / s-TMD范德华异质结。这种策略适用于各种不同材料,不限于特定化学组成或晶格结构。可用于处理s-TMD和m-TMD之间的二维vdWH阵列,不受晶格差异的影响。作为演示,研究人员利用原子精确的,接近理想的范德华界面制造出各种2D范德华异质结,包括VSe2/WSe2,NiTe2 / WSe2,CoTe2/ WSe2,NbTe2 / WSe2,VS2 / WSe2,VSe2/ MoS2和VSe2 / WS2。

    这些材料具有广泛可调的莫尔超晶格,为构建高性能电子设备提供了基础。在双层WSe2晶体管中,研究人员实现了高达900 μA μm-1的高导通电流密度。

    论文信息:General synthesis of two-dimensional van der Waals heterostructure arrays,Nature,579, 2020:368–374,https://www.nature.com/articles/s41586-020-2098-y

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  • 摘要:

    据新材料快讯2月24日消息,澳大利亚莫纳什大学研究人员使用定量偏振光学显微镜的数据集开发了一种机器学习算法,可在14分钟内无偏见地表征石墨烯的性质和质量。该方法能够分辨从亚纳米级到微米级的堆叠物,并测量剥离石墨烯/氧化石墨烯的的尺寸、厚度和浓度,这为开发能源和热先进产品开辟了道路。研究成果将对数十亿美元石墨烯产业产生重大影响,将帮助全球数百家石墨烯或氧化石墨烯制造商迅速提高石墨烯的质量和可靠性。

    论文信息:A High Throughput and Unbiased Machine Learning Approach for Classification of Graphene Dispersions, 2020年8月25日刊登于《advanced science》。

    论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202001600

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  • 摘要:

    导电和可拉伸电极,可以直接打印在可拉伸的基板上,已引起广泛的关注,可穿戴电子和电子皮肤。含有液态金属的可打印油墨是这些应用的有力候选品,但围绕液态金属颗粒形成的绝缘氧化物皮限制了其导电性。

    韩国浦项科技大学Unyong Jeong、延世大学Aloysius Soon等人的团队合作研究发现,在脂肪族 聚合物存在下,通过超声分解引入氢掺杂,能够使液态金属颗粒周围的氧化皮具有较高的导电性和可变形性。

    X射线光电子能谱和原子探针层析成像证实了氢的掺杂,并使用第一性原理计算对得到的电导率进行了合理化。

    据悉,在他们的实验中,印刷出的电路线导电性媲美金属(25000 S cm –1),在高达500%单轴拉伸状态下仍然具有出色的机电去耦性,耐刮擦性以及在大部分温度和湿度下的长期稳定性。

    另外,研究人员发现,打印线路的自钝化(self-passivation)可以直接打印三维电路线路和用作可拉伸感应应变传感器的双层平面线圈。结果显示打印出的邻近线路之间没有任何的电气串扰。且能够在100℃的高温以及40℃、90%的相对湿度下稳定运行分别超过80与30天,验证了自钝化作用对液态金属颗粒印刷电路稳定性的重大提升。

    相关研究成果发表于《自然 材料》期刊,论文题名:Hydrogen-doped viscoplastic liquid metal microparticles for stretchable printed metal lines。

    原文链接:https://www.nature.com/articles/s41563-020-00863-7

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