硝基乙烯摩尔升的甲

从“买不到”到“买不起”，自2020年底开始的全球范围内的“缺芯荒”，有着愈演愈烈之势，芯片价格飙涨至5倍仍不见停。全球性芯片荒似乎没有经过多少时日，就如多米诺骨牌一样，冲击着全球百余行业，从汽车、钢铁产品、混凝土生产到空调制造，甚至包括肥皂生产，都或多或少受之影响，多位业内专家表示，至少要到2022年全球芯片供应链才能恢复正常化。随着5G通讯、智能汽车及线上化办公的发展，仿佛一夜之间人们对芯片的需求就提升了数个级别。芯片产业的发展，对单晶晶圆及单晶硅材料的需求也一夜暴涨。众所周知，单晶晶圆及单晶硅材料是制造半导体芯片的基本材料，也是集成电路产业的基石。目前最广泛使用的半导体晶圆材料为单晶硅晶圆，此外还有以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表的第二代半导体材料，以及以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等为代表的第三代半导体材料。1975年，Intel创始人之一的戈登摩尔提出摩尔定律后，集成电路一直沿着“当价格不变，每18个月晶体管的密度增加一倍、性能提升一倍”的路径发展。单晶硅作为芯片产业中最为关键的基础材料已发展了数十年，在晶体管尺寸接近物理极限、经济成本越来越高的当下，集成电路发展遇到了挑战，产业发展进入“后摩尔时代”，如何在摩尔定律之外进行材料创新，更显得尤为重要。6月9日，世界半导体大会在南京召开，中国科学院院士、上海交通大学党委常委、副校长毛军发在主题演讲中表示，集成电路的发展有可能会绕开摩尔定律，往异质集成电路上发展。所谓异质集成电路，即是将不同工艺节点的化合物半导体高性能器件（芯片）、硅基低成本高集成器件/芯片（都含光电子器件或芯片），与无源元件或天线，通过异质键合成或外延生长等方式集成而实现。而在这个过程中，单晶化石墨烯无论是作为外延生长衬底材料，还是新型器件材料，都拥有广阔的发展空间。石墨烯是由碳原子组成的六角蜂窝状二维原子晶体材料，具有线性色散的狄拉克锥形能带结构，载流子有效质量为零，迁移率极高，拥有非常优异的物理性能。而石墨烯薄膜材料又有单晶和多晶之分。与传统的多晶石墨烯相比，单晶化石墨烯具有多种优势。多晶石墨烯晶粒畴区小且不均一，晶粒尺寸通常为5-20 µm，但单晶的晶粒最大可达厘米级。单晶石墨烯的载流子迁移率室温下约为 300000 cm2/Vs，远高于多晶石墨烯由于存在晶界限制的1000-3000 cm2/Vs。此外，多晶石墨烯层数调控性差，且存在大量的本征缺陷，这导致了其电学、力学、热学等诸多优良性质的降低。相比之下，单晶石墨烯性能优异，可构筑高性能的电子器件或光电子器件，逐渐成为硅基电子学器件的有力竞争者和补充者。石墨烯材料想要进入芯片、光电等高精尖领域，类比于基于硅晶圆的硅电子器件，基础则是单晶化石墨烯材料的批量制备。图1 北京石墨烯研究院单晶石墨烯晶圆（左）与多晶石墨烯（右）光镜图像对比欧盟石墨烯旗舰计划（Graphene Flagship）提供了一种新颖的单晶石墨烯生长技术，即通过光刻技术在衬底表面打上用于石墨烯单晶晶体生长的“晶种”，随即通过调控生长技术，控制石墨烯晶体在指定位置的晶种上生长，最后形成约100 μm级的单晶石墨烯晶体。这种方法可以自由控制晶体生长位置，便于在制备光电子器件前期妥善排布材料空间，同时降低了各类生长耗材的使用。然而，这种制备方式虽然技术可控，但工艺难度较高，生长效率低，不便进行产业化放大，难以满足市场中日渐增长的产业需求。图2 a-d为欧盟旗舰计划“晶种”技术单晶石墨烯生长及转移过程；e为单晶石墨烯阵列SEM图像；f为单晶石墨烯在铜箔上的光镜图像；g为转移至SiO2/Si后的光镜图像高品质单晶石墨烯是目前全球范围内对石墨烯材料性能和品质最极致的追求。市场数据表明，欧盟石墨烯旗舰计划目前最大单晶石墨烯尺寸在4厘米级，且仍旧处于科研研发状态，欧洲最大CVD石墨烯生产商Graphenea也仅能产业化制备晶畴为20 μm的多晶石墨烯材料，远低于集成电路产业的要求。我国虽然是石墨烯制备的产业大国，无论在企业数量还是石墨烯产能上，都傲居全球榜首，但主要集中在粉体材料或低品质多晶薄膜材料，而高品质石墨烯薄膜的批量制备技术依然是当前石墨烯产业发展的瓶颈。根据CGIA公开数据显示，截至20年底，中国拥有约1.7万家石墨烯相关注册企业，但据统计，真正开展业务的仅3000余家，而粉体制备及相关应用企业占据绝大多数。同时，由于缺少稳定的生长工艺和可靠的制造装备等原因，传统CVD制备方式批量生产的单层石墨烯薄膜材料多为多晶石墨烯，从事高端单晶化CVD石墨烯薄膜的企业更是寥寥无几。毫无疑问，单晶石墨烯生长工艺更加复杂，处理技术更加困难，但单晶石墨烯没有晶界，具有更高的平整度、机械性能、均一性及光电性能，是石墨烯应用于高性能电子及光电器件集成的理想材料。尤其是在异质集成、生物传感器、第三代半导体及其外延材料的生长上，对单晶化石墨烯材料有着更高品质的要求。北京石墨烯研究院（BGI）及刘忠范院士团队深耕石墨烯产业十数年，在单晶化大尺寸石墨烯薄膜生长上突破了产业化的技术壁垒，通过特殊的衬底处理工艺，可实现A3尺寸衬底上高品质石墨烯薄膜的宏量制备，年产能15000片/年，以及10x10 cm2铜基单晶石墨烯薄膜的制备，年产能90000片/年。无论在产品尺寸、晶粒畴区还是质量上，北京石墨烯研究院单晶化石墨烯产品都拥有无可比拟的优势。表1 北京石墨烯研究院单晶石墨烯产品参数尺寸通过短短五个月的市场化试运行，北京石墨烯研究院的单晶石墨烯产品已收获包含军方、中车集团、新加坡国立大学等国内外50余家一流高校科研院所与企业的订单，其中超半成和异质结构、半导体材料、光电器件相关。北京石墨烯研究院的单晶化石墨烯产品，逐渐在异质集成领域崭露头角。基于强大的市场需求及核心基础地位，伴随疫情带给社会生活的巨大改变，全球都在加码发展半导体产业。“未来的变化是产业‘赛道’可能会变，新材料和新架构的颠覆性技术将成为后摩尔时代集成电路产业的主要选择。”赛迪顾问股份有限公司副总裁李珂在2021世界半导体大会上如是表示。后摩尔时代，异质集成作为绕道摩尔定律创新的途径之一，结合石墨烯等新兴光电新材料，开辟石墨烯颠覆性应用技术，为我国早日实现“中国芯”具有重要意义。

【科学背景】摩尔纹超晶格是指在两个二维材料或层状结构叠加时形成的周期性结构，能够引发出多种量子现象，如超导性和莫特绝缘体。然而，迄今为止，这些研究主要集中在范德华层材料上，其层间相互作用较弱，限制了能量调制的深度和在室温下的应用。具体而言，范德华层材料的摩尔图案受到其相对弱的范德华力的限制，这导致形成的平带对热波动和杂质非常敏感，因此在低温下观察到的平带物理现象远多于室温条件下的观察。为了克服这一限制，科学家们开始寻找更强的层间相互作用，以增加能量调制的深度，从而实现室温下的摩尔纹材料在此背景下，二维卤化物钙钛矿被提出作为一个潜在的解决方案，因其具有离子键合和更强的层间耦合能力。然而，要实现这一概念，必须克服多个技术难题。首先，传统的二维钙钛矿合成方法通常依赖于有机配体，这些配体太过庞大，阻碍了层间的电子耦合，从而不利于摩尔纹超晶格的构建。其次，控制二维钙钛矿的厚度和侧向尺寸，尤其是在特定扭角下的生长，是一项具有挑战性的工程任务。为了解决这些问题，美国普渡大学（Purdue University）Letian Dou & Libai Huang教授、中国科学技术大学张树辰，上海科技大学Yuan Lu等教授携手开发了一种新的合成方法，成功制备出无配体、超薄、大面积的二维卤化物钙钛矿晶体。这些人工扭曲的结构展现了清晰的方形摩尔纹图案，并在扭角约为10°时显示出局域的激子和电荷。通过高分辨透射电子显微镜和瞬态光致发光显微镜等技术手段，研究团队验证了这些摩尔纹超晶格的形成及其在平带物理方面的潜力。【科学亮点】（1）实验首次展示了利用超薄、无配体卤化物钙钛矿构建摩尔纹超晶格的成功尝试。此前，大面积的二维非范德华材料在控制厚度和扭角方面存在挑战，本研究通过合理的合成方法克服了这些难题，成功制备了具有方形摩尔纹图案的扭曲钙钛矿层。（2）实验通过高分辨透射电子显微镜清晰展示了这些超薄钙钛矿层的方形摩尔纹超晶格，这些结构在扭角约为10°时显现出局域的明亮激子和捕获的电荷。（3）通过扭角依赖的瞬态光致发光显微镜和电学特性表征，研究发现摩尔势阱引起的局域激子导致了显著增强的激子发射。这些结果不仅验证了理论预测的平带增加的振子强度，也展示了扭曲钙钛矿结构作为独特的室温摩尔材料平台的潜力。【科学图文】图1： 通过平衡溶液方法和表征，将RP-相二维2D钙钛矿转化为APbX3相。图2. 在钙钛矿转角层twisted perovskite layers，TPLs中的方形莫尔图案。图3. 在MAPbI3 钙钛矿转角层TPLs中，依赖于转角的激子输运和湮灭。图 4. 在MAPbI3 钙钛矿转角层TPLS中，依赖于扭转角的光致发光photoluminescence，PL发射。【科学结论】本研究揭示了扭曲的二维卤化物钙钛矿超晶格作为新兴的室温摩尔激子材料平台的潜力，通过引入超出传统范德华相互作用的离子层间耦合。这不仅拓展了摩尔材料的选择范围，还为光发射、光-物质相互作用等应用（如激子激光和激子极化子）提供了新的探索可能性。激子的增强振子强度不仅为设计能量和电荷传输功能提供了更多机会，还为太阳能电池和LED等领域的应用开发提供了潜在的技术路径。此外，通过调节阳离子和外部压力来控制层间距离，我们展示了钙钛矿结构的高度可调性，这为优化摩尔激子的定域和性质提供了有力工具。未来，进一步研究晶格松弛效应对摩尔平带稳定性的影响，并推动更完善的理论模型和改进的显微镜技术，将有助于深入理解这一新兴领域的基础物理与应用潜力。原文详情：hang, S., Jin, L., Lu, Y. et al. Moiré superlattices in twisted two-dimensional halide perovskites. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01921-0

近日, 中南大学物理与电子学院教授刘艳平、何军与美国加州州立大学北岭分校Gang Lu、澳大利亚悉尼大学刘宗文以及湖南大学潘安练、段曦东教授等国内外学者合作，在《先进材料》（Advanced Materials)上发表题为“TMDCs莫尔超晶格层间耦合效应的量子调制”的研究论文。中南大学物理与电子学院为该项研究成果的第一完成单位，博士后郑海红博士为论文第一作者，刘艳平教授为论文的通讯作者。在范德瓦尔斯材料中，层间扭曲或晶格失配可以形成莫尔超晶格(Moiré superlattices)，其周期随着扭曲角的变化而连续变化。莫尔超晶格可以产生空间周期性的莫尔势，改变材料的电子和能带结构，从而产生强相关联的量子现象，为研究多体系统的量子模拟提供了可能，促进了量子光学器件的发展。二维莫尔超晶格为探索新的强相关联的物理现象提供了一个强大的平台，这些现象都取决于界面层间耦合相关的莫尔势。目前，莫尔超晶格主要通过机械剥离技术和人工堆叠方法制备。然而，人工转移方法不可避免地造成由不纯界面引发的层间耦合在空间上的不均匀性，阻碍了对周期性莫尔超晶格物理性质及其应用的深入理解。因此，直接生长具有均匀的层间耦合和最小晶格重构的莫尔超晶格仍然是一个挑战，对莫尔超晶格的应用构成严重限制。针对这一难题，该研究创新性通过Sn原子辅助生长克服堆积自由能，并使用CVD生长技术直接制备了不同扭角的WSe2莫尔超晶格。利用低频拉曼散射光谱验证了其均匀性，证明了强的界面耦合。扭曲角为1.5°的CVD生长的莫尔结构的莫尔势比人工堆叠的更深(增加了155%)，表明界面耦合可以调节莫尔势的深度。第一性原理模拟揭示了莫尔超晶格中的平带现象，为莫尔激子的产生提供了理论基础。本研究成果提出了一种合成二维莫尔超晶格的新方法，并为设计和优化其莫尔性能提供了策略，这种新策略将有望用于量子计算、量子通讯、新型超导体等领域。研究者通过Sn原子辅助下克服堆积自由能，采用CVD生长技术制备了具有不同扭曲角的WSe2莫尔超晶格。受访者 供图据悉，“低维物理与量子器件”是中南大学物理与电子学院特色研究方向和“十四五”规划重点发展支持方向之一。此项研究得到了国家自然科学基金面上项目、湖南省自然科学基金杰出青年项目、湖南省重点研发项目、湖南省芙蓉学者特聘教授基金、中南大学创新驱动青年团队项目、中南大学高性能复杂制造国家重点实验室自主研究课题、澳大利亚ARC Discovery、博士后面上项目等多个项目的支持，并获得中南大学高性能计算公共平台在材料结构计算等方面提供的有力支持。