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  • 摘要:

    铁电性产生于晶体中电偶极子的自发有序性,在外加电场的作用下,电偶极子可以可逆地转向相反的方向。一种铁电氧化物,二氧化铪(HfO2)最近成为一种有趣的材料,因为它具有纳米厚度的强大电偶极子,并且能够直接集成到硅器件中。HfO2是一种萤石结构,其电偶极子的可切换性预计不同于ABO3钙钛矿结构的氧化物,这可以从其较大的强制场和较慢的区域传播中得到暗示。但是人们对HfO2在原子水平上具有稳定的铁电性和明显的可转换性的根本原因还知之甚少。HfO2的结构和铁电性质之间的关系对于它们在先进的纳米电子器件中的应用至关重要,例如非易失性存储器和低功耗逻辑。目前,业界拟将速度快、功耗低且非易失的铁电随机存取存储器(FeRAM)作为替代现有动态随机存取存储器或闪存的下一代存储半导体。但是,FeRAM的主要缺点之一是存储容量有限。为了增加其存储容量,有必要通过减小芯片尺寸来集成尽可能多的设备。物理尺寸的减小导致存储器极化现象的消失,使其丧失功能。

    在三星科学技术基金会资助下,蔚山国立科学技术学院(Ulsan National Institute of Science and Technology,UNIST)能源与化学工程教授李准熙及其团队发现了一种可以控制半导体材料中的单个原子,并进一步增加微芯片存储量以及突破芯片域尺寸极限的方法。

    研究人员通过将一滴电荷加到一种名为铁电氧化铪(ferroelectric hafnium oxide,或HfO2)的半导体材料中,就可以控制四个单独的原子来存储1位数据(1 bit of data)。这就意味着,如果合理,可以实现一个闪存模组中每平方厘米可以存储500 TB的数据量,是当前闪存芯片的1 000倍,同时提高了利用0.5纳米工艺技术的可能性,将有助于半导体设备尺寸进一步缩小。

    图1 与钛酸铅的扩散畴壁相反,HfO2有平坦带和零宽度畴壁

    该研究成果发表在《Science》, 2020,369 (6509):1343-1347,DOI: 10.1126/science.aba0067,题目:“Scale-free ferroelectricity induced by flat phonon bands in HfO2”。

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  • 摘要:

    利用复杂氧化物中的量子效应,如磁性、多铁性和超导性,需要对材料的结构和成分进行原子级控制。相比之下,基于氧化物异质结的人工光电神经突触和多构型元件的连续电导率变化,是由氧化还原反应和结构域的重新配置所驱动,基于长距离离子迁移和化学计量或结构的变化。

    现在已经建立了不同的机制,允许逐步和多个数量级地调节氧化物中的电导率。例如,通过电场改变了LaAlO3–SrTiO3异质结构和多铁性BiFeO3薄膜中的n型导电性,这归因为基于正电荷氧空位(positively charged oxygen vacancies)的产生和迁移。此外,还利用负电荷氧间隙(negatively charged oxygen interstitials)的迁移来控制六角Y0.67Lu0.33MnO3单晶的p型电导性。然而,正电荷氧空位和负电荷氧间隙的迁移是同一现象的相同方面,即过渡金属氧化物的电场驱动氧化还原反应。尽管这些氧化还原反应产生了所需的导电率变化,但正电荷氧空位或负电荷氧间隙的产生也必然会改变主体材料的整体化学计量,从而对材料的自旋、电荷和轨道自由度产生重大影响。后者反映在氧化物对化学计量变化的敏感性上,这种变化可以驱动金属态和绝缘态之间的系统,稳定超导电性或完全抑制磁电秩序。一般来说,与当前应用的氧化还原反应相关的离子的长程迁移、萃取和/或注入会导致净质量传输,从而产生化学、静电和应变相关梯度,这也就禁止了导电性以外的电子功能的同时使用。

    为了避免有害的副作用并最终利用氧化物材料中可用的全部功能特性,需要一种概念上不同的方法来控制导电性。特别有希望的是化学计量缺陷(stoichiometric defects)的经典报道,如离子萤石(ionic fluorites)。在这里,阴离子从晶格位置移动到间隙位置,形成熵稳定和电荷中性的间隙-空位对(反弗兰克尔缺陷,anti-Frenkel defects)。虽然在电陶瓷中,固有的反弗兰克尔缺陷在离子-电子传输中起着关键作用,但将它们用于控制相关氧化物中的导电性仍有待探索。氧化物电子学领域的研究大多集中在钙钛矿材料的大家族中,由于其致密的晶体结构,不太可能形成反弗兰克尔缺陷。因此,除了混合离子电子输运之外,诸如它们的产生、稳定性和对功能的影响等基本内容,在很大程度上都属于未知领域。

    挪威科技大学的研究团队通过使用导电原子力显微镜来产生电场诱导反弗兰克尔缺陷,即电荷中性间隙空位对,来控制功能氧化物h-Er(Mn,Ti)O3中的导电性。这些缺陷以纳米级的空间精度产生,在不干扰铁电序的情况下,局部地提高电子跳跃导电率一个数量级,使绝缘材料变得导电。通过这样的方式来控制反弗兰克尔缺陷,电导率的变化不会影响材料的实际结构或改变其其他特性,如磁性和铁电性。

    图1 h-Er(Mn,Ti)O3电导率的局部控制

    该新方法的另一个优点是,研究人员可以通过简单的热处理消除纳米级的组件,未来有望用于更改或升级材质中的组件。研究人员表示,也许我们可以通过升级而不是回收或扔掉,来实现更长时间、更环保地使用我们的电子产品。

    该研究项目由新加坡南洋理工大学管理,受益于关键设施如纳米实验室和透射电子显微镜双子座中心和跨学科研究团队。

    该研究成果发表在《Nature Materials》,Publication: August 17 2020,题目:“Conductivity control via minimally invasive anti-Frenkel defects in a functional oxide”。

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  • 摘要:

    开发基于芯片的量子计算机是一项广泛的努力,用于制造当今计算机芯片的成熟CMOS制造工艺可以大大降低大规模量子信息处理的成本。尽管研究人员已经证明了在硅芯片中制造量子计算机所需的许多组件,但由于对创造高质量光子的严格要求,片上单光子源已被证明具有挑战性。

    单光子源以单光子的形式发射光,是光学量子计算机的关键部件。光学量子计算机使用光子以量子比特的形式传输数据。量子位可以同时处于两种状态,并且相互干扰或相互关联,从而允许同时执行许多进程。

    用于量子计算的单光子源有着非常严格的要求。它们必须是高度不可区分的和纯粹的,无论是近乎确定性的还是高效的,并且适合大规模制造。为了满足这些要求,英国布里斯托尔大学的研究人员基于CMOS工艺,设计了一种基于多模硅波导中的模间自发四波混频的单光子源。

    片上光子源的模式间方法,即利用多个光泵场之间的相互作用来产生光子,使得控制光子发射的新自由度成为可能。通过调整低损耗多模波导的几何结构和抽运场之间的片上时间延迟,研究人员表明,自发光子发射的特性可以被设计成接近理想的光子。

    为了测试新的设计,研究人员在商业晶圆上使用CMOS兼容的光刻工艺在标准绝缘体硅上制造单光子器件。对这些器件的测试表明,多模波导显著降低了传输损耗,使光源的固有预示效率达到约90%。要扩大量子处理的规模,就必须有高的预示效率。

    研究人员还进行了片上光子干涉,这对量子计算至关重要。这些实验产生了96%的原始数据可见度,这是迄今为止在集成光子学领域报告的最高值。这一成果使光子间的片上量子操作达到了前所未有的精度,为在短期量子光子器件中扩大低噪声光子处理开辟了可能。

    研究人员表示,单光子源可以通过更好的泵浦激光和更均匀的制造工艺进一步改进。

    英国布里斯托尔大学的Stefano Paesani在9月14-17日举行的线上光学和激光科学APS/DLS会议(OSA Frontiers in Optics and Laser Science APS/DLS)上介绍这项新研究。

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  • 4   2020-10-05 准金属二维材料中的各向异性等离子体激元 (编译服务:后摩尔)     
    摘要:

    新加坡国立大学的物理学家已经在准金属相二维(2-D)过渡金属二卤化金属(TMD)中发现了新的中红外各向异性集体电荷激发。

    准金属2-D-TMD由一维锯齿形金属链组成,这些金属链周期性地沿单个轴堆叠,这种一维周期性结构产生了独特的各向异性材料特性,该特性极大地影响了2-D-TMD的电子特性。研究小组对中红外等离激元的发现潜在地开辟了在科学和工程应用中利用等离激元的新方法,因为典型金属中的等离激元通常仅在紫外线范围内发现。

    研究小组直接观察了准金属相单层二硒化钨(WSe2)和二硫化钼(MoS2)中的新型中红外等离子体。WSe2和MoS2具有两相,准金属相和半导体相。这种现象仅在准金属相中存在,而在半导体相中则不存在。使用第一原理的理论计算表明,这些等离子体激元本质上是各向异性的。这意味着,尽管它们以垂直于之字形过渡金属链的方向存在,但不会沿着之字形链传播。

    通过结合高分辨率光谱技术和详细的第一性原理分析,之字形链之间的长距离库仑相互作用已被确定为驱动此一维集体激发的关键机制。该研究小组还假设在准金属相2-D-TMDs中观察到的等离子体激元激发与非常规超导机制之间可能存在关系。

    研究2D链式系统中的电荷集体模式对于下一代应用的开发很重要。这些模式从场效应晶体管到光电探测器和其他光电器件。该小组计划进一步研究其他低维周期性结构中的这种新颖的集体激发,以期进一步了解非常规的超导性。

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  • 5   2020-10-05 白色石墨烯具有较高的缺陷耐受性和弹性 (编译服务:后摩尔)     
    摘要:

    在测试出单层石墨烯的拉伸强度以及弹性极限后,香港城市大学(CityU)的研究人员又揭示六方氮化硼(h-BN)的高缺陷耐受性和弹性,二维材料称为“白色石墨烯”。这项后续研究将促进应变工程、压电和柔性电子的发展和应用。

    被称为“白色石墨烯”的h-BN与石墨烯具有相似的结构。其机械性能和热稳定性的理论估计值也与石墨烯相当。由于其?6 eV的超宽带隙,h-BN可以在光电子学中用作石墨烯或其他基于2D材料的电子产品的介电基板。更重要的是,可以通过弹性应变工程(ESE)方法修改其带隙,在这种方法中,材料的能带结构可以通过晶格应变或畸变进行显著调整。

    值得一提的是,h-BN可以改善石墨烯器件的性能。单层h-BN具有小的晶格失配和超平整的表面,可以显着提高石墨烯的载流子密度。载流子密度表示参与导电的载流子数,这是影响电导率的关键因素之一。此外,超宽带隙使h-BN成为石墨烯和其他基于2D材料的电子产品的理想介电衬底。由于没有对称中心,单层h-BN预计会在机械应变下表现出感应的压电势。

    研究人员首次成功地对独立的单层h-BN进行了定量拉伸应变。实验表明,其完全可恢复的弹性高达6.2%,相应的2-D杨氏模量约为200 N / m。该研究的另一个重点是探索h-BN天然缺陷对结构完整性和机械强度的影响,发现含有约100 nm空隙的单层h-BN甚至可以拉伸至5.8%。

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  • 6   2020-10-05 用于碳基计算机的碳金属线完整工具箱 (编译服务:后摩尔)     
    摘要:

    加州大学伯克利分校的研究团队打造出了完全由碳制成的金属线,这是制造碳基电路工具箱中的最后一个工具,为进一步开展研究以建立碳基晶体管奠定了基础,加速了碳基计算机的实现。

    金属线可在设备之间传递电流,如用于连接计算机芯片中晶体管的金属通道,并使晶体管内的半导体元件相互连接。研究小组正在努力实现用石墨烯纳米带制造半导体和绝缘体,石墨烯纳米带是一维窄的一维原子厚的石墨烯带,这种结构完全由碳原子组成,排列成相互连接的六角形,类似于鸡肉线。金属石墨烯纳米带具有可与2D石墨烯本身的电导率相媲美的特性。

    新的碳基金属也是石墨烯纳米带,但设计时要注意全碳晶体管中半导体纳米带之间的导电电子。金属纳米带是通过将它们由较小的相同构造块组装而成的:采用自下而上的方法。每个结构单元均贡献一个电子,该电子可沿纳米带自由流动。

    在这项新工作中,研究者使用类似的技术将纳米带的短段缝合在一起,以创建一条数十纳米长,仅几纳米宽的导电金属线。

    纳米带是化学产生的,并使用扫描隧道显微镜在非常平坦的表面上成像。简单的加热就可以使分子发生化学反应,并以正确的方式结合在一起。组装完成后,新的纳米带的电子状态就是一种金属,如预测的那样,每个部分都贡献一个导电电子。

    使用化学产生了微小的变化,即每100个原子中只有一个化学键发生了变化,但是这将纳米带的金属性提高了20倍。

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  • 7   2020-10-05 梯形石墨烯用于超灵敏磁场传感器 (编译服务:后摩尔)     
    摘要:

    新加坡国立大学的物理学家开发了一种灵敏的二维(2-D)磁场传感器,可以潜在地改善对纳米级磁畴的检测,以用于数据存储应用。

    石墨烯是一种薄材料,具有高迁移率和高载流能力。由Ariando领导的研究团队在人工阶梯状衬底的顶部添加石墨烯层,从而开发出一种二维磁传感器,其电阻在室温下可增加50倍,这比先前在相同条件下单层石墨烯器件上的报道高出10倍。

    纳米级磁畴的检测是一项基本挑战,随着磁畴变小(纳米级),需要相应地减小传感器的尺寸,以保持高空间分辨率和信噪比。对于传统的基于3D材料的传感器,尺寸的减小将导致热磁噪声和自旋扭矩不稳定。该团队的最新发现为开发可在室温下运行以检测纳米级磁畴的二维磁场传感器铺平了道路。这可以提高扫描探针磁力测定法,生物传感和磁存储应用程序的性能。

    二维磁传感器的核心部分是通过将石墨烯堆叠在原子阶梯状衬底上而形成的阶梯状石墨烯。由于其灵活性,石墨烯还将复制阶梯形态。

    在此过程中,在梯形石墨烯中会引起地形起皱和电荷坑。在存在磁场的情况下,梯形石墨烯中的电流不会沿直线传播,而是会由于水坑边界处的不连续性而严重扭曲,从而导致其电阻发生显着变化。在进行了概念验证研究之后,研究人员计划进一步优化梯形几何形状,并使其适合大规模生产技术。

    来源机构: 物理信息 | 点击量:1990
  • 8   2020-09-23 研究人员利用激光合成人造固态晶体结构 (编译服务:后摩尔)     
    摘要:

    Researchers at the Hybrid Photonics Laboratories in Skoltech and Southampton (U.K.), in collaboration with Lancaster University (U.K.), have demonstrated a new optical method to synthesize artificial solid-state crystal structures for cavity polaritons using only laser light. The results could lead to the realization of field-programmable polariton circuitry and new strategies to create guided light and robust confinement of coherent light sources. The results were recently published in the journal Nature Communications.

    Creating artificial lattices for quantum particles permits researchers to explore physics in an environment that might not be conventionally found in nature. Artificial lattices are especially appealing since their symmetries often lead to exactly solvable models and a transparent understanding of their properties. Designing them, however, is a challenging task with limited flexibility. Materials need to be irreversibly engineered to get the job done, and even optical lattice techniques for cold atoms cannot produce arbitrary lattice shapes.

    The researchers, Dr. Lucy Pickup (Southampton), Dr. Helgi Sigurdsson (Southampton and Skoltech), Prof Janne Ruostekoski (Lancaster), and Prof Pavlos Lagoudakis (Skoltech and Southampton), overcame this challenge by developing a new method to create arbitrarily shaped and reprogrammable artificial lattices using only structured laser light. The reprogrammability meant that the cavity-polariton system could be changed from one lattice to another without the costly need to engineer a new system from scratch.

    When the laser light hits a semiconductor quantum well, it excites electrons and holes, as well as bound states of the two known as excitons. When the quantum well is placed between two mirrors, forming a trap (or a cavity) for the photons, some of the exciton particles become dressed in photons, forming exotic half-light, half-matter quasiparticles known as exciton-polaritons or cavity polaritons.

    Exciton-polaritons are interactive and bounce frequently off one another. However, they also bounce off normal electrons, holes and excitons in the background. The researchers showed that by applying laser light in a geometrically structured fashion, the exciton-polaritons started bouncing of the excited electrons, holes, and excitons following the shape of the laser. In other words, the exciton-polaritons started experiencing a synthetic potential landscape imprinted by the laser.

    The laser-generated potential landscapes are only felt by the exciton-polaritons and not the photons inside the cavity, distinguishing the system from photonic crystals. By creating a laser pattern with translational symmetry, the researchers produced the fundamental signature of solid-state systems, the formation of crystal energy bands for exciton-polaritons like those for electrons in solid-state materials.

    "The results open a path to study dissipative many-body quantum physics in a lattice environment with properties that cannot be reproduced in normal Hermitian quantum systems," Dr. Lucy Pickup, article co-author, says.

    Dr. Helgi Sigurdsson adds: "It is an exciting development for the relatively new field of non-Hermitian topological physics."

    The produced bands could be reconfigured by simply adjusting the laser pattern, permitting a non-invasive method to access quantum physics in artificial lattices. The results could be useful in a variety of applications, including optical-based communications, information processing, high sensitivity detectors for biomedical purposes and topologically protected lasing. The results also open a path to study fundamental many-body lattice physics in an open (non-Hermitian) quantum environment.

    论文下载链接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-18213-1

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  • 9   2020-09-14 用于超大规模场效应晶体管的二维材料 (编译服务:后摩尔)     
    摘要:

    随着电子元件的日益小型化,研究人员正与不良副作用作斗争:以硅等传统材料制成的纳米级晶体管为例,量子效应会削弱其功能。例如,其中一种量子效应是额外的漏电流,即电流“杂散”而不是通过源极和漏极触点之间的导体流动。因此,人们相信摩尔定律,即单位面积集成电路的数量每12-18个月翻一番,将在不久的将来达到极限,因为有源元件的小型化带来的挑战越来越大。这最终意味着,由于量子效应,目前制造的名为finfet并装备几乎每台超级计算机的硅基晶体管不能再被任意缩小。

    然而,苏黎世ETH和EPF洛桑研究人员的一项新研究表明,用新的二维(2-D)材料可以克服这个问题,或者至少他们在“Piz Daint”超级计算机上进行的模拟表明了这一点。

    由苏黎世ETH集成系统研究所(IIS)的Mathieu Luisier和来自EPF洛桑的Nicola Marzari领导的研究小组使用Marzari和他的团队已经取得的研究成果作为他们新模拟的基础:早在2018年,14年前,石墨烯的发现首次明确表明可以生产二维材料,他们在“Piz Daint”上使用复杂的模拟,筛选出10多万种材料;他们提取出1825种有希望的成分,从中可以获得二维材料层。

    研究人员从这1800多种材料中选出100种候选材料,每种材料都由一层原子组成,可能适合建造超尺度场效应晶体管(FET)。他们现在已经在“从头算”显微镜下研究了它们的性质。换句话说,他们使用CSCS超级计算机“Piz Daint”首先用密度泛函理论(DFT)确定了这些材料的原子结构。然后,他们将这些计算与所谓的量子传输求解器结合起来,模拟电子和空穴电流流过虚拟生成的晶体管。所使用的量子传输模拟器由Luisier与另一个ETH研究团队共同开发,其基础方法在2019年获得戈登·贝尔奖。

    论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c02983

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  • 摘要:

    原子薄金刚石,又称金刚石,是一种二维碳同素异形体,由于其潜在的物理性质而引起了广泛的科学兴趣。然而,先前的研究表明,原子薄膜是不可能在原始状态下实现的,因为金刚石具有三维晶体结构,并且由于悬空的sp3键而减薄到金刚石的晶胞厚度时,将缺乏化学稳定性。具有特定化学基团的表面碳的化学功能化被认为是稳定二维结构所必需的,例如表面氢化或氟化,并且在这些合成尝试中也使用了各种底物。但所有这些尝试都改变了金刚石薄膜的成分,也就是说,迄今为止还没有成功地合成出一种纯净的金刚石。

    调节碳材料在高压和高温下的相变过程一直是实现金刚石化的直接方法。在这里,由HPSTAR(高压科学和技术高级研究中心)的冯克博士和陈斌博士领导的一个科学家团队利用这种直接的方法,即通过压缩机械剥离的几层石墨烯的金刚石化,合成了人们长期追求的金刚石薄膜。这项研究发表在《纳米快报》上。

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