研究人员展示了"挤压"红外光的新方法

研究人员展示了"挤压"红外光的新方法 研究人员已经证明，一种特定类型的氧化物膜可以比块体晶体更有效地限制红外光，这对下一代红外成像技术具有重要意义。这些薄膜膜在压缩波长的同时保持所需的红外频率，从而实现更高的图像分辨率。研究人员利用过渡金属钙钛矿材料和先进的同步加速器近场光谱，表明这些膜中的声子极化子可以将红外光限制在其波长的 10% 以内。这一突破可能带来光子学、传感器和热管理领域的新应用，并可能轻松集成到各种设备中。图片来源：北卡罗来纳州立大学 Yin Liu“薄膜膜保持了所需的红外频率，但压缩了波长，使成像设备能够以更高的分辨率捕捉图像，”该论文的共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学材料科学与工程助理教授 Yin Liu 说道。“我们已经证明，我们可以将红外光限制在其波长的 10% 以内，同时保持其频率 - 这意味着波长循环所需的时间相同，但波峰之间的距离要近得多。块状晶体技术将红外光限制在其波长的 97% 左右。”“这种行为以前只是理论上的，但我们能够通过我们制备薄膜膜的方式和我们对同步加速器近场光谱的新用途首次在实验中证明它，”该论文的共同主要作者、北卡罗来纳州立大学材料科学与工程助理教授 Ruijuan Xu 说道。为了这项工作，研究人员使用了过渡金属钙钛矿材料。具体来说，研究人员使用脉冲激光沉积在真空室中生长出 100 纳米厚的钛酸锶 (SrTiO3) 晶体膜。这种薄膜的晶体结构质量很高，这意味着它几乎没有缺陷。然后将这些薄膜从生长它们的基底上取下，并放置在硅基底的氧化硅表面上。研究人员随后利用劳伦斯伯克利国家实验室先进光源的技术，在钛酸锶薄膜暴露于红外光时对其进行同步近场光谱分析。这使研究人员能够在纳米级捕捉到材料与红外光的相互作用。要了解研究人员学到了什么，我们需要讨论声子、光子和极化子。声子和光子都是能量在材料之间传播的方式。声子本质上是由原子振动引起的能量波。光子本质上是电磁能的波。可以把声子看作是声能的单位，而光子是光能的单位。声子极化子是准粒子，当红外光子与“光学”声子（即可以发射或吸收光的声子）耦合时就会产生。“理论论文提出了这样一种观点，即过渡金属钙钛矿氧化物膜将允许声子极化子限制红外光，”刘说。“而我们的工作现在表明，声子极化子确实限制了光子，并且还阻止光子超出材料表面。这项工作建立了一类用于控制红外波长光的新型光学材料，在光子学、传感器和热管理方面具有潜在的应用，想象一下，能够设计出使用这些材料通过将热量转化为红外光来散热的计算机芯片。”“这项工作也令人兴奋，因为我们展示的制造这些材料的技术意味着薄膜可以很容易地与各种各样的基底集成，”徐说。“这应该可以轻松地将这些材料整合到许多不同类型的设备中。”编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

香港城大研究人员找到开发性能卓越的多功能电子器件的新方法

香港城大研究人员找到开发性能卓越的多功能电子器件的新方法 电子元件（包括晶体管）的微型化已经达到了一个瓶颈，给半导体的生产带来了障碍。然而，由香港城市大学（城大）材料科学专家领导的一组研究人员推出了一种新方法，利用由混合维纳米线和纳米薄片制成的晶体管，制造出多功能、高性能的电子元件。这一突破有助于简化芯片电路设计，并促进未来灵活而节能的电子设备的发展。近几十年来，随着晶体管和集成电路的不断扩展，已经开始达到物理和经济上的极限，以可控和具有成本效益的方式制造半导体器件已成为一项挑战。晶体管尺寸的进一步扩大增加了漏电流，从而增加了功率耗散。复杂的布线网络也会对功耗产生不利影响。多值逻辑（MVL）已成为克服日益增长的功耗的一项前景广阔的技术。它超越了传统二进制逻辑系统的限制，大大减少了晶体管元件及其互连的数量，从而实现了更高的信息密度和更低的功耗。人们一直致力于构建各种多值逻辑器件，包括反双极晶体管（AAT）。反双极晶体管的突破性进展反双极器件是一类正（空穴）负（电子）电荷载流子都能在半导通道内同时传输的晶体管。然而，现有的反双极型器件主要使用二维或有机材料，这些材料对于大规模半导体器件集成来说并不稳定。此外，它们的频率特性和能效也很少被探索。针对这些限制，香港城市大学协理副校长（企业）兼材料科学与工程学系副系主任何颂贤教授领导的研究团队着手研究开发信息密度更高、互连更少的反双极器件电路，并探索其频率特性。基于 GaAsSb/MoS2 异质结的三元逆变器示意图研究小组采用先进的化学气相沉积技术制造出了一种新型的混合维异质晶体管，它结合了高质量砷化镓锑纳米线和MoS2纳米片的独特性能。革命性的混维晶体管新型反双极性晶体管性能卓越。由于混维GaAsSb/MoS2结具有很强的界面耦合和带状结构排列特性，这种异质晶体管具有突出的反双极传输特性，并能实现跨导翻转。与 CMOS 技术中的传统频率倍增器相比，转导的翻转使频率响应输入的模拟电路信号加倍，从而大大减少了所需器件的数量。何教授说："我们的混维反双极晶体管可以同时实现多值逻辑电路和频率乘法器，这在反双极晶体管应用领域尚属首次。"香港城市大学教授何颂贤多值逻辑特性简化了复杂的布线网络，降低了芯片功耗。器件尺寸的缩小以及结区的缩小使器件既快速又节能，从而实现了高性能的数字和模拟电路。"何教授说："我们的研究结果表明，混合维反双极器件能够实现具有高信息存储密度和信息处理能力的芯片电路设计。迄今为止，半导体行业的大多数研究人员都专注于器件的微型化，以保持摩尔定律的发展。但是，反双极型器件的出现显示了现有基于二进制逻辑的技术的相对优越性。这项研究开发的技术代表着向下一代多功能集成电路和电信技术迈进了一大步。"这项研究还为进一步简化复杂的集成电路设计以提高性能提供了可能。这种混维反双极性器件的跨导翻转功能显示了在数字和模拟信号处理中的广泛应用，包括三元逻辑反相器、先进光电子学和倍频电路。何教授补充说："新的器件结构预示着未来多功能电子技术革命的潜力。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

新研发的CSRD材料局部无序技术有望缩短电池充电时间 增加能量储存能力

新研发的CSRD材料局部无序技术有望缩短电池充电时间 增加能量储存能力 不稳定的电极充电电池是能源转型的关键要素，尤其是在可再生能源越来越多的今天。在多种可充电电池中，锂离子电池是功能最强大、应用最广泛的电池之一。为了使其电气连接，通常使用层状氧化物作为电极。然而，当电池充电时，它们的原子结构会变得不稳定。这最终会影响电池的循环寿命。局部失调为了解决这个问题，代尔夫特理工大学的"电化学能量存储"小组与国际研究人员合作。论文的第一作者是王启迪，他介绍说："用作锂离子电池阴极材料的层状氧化物是整齐有序的。我们进行了一项结构设计研究，通过改进合成方法在这种材料中引入化学短程无序。因此，它在电池使用过程中变得更加稳定"。有序的层状结构是锂（Li）离子阴极的重要组成部分。然而，在充电过程中，本质上脆弱的缺锂框架很容易受到晶格应变、结构和/或化学机械退化的影响，导致容量迅速下降，从而缩短电池寿命。在此，研究人员报告了一种通过在氧化物阴极中整合化学短程无序（CSRD）来解决这些问题的方法，它涉及晶格中元素在空间维度上的局部分布，跨越几个最近邻间距。这是在结构化学基本原理的指导下，通过改进的陶瓷合成工艺实现的。为了证明其可行性，研究人员展示了 CSRD 的引入如何对层状氧化锂钴阴极的晶体结构产生重大影响。这表现在过渡金属环境及其与氧气的相互作用上，有效防止了锂去除过程中晶体板的有害滑动和结构退化。同时，它还会影响电子结构，从而提高电子导电性。这些特性对锂离子存储能力大有裨益，可显著提高循环寿命和速率能力。此外他们还发现 CSRD 可以通过改进化学共掺杂的方式引入到其他层状氧化物材料中，这进一步说明了 CSRD 在增强结构和电化学稳定性方面的潜力。这些发现为氧化物阴极的设计开辟了新的途径，帮助深入了解了 CSRD 对先进功能材料晶体和电子结构的影响。经过 200 次充电/放电循环后，结构稳定性的提高几乎使电池的容量保持率翻了一番。图片来源：Roy Borghouts Fotografie循环寿命更长，充电时间更短结构稳定性的提高使电池在 200 次充电/放电循环后的容量保持率几乎翻了一番。此外，这种化学短程无序增加了电极中的电荷转移，从而缩短了充电时间。研究小组对锂钴氧化物（LiCoO2）和锂镍锰钴氧化物（NMC811）等成熟的商用阴极展示了这些优势。关键材料这些成果可能会催生新一代锂离子电池，其制造成本更低，寿命期间单位能量储存的二氧化碳排放量更小。研究小组下一步将研究是否可以利用同样的材料设计原理，用不太稀缺的原材料制造阴极。论文的资深作者马尼克斯-瓦格马克（Marnix Wagemaker）说："钴和镍都是所谓的能源技术关键材料，减少电池中这些材料的使用将是一件好事。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家发现克服光学损耗的新方法 有望开启光基技术的未来

科学家发现克服光学损耗的新方法 有望开启光基技术的未来 这些研究成果提供了实用的解决方案，如在计算机芯片和数据存储设备等设备中使用更高效的光基设备，以实现更快、更紧凑的数据存储和处理，并提高传感器、成像技术和安全系统的精度。表面等离子体极化子和声子极化子具有高效储能、局部场增强和高灵敏度等优点，这得益于它们在小尺度上限制光的能力。然而，它们的实际应用却受到欧姆损耗问题的阻碍，欧姆损耗会在与天然材料相互作用时导致能量耗散。双曲声子极化子和椭圆声子极化子在α-MoO3 薄膜上的传播。(a) 在 α-MoO3 薄膜上放置天线的原子力显微镜。(b) 在不同实际频率下测量双曲极化子的实际频率。(c) 复频测量提供了超长距离传播行为。(d) 两个不同间距金天线的原子力显微镜。(e) 实际频率 f=990cm-1 时的振幅和实部测量值。(f) 复频 f=(990-2i)cm-1 时的振幅和实部测量值。(图片改编自《自然-材料》，2024 年）。资料来源：香港大学过去三十年来，这一限制阻碍了用于传感、超成像和纳米光子电路的纳米光子学的发展。克服欧姆损耗将大大提高器件性能，从而推动传感技术、高分辨率成像和先进纳米光子电路的发展。论文通讯作者张爽教授解释了研究重点："为了解决关键应用中的光损耗难题，我们提出了一种实用的解决方案。通过采用新颖的合成复波激励，我们可以实现虚拟增益，抵消极化子系统的内在损耗。为了验证这种方法，我们将其应用于声子极化子传播系统，并观察到极化子传播的显著改善。""我们使用声子极化子材料（如氢化硼和氧化钼）在光学频率范围内进行实验，证明了这种方法。正如预期的那样，我们获得了几乎无损的传播距离，这与理论预测一致，"论文第一作者、香港大学物理系博士后关复新博士补充道。克服光损耗的多频方法在这项研究中，研究小组开发了一种新颖的多频方法来解决偏振子传播中的能量损耗问题。他们使用一种被称为"复频波"的特殊类型波来实现虚拟增益并补偿光学系统中的损耗。普通波在一段时间内保持恒定的振幅或强度，而复频波则同时表现出振荡和放大。这种特性可以更全面地表现波的行为，并能补偿能量损失。使用在光频下工作的 hBN 薄膜进行一维极化子传播（从左到右）。(a) 实际频率图像显示了传播方向上明显的衰减场剖面。(b) 复频测量提供了几乎无衰减的传播行为。(图片改编自《自然-材料》，2024 年）来源：香港大学虽然频率通常被视为实数，但它也有虚部。这个虚部告诉我们，随着时间的推移，波是如何变强或变弱的。具有负（正）虚部的复频波会随着时间的推移而衰减（放大）。然而，在光学中直接进行复频波激励下的测量具有挑战性，因为它需要复杂的时序测量。为了克服这一难题，研究人员采用了傅里叶变换数学工具，将截断的复频波（CFW）分解为具有独立频率的多个分量。就像您在烹饪时需要一种很难找到的特定配料一样，研究人员也采用了类似的思路。他们将复杂的频率波分解成更简单的成分，就像在菜谱中使用替代配料一样。每个成分代表了频率波的不同方面。这就像通过使用替代配料来制作一道美味佳肴，从而获得所需的风味。通过测量不同频率下的这些分量并将数据结合起来，他们重建了复频波照射下的系统行为。这有助于他们理解和补偿能量损失。这种方法大大简化了 CFW 在不同应用中的实际应用，包括极化子传播和超成像。通过在固定间隔的不同实际频率下进行光学测量，就可以构建出系统在复频下的光学响应。这可以通过对不同实际频率下获得的光学响应进行数学组合来实现。该论文的另一位通讯作者、国家纳米科学与技术中心的戴清教授指出，这项工作为解决纳米光子学中存在已久的光损耗问题提供了切实可行的解决方案。他强调了合成复频方法的重要意义，指出该方法可轻松应用于分子传感和纳米光子集成电路等其他各种应用。他进一步强调说："这种方法非常了不起，而且普遍适用，因为它还可以用来解决其他波系统的损耗问题，包括声波、弹性波和量子波，从而将成像质量提高到前所未有的水平。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家找到从农业废弃物中提取与制造聚酰胺的新方法

科学家找到从农业废弃物中提取与制造聚酰胺的新方法 聚酰胺具有韧性和柔韧性，可以扭曲和编织而不会断裂。图片来源：Lorenz Manker/EPFL这项发表在《自然-可持续发展》（Nature Sustainability）杂志上的研究介绍了一种利用从农业废弃物中提取的糖核制造聚酰胺的新方法，聚酰胺是一类以强度和耐久性著称的塑料，其中最著名的是尼龙。这种新方法利用了一种可再生资源，同时还能高效地实现这种转变，并将对环境的影响降到最低。高精度挤出 3D 打印长丝。图片来源：Lorenz Manker/EPFL环境效益和效率Luterbacher 说："典型的化石基塑料需要芳香族基团来赋予塑料刚性这使塑料具有硬度、强度和耐高温等性能特性。在这里，我们得到了类似的结果，但使用的是糖结构，这种结构在自然界中无处不在，而且通常完全无毒，可以提供刚性和性能特性。"该研究的第一作者洛伦兹-曼克（Lorenz Manker）和他的同事们开发出了一种无催化剂工艺，可将木糖二甲基乙二酸酯（一种直接从木材或玉米棒等生物质中提取的稳定碳水化合物）转化为高质量的聚酰胺。该工艺的原子效率高达 97%，令人印象深刻，这意味着几乎所有的起始材料都被用于最终产品，从而大大减少了浪费。挤压后的染色和天然聚酰胺纤维。图片来源：Lorenz Manker/EPFL生物基聚酰胺的性能可与化石基聚酰胺相媲美，为各种应用提供了一种前景广阔的替代材料。更重要的是，这些材料在多次机械循环中表现出显著的弹性，保持了其完整性和性能，而这正是管理可持续材料生命周期的关键因素。这些创新型聚酰胺的潜在应用领域非常广泛，从汽车零件到消费品，都能显著减少碳足迹。研究小组的技术经济分析和生命周期评估表明，与包括尼龙（如尼龙 66）在内的传统聚酰胺相比，这些材料的价格具有竞争力，全球变暖潜能值最高可降低 75%。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

小变化，大影响：同位素研究有望改变二维半导体工程

小变化，大影响：同位素研究有望改变二维半导体工程 研究人员发现，改变单层二硫化钼半导体中钼的同位素质量，可以改变该层在光照下发出的光的颜色。这项研究揭示了同位素工程设计二维材料新技术的潜力。资料来源：Chris Rouleau/ORNL，美国能源部同位素是一种元素家族中的成员，它们的质子数相同，但中子数不同，因此质量也不同。同位素工程学传统上侧重于增强在三维（或三维）范围内具有统一特性的所谓块体材料。但由 ORNL 领导的新研究推进了同位素工程的前沿领域，即电流被限制在平面晶体内的二维（或二维）范围内，而且一层只有几个原子厚。二维材料前景广阔，因为它们的超薄特性可以实现对其电子特性的精确控制。ORNL科学家肖凯说："当我们在晶体中置换一种较重的钼同位素时，我们在单层二硫化钼的光电特性中观察到了令人惊讶的同位素效应，这种效应为设计用于微电子、太阳能电池、光电探测器甚至下一代计算技术的二维光电器件带来了机遇。"研究小组成员于一玲利用不同质量的钼原子，生长出了原子薄二硫化钼的同位素纯二维晶体。在光激发或光刺激下，于发现晶体发出的光的颜色发生了微小变化。肖说："出乎意料的是，钼原子较重的二硫化钼发出的光向光谱的红色端偏移得更远，这与人们对块状材料的预期偏移相反。红色偏移表明材料的电子结构或光学特性发生了变化。"肖和研究小组与中佛罗里达大学的理论家沃洛迪米尔-特科夫斯基（Volodymyr Turkowski）和塔拉特-拉赫曼（Talat Rahman）合作，发现声子（即晶体振动）一定会在这些超薄晶体的有限尺寸内以意想不到的方式散射激子（即光激发子）。他们发现这种散射如何使较重同位素的光带隙向光谱的红色端移动。"光带隙"是指材料吸收或发射光所需的最小能量。通过调整带隙，研究人员可以使半导体吸收或发射不同颜色的光，这种可调性对于设计新设备至关重要。ORNL 的 Alex Puretzky 描述了生长在基底上的不同晶体如何因基底的区域应变而导致发射颜色的微小变化。为了证明异常同位素效应，并测量其大小以便与理论预测进行比较，于培育了二硫化钼晶体，在一个晶体中含有两种钼同位素。肖说："我们的工作是史无前例的，因为我们合成了含有两种相同元素但质量不同的同位素的二维材料，并在单层晶体中以可控和渐进的方式横向连接了同位素。这使我们能够在二维材料中观察到光学特性的内在异常同位素效应，而不会受到不均匀样品的干扰。"研究结果表明，即使原子薄的二维半导体材料中同位素质量发生微小变化，也会影响光学和电子特性，这一发现为继续研究提供了重要依据。"以前，人们认为要制造光伏和光电探测器等设备，我们必须将两种不同的半导体材料结合起来，制造结来捕获激子并分离它们的电荷。但实际上，我们可以使用相同的材料，只需改变其同位素，就能制造出捕获激子的同位素结，"肖说。"这项研究还告诉我们，通过同位素工程，我们可以调整光学和电子特性，从而设计出新的应用。"在未来的实验中，肖和团队计划与高通量同位素反应堆和美国国家实验室同位素科学与工程局的专家合作。这些设施可以提供各种高浓缩同位素前驱体，用于生长不同的同位素纯二维材料。然后，研究小组可以进一步研究同位素对自旋特性的影响，以便将其应用于自旋电子学和量子发射。描述这项研究的论文发表在《科学进展》（Science Advances）上。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：