2dmaterials期刊

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硅-石墨烯器件：未来手机间通信有望变更快！

导读

背景

光子学（photonics）是研究作为信息和能量载体的光子的行为及其应用的学科。光子学及其发展的相关技术即光子技术，具有丰富的内涵和广阔的应用前景。如果你使用智能手机、笔记本电脑、平板电脑，那么就有望从光子学的研究中获益。

创新

近日，美国特拉华大学电气与计算机工程系助理教授 Tingyi Gu 领导的一支团队正在开发光子器件方面的前沿技术，该技术可以使得器件之间以及使用者之间的通信速度更快。

最近，该研究小组设计出一种“硅-石墨烯”器件，它能以亚太赫兹的带宽，在一皮秒之内发射无线电波。这样不仅可携带更多信息，而且速度也更快。他们的研究近期发表在《美国化学会应用电子材料（ACS Applied Electronic Materials）》期刊上。

论文第一作者、研究生 Dun Mao 表示：“在这项研究中，我们仔细研究了用于未来光电子应用的集成石墨烯的硅光子器件的带宽限制。”

技术

硅是大自然产生的一种非常富足的材料，通常作为电子器件中的半导体使用。然而，研究人员们已经耗尽了仅由硅制成的半导体器件的潜能。这些设备受制于硅的载流子迁移率（电荷通过材料的速度）以及间接带隙（限制了释放和吸收光线的能力）。

现在，Gu 的团队将硅与一种具有更多有益特性的材料（二维材料石墨烯）相结合。二维材料以只有一层原子而得名。与硅相比，石墨烯具有更好的载流子迁移率以及直接带隙，使得电子传输得更快，并且电气和光学特性更好。通过将硅与石墨烯相结合，科学家们将可以继续利用已经在硅器件中使用的技术，硅与石墨烯的结合使运行速度变得更快。博士生 Thomas Kananen 表示：“通过研究材料的特性，我们能否比现在做更多的事情？这就是我们想要搞清楚的。”

为了将硅与石墨烯相结合，团队采用了一种他们正在开发的方法。一篇发表在《npj 2D Materials and Application》期刊上的论文描述了这种方法。团队将石墨烯放置到一个特殊的地方，即所谓的“p-i-n结”。它是材料之间的一种接口。通过将石墨烯放置在“p-i-n 结”上，团队以一种可以提升响应率和器件速度的方法优化了这个结构。

这个方法很健壮，而且便于其他研究人员采用。这一工艺产生在12英寸的超薄材料晶圆上，并利用了小于一毫米的元件。某些元件是在商业制造厂生产。其他的工作在特拉华大学的纳米制造设施进行，材料科学与工程系副教授 Matt Doty 是该设施的主任。

Doty 表示：“特拉华大学纳米制造设施（UNDF）是一个员工支持的工厂，它使用户可在7纳米的长度级别制造设备，约为人类发丝直径的万分之一。UNDF成立于2016年，为从光电子学到生物医学再到植物科学的一系列领域带来了新的研究方向。”

价值

硅与石墨烯结合之后，可作为光电探测器使用，可以感知光线，并制造电流，并且比现有方案的带宽更大和响应时间更少。所有这些研究意味着未来将带来更便宜、更快速的无线设备。博士后研究员、发表在《npj 2D Materials and Application》期刊上的论文第一作者 Tiantian Li 表示：“它可以使得网络更强、更好、更便宜。这是光子学的关键点。”

现在，团队正在思考拓展这种材料的应用途径。Gu 表示：“我们正在寻找更多的基于类似结构的元件。”

关键字

参考资料

【1】

【2】Dun Mao, Thomas Kananen, Tiantian Li, Anishkumar Soman, Jeffrey Sinsky, Nicholas Petrone, James Hone, Po Dong, Tingyi Gu. Bandwidth Limitation of Directly Contacted Graphene–Silicon Optoelectronics. ACS Applied Electronic Materials, 2019; 1 (2): 172 DOI: 10.1021/acsaelm.8b00015

芬兰阿尔托大学研究扭转电子学取得重要进展

导读

背景

2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）用一种简单方法，从石墨薄片中剥离出了石墨烯。为此，他们二人荣获了2010年的诺贝尔物理学奖。

石墨烯，是由碳原子组成六角形呈蜂巢状结构的二维纳米材料。它凭借导电导热性好、机械强度高、超薄透明、柔性可弯曲等优势，一度被誉为“新材料之王”。石墨烯的发现，也激起了科学家们对二维材料的研究热情。

二维材料，是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度上自由运动的材料。除石墨烯外，二维材料还包括六方氮化硼、过渡族金属化合物（二硫化钼、二硫化钨、二硒化钨）、黑磷等。二维材料具有独特的电气、光学以及机械特性，例如良好的导电性、柔韧性以及强度，从而有望应用于激光器、光伏电池、传感器和医疗电子等领域。

当一片二维材料放在另一片二维材料上并稍作轻旋转时，扭转从根本上改变了双层材料的特性，并导致奇特的物理行为，例如高温超导性（用于电气工程）、非线性光学（用于激光和数据传输）、结构超润滑性（研究人员刚刚才开始了解的一种新发现的机械特性）。

例如，2018年美国麻省理工学院物理系副教授 Pablo Jarillo-Herrero 领导的团队在研究双层石墨烯时发现，如果将其中一层石墨烯相对于另一层旋转一个所谓的“魔力角（1.1°）”，就可以得到绝缘或者超导的状态。

对于这些特性的研究，催生了一个新的研究领域：扭转电子学（twistronics），这个词是由“扭转（twist）”和“电子学（electronics）”两个词组合而成。

创新

近日，芬兰阿尔托大学的研究人员与国际同事进行合作，首次开发出一种方法，在大到足够有用的尺寸上制造这些扭曲层。他们采用的转移二硫化钼（MoS2）单原子层的新方法，可精准控制层间扭转角，这些层的面积最大可达平方厘米，从而在尺寸方面打破了纪录。大面积地控制层间扭转角，对于扭转电子学的未来实际应用来说至关重要。研究成果发表在《自然通信（ Nature Communications）》期刊上。

技术

由于扭转电子学研究在2018年才被引入，科学家需要进行基础研究来更好地理解扭曲材料的特性，从而找到实际应用的方法。最负盛名的科学奖项之一“沃尔夫物理学奖”，今年授予了 Rafi Bistritzer 教授，Pablo Jarillo-Herrero 教授和 Allan H. MacDonald 教授，以表彰他们今年在扭转电子学方面开展的开创性工作，这些工作有望改变这个新兴领域的 游戏 规则。

先前的研究表明，通过转移方法或原子力显微镜尖端操作技术，可以小尺寸地制造所需的扭转角。样本尺寸通常约为十微米，小于一根人类头发的大小。此外，他们也制造了几层较大的薄膜，但是它们的层间扭转角是随机的。现在，研究人员可以使用外延生长法和水辅助转移法来生长大型薄膜。

价值

这项研究的领导作者之一、阿尔托大学的博士 Luojun Du 表示：“我们演示的扭转方法，使我们可以在比以往任何时候都更大的面积上，调整堆叠的多层 MoS2 结构的特性。这个转移方法也可以应用于其他二维分层材料。”

Du 表示：“由于在转移过程中不需要聚合物，因此我们样品的界面相对清洁。通过控制扭转角和超清洁的界面，我们能够调节物理性能，包括低频夹层模式、能带结构和光电性能。”

阿尔托大学教授 Zhipei Sun 表示：“的确，这项工作对于指导基于二维材料的旋扭电子学的未来应用来说具有重要意义。”

关键字

参考资料

【1】Mengzhou Liao, Zheng Wei, Luojun Du, Qinqin Wang, Jian Tang, Hua Yu, Fanfan Wu, Jiaojiao Zhao, Xiaozhi Xu, Bo Han, Kaihui Liu, Peng Gao, Tomas Polcar, Zhipei Sun, Dongxia Shi, Rong Yang, Guangyu Zhang. Precise control of the interlayer twist angle in large scale MoS2 homostructures . Nature Communications, 2020; 11 (1) DOI: 10.1038/s41467-020-16056-4

【2】

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