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一天狂發4篇Nature，這種半導體納米材料究竟有什么魔力？

小納米納米人 2020-03-06

二維材料，無疑是當今科研界的至寶。不只是石墨烯，其他各種非石墨烯二維材料也都已經在催化、光學、電子器件等領域發揮越來越大的作用。3月5日凌晨，Nature雜志當天連續發表4篇論文（3篇為研究論文，1篇為展望文章），報道了二維材料的系列突破，可謂風光無兩。

下面，我們對此做簡要介紹，希望對相關領域研究人員有所啟發。

1-2. Nature：二維材料讓超快速圖像識別傳感器成為可能！

無論是在自動駕駛，還是人臉識別等新興科技領域，超快速的視覺圖像傳感技術已經成為智能系統的關鍵組成部分。其問題在于，將光學圖像超快速轉換為電信號域仍然是本領域的瓶頸問題之一。通過模仿人眼結構的人工神經網絡技術，在增強圖像對比度，降噪或數據采集等方面具有巨大潛力，有望在該領域取得突破。

有鑒于此，奧地利維也納科技大學Lukas Mennel和Thomas Mueller等人報道了基于二維材料實現超快速圖像識別的最新成果。香港理工大學Yang Chai教授應邀在Nature發文對此作出點評，并進行了展望。

本文要點：

1）證明了圖像傳感器本身可以構成一個人工神經網絡，同時感測和處理光學圖像而不會產生延遲。

2）基于WSe₂二維半導體作為光敏材料，構建了一個可重構的光電二極管陣列，表現出強的光-物質相互作用和出色的光電特性。

3）實現了有監督的學習和無監督的學習，并訓練傳感器對以光學方式投射到芯片上的圖像進行分類和編碼，處理能力為每秒2000萬個bin。

參考文獻：

1.Lukas Mennel et al. Ultrafast machine vision with 2D material neural networkimage sensors. Nature 2002.

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2038-x

2.Yang Chai et al. In-sensor computing for machine vision. Nature 2002.

https://www.nature.com/articles/d41586-020-00592-6

3. Nature：生長晶圓級單層六方氮化硼單晶新策略

在集成電路中，超薄二維半導體材料為擴展摩爾定律提供了巨大的潛力。其中一個關鍵問題在于，如何避免相鄰的電介質之間形成電荷散射和陷阱位點。六方氮化硼（hBN）的絕緣范德華層，則提供了出色的界面電介質，有效地減少了電荷的散射。單晶六方氮化硼一般通過在熔融金表面或塊狀銅箔上生長。然而，熔融金的高成本，交叉污染以及過程控制和可擴展性的潛在問題，不受企業歡迎。銅箔可能適用于卷對卷工藝，但不太可能與晶圓上的先進微電子制造兼容。因此，如何可靠的在晶圓上直接生長單晶hBN，是半導體領域的關鍵技術之一。

同樣是在2020年3月4日，中國臺灣科學家Lain-Jong Li、Wen-Hao Chang以及美國科學家Boris I. Yakobson等人報道了一種在Cu（111）單晶表面生長晶圓級單層六方氮化硼單晶的新策略，為二維材料在電子器件領域的應用奠定了基礎。

本文要點：

1）以兩英寸c面藍寶石晶片為襯底，在Cu（111）單晶薄膜通過外延生長，成功制備出單晶hBN單層。

2）第一性原理計算表明，通過hBN側向對接Cu（111）步驟可增強外延生長，從而確保hBN單層的單向性。

3）將單晶hBN作為MoS₂和HfO₂之間的界面層，有效提高了晶體管的電學性能。

參考文獻：

Tse-AnChen et al. Wafer-scale single-crystal hexagonal boron nitride monolayers on Cu(111). Nature 2020.

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2009-2

4. Nature：莫爾超晶格中可調諧的關聯陳絕緣體和鐵磁性

強磁場中的二維電子系統可實現量子霍爾效應——物質的一類拓撲態，該拓撲態具有有限陳數C（Chern number）和手性邊緣態。Haldane隨后推論，具有整數量子霍爾效應的陳絕緣體可能會出現在具有復雜跳躍參數的晶格模型中，即使是在零磁場的情況下。ABC-三層石墨烯/六方氮化硼（ABC-TLG/hBN）莫爾超晶格是探索陳絕緣體的理想平臺，因為其具有近乎平坦的莫爾微帶，且相應的陳數隨能谷變化、可電調諧。

有鑒于此，勞倫斯伯克利國家實驗室/加州大學伯克利分校王楓團隊、復旦大學張遠波團隊、SLAC國家加速器實驗室David Goldhaber-Gordon團隊聯合報道了ABC-TLG/hBN莫爾超晶格中關聯陳絕緣體的實驗觀測。

本文要點：

1）磁輸運測試發現，改變外加垂直電場的方向能使ABC-TLG/hBN的莫爾微帶在零和非零有限陳數之間切換。

2）對于調諧為具有有限陳數的拓撲空穴微帶，作者著重研究了其四分之一填充，即每個莫爾晶胞中一個空穴的情況。

3）磁場大于0.4T時，霍爾電阻具有h/2e²的量子化間隔，表明C=2。

4）關聯拓撲絕緣體具有鐵磁性，在零磁場下表現出極大的磁滯和反常霍爾信號。

總之，零磁場下C=2陳絕緣體的發現為探索新的關聯拓撲態提供了機會。