- 2025-01-21 09:30:09二維材料電學
- 二維材料電學是研究二維材料電學性質的學科，涉及電荷傳輸、電導率、介電常數等。二維材料如石墨烯、過渡金屬硫化物等，因其獨特的電子結構和物理性質，在電子器件、能源存儲、傳感器等領域有廣泛應用。電學研究關注這些材料在電場、磁場下的行為，以及如何通過調控實現特定功能。二維材料電學的發展推動了納米電子學和量子電子學等領域的進步。
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二維材料電學問答
- 2023-06-14 16:49:45無掩膜直寫光刻系統助力二維材料異質結構電輸運性能研究，意大利
- 期刊：ACS NanoIF：18.027文章鏈接: https://doi.org/10.1021/acsnano.1c09131 【引言】 MoS2是一種典型的二維材料，也是電子器件的重要組成部分。研究者發現，當MoS2與石墨烯接觸會產生van der Waals作用，使之具有良好的電學特性，可廣泛應用于各類柔性電子器件、光電器件、傳感器件的研究。然而，MoS2-石墨烯異質結構背后的電輸運機理尚不明確。這主要是因為傳統器件只有兩個接觸點，不能將MoS2-石墨烯異質結構產生的電學輸運特性與二維材料自身的電學特性所區分。此外，電荷轉移、應變、電荷在缺陷處被俘獲等因素也會對器件的電輸運性能產生影響，進一步提高了相關研究的難度。盡管已有很多文獻報道MoS2-石墨烯異質結構的電輸運性能，但這些研究主要基于理論計算，缺乏對MoS2-石墨烯異質結構的電輸運性能在場效應器件中的實驗研究。 【成果簡介】 2021年，意大利比薩大學Ciampalini教授課題組利用小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3 制備出基于MoS2-石墨烯異質結構的多場效應管器件，在場效應管器件中直接測量了MoS2-石墨烯異質結構的電輸運特性。通過比較MoS2的跨導曲線和石墨烯的電流電壓特性，發現在n通道的跨導輸運被抑制，這一現象明顯不同于傳統對場效應的認知。借助第一性原理計算發現這一獨特的輸運抑制現象與硫空位相關。 本文中所使用的小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3無需掩膜版，可在光刻膠上直接曝光繪出所要的圖案。設備采用集成化設計，全自動控制，可靠性高，操作簡便，同時其還具備結構緊湊（70cm X 70cm X 70cm）、高直寫速度，高分辨率（XY：
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- 2023-05-18 16:59:34全共線多功能超快光譜儀與高精度激光掃描顯微鏡，二維材料與超快
- 全共線多功能超快光譜儀BIGFOOT MONSTR Sense Technologies是由密歇根大學研究人員成立的科研設備制造公司。該公司致力于研發為半導體研究應用而優化的超快光譜儀和顯微鏡，突破性的技術可將光學器件和射頻電子器件耦合在一起，以穩健的方式測量具有干涉精度的光學信號，真正實現一套設備、一束激光、多種功能。圖1. 全共線多功能超快光譜儀BIGFOOT 全共線多功能超快光譜儀BIGFOOT不僅兼具共振和非共振超快光譜探測，還可以兼容瞬態吸收光譜（Transient absorption (TAS)）、相干拉曼光譜(Coherent Raman Spectroscopy (CRS))、多維相干光譜探測(Multidimensional Coherent Spectroscopy (MDCS))。開創性的全共線光路設計，使其可以與該公司研發的高精度激光掃描顯微鏡（NESSIE）聯用，實現超高分辨超快光譜顯微成像。全共線多功能超快光譜儀的開發也充分考慮了用戶的使用體驗，系統軟件可自動調控參數，光路自動對齊、無需校正等特點都使得它簡單易用。全共線多功能超快光譜儀BIGFOOT主要技術參數：高精度激光掃描顯微鏡NESSIE MONSTR Sense Technologies的高精度激光掃描顯微鏡NESSIE可用入射激光快速掃描樣品，在幾秒鐘內就能獲得高光譜圖像。該設備可適配不同高度的樣品臺和低溫光學恒溫器，物鏡高度最多可變化5英寸，大樣品尺寸同樣適用。NESSIE顯微鏡是具有獨立功能，可以與幾乎任何基于激光測量與高分辨率成像的設備集成在一起，也非常適合與該公司研發的全共線多功能超快光譜儀集成。 圖2. 高精度激光掃描顯微鏡NESSIE 高精度激光掃描顯微鏡-NESSIE的輸入信號為單個激光光束，輸出信號為樣品探測點收集的單個反向傳播光束，這樣的光路設計確保了反傳播信號在掃描圖像時不會相對于輸入光束漂移，因而非常適用于激光的實驗中的成像顯微鏡系統。 圖3. 使用NESSIE在室溫下測量的GaAs量子阱的圖像。a） 用相機測量的白光圖像。b） 用調諧到GaAs帶隙的80MHz激光器（5mW激光輸出）進行激光掃描線性反射率測量。c） 同時測量的激光掃描四波混頻圖像揭示了影響GaAs層的亞表面缺陷 BIGFOOT+NESSIE應用案例：1. 高精度激光掃描顯微鏡用于材料表征 美國密歇根大學課題組通過使用基于非線性四波混頻（FWM）技術的多維相干光譜MDCS測量先進材料的非線性響應，利用激子退相和激子壽命來評估先進材料的質量。課題組使用通過化學氣相沉積生長的WSe2單分子層作為一個典型的例子來證明這些功能。研究表明，提取材料參數，如FWM強度、去相時間、激發態壽命和暗/局部態分布，比目前普遍的技術，包括白光顯微鏡和線性微反射光譜學，可以更準確地評估樣品的質量。在室溫下實時使用超快非線性成像具有對先進材料和其他材料的快速原位樣品表征的潛力。圖4. (a)通過擬合時域單指數衰減得到的樣本的去相時間圖，在圖(a)中用三角形標記的選定樣本點處的FWM振幅去相曲線【參考】Eric Martin, et al; Rapid multiplex ultrafast nonlinear microscopy for material characterization. Optics Express 30, 45008 (2022). 2.二維材料中激子相互作用和耦合的成像研究 過渡金屬二鹵代化合物（TMDs）是量子信息科學和相關器件領域非常有潛力的材料。在TMD單分子層中，去相時間和非均勻性是任何量子信息應用的關鍵參數。在TMD異質結構中，耦合強度和層間激子壽命也是值得關注的參數。通常，TMD材料研究中的許多演示只能在樣本上的特定點實現，這對應用的可拓展性提出了挑戰。美國密歇根大學課題組使用了多維相干成像光譜（Multi-dimensional coherent spectroscopy, 簡稱MDCS），闡明了MoSe2單分子層的基礎物理性質——包括去相、不均勻性和應變，并確定了量子信息的應用前景。此外，課題組將同樣的技術應用于MoSe2/WSe2異質結構研究。盡管存在顯著的應變和電介質環境變化，但相干和非相干耦合和層間激子壽命在整個樣品中大多是穩健的。圖5. （a）hBN封裝的MoSe2/WSe2異質結構的白光圖像。（b）MoSe2/WSe2異質結構在圖（a）中的標記的三個不同樣本點處的低功率低溫MDCS光譜。（c）圖（b）中所示的四個峰值的FWM(Four-Wave Mixing)四波混頻積分圖。（d）MoSe2/WSe2異質結構上的MoSe2共振能量圖。（e）MoSe2/WSe2異質結構的WSe2共振能量圖。（f）所有采樣點的MoSe2共振能量與WSe2共振能量【參考】Eric Martin, et al; Imaging dynamic exciton interactions and coupling in transition metal dichalcogenides, J. Chem. Phys. 156, 214704 (2022) 3. 摻雜MoSe2單層中吸引和排斥極化子的量子動力學研究 當可移動的雜質被引入并耦合到費米海時，就形成了被稱為費米極化子的新準粒子。費米極化子問題有兩個有趣但截然不同的機制： (i)吸引極化子（AP）分支與配對現象有關，跨越從BCS超流到分子的玻色-愛因斯坦凝聚；（ii）排斥分支（RP），這是斯通納流動鐵磁性的物理基礎。二維系統中的費米極化子的研究中，許多關于其性質的問題和爭論仍然存在。黃迪教授課題組使用了Monstr Sense公司的全共線多功能超快光譜儀BIGFOOT研究了摻雜的MoSe2單分子層。課題組發現觀測到的AP-RP能量分裂和吸引極化子的量子動力學與極化子理論的預測一致。隨著摻雜密度的增加，吸引極化子的量子退相保持不變，表明準粒子穩定，而排斥極化子的退相率幾乎呈二次增長。費米極化子的動力學對于理解導致其形成的成對和磁不穩定性至關重要。圖6. 單層MoSe2在不同柵極電壓下的單量子重相位振幅譜【參考】Di HUANG, et al; Quantum Dynamics of Attractive and Repulsive Polarons in a Doped MoSe2 Monolayer, PHYSICAL REVIEW X 13, 011029 (2023)
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- 2023-01-08 12:35:25中科院物理所：納米級應變直寫技術，加速二維材料應變工程技術發展 |前沿用戶報道
- 研究背景及成果應變工程是指通過拉伸或壓縮等應變技術來調控材料性能或優化相關器件性能。近些年來，隨著二維材料的興起，基于它的應變工程研究變得火熱起來。但現有的二維材料應變技術（如拉伸襯底、產生氣泡等），重復性及靈活性差，因此如何實現微區可控復雜應變成為應變工程發展的重要方向之一。在此背景下，中科院物理所納米實驗室N10組提出了一種非接觸式應變直寫技術。該技術可以在二維材料中準確寫入納米到微米尺度設計圖案的應變。這項全新應變技術，具備高度的靈活性以及半導體工藝兼容性，有望進一步推進二維材料在納米機電系統、高性能傳感和非傳統光伏到量子信息科學等廣泛領域的潛在應用。相關成果"Strain lithography for two-dimensional materials by electron irradiation."已在Applied Physics Letters 上發表。實驗思路及結果驗證光刻膠材料 PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）在電子束的輻照作用下會發生降解（如圖1所示），導致體積發生變化。光刻膠自身體積的變化，會進一步使附著在其表面的二維材料以及其它薄膜材料發生形變（如圖2所示）。基于這個原理，中科院物理所研究團隊便考慮利用電子束直寫設備的高精度圖形直寫能力，通過調控電子束劑量，創造納米級應變分布的可控應變結構制備。圖1 光刻膠（PMMA）的電子輻照降解圖2 電子束誘導二維材料應變實驗發現，通過控制電子束輻照劑量，中科院物理所研究人員可以有效控制二維材料的應變程度（如圖3所示）。拉曼光譜技術以及光致熒光（PL）光譜技術是研究半導體應變的重要工具，圖4展示了“墨西哥帽狀”復雜應變的PL光譜空間峰位分布圖， HORIBA LabRAM HR Evolution Nano 納米拉曼光譜儀的強大空間數據采集及后處理能力，進一步揭示了該方法復雜應變的制備能力，即同時制備包含拉伸應變（紅移）以及壓縮應變（藍移）結構的能力。圖3 應變調控圖4 復雜應變空間分布儀器使用評價“該工作使用 HORIBA 的 LabRAM HR Evolution Nano 納米拉曼光譜儀，可探測納米級應變分布，使用便捷；處理空間分布數據的功能非常強大。”實驗室配備的LabRAM HR Evolution Nano納米拉曼光譜儀如果您對上述產品感興趣，歡迎掃描二維碼留言，我們的工程師將會及時為您答疑解惑。課題組介紹中科院物理所納米實驗室N10組，主要研究方向有：納米材料與納米結構的可控制備、新奇物理特性及器件應用研究；自旋、能谷量子態物性研究及其在量子信息/量子計算的應用;超快磁光激光光譜學；低維/納米材料物性和器件研究等。
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- 2023-01-14 10:33:05江蘇大學Small：綠色制氫催化材料新成員SnSe 二維壓電材料，高效制氫顯優勢 | 前沿用戶報道
- 綠色制氫SnSe入選理想壓電催化材料候選體系被譽為21世紀“終 極能源”，氫能可謂市場前景廣闊，水分解綠色制氫更是重要發展方向。壓電納米材料可將機械能轉化為化學能，為綠色氫能制備提供了一種嶄新路徑，有望進一步推動綠色制氫技術的發展，但目前大多數壓電納米材料的催化效率仍然有待提升。 二維鐵電/壓電材料具有高電導率/遷移率、優異的鐵電/壓電特性、相對窄的帶隙寬度、豐富的表面催化活性位點等優勢，因而在壓電催化領域極具潛力。在所有二維鐵電/壓電材料中，SnSe 材料具有理論預測最 高壓電響應、以及高遷移率和易形變特性等性質，成為理想壓電催化材料候選體系，有望應用于進一步提升機械能驅動綠色水分解制氫催化反應效率。 首次報道江蘇大學利用 SnSe高效催化產氫近期，江蘇大學量子與可持續性技術研究院團隊首次報道選取 SnSe 二維材料作為壓電催化材料，得益于 SnSe 易形變特性（楊氏模量為24.3至27.7 GPa）、單層材料極高的壓電系數（d11 = 250.58 pm V?1）和高理論遷移率（11000 cm2 V?1 s?1），實現了高效超聲機械力驅動水分解產氫（效率高達948.4?μmol?g?1 h?1），遠超大多數已報道的其他壓電催化材料產氫效率。 相關成果以“Mechanically Induced Highly Efficient Hydrogen Evolution from Water over Piezoelectric SnSe nanosheets”為題在Small上。這充分體現了 SnSe 二維材料在綠色催化反應中的優勢，對進一步推動綠色制氫產業技術發展具有重要意義。 性能表征研究論證SnSe材料壓電及催化性能研究過程中，江蘇大學團隊首先對 SnSe 二維材料的結構壓電性質進行表征分析。研究人員通過簡單的熱注入化學法合成 SnSe 單晶納米片，采用差分相位襯度-掃描透射電子顯微成像(DPC-STEM)這一新興技術，在納米尺度下觀察到了 SnSe 材料內部的鐵電疇結構，間接驗證了其具有鐵電/壓電響應。 圖1. SnSe二維納米材料的微觀結構分析圖另一方面，研究團隊與 HORIBA 位于上海的應用中心專家合作，采用LabRAM Nano 配備的 SmartSPM 壓電響應力顯微鏡（PFM）模塊深入研究了 SnSe 納米材料的壓電/鐵電性能，觀測到了鐵電疇結構。通過施加?10 V至+10 V的偏壓，在面內方向得到了典型的蝴蝶曲線，進一步證實了 SnSe 納米片具有面內壓電/鐵電性。 圖2. SnSe 二維納米材料的PFM表征分析圖對 SnSe 二維材料的壓電性質完成表征分析后，研究團隊進一步評估了SnSe 納米片在超聲機械力作用下水分解制氫性能。以三乙醇胺(TEOA)作為犧牲劑，在100 W 和45 kHz 的超聲波作用下，SnSe 納米片相比于納米顆粒和微米樣品表現出更優的壓電催化活性，產氫效率高達4742.9 μmol?g?1。此外，計算表明 SnSe 納米片的共振頻率約為43.6 kHz，這與獲得最 高產氫效率的超聲條件(45 kHz)接近，表明材料的壓電響應在機械能驅動分解水催化反應中起到關鍵作用。 圖3. SnSe 二維納米材料在超聲機械力作用下分解水產氫性能及壓電電流相應圖課題組介紹李順，江蘇大學金山特聘教授。2015年獲得加拿大國家科學研究所（INRS）能源與材料科學博士學位。曾任南方科技大學副研究員。研究方向主要為鐵/壓電/熱電/熱電納米材料在能量轉換及催化中的應用。在 Nature Photon., Prog. Mater. Sci., Mater. Horizon., Nano Energy, Small 等國際知名期刊上發表論文80余篇。發表論文被引用3000余次，H指數33。申請專 利數十項，獲批國家自然科學基金2項。張建明博士 現任江蘇大學化學化工學院教授，博導，江蘇特聘教授。2013年獲得加拿大國家科學院（INRS）材料科學博士學位。2016年9月加入江蘇大學化學化工學院，組建功能復合材料研究團隊。專注于新能源材料、電子信息材料、環保材料的基礎和應用研究。主持國家自然科學基金、科技部重 點研究計劃子項目、江蘇省特聘教授等多項國家、省部級科研項目。儀器使用評價“實驗中使用 HORIBA LabRAM HR Nano 配備的 SmartSPM 模塊對納米材料的壓電/鐵電性能進行表征。其配備了多種 SPM 測量模式，如開爾文探針模式（表面電勢，SKM，KPFM）、壓電響應模式（PFM），可以實現對納米壓電/鐵電材料電疇、表面電勢等性質的全方位、快速、自動化表征分析。” HORIBA 科學儀器應用中心 本次實驗中使用的 LabRAM HR Nano 拉曼光譜儀 (升級型號：LabRAM Odyssey Nano) 如果您對上述產品感興趣，歡迎掃描二維碼留言，我們的工程師將會及時為您答疑解惑。
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- 2022-11-28 11:03:27江蘇大學Small：綠色制氫催化材料新成員SnSe 二維壓電材料，高效制氫顯優勢 | 前沿用戶報道
- 綠色制氫SnSe入選理想壓電催化材料候選體系被譽為21世紀“終 極能源”，氫能可謂市場前景廣闊，水分解綠色制氫更是重要發展方向。壓電納米材料可將機械能轉化為化學能，為綠色氫能制備提供了一種嶄新路徑，有望進一步推動綠色制氫技術的發展，但目前大多數壓電納米材料的催化效率仍然有待提升。 二維鐵電/壓電材料具有高電導率/遷移率、優異的鐵電/壓電特性、相對窄的帶隙寬度、豐富的表面催化活性位點等優勢，因而在壓電催化領域極具潛力。在所有二維鐵電/壓電材料中，SnSe 材料具有理論預測最 高壓電響應、以及高遷移率和易形變特性等性質，成為理想壓電催化材料候選體系，有望應用于進一步提升機械能驅動綠色水分解制氫催化反應效率。 首次報道江蘇大學利用 SnSe高效催化產氫近期，江蘇大學量子與可持續性技術研究院團隊首次報道選取 SnSe 二維材料作為壓電催化材料，得益于 SnSe 易形變特性（楊氏模量為24.3至27.7 GPa）、單層材料極高的壓電系數（d11 = 250.58 pm V?1）和高理論遷移率（11000 cm2 V?1 s?1），實現了高效超聲機械力驅動水分解產氫（效率高達948.4?μmol?g?1 h?1），遠超大多數已報道的其他壓電催化材料產氫效率。 相關成果以“Mechanically Induced Highly Efficient Hydrogen Evolution from Water over Piezoelectric SnSe nanosheets”為題在Small上。這充分體現了 SnSe 二維材料在綠色催化反應中的優勢，對進一步推動綠色制氫產業技術發展具有重要意義。 性能表征研究論證SnSe材料壓電及催化性能研究過程中，江蘇大學團隊首先對 SnSe 二維材料的結構壓電性質進行表征分析。研究人員通過簡單的熱注入化學法合成 SnSe 單晶納米片，采用差分相位襯度-掃描透射電子顯微成像(DPC-STEM)這一新興技術，在納米尺度下觀察到了 SnSe 材料內部的鐵電疇結構，間接驗證了其具有鐵電/壓電響應。 圖1. SnSe二維納米材料的微觀結構分析圖另一方面，研究團隊與 HORIBA 位于上海的應用中心專家合作，采用LabRAM Nano 配備的 SmartSPM 壓電響應力顯微鏡（PFM）模塊深入研究了 SnSe 納米材料的壓電/鐵電性能，觀測到了鐵電疇結構。通過施加?10 V至+10 V的偏壓，在面內方向得到了典型的蝴蝶曲線，進一步證實了 SnSe 納米片具有面內壓電/鐵電性。 圖2. SnSe 二維納米材料的PFM表征分析圖對 SnSe 二維材料的壓電性質完成表征分析后，研究團隊進一步評估了SnSe 納米片在超聲機械力作用下水分解制氫性能。以三乙醇胺(TEOA)作為犧牲劑，在100 W 和45 kHz 的超聲波作用下，SnSe 納米片相比于納米顆粒和微米樣品表現出更優的壓電催化活性，產氫效率高達4742.9 μmol?g?1。此外，計算表明 SnSe 納米片的共振頻率約為43.6 kHz，這與獲得最 高產氫效率的超聲條件(45 kHz)接近，表明材料的壓電響應在機械能驅動分解水催化反應中起到關鍵作用。 圖3. SnSe 二維納米材料在超聲機械力作用下分解水產氫性能及壓電電流相應圖課題組介紹李順，江蘇大學金山特聘教授。2015年獲得加拿大國家科學研究所（INRS）能源與材料科學博士學位。曾任南方科技大學副研究員。研究方向主要為鐵/壓電/熱電/熱電納米材料在能量轉換及催化中的應用。在 Nature Photon., Prog. Mater. Sci., Mater. Horizon., Nano Energy, Small 等國際知名期刊上發表論文80余篇。發表論文被引用3000余次，H指數33。申請專 利數十項，獲批國家自然科學基金2項。張建明博士 現任江蘇大學化學化工學院教授，博導，江蘇特聘教授。2013年獲得加拿大國家科學院（INRS）材料科學博士學位。2016年9月加入江蘇大學化學化工學院，組建功能復合材料研究團隊。專注于新能源材料、電子信息材料、環保材料的基礎和應用研究。主持國家自然科學基金、科技部重 點研究計劃子項目、江蘇省特聘教授等多項國家、省部級科研項目。儀器使用評價“實驗中使用 HORIBA LabRAM HR Nano 配備的 SmartSPM 模塊對納米材料的壓電/鐵電性能進行表征。其配備了多種 SPM 測量模式，如開爾文探針模式（表面電勢，SKM，KPFM）、壓電響應模式（PFM），可以實現對納米壓電/鐵電材料電疇、表面電勢等性質的全方位、快速、自動化表征分析。” HORIBA 科學儀器應用中心本次實驗中使用的 LabRAM HR Nano 拉曼光譜儀 (升級型號：LabRAM Odyssey Nano) 如果您對上述產品感興趣，歡迎掃描二維碼留言，我們的工程師將會及時為您答疑解惑。
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