大家好，這里是納米人學術平臺下《光電器件與凝聚態物理》周刊第3期，歡迎大家持續關注，我們會不斷優化該欄目。在上一期中，我們重點關注了兩篇關于2D材料厚度調控的研究，一篇為限域法生長原子級厚度金屬（NatalieBriggs et al. Nature Materials, 2020），一篇為通過氧化/蝕刻方法實現2D材料厚度的單層精度調控（Jianbo Sun et al. ACS Nano, 2020）。
在本期中，編輯部一共收集了9篇文章。其中5篇文章涉及高質量二維材料的生長（磷烯、PdSe2、PtTe2各1篇研究論文，綜述2篇）：蘇州納米所張凱研究員及合作者引入緩沖層Au3SnP7作為成核點，誘導黑磷在基底上的成核和生長，制備了大面積、高結晶性黑磷薄膜；中國科學院大學Kai Xiao及合作者通過CVD方法制備了少層PdSe2；中科院物理所于國強及合作者制備了大面積半金屬型PtTe2薄膜；北京大學劉開輝團隊對大尺寸二維單晶的設計生長領域進行了總結；中南大學雷永鵬及合作者綜述了2DTMDs的表面和界面工程策略的最新進展。
此外，光電器件部分的4篇文章，分別涉及用于體內電生理學的增強型離子晶體管、LED熱光子冷卻、分子隧穿器件、MXene基存儲介質等研究領域。2篇凝聚態物理方面的文章則聚焦于莫爾超晶格——一個頻繁出現在Nature/Science期刊上的熱門領域。巧合的是，這兩篇文章的材料體系均為WSe2/WS2莫爾超晶格，其中一篇涉及對其光學觀測，另一篇則利用其作為物理仿真平臺。
以下內容為《光電器件與凝聚態物理》周刊第3期（2020：0315-0321），敬請指正。
本期目錄：
1. 光電子學材料制備及物性研究（5篇）
2. 光電子學器件（4篇）
3. 凝聚態物理前沿（2篇）
1. 光電子學材料制備及物性研究
Nat.Commun.：硅襯底上高結晶性黑磷薄膜的成核和生長
黑磷具有載流子遷移率高、厚度可調以及各向異性等優異性質，是一種非常具有應用前景的二維層狀半導體材料，在電子和光電子器件等領域具有巨大的應用潛力。然而，黑磷的發展仍受限于難以制備大面積、高質量的黑磷薄膜。黑磷傳統上通過高溫高壓、汞催化或從鉍溶液中重結晶等方法來制備。但是，這些方法一般僅可獲得黑磷晶體塊狀材料，難以直接在襯底上制備得到黑磷薄膜。如何在基底上實現高結晶性黑磷薄膜的可控生長依然是一項較大的挑戰。
有鑒于此，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所張凱研究員與湖南大學潘安練教授、深圳大學張晗教授等人合作，提出了一種引入緩沖層Au3SnP7作為成核點的新的生長策略，誘導黑磷在基底上的成核和生長。
本文要點：
1）Au3SnP7在黑磷生長過程中不僅可以穩定地存在，而且其（010）面的磷原子排布與黑磷的（100）面具有非常匹配的原子結構。因此通過在襯底上首先生成Au3SnP7來控制黑磷的成核和生長。在隨后的保溫過程中，P4相向黑磷相轉變并在Au3SnP7層上外延成核，隨后通過不斷的生長融合，直接獲得表面平整潔凈的黑磷薄膜。
2）所制備的黑磷薄膜具有良好的結晶性和優異的電學性質。而且，生長的黑磷薄膜表現出獨特的層狀微觀結構，使該黑磷薄膜相比于常規層間致密的黑磷薄膜還表現出獨特的光學性能。
總之，該工作提出了一種大面積、高結晶性黑磷薄膜的可控制備策略，有助于推動黑磷光電子器件開等領域的開發利用。
Xu, Y.,Shi, X., Zhang, Y. et al. Epitaxial nucleation and lateral growth ofhigh-crystalline black phosphorus films on silicon. Nat Commun 11, 1330 (2020).
DOI:10.1038/s41467-020-14902-z
https://doi.org/10.1038/s41467-020-14902-z
AM：CVD生長的具有強面內光學各向異性和高遷移率的二維PdSe2
二維（2D）二硒化鈀（PdSe2）具有很強的層間耦合和褶皺的五邊形結構，從而導致其具有非同尋常的層相關電子結構以及高度各向異性的面內光學和電子特性。但是，由于缺乏自下而上生長的高質量2D PdSe2晶體，因此對其奇特性能和實際應用的研究受到了限制。近日，中國科學院大學Kai Xiao等報道了利用化學氣相沉積法在不同基底上生長少層（≥2層）高結晶度的PdSe2晶體。
本文要點：
1）作者采用低頻拉曼光譜，掃描透射電子顯微鏡和電學表征證實了PdSe2晶體的高質量，并采用偏振極化拉曼光譜和PdSe2薄片的二次諧波生成圖證明了制備的PdSe2晶體具有強的面內光學各向異性。
2）作者建立了基于動力學Wulff構造理論和密度泛函理論計算的理論模型，描述了觀察到的“正方形”PdSe2晶體向菱形的演變，這是由于（1,1）和（1?-1）邊緣較高的成核勢壘，導致它們的生長速度變慢。
3）少層PdSe2場效應晶體管顯示出其可調諧的雙極性電荷載流子傳導，其電子遷移率高達≈294cm2 V-1 s-1，與剝離的PdSe2相當，表明這種各向異性的二維2D材料可用于電子產品。
Yiyi Gu,et al. Two‐Dimensional Palladium Diselenide withStrong In‐Plane Optical Anisotropy and High MobilityGrown by Chemical Vapor Deposition. Adv. Mater., 2020,
DOI: 10.1002/adma.201906238
https://doi.org/10.1002/adma.201906238
AM：大面積II型Dirac半金屬PtTe2中的高自旋霍爾電導率
通過電流感應的自旋軌道轉矩（SOT）操縱磁化對自旋電子學應用非常重要，因為它具有節能和高速運行的優點。SOT應用的理想材料應具有高電荷自旋轉換效率和高電導率。近來，過渡金屬硫屬化物（TMDs）因其在自旋-軌道耦合，電導率和能帶拓撲中的可控性而成為引起人們關注的SOT研究焦點。盡管TMDs在SOT應用中顯示出巨大的潛力，但研究僅限于尺寸小且電導率相對較低的機械剝離樣品。有鑒于此，中國科學院物理研究所于國強研究員開發了可以制造大面積PtTe2薄膜（一種II型狄拉克半金屬）的新方法，以研究其產生SOT的能力。
本文要點：
1）首先通過磁控濺射系統在Si / SiO2晶片上制備大面積厚度為0.5-4 nm的Pt薄膜。然后，通過在約460°C的碲蒸氣中退火將Pt薄膜轉變為均勻的PtTe2薄膜。
2）基于PtTe2的器件的SOT效率（對于5 nm厚的PtTe2層為0.09–0.15）比4 nm厚的Pt對比樣的SOT效率高1.5–2倍。在目前報道的所有TMD中，PtTe2的自旋霍爾電導率（0.2-2×105 ?/ 2e (Ωm)-1）為最大，與Pt和拓撲絕緣體的自旋霍爾電導率相當。利用PtTe2的高SOT，我們進一步實現了PtTe2 / Au / CoTb器件中垂直磁化的有效切換。
3）這項工作為在晶片級自旋電子器件應用中采用類似PtTe2的TMD鋪平了道路。
HongjunXu et al. High Spin Hall Conductivity in Large-Area Type-II Dirac
SemimetalPtTe2. Adv. Mater. 2020, 2000513.
DOI: 10.1002/adma.202000513
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202000513
AM：大尺寸二維單晶的設計生長
在后摩爾定律時代，人們期望新材料帶動電子和光電子學下一代革命性技術的發展，其中二維材料由于其具有原子級的厚度，優異的性能以及與傳統金屬氧化物半導體處理技術互補的兼容性，從而在邏輯，存儲，光電和光子2D器件的制造方面具有巨大的潛力，被認為是超越體相材料的非常有前途的候選材料。大尺寸的2D單晶是材料是高度集成的2D器件的大規模應用中的最終質量和性能高度一致的前提。但是目前將所有2D單晶生長到晶圓級仍然非常困難。因此，進一步建立對各種2D單晶的受控生長的系統理解至關重要。有鑒于此，北京大學劉開輝團隊對大尺寸二維單晶的設計生長領域進行了總結。
本文要點：
1）作者總結了生長晶體的四個關鍵部分，即成核控制，促進生長，表面工程和相控制，它們在生長期間的不同時期是可控的。
2）此外，作者還討論了2D單晶的設計生長和潛在應用，表明這些先進的2D單晶材料的光明前景。
Can Liu,et al. Designed Growth of Large‐Size 2D SingleCrystals. Adv. Mater., 2020,
DOI: 10.1002/adma.202000046
https://doi.org/10.1002/adma.202000046
EES綜述：CVD生長2D過渡金屬二硫化物用于高效電催化的原子尺度工程
化學氣相沉積（CVD）是一種合成原子薄的二維（2D）納米材料的有效方法，其合成的納米材料具有高質量，厚度均勻，效率高，可控制性和可擴展性的優點。得益于引人入勝的電子和化學特性，二維過渡金屬二硫化物（TMDs）在與能源有關的電催化應用中受到越來越多的關注，包括析氫，二氧化碳的還原，析氧和I3-的還原等。定制CVD生長的TMDs的表面和界面不僅對于改善電子結構和導電性，而且對了解活性位點的內在本質至關重要。因此，迫切需要對CVD生長的2D TMDs進行電催化的全面而深入的認識。
近日，中南大學雷永鵬教授，清華大學王定勝教授，湖南大學段曦東等人重點介紹了2D TMDs的表面和界面工程策略的最新進展，例如幾何尺寸控制，缺陷工程，摻雜改性，相變，應變調整和異質結構的構建。最后，還討論了當前的挑戰和前景。綜述旨在為能量電催化的2D TMD中的原子級活性位點提供深刻的理解和設計。
綜述要點：
1）通過CVD合成的2D MX2具有較高的晶體質量，晶體取向，較大的疇尺寸，厚度均勻性和連續性等特點，可以選擇性地進行工程設計使其用以能量電催化。研究人員已經成功地合成了各種2D TMDs納米片。
2）為了設計具有各種物理和化學性質（例如電導率，電子結構和催化性質）的2D TMDs，綜述討論了六種原子級工程策略包括：（1）幾何尺寸控制；（2）缺陷工程；（3）摻雜改性；（4）結構相變；（5）應變調整；（6）異質結構構造（橫向/垂直異質結構）。
3）總結了CVD合成2D TMDs面臨的一些挑戰及解決方案。
Wang,Qichen, et al, Atomic-scale engineering of chemical vapor deposition-grown 2Dtransition metal dichalcogenides for electrocatalysis, Energy Environ. Sci.,2020
DOI:10.1039/D0EE00450B
http://dx.doi.org/10.1039/D0EE00450B
2. 光電子學器件
NatureMater.：更快、更穩、更低耗的增強型離子晶體管用于體內電生理學
生物電子器件必須快速、靈敏，才能與神經組織產生的快速、低振幅信號相互作用。它們還應具有生物相容性和柔軟性，并應在生理環境中表現出長期穩定性。于此，哥倫比亞大學Dion Khodagholy和Jennifer N. Gelinas等人基于可逆氧化還原反應和導電聚合物通道內的水合離子庫，開發了一種增強模式的內部離子門控有機電化學晶體管（e-IGT），可實現長期穩定運行并縮短離子傳輸時間。
本文要點：
1）E-IGT瞬態響應依賴于空穴而非離子遷移率，并結合高跨導，產生比其他離子晶體管高幾個數量級的增益帶寬積。
2）研究人員使用這些晶體管來獲取廣泛的電生理信號，包括在體記錄神經動作電位，并創建軟的、生物相容的、長期植入的神經處理單元，用于實時檢測癲癇放電。E-IGTs為長期植入的生物電子提供了一個安全、可靠和高性能的構建塊，其時空分辨率達到了單個神經元的規模。
Cea, C., et al.Enhancement-mode ion-based transistor as a comprehensive interface andreal-time processing unit for in vivo electrophysiology. Nat. Mater. (2020).
https://doi.org/10.1038/s41563-020-0638-3
NaturePhoton.：發光二極管的熱光子冷卻
當前隨處可見的發光二極管（LED）徹底改變了照明行業。然而，與普遍的看法相反，LED不僅僅是簡單的電光轉換器。LED是固態熱力學機器，理論上能夠在電能，熱能和光能之間進行連續和幾乎可逆的能量轉換。50多年來，由于對材料質量的高要求以及對發光的商業關注，將LED用作高效的固態冷卻器的可能性一直遙不可及。然而，最近通過LED在電致發光冷卻方面的諸多進展表明，該領域的其余挑戰可能是可以克服的，并且實際的冷卻是可行的。
本文要點：
阿爾托大學ToufikSadi團隊簡要概述了在熱光子冷卻應用中使用電致發光冷卻（ELC）的歷史，基本原理和潛力，討論了電致發光冷卻的最新成就，概述了預期的前景，尚待解決的挑戰及其潛在解決方案。
Sadi, T.,Radevici, I. & Oksanen, J. Thermophotonic cooling with light-emittingdiodes. Nat. Photonics (2020).
DOI: 10.1038/s41566-020-0600-6.
https://doi.org/10.1038/s41566-020-0600-6
Chem：二茂鐵垂直分子隧道結電荷傳輸的氧化還原控制
分子隧穿器件是未來電子器件的重要研究方向，具有非常小的尺寸和可調的功能。通過分子隧道利用各種化學物理和化學機制來調節電荷傳輸的能力，是實現功能性系統的關鍵。近日，英國蘭開斯特大學Colin J. Lambert & 美國加州大學洛杉磯分校段鑲鋒等人，報道了一種新的氧化還原控制方法，用于控制垂直金/自組裝單層(SAM)/ 基于二茂鐵基SAM的單層石墨烯(SLG)的隧道結中的橫向電荷傳輸。
本文要點：
1）通過SLG上的化學/電化學氧化還原反應，隧道結可以在具有較大開/關電導比的中性和氧化態之間進行切換。
2）在石墨烯上實現化學/電化學氧化還原反應的空間分離；
3）自組裝單層膜中的可逆氧化還原反應會改變電導。
Jia et al.，Redox Control of Charge Transport in Vertical Ferrocene MolecularTunnel Junctions. Chem.
DOI: 10.1016/j.chempr.2020.02.018
https://doi.org/10.1016/j.chempr.2020.02.018
AM：二維(2D)MXene-TiO2核殼納米片作為數據存儲介質
MXenes是一類新興的2D過渡金屬碳化物和氮化物，其通用公式為Mn+1XnTx (n= 1-4)，由于它們具有二維結構的固有特性、高的態密度和高的功函數，有在內存設備中作為浮柵的應用潛力。近日，延世大學Jeong Ho Cho等人通過對MXene表面氧化的確定性控制，合成了一系列MXene-TiO2核殼納米片。
本文要點：
1）納米浮柵晶體管存儲器(NFGTM)中的浮柵(多層MXene)和隧穿層(TiO2)是通過一種簡便、低成本和水基工藝同時制備的。
2）通過調整在MXene表面形成氧化層的厚度，優化記憶性能。制備的MXene NFGTMs具有良好的非易失性內存特性，包括大內存窗口(>35.2 V)、高編程/擦除電流比(106)、低關斷電流(<1 pA)、長保持時間(>104 s)和持久循環性(300個周期)。
3）此外，利用MXene NFGTMs成功地模擬了突觸功能，包括興奮性突觸后電流/抑制性突觸后電流、配對脈沖促進和突觸可塑性(長期增強/抑制)。
4）MXene氧化的成功控制及其在NFGTMs中的應用，有望激發MXene作為數據存儲介質在未來存儲設備中的應用。
Lyu, B.,Choi, Y., Jing, H., Qian, C., Kang, H., Lee, S., Cho, J. H., 2D MXene–TiO2 Core–Shell Nanosheetsas a Data‐Storage Medium in Memory Devices. Adv. Mater.2020, 1907633.
DOI:10.1002/adma.201907633
https://doi.org/10.1002/adma.201907633
3. 凝聚態物理前沿
Nature：WSe2/WS2莫爾超晶格的光學觀測
過渡金屬二硫化物莫爾條紋異質結構具有相當強的光-物質相互作用，以及較大的自旋-軌道耦合，為研究相關的量子現象提供了一種全新的模型系統。問題在于，用傳統手段難以在實驗上直接觀測到該系統中相關絕緣狀態。
有鑒于此，加州大學伯克利分校王楓團隊報道了一種光學觀測二維范德華異質結WSe2/WS2莫爾超晶格的新策略。
本文要點：
1）使用一種超級靈敏的光學檢測技術，在每個超晶格位的一個孔處發現一個Mott絕緣態，甚至能在每個超晶格的1/3填充和2/3填充處發現絕緣相，研究人員將這歸因于下層晶格形成的廣義Wigner結晶。
2）在Mott絕緣態下觀測到微秒級超長自旋弛豫壽命，比電荷激發的壽命長幾個數量級。這項研究表明，除了石墨烯材料之外的莫爾超晶格，也可以非常有效地探索相關物理現象。
Emma C. Regan et al. Mottand generalizedWigner crystal states in WSe2/WS2 moirésuperlattices. Nature 2020, 579, 359–363.
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2092-4
Nature：二維WSe2/WS2莫爾超晶格的哈伯模型的物理仿真
20世紀60年代，物理學家John Hubbard提出一種簡單的理論模型。哈伯模型可以在二維或三維物理上充當量子模擬器，以解決一些至關重要的非線性問題，揭示具有強相互作用的量子粒子的物理原理。有鑒于此，康奈爾大學Kin Fai Mak和Jie Shan等人報道了基于二維WSe2/WS2莫爾超晶格對哈伯模型的物理仿真，建立了一個基于莫爾超晶格的新型研究平臺。
本文要點：
1）以雙層WSe2/WS2莫爾超晶格為研究對象，通過測量其光學響應對平面外磁場和門調諧載流子密度的依賴性，來探測系統的電荷和磁性。
2）在莫爾超晶格帶第一個孔的半填充處，觀察到具有反鐵磁Curie–Weiss現象的Mott絕緣狀態，與強相互作用狀態下的Hubbard模型相符合。
3）在半填充以上，填充系數接近0.6時，可能存在從反鐵磁狀態到弱鐵磁狀態的量子相變。
Yanhao Tang et al. Simulation of Hubbard modelphysics in WSe2/WS2 moiré superlattices. Nature 2002, 579, 53–358.
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2085-3
欄目簡介
《光電器件與凝聚態物理》周刊致力于對一周內（納米）材料的器件&物理方面的重要進展進行精煉總結，給廣大研究者提供第一時間的文獻簡報（以最少的時間跟蹤最前沿的研究動態）。目前的重點內容是電子器件、光電子器件與凝聚態物理前沿。歡迎大家持續關注！
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