科学家发现新型二维量子材料 质量增加100倍

科学家发现新型二维量子材料 质量增加100倍 "CeSiI中的电子比普通材料中的电子质量大100倍。这就是它们被称为重费米子的原因。"这项研究背后的乌普萨拉大学研究人员之一Chin-Shen Ong说："CeSiI的特别之处在于，这种有效质量是各向异性的，它取决于电子在原子层中移动的方向。"瑞典乌普萨拉大学物理与天文学系研究员Chin-Shen Ong。资料来源：乌普萨拉大学这项研究是乌普萨拉大学材料理论研究人员与美国哥伦比亚大学研究人员的合作成果。对于乌普萨拉大学的材料研究人员来说，主要问题是从理论上研究材料中电子的量子特性。重费米子的背景和意义重费米子化合物是一类电子相互作用异常强烈的材料。在此过程中，它们在所谓的量子波动中协调运动。这种相互作用使电子的质量比普通材料中的电子大 100 或 1000 倍。这些量子波动被认为在许多至今无法解释的量子现象中发挥了重要作用，如非常规超导现象（电流可以通过材料而不损失能量）和磁性。这种新型量子材料是在哥伦比亚大学实验室合成的，其独特之处在于它具有类似二维的晶体结构，各层之间有明显的分离，原子厚度很薄。这些层由铈、硅和碘（CeSiI）组成，是首例具有重费米子的二维材料。有关重费米子材料的研究已经进行了几十年，但直到现在，研究重点仍是原子紧密排列成三维结构的材料。早在 20 世纪 70 年代，乌普萨拉大学的研究人员就开始重点研究铈基材料，并取得了巨大成功。然而，由哥伦比亚大学实验室合成的这种新材料却独一无二，因为它具有类似二维的晶体结构，各层之间有明显的分离，原子厚度很薄。这些层由铈层、硅层和碘层（CeSiI）组成，是首例具有重费米子的二维材料。"有了这一发现，我们现在有了一个大大改进的材料平台，可以用来研究相关电子结构。二维材料就像乐高积木。我们的合作伙伴已经在着手添加其他二维材料的层，以创造出一种具有定制量子特性的新材料，"Chin-Shen Ong 说。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

石墨烯的新挚友：新研发的UV胶带可轻松转移这种神奇材料

石墨烯的新挚友：新研发的UV胶带可轻松转移这种神奇材料 九州大学和日东电工的研究人员开发出一种胶带，它能在紫外线照射下改变对二维材料的"粘性"。资料来源：九州大学阿戈实验室现在，九州大学的一个研究小组与日本日东电工公司合作开发出了一种胶带，可用于将二维材料粘贴到许多不同的表面上，而且操作简便、易于使用。他们的研究成果发表在 2024 年 2 月 9 日的《自然-电子学》（Nature Electronics）杂志上。"转移二维材料通常是一个非常技术性和复杂的过程；材料很容易撕裂或受到污染，从而大大降低其独特的性能，"领衔作者、九州大学全球创新中心的 Hiroki Ago 教授说。"我们的胶带提供了一种快速、简单的替代方法，并能减少损坏"。九州大学的研究人员发现，使用紫外线胶带而不是聚合物转移石墨烯能更好地保持材料的完整性并减少缺陷。资料来源：九州大学阿戈实验室研究人员首先关注石墨烯。石墨烯由碳原子薄片制成，具有坚韧、柔韧、轻质、高导热性和高导电性等特点。石墨烯一经发现就被誉为"神奇材料"，可应用于生物传感、抗癌药物输送、航空和电子设备等领域。"制造石墨烯的主要方法之一是化学气相沉积法，即在铜膜上生长石墨烯。但要发挥正常性能，石墨烯必须与铜分离，并转移到硅等绝缘基底上，"阿戈教授解释说。"要做到这一点，需要在石墨烯上覆盖一层保护性聚合物，然后使用酸等蚀刻溶液去除铜。附着到新基底后，再用溶剂溶解聚合物保护层。这一过程成本高、耗时长，而且可能导致石墨烯表面出现缺陷或留下聚合物的痕迹。"因此，阿戈教授和他的同事旨在提供一种转移石墨烯的替代方法。他们利用人工智能技术开发了一种被称为"紫外线胶带"的特殊聚合物胶带，这种胶带在紫外线照射下会改变对石墨烯的吸引力。新设计的紫外线胶带能够将二维材料（包括石墨烯和过渡金属二卤化物）转移到一系列不同的基底上，包括硅、陶瓷、玻璃和塑料。资料来源：九州大学阿戈实验室在紫外线照射之前，胶带与石墨烯的粘附力很强，可以将其"粘"住。然而，紫外线照射后，原子键发生变化，与石墨烯的粘附力降低了约 10%。紫外线胶带也会变得稍硬，更容易剥离。综合来看，这些变化使得胶带可以从设备基板上剥离，同时留下石墨烯。研究人员还开发出了可以转移另外两种二维材料的胶带：白石墨烯（hBN）和过渡金属二卤化物（TMDs），前者是一种绝缘体，可以在二维材料堆叠时充当保护层，后者则是下一代半导体的理想材料。重要的是，当研究人员仔细观察二维材料转移后的表面时，他们发现与目前使用传统技术转移时相比，二维材料表面更光滑，缺陷更少。在测试这些材料的特性时，他们还发现它们的效率更高。迄今为止，九州大学和日东电工的研究人员已经成功地利用紫外线胶带转移了直径达 10 厘米的石墨烯晶片。对于较小的 UV 胶带，粘贴和剥离可以用手完成。不过，在大规模生产时，机器是非常有用的。资料来源：Nakatani 等人，《自然-电子学》，与目前的转印技术相比，使用紫外线胶带进行转印还具有许多其他优势。由于 UV 胶带可以弯曲，而且转印过程不需要使用塑料溶解溶剂，因此可以使用柔性塑料作为设备的基底，从而扩大了潜在的应用范围。"例如，我们制作了一个塑料装置，利用石墨烯作为太赫兹传感器。与 X 射线一样，太赫兹辐射可以穿过光线无法穿过的物体，但不会对人体造成伤害，"阿戈教授说。"它在医学成像或机场安检方面大有可为。"更重要的是，UV 磁带可以按尺寸裁剪，因此只需传输准确数量的二维材料，从而最大限度地减少浪费，降低成本。不同材料的二维层还可以很容易地以不同的方向相互叠加，使研究人员能够探索叠加材料的新特性。下一步，研究人员的目标是将紫外线胶带的尺寸扩大到制造商所需的规模。目前，可以转移的最大石墨烯晶片直径为 10 厘米。阿戈教授和他的同事们还在努力解决胶带上形成的褶皱和气泡问题，这些褶皱和气泡会造成小缺陷。研究小组还希望提高二维材料的稳定性，以便二维材料能更长时间地附着在紫外线胶带上，并分发给最终用户，如其他科学家。"最终用户只需像贴儿童贴纸一样贴上和撕下紫外线胶带，就能将材料转移到所需的基底上，无需任何培训，"阿戈教授说。"这种简便的方法可以从根本上改变研究风格，加快二维材料的商业开发。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家发现了由二维材料六方氮化硼制成的板状波导

科学家发现了由二维材料六方氮化硼制成的板状波导 美国海军研究实验室（NRL）与堪萨斯州立大学合作，宣布发现了由二维材料六方氮化硼制成的板状波导。这一里程碑式的发现已在《先进材料》（Advanced Materials）杂志上发表。二维（2D）材料是一类可以通过机械剥离层来还原到单层极限的材料,通过所谓的"苏格兰胶带"法，可以利用微弱的层间吸引力或范德华吸引力将各层分开。最著名的二维材料石墨烯是一种由单层碳原子组成的半金属材料。最近，包括半导体过渡金属二掺杂物（TMDs）和绝缘六方氮化硼（hBN）在内的其他二维材料也引起了人们的关注。当降低到接近单层极限时，二维材料具有独特的纳米级特性，这对制造原子级薄型电子和光学设备很有吸引力。新型材料与应用部门的 Samuel Lagasse 博士说："我们知道使用六方氮化硼会使我们的样品具有出色的光学特性，但我们谁也没想到它还能起到波导的作用。由于氮化硼在基于二维材料的设备中应用如此广泛，这种作为光波导的新用途可能会产生广泛的影响。"六边形氮化硼波导中的波导光致发光共聚焦显微镜图像，边缘的叶状图案让人联想到锦鲤绕池游。图片由 Samuel LaGasse 于 2023 年 4 月拍摄。图片来源：美国海军研究实验室/Samuel LaGasse石墨烯和 TMD 单层材料对周围环境都极为敏感。因此，研究人员试图通过将这些材料封装在钝化层中来保护它们。这就是氢溴酸硼的作用所在：氢溴酸硼层能够"筛选"石墨烯或 TMD 层附近的杂质，从而产生奇妙的特性。在最近由 NRL 领导的工作中，对发光 TMD 层周围的 hBN 厚度进行了仔细调整，以支持光波导模式。波导技术的进步NRL 的研究人员小心翼翼地将被称为"范德华异质结构"的二维材料堆叠在一起。这些异质结构因分层而具有特殊的性能。在二硒化钼或二硒化钨等 TMD 的单层周围放置了 hBN 板，这些 TMD 可以发射可见光和近红外线。hBN 板的厚度经过仔细调整，这样发射的光就会被困在 hBN 内并被波导。当光波导到氢化硼的边缘时，就会散射出来，并被显微镜探测到。六边形氮化硼波导的实空间（左）和傅立叶空间（右）光致发光图像。实空间图像显示了样品内部发出光致发光的位置，而傅立叶空间图像则描述了发出光的角度。图片由 Nicholas Proscia 于 2023 年 4 月拍摄。图片来源：美国海军研究实验室/Nicholas Proscia这项研究的动力来自于二维 TMD 光学测量所面临的挑战。当激光聚焦在 TMD 上时，会产生称为激子的粒子。大多数激子在 TMD 平面外发光，但在某些 TMD 中存在一种难以捉摸的激子，被称为"暗"激子，它在 TMD 平面内发光。NRL 的板坯波导可以捕捉暗激子发出的光，从而提供了一种对其进行光学研究的方法。"二维材料具有奇特的光电特性，对海军非常有用，"Lagasse 说。"一个巨大的挑战是在不损坏现有平台的情况下将这些材料与现有平台连接起来这些氮化硼波导是实现这一目标的一步"。NRL 研究人员使用两种特殊类型的光学显微镜来鉴定氢化硼波导。其中一种装置允许研究人员从光谱学角度解析波导不同点发出的光致发光。另一种装置可以让他们观察发射光的角度分布。NRL 研究人员还开发了波导的三维电磁模型。建模结果为设计未来使用片状波导的二维设备提供了一个工具包。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

麻省理工学院在将二维材料集成到设备方面取得突破

麻省理工学院在将二维材料集成到设备方面取得突破 这幅艺术家的作品展示了麻省理工学院研究人员开发的一种新型集成平台。通过对表面力进行工程设计，他们只需一个接触和释放步骤，就能将二维材料直接集成到设备中。图片来源：Sampson Wilcox/电子研究实验室提供但是，将二维材料集成到计算机芯片等设备和系统中是众所周知的难题。这些超薄结构可能会受到传统制造技术的破坏，这些技术通常依赖于使用化学品、高温或蚀刻等破坏性工艺。为了克服这一挑战，麻省理工学院和其他大学的研究人员开发出了一种新技术，只需一步就能将二维材料集成到设备中，同时保持材料表面和由此产生的界面原始无缺陷。他们的方法依赖于纳米级的工程表面力，使二维材料可以物理叠加到其他预制设备层上。由于二维材料不会受损，研究人员可以充分利用其独特的光学和电学特性。所开发的平台利用行业兼容的工具集，使这一过程可以扩展。在这里，主要作者彼得-萨特斯韦特（Peter Satterthwaite）使用 MIT.nano 中修改过的配准工具进行图案化配准集成。他们利用这种方法制造出了二维晶体管阵列，与使用传统制造技术制造出的器件相比，实现了新的功能。他们的方法用途广泛，可用于多种材料，可在高性能计算、传感和柔性电子器件等领域广泛应用。释放这些新功能的核心是形成清洁界面的能力，所有物质之间存在的特殊力量（称为范德华力）将这些界面连接在一起。电子工程与计算机科学（EECS）助理教授、电子学研究实验室（RLE）成员 Farnaz Niroui 是介绍这项工作的新论文的资深作者。"范德华积分有一个基本限制，"她解释说，"由于这些作用力取决于材料的内在特性，因此无法轻易调整。因此，有些材料无法仅利用其范德华相互作用来直接相互整合。我们提出了一个解决这一限制的平台，以帮助范德华集成变得更加通用，从而促进具有新功能和改进功能的基于二维材料的设备的开发。"Niroui 与论文第一作者、电子工程与计算机科学研究生 Peter Satterthwaite，电子工程与计算机科学教授、RLE 成员 Jing Kong，以及麻省理工学院、波士顿大学、台湾国立清华大学、台湾国家科学技术委员会和台湾国立成功大学的其他人共同撰写了这篇论文，这项研究最近发表在《自然-电子学》上。纳米级表面力的多样性使研究人员能够将粘合剂基质转移到许多不同的材料上。例如，在这里，通过使用粘合聚合物，他们能够将图案化的石墨烯（一原子厚的碳薄片）从源基底（上图）转移到接收粘合聚合物（下图）上。图片来源：Niroui 小组提供使用传统制造技术制造计算机芯片等复杂系统可能会变得一团糟。通常情况下，像硅这样的硬质材料会被凿成纳米级，然后与金属电极和绝缘层等其他元件连接，形成有源器件。这种加工过程会对材料造成损害。最近，研究人员专注于使用二维材料和一种需要连续物理堆叠的工艺，自下而上地构建设备和系统。在这种方法中，研究人员不是使用化学胶水或高温将脆弱的二维材料粘合到硅等传统表面上，而是利用范德华力将一层二维材料物理集成到设备上。范德华力是存在于所有物质之间的自然吸引力。例如，壁虎的脚会因为范德华力而暂时粘在墙上。虽然所有材料都存在范德华力，但根据材料的不同，范德华力并不总是强大到足以将它们粘在一起。例如，一种名为二硫化钼的流行半导体二维材料会粘在黄金上，但不会通过与二氧化硅等绝缘体表面的物理接触直接转移到该表面上。然而，通过整合半导体层和绝缘层制成的异质结构是电子设备的关键组成部分。以前，实现这种集成的方法是将二维材料粘合到一个中间层（如金）上，然后使用该中间层将二维材料转移到绝缘体上，最后再使用化学品或高温去除中间层。麻省理工学院的研究人员没有使用这种牺牲层，而是将低粘性绝缘体嵌入高粘性基质中。这种粘合基质使二维材料粘附在嵌入的低粘合力表面上，提供了在二维材料和绝缘体之间形成范德华界面所需的力。制作矩阵为了制造电子设备，他们在载体基底上形成金属和绝缘体的混合表面。然后将该表面剥离并翻转，就会看到一个完全光滑的顶面，其中包含所需的器件构件。这种光滑度非常重要，因为表面和二维材料之间的间隙会阻碍范德华相互作用。然后，研究人员在完全洁净的环境中单独制备二维材料，并将其与制备好的器件堆栈直接接触。"一旦混合表面与二维层接触，无需任何高温、溶剂或牺牲层，它就能拾取二维层并将其与表面整合在一起。"萨特斯韦特解释说："通过这种方式，我们可以实现传统上被禁止的范德华集成，但现在却可以实现，而且只需一步就能形成功能齐全的器件。"这种单步工艺可使二维材料界面保持完全清洁，从而使材料达到其性能的基本极限，而不会受到缺陷或污染的影响。而且，由于二维材料的表面也保持原始状态，研究人员可以对二维材料的表面进行工程设计，以形成与其他元件的特征或连接。例如，他们利用这种技术制造出了 p 型晶体管，而利用二维材料制造这种晶体管通常是具有挑战性的。他们的晶体管在以前的研究基础上有所改进，可以为研究和实现实用电子产品所需的性能提供一个平台。展望未来他们的方法可以大规模地制造更大的装置阵列。粘合基质技术还可用于一系列材料，甚至与其他力量结合使用，以增强这一平台的多功能性。例如，研究人员将石墨烯集成到器件上，利用聚合物基质形成所需的范德华界面。在这种情况下，粘附依靠的是化学作用，而不仅仅是范德华力。未来，研究人员希望以此平台为基础，整合各种二维材料库，在不受加工损伤影响的情况下研究其内在特性，并利用这些卓越功能开发新的设备平台。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

中国科学家实现二维金属碲化物材料的批量制备

中国科学家实现二维金属碲化物材料的批量制备 二维过渡金属碲化物材料是一类新兴的二维材料，由碲原子（Te）和过渡金属原子（如钼、钨、铌等）组成，其微观结构类似于“三明治”，过渡金属原子被上下两层的碲原子“夹”住，形成层状二维材料。因具有奇特的超导、磁性、催化活性等物理和化学性质，二维过渡金属碲化物材料在量子通讯、催化、储能、光学等领域展现出重要应用潜力，受到了国际学术界的广泛关注。科学家实现二维金属碲化物材料的批量制备（中国科学院大连化学物理研究所供图）“比如，二维过渡金属碲化物具有高导电性和大比表面积，可作为高性能超级电容器和电池的电极材料；同时二维过渡金属碲化物纳米片表面具有丰富可调的活性位点，可用作制备绿氢和双氧水的电催化剂，提高催化剂的选择性、效率和性能；此外，该材料还展现出特有的量子现象，如超导和巨磁电阻等，可作为下一代低功耗器件和高密度磁性存储器件的材料。”论文共同通讯作者、中国科学院大连化物所研究员吴忠帅解释。然而，目前该材料还无法实现高质量的批量制备，阻碍了其实际应用。二维过渡金属碲化物材料一般采用“自上而下”的制备方法，如同拆解积木，通过机械力或化学作用方式将其一层一层剥离下来，从而制备出单层的二维纳米片。常用的“自上而下”方法有化学插层剥离法、球磨法、胶带剥离法、液相超声法等，其中化学插层剥离法的剥离效率虽然最高，但剥离仍需要数小时。批量化可控制备二维过渡金属碲化物纳米片（中国科学院大连化学物理研究所供图）科学家们大多采用有机锂试剂作为插层剂，即将含有锂离子的插层剂插入块体层状结构材料的片层中，并利用锂和水的反应使插层剂“膨胀”，在每一层间形成一个“气压柱”，将叠在一起的纳米片层层“撑开”，就如同使用了一把“化学刮刀”一层一层地将纳米片“刮”下来，这种层间的气体膨胀作用力远大于机械剥离力，可以提高剥离效率。“但是，有机锂是一种易燃易爆的液体试剂，具有很大的安全隐患。因此，实现安全、高效的化学剥离成为科学家努力的目标。”吴忠帅说。此次，科研人员创新性地采用固相化学插层剥离方法，筛选出了一种固相插层试剂硼氢化锂。硼氢化锂具有强还原性质，在干燥空气中稳定，可用于高温固相插锂反应，解决了插层反应速度慢的问题，从而实现了安全、高效、快速的插层剥离。整个插层剥离过程只需10分钟，可批量制备出百克级（108克）碲化铌纳米片，与液相化学插层剥离法制备量均小于1克相比，此方法的产量提升了两个数量级。值得关注的是，科研人员还利用此方法制备出了五种不同过渡金属的二维过渡金属碲化物纳米片和十二种合金化合物纳米片，证明这种方法具有普适性。“该方法简单、快速、高效，对二维材料的宏量制备具有普适意义。”《自然》审稿人对该方法给予了高度评价。吴忠帅表示，利用该方法制备出的二维过渡金属碲化物纳米片的溶液和粉体具有良好的加工性能，可以作为各种功能性浆料，实现薄膜、丝网印刷器件、3D打印器件、光刻器件的高效和定制化加工等，有望在高性能量子器件、柔性电子、微型超级电容器、电池、催化、电磁屏蔽、复合材料等方向发挥重要作用。 ... PC版： 手机版：

新型二维材料可以以惊人的精度改善先进系统和通信的光学调制

新型二维材料可以以惊人的精度改善先进系统和通信的光学调制 可调谐光学材料（TOMs）正在彻底改变现代光电子技术，即检测、产生和控制光的电子设备。在集成光子电路中，精确控制材料的光学特性对于开启光操纵领域的突破性和多样化应用至关重要。二维材料，如过渡金属二卤化物（TMD）和石墨烯对外部刺激表现出非凡的光学响应。然而，如何在短波红外（SWIR）区域内实现独特的调制，同时在紧凑的空间内保持精确的相位控制和较低的信号损耗，一直是个难题。在发表于《自然-光科学与应用》（Nature Light Science & Application）的一篇题为"基于铁离子二维材料的复合硅光子学中的电光调谐"（Electro-Optic Tuning in Composite Silicon Photonics Based on Ferroionic 2D Materials）的新论文中，由研究科学家加达-杜沙克（Ghada Dushaq）和电气工程副教授兼PRL实验室主任马哈茂德-拉斯（Mahmoud Rasras）领导的科学家团队通过利用铁离子二维材料CuCrP2S6（CCPS），展示了一种主动光操纵的新途径。通过将首创的二维原子级薄材料集成到硅芯片上的微环结构中，该团队提高了设备的效率和紧凑性。当这些二维材料集成到硅光学器件上时，就会表现出一种非凡的能力，即在不产生任何衰减的情况下，对传输信号的光学特性进行精细调节。这种技术有望彻底改变环境传感、光学成像和神经形态计算等对光灵敏度要求极高的领域。Rasras 说："这项创新可精确控制折射率，同时最大限度地减少光损耗，提高调制效率，并减少占地面积，使其适用于下一代光电子技术。从相控阵和光学开关到环境传感和计量、光学成像系统，以及光敏人工突触中的神经形态系统，都有一系列令人兴奋的潜在应用。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：