锶晶格钟

原子钟依靠两个能量级之间的原子振荡进行操作。在锶晶格钟里，数千个锶原子被困在一个激光光阱柱里。　　 　　美国科学家表示，这种&ldquo 锶晶格钟&rdquo 比以前的世界纪录保持者&mdash &mdash 美国国家标准与技术研究所(NIST)的量子逻辑时钟的准确度高50%。 　　新浪科技讯 北京时间5日消息，据国外媒体报道，一种打破世界纪录的新型原子钟的准确度高的惊人，它能在50亿年(比地球的年龄还要长)间不慢一秒，也不快一秒。 　　这种&ldquo 锶晶格钟&rdquo 比以前的世界纪录保持者&mdash &mdash 美国国家标准与技术研究所(NIST)的量子逻辑时钟的准确度高50%。研究人员表示，这种钟表的准确度是如此之高，它甚至能显示出重力对时间产生的影响。该钟是由美国国家标准与技术研究所和科罗拉多大学的一个科研组，在美国天文物理联合研究室(JILA)里研制的。今年年初在《自然》杂志上公布这一研究成果时，该科研组负责人叶军博士(Dr Jun Ye)说：&ldquo 我们已经打算更近一步地提高它的性能。因此从这方面来说，即使是发表在《自然》杂志里的这篇文章，也只代表着一个&lsquo 中期&rsquo 报告。在未来5到10年内，你有希望在我们的钟表研究中看到更多新突破。&rdquo 　　从稳定性方面而言，这种新钟的性能与美国国家标准与技术研究所的世界领先的镱原子钟不相上下。原子钟依靠两个能量级之间的原子振荡进行操作。在锶晶格钟里，数千个锶原子被困在一个激光光阱柱里。科学家通过让这种原子沐浴在非常稳定的红激光里，发现钟表的&ldquo 滴答声&rdquo ，每隔四百三十万亿分之一秒，钟表会发出一次&ldquo 滴答声&rdquo 。激光触发的精确频率提示着能量级之间的转换。叶军说：&ldquo 我们的目的是拥有一个非常精准的钟，它能在整个宇宙岁月里不慢一秒。&rdquo 然而该钟遇到了一个意外阻碍&mdash &mdash 地球上各个地方的时间并不是以相同的速率度过的。 　　时间度过的速度与重力(是爱因斯坦的相对论的组成部分)的强度有关，而且这是一个非常现实的影响。叶军说，如果你把一个钟表从地面上拿起来，把它悬挂在墙上，&ldquo 时间将会加快大约一千零十六分之一&rdquo 。然而这种新钟表的灵敏度足以发现这种变化。他说：&ldquo 仅把它举高几厘米，你就会看到一些变化。从这个水平来说，在地球上维持绝对时标事实上很难实现。他们打造的这种钟表，不只是看起来混乱。它正把我们的时间感变混乱。&rdquo 叶军称，解决上述问题的办法，就是把这些新钟表送入太空。

对于人们的日常生活而言，秒的精确定义将让人们享受更准确的导航服务。每当我们打开地图、“摇一摇”寻找身边的人，精确的秒定义都在发挥着作用。此外，交通、金融、电网、计算机网络、移动通信等领域的安全运行都依靠高精度的时间频率计量。你有没有想过，1秒是多久？是时钟的一次嘀嗒声，人们的一次眨眼，还是数到“1”的所用的时间？这一问题看似容易，其实并不简单。为了更精确地定义秒，全世界的科学家已经努力了多年。近日，中国科学院国家授时中心（以下简称国家授时中心）的锶原子光晶格钟的相关研究取得了重要进展。国家授时中心研制出了锶光钟，并通过守时氢钟溯源至国际原子时，实现了在现行时间单位秒定义下的锶光钟绝对频率测量，相关研究成果发表于《计量学》。重新定义“1秒”：从天文秒到原子秒我们可以通过运动来计量时间，有规律的、能够重复的周期现象是人们计量时间的重要工具。曾经，我们依赖观测天体运动定义秒。科学家们发现，日月轮换、昼夜交替具有规律性，因此便以地球的周期运动来定义秒，从而有了我们熟知的一年大约365日，1日24小时，每小时60分钟，每分钟60秒，总计一天86400秒。但由于地球公转、自转的运动速度并不均匀，于是，科学家们将目光转到了微观层面，寻找更精确稳定的周期来确定一秒有多长。“科学家们发现，微观量子世界的一些参数比天体运动更加稳定。1967年，国际单位制以铯-133原子的能级跃迁为基础，重新定义了秒，也即原子秒。”中国计量科学研究院（以下简称中国计量院）研究员林弋戈说。林弋戈告诉记者，原子的能级跃迁就是指原子从一种能量状态到另一种能量状态。在这一过程中，原子发射出的电磁波频率非常稳定，因此可以采用某些原子的跃迁频率作为时间的计量基准，从而建立原子钟。终于，1967年，第十三届国际计量大会（CGPM）决定，将秒的定义从天文秒改为原子秒，将铯-133原子无干扰的基态超精细能级跃迁对应辐射的9192631770个周期所持续的时间定为1秒。也就是说，将铯-133原子发出的辐射振动9192631770次所持续的时间定为1秒。锶光钟数据获得国际认可国家授时中心研究员常宏告诉记者，根据输出频率的范围不同，原子钟可以分为微波钟与光钟。以原子的微波波段共振频率作为时间频率基准的原子钟就是微波钟，而以原子的光学波段共振频率作为时间频率基准的原子钟则被称为光钟。据了解，光钟的工作频段比微波钟的工作频段高4到5个数量级，因此光钟可以达到比微波钟更高的精度。近日，国家授时中心完成了对其研制的锶原子光钟性能的评估确认，并在现行时间单位秒定义下对锶原子光钟的绝对频率进行了测量。这一步骤完成后，国家授时中心锶原子光钟的相关数据将作为重要的参考值上报给国际时间频率咨询委员会频率标准工作组，成为锶光钟频率国际推荐值计算所需要的源数据。“在我们的锶原子光钟研制完成后，需要将其数据纳入现行秒定义框架之下进行频率测量，来确保未来时间单位秒基于光钟重新定义时，量值保持连续。此次发表于《计量学》上的成果，代表着国际上认可了我们的锶光钟的评估和测量数据。”常宏说。这一成果的第一作者、国家授时中心卢晓同博士告诉记者，完成现行时间单位秒定义下的锶光钟绝对频率测量，主要包括两个方面的技术探索。第一是锶光钟的实现，第二是如何将锶光钟输出的光频信号溯源至现行秒定义。“研究的过程比较艰辛。”常宏说，“从研制锶光钟，到完成‘评估与认可’，国家授时中心一共花了15年。”“光钟的研制对于国家授时中心而言是全新的领域，需要非常多的专业知识，例如原子物理、激光技术、电子线路等，这些都需要知识的积累与时间的沉淀。”常宏说。常宏告诉记者，从2008年到2017年，国家授时中心的锶光钟制作完成，这台钟终于“走了起来”，但是“走起来”后，人们还需要知道光钟的频率值具体是多少。“校准”频率的研究始于2017年，近日，这台光钟实现了现行时间单位秒定义下的锶光钟绝对频率测量，数据获得了国际认可。据了解，能够成功研制光晶格钟的国家并不多，其中多数是发达国家。“现在，国内完成光晶格原子钟研制的共4家，分别是中国计量院、国家授时中心、中国科学院精密测量科学与技术创新研究院、华东师范大学。”常宏说。其中，中国计量院和国家授时中心都独立完成了光钟频率通过国际原子时溯源到现行秒定义的工作。“目前，锶光钟研究最为领先的是美国叶军团队和日本东京大学的香取秀俊研究组，我们的研究和这两个团队还有差距。但我们与法国的巴黎天文台、德国联邦物理技术研究院、英国国家物理实验室的差距正在缩小，甚至在某些方面实现了超越。”常宏说。秒定义关乎基础科学发展目前，国内多家单位都在进行光钟的研制与绝对频率测量，有些团队研制锶原子光钟，有些则研制钙离子光钟、镱原子光钟。“现在，在如何重新定义秒的问题上，国际上还没有一个共识，其中一个重要的原因就是这些光钟的表现都不错，不存在某一种原子光钟性能明显强于另一种的情况。所以，目前国际上还没有选定要用哪种光钟来进行未来的秒定义。”林弋戈说，“前两年，国际上提出了一个定义秒的新想法，是使用多种原子钟的加权平均值作为新的秒定义。所以国内做多种光钟是非常有意义的。”目前，中国计量院的锶原子光钟、中国科学院精密测量科学与技术创新研究院的钙离子光钟和华东师范大学的镱原子光钟的频率测量结果已经被国际时间频率咨询委员会频率标准工作组接受，这三所单位的测量数据参与了这几种光钟频率国际推荐值的计算。那么，为什么我们要积极研制光钟，实现更精确的秒定义呢？对于人们的日常生活而言，秒的精确定义将让人们享受更准确的导航服务。每当我们打开地图、“摇一摇”寻找身边的人，精确的秒定义都在发挥着作用。此外，交通、金融、电网、计算机网络、移动通信等领域的安全运行都依靠高精度的时间频率计量。此外，精确地定义秒还关乎基础科学的发展。“目前包括物理学研究在内的很多领域都亟待突破。而突破的发生，需要科学上或技术上其他的突破来带动。时间频率目前是人类能够测量的最准确的物理量，可以说时间频率测量能力的提升，将会带动多个研究领域的进步。”林弋戈说。例如，秒的精确定义和测量可以帮助科学家更深入地研究宇宙中的暗物质，了解发生在遥远太空中的由更小的天体并合所产生的极微弱的引力波等。“参与到国际秒定义变更中，对国家而言也意义深远。”常宏说。2022年，第二十七届国际计量大会通过“关于秒的未来重新定义”的决议——利用光钟实现时间单位秒的重新定义。该决议计划在2026年国际计量大会上提出关于秒的重新定义的建议，并在2030年第二十九届国际计量大会上做出最终决定。“我国需要让更多自己研制的光钟参与到这一工作中，在未来时间单位秒定义变更时确保我国有更多的话语权，维护国家权益。”常宏说。“我国一直在进行光钟的研究，是为了能够在秒定义的过程中作出贡献，推动科学的发展，并且在未来独立自主地复现秒定义，这一工作不仅体现了我国较高的科研水平，还能够长期、自主地保持中国标准时间的准确、稳定。”林弋戈说。

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所红外光学材料研究中心董红星研究员和张龙研究员团队在溴氯掺杂量子点自组装超晶格结构中实现稳定蓝光腔增强超荧光，并解析了量子点超晶格结构通过降低电声耦合进而抑制光致相偏析的机制。相关研究成果以“Stable and ultrafast blue cavity-enhanced superflourescence in mixed halide perovskites”为题发表于Advanced Science。 　　高质量蓝光光源受限于低的量子效率，相比于红、绿光源仍处于落后的阶段。而钙钛矿量子点体系中的腔增强超荧光是由量子耦合效应和腔光场放大的双重调制产生的超快相干光爆发，可为实现高质量蓝光相干光源提供新思路，解决传统蓝光光源效率低下的局限性。卤素掺杂是在钙钛矿量子点体系中实现蓝光发射最直接的策略。然而，由于光致卤化物相偏析引起的光谱不稳定以及量子点与光腔之间的低耦合效率，使得在这种掺杂卤化物的量子点系统中实现稳定的蓝光腔增强超荧光具有挑战性。 　　针对上述问题，研究人员通过可控自组装制备得到形貌规则、长程有序、密集排列的CsPbBr2Cl量子点超晶格微腔。在量子点超晶格中，激子离域效应可以有效地减少激子声子耦合，从而缓解光致卤化物相偏析。同时，量子点自组装超晶格微腔具有高的堆积密度、光滑表面和规则几何结构，既可以作为增益介质，也可以作为高光反馈的回音壁腔，可提高量子点与光腔之间的耦合效率。因此，这两个核心问题将在量子点自组装超晶格结构中得到解决。基于这样的卤素掺杂量子点超晶格，研究人员最终实现了具有优异光学性能的稳定蓝光腔增强超荧光。 　　该工作得到国家自然科学基金，上海市青年拔尖人才计划等项目的支持。图1(a)量子点超晶格通过减弱激子-声子耦合来缓解光致相偏析的示意图；(b)CsPbBr2Cl量子点自组装超晶格微腔在激光泵浦在产生腔增强超荧光(CESF)的示意图；(c)77K下超晶格中随功率变化的蓝光腔增强超荧光发射图，左上角为1.8Pth激发功率下的蓝光腔增强超荧光的条纹相机图像。

20世纪60年代物理学家约翰哈伯德提出的Hubbard模型是一个简单的量子粒子在晶格中相互作用的物理模型，该模型被用于描述高温超导，磁性缘体，复杂量子多体中的物理机制。Hubbard模型在二维材料中的验证可以当做是量子模拟器，用以解释强关联量子粒子中的问题。近期，美国康奈尔大学的Jie Shan课题组在《自然》杂志上发表了WSe2/WS2超晶格中的低温光电与磁光性质新进展，验证了Hubbard模型在二维材料体系中的实用性。文章通过对对角相排列的二硒化钨（WSe2）与二硫化钨（WS2）的研究，得到二维三角晶格Hubbard模型的相图。如图1a所示，由于双层WSe2/WS2的4%晶格失配而形成三角形的莫尔超晶格。通过调控双层WSe2/WS2器件的偏置电压来调控载流子浓度与填充因子，从而研究其电荷和磁性能。值得注意的是，WSe2/WS2之间的扭转角不同，两者的反射光谱展现出不同的性质（见图1d与图1e）。同时，在反射对比中观察到准周期调制，这可能与半整数莫尔代填充有关。图1. WSe2/WS2超晶格晶胞(a)，能带(b)与器件示意图(c), WSe2/WS2扭转角分别为20度（d）与60度（e）时候的反射光谱数据。 通过测量WSe2/WS2超晶格器件的电阻，作者发现当填充因子是0.5（半填充）或者1（完全填充）时，电阻变化大（见图2c），该结果表明该器件在半填充与完全填充的时候具有缘态。图2. a: 温度1.65K，WSe2/WS2超晶格反射光谱随载流子浓度调控变化图。b: 反射光谱强度与填充因子的关系图。c: 不同温度下，器件电阻与填充因子曲线(内置图，电阻随温度变化图）。图3. a: 温度1.65K，WSe2/WS2超晶格圆偏振反射光谱随磁场变化。b: 不同填充因子情况下反射光谱塞曼分裂结果。c-d: g因子随温度变化结果。在半填充状态下，左旋圆偏振与右旋圆偏振测量的WSe2/WS2超晶格反射光谱在磁场下具有不同峰位（图3a）。该峰位差即是反应了磁场引入的塞曼分裂现象。通过分析g因子随温度变化的结果，确认温度高于4K时，WSe2/WS2超晶格的磁化率与温度关系符合居里-韦斯定律（Curie–Weiss law）。对以上磁化率与温度结果的进一步分析可以证实在WSe2/WS2超晶格中Hubbard模型完全适用。文章中，作者使用了德国attocube公司的attoDRY2100低温恒温器来实现器件在低温度1.65K下通过电场与磁场调控的低温光学实验。该工作成功地表明莫尔超晶格是很好的研究强关联物理并适用Hubbard模型的平台。图4：低振动无液氦磁体与恒温器—attoDRY系列，超低振动是提供高分辨率与长时间稳定光谱的关键因素。 attoDRY2100+CFM I主要技术特点：+ 应用范围广泛: PL/EL/ Raman等光谱测量+ 变温范围：1.5K - 300K+ 空间分辨率： 1 μm+ 无液氦闭环恒温器+ 工作磁场范围：0...9T (12T, 9T-3T，9T-1T-1T矢量磁体可选)+ 低温消色差物镜NA=0.82+ 精细定位范围： 5mm X 5mm X 5mm @4K+ 精细扫描范围：30 μm X 30 μm @4K+ 可进行电学测量，配备标准chip carrier+ 可升到AFM/MFM、PFM、ct-AFM、KPFM、SHPM等功能 参考文献：[1]. Yanhao Tang et al, Simulation of Hubbard model physics in WSe2/WS2 moiré superlattices, Nature, 579, 353–358(2020)

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。

光子晶格以其特有的光子带隙能够对光子的辐射和传播行为进行精确控制。自上世纪80年代提出以来，人们在光子晶体研究方面做出了巨大努力，取得了一系列重要研究进展。但作为光子信息处理中最重要的高速与海量光子元件，由于其设计与制备上的困难，发展速度一直比较缓慢。因此，成功设计与制备功能性光子晶体对于提高光子信息传输速率与信息处理能力有重要科学意义与应用价值。 　　最近，中山大学光电材料与技术国家重点实验室周建英教授与俄罗斯莫斯科大学Tretyakov院士以及英国圣安德鲁大学Krauss教授合作，成功设计与制备了一种新型光子晶格——折射率虚部形成的光子晶格，其相关成果发表在近期的《先进材料》杂志(Advanced Materials)。 　　周建英教授设计的新型光子晶格具有奇特的光学性质：这种由在透明介质中周期性掺杂吸收材料而形成的光子晶格晶体，在偏离材料吸收峰时等同于一块结构均匀的体材料，而在特定波段和光强作用下又表现出光子晶体的性质，这种二象性在高速量子信息处理以及光子缓存等领域有广泛应用价值。 　　此成果的合作者，英国St Andrews大学的Thomas F. Krauss教授和莫斯科大学材料学院的Yuri. D. Treyakov院士为物理和材料领域的国际著名学者，他们在本项目成果的样品制备方面提供了重要的技术支持。 　　本项目成果的主要作者之一，中山大学物理科学与工程技术学院毕业的李俊韬博士已于2009年获得著名的“欧盟-玛丽居里夫人研究奖”(Marie Curie Fellowship授予世界各国取得杰出成就的青年学者)，现正在英国St Andrews大学开展相关研究。课题组的博士生毕业后分别在英国St Andrews大学，以色列魏兹曼科学研究所，香港科技大学与光电材料与技术国家重点实验室继续开展合作研究。 　　近期，由周建英教授与美国马里兰大学巴尔地摩分校Yan Li教授以及香港科技大学Kim Sin Wong教授合作的另一相关研究成果“基于相控非线性频率转化的激光光束合成技术”(《光学快报》，Optics Express, Vol. 18, p2995 (2010))，被英国物理学会(IOP)作为亚太地区物理学领域的重要研究进展与亮点予以报道。周建英教授的研究项目获得了国家自然科学基金重点项目，面上项目以及国际合作项目的持续资助。项目还获得了973国家基础研究计划的部分支持。 　　附：研究成果与论文发表 　　《先进材料》(Advanced Materials)2010, 22, 1-4，Juntao Li, Jianying Zhou, et al 　　链接：http://dx.doi.org/10.1002/adma.200903938 　　《光学快报》,(Optics Express),2010，18, 2995，Peiqing Zhang, Jianying Zhou, et al 　　链接：http://www.opticsinfobase.org/abstract.cfm?URI=oe-18-3-2995 　　英国物理学会亚太地区物理学研究亮点报道： 　　链接：http://asia.iop.org

天眼查显示，江苏鲁汶仪器股份有限公司“一种晶圆外延片表面的晶格缺陷修复方法”专利公布，申请公布日为2024年6月28日，申请公布号为CN118263091A。背景技术氮化镓基半导体材料具有带隙宽，发光效率高，耐高温以及化学性质稳定等优点，已广泛应用于固态照明、全色彩显示、激光打印等领域。氮化镓薄膜通常生长在异质衬底上，衬底和外延薄膜之间存在较大的晶格失配与热失配，一方面会导致压电极化效应，降低量子阱的发光效率；另一方面使得薄膜在沉积过程中一直受到应力的作用，导致外延片发生弯曲，翘曲甚至龟裂。在u-氮化镓生长时，由于衬底与外延薄膜之间较大的晶格失配，使得外延片受到应力的作用，产生“凹面”变形；又因为热失配的影响，使得在生长温度较低的多量子阱时，曲率绝对值不断减少甚至成为“凸面”变形。等离子体刻蚀是利用等离子态的原子、分子与材料表面作用，形成挥发性物质或直接轰击样品表面使之被刻蚀的工艺，它能实现各向异性刻蚀，即纵向的刻蚀速率远大于横向的刻蚀速率，从而保证了细小图形转移后的保真度。等离子体刻蚀中的感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术由于其控制精度高、大面积刻蚀均匀性好、污染少等优点，在半导体器件制造中获得越来越多的应用。但现有的技术中如直接采用氯基气体对氮化镓晶圆外延片进行刻蚀，会导致氮化镓外延表面的晶格缺陷层并未得到有效的去除，无法获得高均匀性与一致性的氮化镓外延片。发明内容本发明涉及半导体芯片生产领域，具体是一种晶圆外延片表面的晶格缺陷修复方法。本发明提供了一种晶圆外延片表面的晶格缺陷修复方法。本发明提供的方法使用氧化性气体如N2O或O2的等离子体对晶圆外延片表面进行处理，形成均匀的氧化层；使用氯基气体如BCl3的等离子体对氧化层表面进行处理，均匀地移除氧化表层；采用氯基气体与氟基气体的混合气体或氯基气体等离子体对材料表面进行刻蚀，能够有效地优化晶圆外延片表层外延生长过程产生的晶格缺陷或氧化斑造成的刻蚀缺陷和损伤，从而得到高均匀性与一致性的晶圆外延片；相对于现有技术，本发明的晶圆外延片表面晶格缺陷层去除效果更优。

p 　　研究人员表示，分析和设计新离子导体的新方法为可充电电池提供了关键部件。新方法的应用可能会加速高能锂电池以及其他能量存储和传输装置(如燃料电池)的发展。 br/ /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/3477e76a-b550-4f8f-87c2-f756b0769936.jpg" title=" 201803300842364192.png" / /p p 　　该图揭示了意向电池电解质材料Li 3 PO 4的晶格结构。 研究人员发现，声波能够穿过固体材料，通过声音振动可以揭示离子带电荷的原子或分子如何通过晶格移动 ，以及它们如何在电池中实际的工作原理。在该图中，氧原子显示为红色，紫色金字塔形状为磷酸盐(PO4)分子。 橙色和绿色的球体是锂的离子。 /p p 　　新方法依赖于对振动通过锂离子导体晶格方式的理解。新方法与抑制离子迁移的方式相关联。这提供了一种方法来发现具有增强离子迁移性的新材料，允许快速充电和放电。同时，该方法还可以降低材料与电池电极的反应性，材料与电池电极的反应会缩短电池的使用寿命。更好的离子迁移率和低反应性这两个特性——往往是相互排斥的。 /p p 　　这个新概念是由W.M领导的一个团队开发的。该团队包括Keck能源教授Yang Shao-Horn，研究生Sokseiha Muy，最近毕业的年仅17岁的博士John Bachman，研究科学家Livia Giordano以及麻省理工学院，橡树岭国家实验室以及东京和慕尼黑的其他9所院校人员。他们的研究结果在 Energy and Environmental Science杂志上报道。 /p p 　　Shao-Horn说，新的设计原则已经有五年的时间了。最初的想法始于她和她的团队用来了解和控制催化水分解，并将其应用于离子传导 - 这一过程不仅是可充电电池的核心，而且也是其他应用的技术关键，如在燃料电池和海水淡化系统中的应用。当带有负电荷的电子从电池的一极流向另一极(从而为装置提供电力)时，正离子以另一种方式流过电解质或夹在这些极之间，以完成流动。 /p p 　　典型地，电解质以液体形式存在时，溶解在有机液体中的锂盐是当今锂离子电池中常见的电解质。但该物质易燃，有时会导致这些电池着火。通过新方法寻找一个可靠的材料来取代锂盐将消除这个问题。 /p p 　　Shao-Horn说，存在多种有前景的固体离子导体，在与锂离子电池的正极和负极接触相比都具有不稳定性的特点。因此，寻找既具有高离子电导率又具有稳定性的新的固体离子导体是至关重要的。但是，通过对许多不同的结构族和成分进行分类，找到最有前途的结构无疑是一项大海捞针的工作。这就是新的设计原则的用武之地。 /p p 　　我们的想法是寻找离子电导率与液体相当的材料，但必须具有固体的长期稳定性。Shao-Horn说研究人员被问到“基本原则是什么”，“在一般的结构层次上，是什么设计原则来控制所需属性的”。研究人员回应理论分析和实验测量相结合的方法现在已经有了一些结果。 /p p 　　该论文的第一作者Muy说：“我们意识到有很多材料可以被发现，但是没有理解或者共同的原则让我们能够合理化发现过程。我们想出了一个可以封装我们的理解并预测哪些材料将处于最佳状态的想法。” /p p 　　Shao-Horn 说，关键是要观察这些固体材料的晶格性质。这决定了诸如热波和声子之类的振动是如何通过材料的。这种观察结构的新方法最终证明能够准确地预测材料的实际性能。一旦你知道了某物质的振动频率，你就可以用它来预测新的化学性质或解释实验结果。 /p p 　　研究人员观察到使用该模型确定的晶格特性与锂离子导体材料的导电性之间具有良好的相关性。她说，“我们做了一些实验来实验性地支持这个想法”，并发现结果非常吻合。 /p p 　　他们特别发现，锂的振动频率本身可以通过调整晶格结构、使用化学取代或掺杂剂来微妙地改变原子的结构排列来进行微调。 /p p 　　研究人员表示这个新概念现在可以提供一个强大的工具，用于开发新的性能更好的材料，从而可以大幅度提高可存储在给定尺寸或重量的电池中的功率量，并提高安全性。他们已经用这个新方法筛选出了一些新的材料。而且这些技术还可以适用于分析其他电化学过程的材料，如固体氧化物燃料电池，基于膜的脱盐系统或产生氧气的反应。 /p p 　　该团队包括麻省理工学院的张浩勋， Douglas Abernathy，Dipanshu Bansal和Oak Ridge的Olivier Delaire 东京工业大学的Santoshi Hori和Ryoji Kanno 以及宝马集团位于慕尼黑的研究电池技术公司的Filippo Maglia，Saskia Lupart和Peter Lamp。这项工作得到了宝马，国家科学基金会和美国能源部的支持。 /p p 　　文章来自azonano网站，原文题目为Design principles could point to better electrolytes for next-generation lithium batteries /p p br/ /p

瑞士洛桑联邦理工学院基础科学学院研究人员建造了第一个大型可配置的超导电路光学机械晶格，可克服量子光学机械系统的尺度挑战。该团队实现了光机械应变石墨烯晶格，并使用新的测量技术研究了非平凡的拓扑边缘状态。这项研究发表在最近的《自然》杂志上。对微机械振荡器的精确控制是许多当代技术的基础，从传感和定时到智能手机的射频过滤器。腔光力学使科学家能够利用电磁辐射压力来控制介观力学对象。这大大提高了人们对其量子性质的理解，使包括基态冷却、量子压缩和机械振子远程纠缠在内的许多进展成为可能。前沿理论研究曾预测，研究光学机械晶格有望带来大量物理学和动力学方面的创新性发现，比如量子集体动力学和拓扑现象。但要在高度可控的条件下造出这种实验性设备，构建可承载多耦合光学和机械自由度的光学机械晶格一直是个挑战。此次，研究人员开发了一种用于超导电路光学机械系统的新型纳米制造技术，该技术具有高再现性和对单个设备参数的极其严格的公差，使他们能将不同的位置设计成几乎完全相同，就像在自然晶格中一样。作为晶格单一位置的一部分，关键元件是所谓的“真空间隙鼓面电容器”，它由悬挂在硅衬底沟槽上的一层薄铝膜制成。这构成了器件的振动部分，同时形成了一个带有螺旋电感的谐振微波电路。石墨烯晶格具有非平凡的拓扑特性和局部边缘状态。研究人员在他们所谓的“光机械石墨烯薄片”中观察到了这种状态，该薄片由24个位点组成。该团队的测量结果与理论预测非常吻合，表明他们的新设备是研究一维和二维晶格拓扑物理的可靠实验平台。光机械晶格的演示不仅提供了在真实的凝聚态晶格模型中研究多体物理的途径，而且当与超导量子比特相结合时，还有望带来一种新型混合量子系统。

锑化物超晶格红外探测器具有均匀性好、暗电流低和量子效率较高等优点，其探测波长灵活可调，可以覆盖短波至甚长波整个红外谱段，是实现高均匀大面阵、长波、甚长波及双色红外探测器的优选技术，得到了国内外相关研究机构的关注和重视，近年来取得了突破性的进展。中国科学院上海技术物理研究所科研团队介绍了InAs/GaSb超晶格红外探测器的技术特点和发展历程，并对后续发展趋势作了初步的展望和探讨。相关研究内容以“锑化物超晶格红外探测器研究进展与发展趋势”为题发表在《红外与激光工程》期刊上。InAs/GaSb超晶格红外探测器的技术原理和特点超晶格是由两种晶格匹配良好的半导体材料交替重复生长而形成的周期性结构，每一层的厚度通常在纳米尺度。根据组成材料相互间能带排列特点，超晶格一般分为I类超晶格和II类超晶格。在III-V族化合物半导体中，InAs、GaSb、AlSb之间可组成不同类别的能带排列，GaSb/AlSb组成I类能带排列，InAs/GaSb、InAs/AlSb组成II类能带排列。特别的，InAs导带底能量比GaSb价带顶能量低约150 meV，当InAs和GaSb结合时，两者形成“破隙型”II类能带排列，电子被限制在InAs层中，而空穴被限制在GaSb层中。当两者组成超晶格时，相邻InAs和GaSb层中电子和空穴会由于相互作用分别形成电子微带和空穴微带，如图1所示。图1 InAs/GaSb超晶格能带简图电子微带与空穴微带的能量差即为超晶格的有效禁带宽度，随着InAs层和GaSb层厚度的改变而改变。对InAs/GaSb II类超晶格的能带结构进行计算和模拟，可以获得超晶格材料光电特性等信息。图2是InAs/GaSb超晶格的截止波长随InAs厚度变化关系，通过改变InAs层的厚度，可以调节超晶格的截止波长，实现短波红外、中波红外和长波红外等不同谱段的红外探测。图2 InAs/GaSb II类超晶格截止波长随InAs厚度变化关系（GaSb厚度为2.1 nm）总体来说，InAs/GaSb超晶格红外探测技术具有如下特点：1）改变周期厚度可以调节InAs/GaSb超晶格的禁带宽带（响应截止波长），因此，可以通过结构设计来灵活调节超晶格探测器的光电响应特性，响应波段可以覆盖短波至甚长波的整个红外谱段，并实现多色探测。2）InAs/GaSb超晶格结构可以吸收垂直入射光。理论计算表明，InAs/GaSb超晶格可达到与HgCdTe材料相当的吸收系数，因此具有较高的量子效率。3）在InAs/GaSb超晶格结构中，由于轻、重空穴带的分离，抑制了Auger复合速率。在理论上，InAs/GaSb超晶格比HgCdTe具有更高的探测率。4）相比HgCdTe材料，InAs/GaSb超晶格有更大的有效质量，有助于抑制长波探测器的隧穿暗电流。5）现代材料生长技术，如分子束外延技术，可以在单原子层精度上控制材料的生长，十分有利于材料性能的可控性、稳定性和可重复性。6）InAs/GaSb超晶格是III-V族化合物半导体材料，材料生长与器件工艺较为成熟，有利于实现大规格、高均匀性焦平面器件。锑化物超晶格焦平面探测器发展历程技术孕育阶段（20世纪80年代—21世纪初）该阶段主要是超晶格红外探测技术概念的提出、超晶格探测器性能的理论计算分析、超晶格材料外延生长和基本光电特性研究，初步证实了超晶格材料具有优良的红外探测性能。超晶格概念是20世纪70年代美国国际商用机器（IBM）公司的江琦、朱兆详等人提出的，指出电子在沿超晶格材料生长方向运动将受到超晶格周期势的影响，形成与自然界材料性能迥异的特性，分子束外延技术的发展又允许人们生长出高质量的超晶格材料。1977年，江琦、朱兆祥等人又提出了锑化物（InAs/GaSb）II类超晶格的概念。技术突破阶段（21世纪初—2010年）该阶段主要聚焦于突破高性能焦平面器件制备的关键技术。采用先进的异质结构抑制超晶格长波探测器的暗电流；研究超晶格材料的刻蚀和侧壁钝化技术，制备出超晶格面阵器件。长波探测是超晶格技术发展的一个重要方向，而降低暗电流是长波红外探测器研究工作的一个重要内容。对于锑化物超晶格探测器，利用其灵活的能带结构调节能力以及分子束外延低维材料生长能力，国外各研究机构设计、制备出了多种宽禁带势垒的探测器结构来抑制暗电流，如pπMn结构、CBIRD结构、nBn结构等。上述不同结构的基本思想是利用宽禁带势垒层与吸收区形成异质结，从而达到抑制产生-复合电流的效果。像元台面刻蚀与侧壁钝化是超晶格焦平面制备研究的一个重要内容。在台面侧壁，由于半导体周期性晶格结构的突然中断，会引起能带在表面的弯曲，从而使得接近表面的半导体层内形成电荷累积，甚至引起表面反型，这会导致在表面形成导电通道。另外，在刻蚀等工艺过程中产生的损伤、沾污或者氧化物等也可能引起表面势能的变化，在带隙内形成载流子陷阱，增加隧穿电流。随着超晶格探测器结构的不断优化，器件制备工艺水平的提升，基于高质量分子束外延超晶格材料，结合前期建立的红外焦平面技术（如读出电路、铟柱混成互联等），相关研究机构相继研制出了320×256、640×512、1024×1024等不同规格的超晶格红外焦平面。双色或多色探测器具备多谱段探测能力，可显著提升识别距离、抗红外干扰与抗伪装能力，是新一代焦平面探测器重点发展方向之一。锑化物超晶格材料能带灵活可调及宽谱响应的特性，使得其成为制备双色、多色探测领域的优选技术。各研究机构先后报道了基于该材料体系的中/中波、中/长波、长/长波双色焦平面探测器。技术发展阶段（2010年—至今）超晶格焦平面制备能力的提升在相关政府机构的支持下，西方技术先进国家突破了超晶格结构设计、材料生长、芯片制备工艺等关键技术，多家研发机构先后获得高性能的超晶格长波大面阵器件和双色焦平面器件。这些成果的取得也使人们充分认识到超晶格技术在红外探测领域的意义和价值。在此基础上，2011年，美国启动了“重要红外传感器技术加速计划（VISTA）”，这是一个由政府主导的，包括JPL、MIT林肯实验室、Sandia国家实验室、海军实验室等研究结构，以及休斯实验室、洛克-马丁公司、L3辛辛那提电子公司等行业领先公司的联合体，技术链涵盖了衬底制备、超晶格材料外延生长、焦平面芯片制备工艺、读出电路设计、超晶格组件集成等。在5年时间内，VISTA计划在高性能长波、中长波双色、超大面阵焦平面、高温工作（HOT）焦平面器件等多方面获得了进一步的发展。图3 （a）超晶格5 μm像元尺寸的SEM照片，（b）超晶格中波红外焦平面在160 K和170 K工作温度下成像示意图，（c）超晶格中长波双色野外成像图超晶格焦平面的工程应用随着制备能力和探测器性能的不断提高，超晶格红外焦平面开始了应用试验。2005年，德国IAF和AIM公司研制的中/中波超晶格双色焦平面探测器应用于欧洲大型运输机Airbus A400 M的多色红外预警系统（MIRAS）。图4 非洲某地区的可见（来源谷歌地图）和CTI红外成像图片（来自美国NASA国际空间站拍摄），Band 1为中波红外图像，Band 2为长波红外图像锑化物超晶格探测器的展望与思考碲镉汞是当前最成功的红外探测材料，其响应波段可以覆盖短波至甚长波的整个红外谱段，具有高的吸收系数和量子效率。由于碲镉汞非常低的肖特基-里德-霍尔（SRH）复合速率，少子寿命长，暗电流低，可以实现高性能红外探测器。碲镉汞的挑战主要来自于材料生长、芯片制备工艺等方面难度大及由此而带来的成品率和制备成本等问题。InAs/GaSb超晶格在谱段覆盖性方面和碲镉汞一样可以在短波至甚长波整个红外谱段内调节。与碲镉汞相比，超晶格红外探测器在量子效率和少子寿命还需要进一步的提升。但另一方面，InAs/GaSb超晶格属于III-V族化合物半导体，其物理化学性质较为稳定，超晶格焦平面在空间均匀性、时间稳定性等方面具有优势，同时，超晶格在材料、芯片的制备技术方面也具备更好的可控性。近年来，InAs/GaSb超晶格红外探测器取得了飞速的发展。在国外，超大规格、高像元密度、高温工作中波焦平面、高性能长波红外焦平面及双色焦平面等已先后获得突破，超晶格探测器也已初步获得航天应用。国内自“十二五”布局开展锑化物超晶格红外探测技术研究，相关研究单位先后在超晶格长波焦平面技术、双色焦平面技术等方面取得突破，初步形成了超晶格材料外延生长、芯片制备等技术能力和平台。后续，超晶格红外探测技术将在进一步提升材料基本性能（量子效率、少子寿命）的基础上，发展大规格和超大规格红外焦平面，高像元密度焦平面，甚长波和双色、多色探测器，高工作温度红外焦平面等。提升超晶格材料基本性能在少子寿命方面，在超晶格中，轻、重空穴带的分离抑制了俄歇复合过程，因此，理论上超晶格的少子寿命可以比碲镉汞更长。但目前InAs/GaSb超晶格的少子寿命一般小于100 ns，与碲镉汞相比有很大的差距，这主要是由于超晶格材料存在较强的SRH复合。InAs/InAsSb超晶格因表现出了更长的载流子寿命而颇受关注，但对于相同的探测波长，InAs/InAsSb超晶格的吸收系数较小；同时，InAs/InAsSb超晶格的空穴迁移率和扩散长度也较小。另一种新型超晶格材料——晶格匹配 InAs/GaAsSb超晶格展现出了优良的光电性能，计算表明，对于相同的探测波长，InAs/GaAsSb超晶格具有与InAs/GaSb超晶格相似的吸收系数。在量子效率方面，由于在超晶格中电子和空穴分别位于InAs和GaSb层中，吸收系数的大小与电子波函数和空穴波函数的交叠积分相关，从而导致器件的量子效率随波长增大而下降。目前中波红外超晶格探测器的量子效率可以实现70%~80%，长波器件的量子效率约30%~40%。提升长波、甚长波超晶格焦平面器件的量子效率是一个重要的研究课题。近年来，采用超表面微纳光子结构提升器件量子效率成为一个有效途径。与探测器集成的微纳光子结构主要包括一维、二维光子晶体、光栅、汇聚透镜、微腔结构等。近年来，美国麻省理工学院、空军实验室、JPL等在该方面开展研究并取得了较好的成果。超晶格红外焦平面发展趋势展望在焦平面器件发展趋势方面，将充分利用超晶格自身技术优势，发展高像元密度大面阵探测器、甚长波探测器、双色和多色探测器、高工作温度探测器及新型雪崩探测器等。在高像元密度大面阵器件发展方面，国际上超晶格外延材料尺寸已经达到6 in（1 in=2.54 cm），正向更大晶圆发展；像元尺寸已缩小至5 μm，最大规格达到6 K×4 K。国内已具备4~6 in超晶格外延材料生长和锑化物半导体探测器芯片制备能力，在小像元尺寸的台面芯片制备方面也具有技术基础。在甚长波红外探测器方面，关键在于降低器件暗电流，红外探测器的暗电流与少子寿命密切相关。因此，提升超晶格材料的少子寿命是一个重要的研究课题。晶格匹配InAs/GaAsSb新型超晶格材料有助于降低材料的深能级缺陷，从而提升少子寿命。降低器件暗电流的另一途径是运用InAs、GaSb、AlSb等材料间多样的能带排列方式，灵活设计出先进的抑制暗电流器件结构。最近，国外报道了14 μm超晶格甚长波焦平面探测器，采用先进势垒设计结构，大大地抑制了器件的暗电流。在实现高温工作超晶格红外探测器的研究方面，主要集中在设计和制备各种具有暗电流抑制功能的异质势垒结构器件。国外研究机构采用nBn等异质势垒结构，很好地将超晶格中波红外探测器的工作温度提升至150 K以上。在国外，高温工作的超晶格中波红外焦平面已经显示出了替代传统InSb器件的趋势。实现双色或多色探测是超晶格发展的一个重要发展方向。超晶格主要采用改变材料周期厚度来调节响应波长，采用分子束外延技术，只要改变InAs、GaSb单层的生长时间（改变层厚）就可以获得不同响应波长的超晶格材料，因此非常容易在一次外延生长过程中集成两个甚至多个响应不同波长的探测器材料结构。近期研究结果也表明，超晶格是实现双色或多色探测的优先技术。在新型探测器方面，锑化物超晶格雪崩探测器（APD）近年来也备受关注。美国伊利诺斯大学研究发现，InAs/GaSb超晶格的空穴/电子碰撞电离系数比可以近似为零，研制的电子雪崩型器件的增益为300时，过剩噪声因子小于1.2。该团队与美国雷神公司合作研制的电子雪崩型超晶格APD，在增益为500时，过剩噪声因子仍旧保持在接近于1的水平，表现出了极低的雪崩噪声特性。结论这项研究简要介绍了锑化物超晶格红外探测技术的技术特点、发展历程及其发展趋势。自InAs/GaSb超晶格红外探测器的设想被提出后，30多年来，通过结构设计优化和制备技术提升，国内外研究结构先后获得了一系列的大面阵、高温工作、长波、多色红外探测器，超晶格红外焦平面也表现出了高均匀性、高稳定性、高制备可控性等优势，并且在红外遥感成像等航空航天领域得到应用。今后，超晶格红外焦平面将向着更高的像素密度、更大的规格、更高的工作温度、甚长波、双色（多色）、雪崩器件等方向发展。

【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

【科学背景】随着纳米技术的进步，磁性薄膜的研究成为了一个长期关注的课题。这些薄膜的厚度在纳米尺度，显示出了与其厚度密切相关的独特磁性特性。临界行为理论预言，随着薄膜厚度的减小，磁相变温度会显著降低，这在多个研究案例中得到了观察。特别地，在二维极限下，Mermin和Wagner提出了在有连续旋转对称性的模型（如Heisenberg或XY自旋哈密顿量）中，长波长波动会在有限温度下完全抑制长程磁序的理论。然而，这一预测严格适用于热力学极限，即无限大侧向尺寸的样品。对于有限尺寸的实验室样品，这一预测的适用性则引起了广泛的讨论。近年来，磁性van der Waals材料的发现为研究厚度达到单层的磁性材料提供了新的平台。例如，对于反铁磁NiPS3材料的研究表明，当其厚度为两层或更多时，反铁磁序在单层样品中则被抑制，这与Mermin-Wagner定理的预测一致。然而，由于单层样品的侧向尺寸较小，磁性的直接探测成为了一个挑战，通常通过间接方法如Raman光谱学来实现。为了深入理解在超薄膜中的磁性行为，马萨里克大学科M. Kiaba教授团队选取了反铁磁LaFeO3和非磁性SrTiO3层构成的超晶格作为研究对象，这些材料可以通过先进的沉积技术精确控制其结构。LaFeO3作为典型的钙钛矿反铁磁绝缘体，在室温下具有稳定的反铁磁序，这使其成为理想的研究对象。作者利用了脉冲激光沉积技术制备了具有1-3单层LaFeO3和5单层SrTiO3的超晶格样品，并通过低能缪子自旋转动光谱学进行了详尽的磁性研究。实验结果首次展示了在超薄LaFeO3层的不同厚度下，其磁性质的显著变化。具体地，作者观察到当LaFeO3层厚度为三个或两个单层时，其电子磁矩表现出静态的反铁磁序。相反地，在单层LaFeO3样品中，磁矩没有长程有序，符合Mermin-Wagner定理的预期。这些发现不仅深化了作者对超薄膜中磁性行为的理解，还为调控这些材料的磁性特性提供了新的视角和方法。【科学亮点】（1）实验首次探索了在超薄LaFeO3/SrTiO3超晶格中的磁性特性，利用了低能缪子自旋转动光谱学作为敏感的磁性探针。（2）实验结果如下：&bull 制备了具有1-3单层LaFeO3和5单层SrTiO3的超晶格，侧向尺寸为10×10 mm² ，并且展示了高结构质量和界面锐利度。&bull 通过X射线衍射谱确认了超晶格的完整性和结构特征，验证了层间扩散水平极低。&bull 使用低能缪子自旋转动光谱学成功测量了超薄LaFeO3层的磁性行为，表明在具有3和2层LaFeO3的超晶格中，铁电子磁矩表现出静态的反铁磁序。&bull 对单层LaFeO3超晶格的研究显示，磁矩不会有序，而是在最低测量温度下符合Mermin-Wagner定理的预期，表现出波动行为。【科学图文】图1. 超晶格的结构表征。图2. 零场缪子自旋转动。图3. 磁体积分数和Néel温度。图4. 静态和动态磁性的区分。【科学结论】总之，缪子自旋转动数据在零场、横场和纵场中一致显示出以下结果：(i) m = 3 和 m = 2 超晶格表现出长程反铁磁序，其Néel温度分别为175 K 和 35 K；(ii) m = 1 超晶格的磁性质与之有显著区别，没有长程序，直至最低测量温度5 K；(iii) 在这个温度下，电子磁矩表现出波动而非静态无序。这些发现指向了一个维度磁性的交叉点，对于单层铁氧化物的超晶格，由于长波长自旋波动的增强，静态反铁磁序被消失，符合Mermin-Wagner定理的预期。然而，需要注意的是，作者的结果并不完全与Jenkins等人的工作11存在显著分歧，他们预测在二维有限尺寸的实验室样品中磁序的稳定，因为 (i) 他们的计算是针对比作者样品小四个数量级的系统进行的，而 (ii) 作者的m = 1 超晶格在当前低能缪子自旋转动仪器中可以达到的最低温度为5 K，存在在更低温度下可能存在静态序的可能性。参考文献，Kiaba, M., Suter, A., Salman, Z. et al. Observationof Mermin-Wagner behavior in LaFeO3/SrTiO3 superlattices. Nat Commun 15, 5313 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-49518-0.

一、项目编号：ZB0107-202212-ZCHW0954（招标文件编号：ZB0107-202212-ZCHW0954）二、项目名称：武汉大学高分辨离子淌度质谱仪、冷冻光电联用系统、晶格层光显微成像系统、三重四级杆液质联用仪采购项目三、中标（成交）信息供应商名称：上海同霖进出口有限公司供应商地址：上海市静安区曲阜路123弄30号2602室中标（成交）金额：845.0000000（万元） 供应商名称：武汉脑赛思仪器设备有限公司供应商地址：武汉东湖新技术开发区光谷三路777号自贸生物创新港B区（生物医药平台检验研发楼）N807-808室（自贸区武汉片区）中标（成交）金额：598.8000000（万元） 供应商名称：广东省中科进出口有限公司供应商地址：广东省广州市越秀区先烈中路100号大院9号102房自编A一楼中标（成交）金额：898.0000000（万元） 供应商名称：武汉贝徕美生物科技有限公司供应商地址：洪山区珞狮路362号湖北农业科技大楼8楼801室中标（成交）金额：380.5000000（万元）四、主要标的信息序号 供应商名称 货物名称 货物品牌 货物型号 货物数量 货物单价(元) 1 上海同霖进出口有限公司 高分辨离子淌度质谱仪 Bruker/德国 timsTOF HT 1套 / 序号 供应商名称 货物名称 货物品牌 货物型号 货物数量 货物单价(元) 2 武汉脑赛思仪器设备有限公司 冷冻光电联用显微镜系统 Carl Zeiss Microscopy Gmbh/德国 Crossbeam 350 满足招标文件要求 / 序号 供应商名称 货物名称 货物品牌 货物型号 货物数量 货物单价(元) 3 广东省中科进出口有限公司 晶格层光显微成像系统 AB SCIX(Distribution）新加坡 QTRAP 6500+ 1套 / 序号 供应商名称 货物名称 货物品牌 货物型号 货物数量 货物单价(元) 4 武汉贝徕美生物科技有限公司 三重四级杆液质联用仪 Carl zeiss microscopy gmbh/德国（耶拿） Lattice lightsheet7 1套 /

【科学背景】氮化镓（GaN）是一种重要的半导体材料，其在蓝光发光二极管等领域的广泛应用使得其成为了研究的热点。然而，尽管镁（Mg）掺杂对于实现p型GaN的成功合成至关重要，但GaN和Mg之间的相互作用细节仍然是未知的。这导致了在利用GaN进行掺杂和构建半导体器件时存在诸多挑战，尤其是关于提高载流子迁移率的问题。为了应对这一挑战，日本名古屋大学（Nagoya University）Jia Wang，Hiroshi Amano等研究者提出了一种全新的方法：通过在大气压下对镁薄膜和GaN进行退火，实现了单原子镁片自发插入到GaN中，形成了二维Mg插层GaN超晶格结构。这一方法为实现高弹性应变的GaN提供了可能，从而改变了其电子能带结构，极大地增强了其载流子传输性能。此外，这项研究还揭示了插层Mg对GaN极性的独特调控效应，为半导体掺杂和材料工程领域带来了新的思路和方向。【科学亮点】（1）本研究首次观察到在大气压下退火镁薄膜在GaN上的情况下，形成了Mg插层GaN超晶格结构，这标志着二维金属插层到体块半导体的首次实例。这一现象被称为2D-Mg掺杂。（2）通过高角度暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）成像技术，作者逐步放大的图像揭示了Mg插层GaN超晶格结构的复杂细节。每个连续的Mg插层片具有数十纳米的直径，并且每对Mg插层之间观察到5-10层GaN。进一步的原子分辨集成差分相位对比（iDPC）-STEM成像证实了插层片由单原子层组成，而能量色散X射线光谱（EDS）和元素分布图证实了这一单层完全由Mg组成。（3）此外，插层Mg（Mgi）到原子片中的分离不会破坏六角形GaN的原始晶格对称性。具体地，每个Mg原子被六个N原子包围，占据八面体间隙位，形成了ABCAB注册，而相邻的GaN层则遵循ABAB堆叠序列。这一结构的形成导致了在插层层之间垂直方向上的实质性单轴压应变，超过了薄膜材料中记录的最高值之一。【科学图文】图1：Mg插层的GaN超晶格。图2. 2D-Mgi插层片诱导的极性转变。图3. 在间隙插层的GaN超晶格MiGs纳米结构中，高单轴压缩应变。图 4：n型和p型GaN上，GaN超晶格MiGs电学性质。【科学启迪】本研究揭示了一种全新的现象，即在大气压下，通过在漏磁性氮化镓（GaN）表面退火镁（Mg）薄膜，自发形成了Mg插层GaN超晶格结构。这一发现开辟了一条新途径，可以将二维金属插层到体块半导体中，从而为材料科学和纳米技术领域提供了全新的研究方向。此外，通过对Mg插层GaN超晶格结构的详细表征，作者发现了这种结构具有极高的单轴压应变，超过了薄膜材料中记录的最高值之一。这为弹性应变工程提供了新的可能性，有望在半导体器件设计和制造中发挥重要作用。、另外，Mg插层还导致了GaN极性的周期性转变，并产生了极化场诱导的净电荷，这为半导体掺杂和导电性增强提供了新的思路。原文详情：Wang, J., Cai, W., Lu, W. et al. Observation of 2D-magnesium-intercalated gallium nitride superlattices. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07513-x

光子晶体又称光子禁带材料。从结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体，其物理思想可类比半导体晶体。通过设计，这类晶体中光场的分布和传播可以被调控，从而达到控制光子运动的目的，并使得某一频率范围的光子不能在其中传播，形成光子带隙。 光子晶体中介质折射率的周期性结构不仅能在光子色散能带中诱发形成完整的光子带隙，而且在特定条件下还可以产生一维（1D）手性边界态或具有Dirac（或Weyl）准粒子行为的奇异光子色散能带。原则上，光子晶体的概念也适用于控制“纳米光”的传播。该“纳米光”指的是限域在导电介质表面的光子和电子的一种耦合电磁振荡行为，即表面等离子体激元（SPPs）。该SPP的波长，λp，相比入射光λ0来说多可减少三个数量。如果要想构筑纳米光子晶体，我们需要在λp尺度上实现周期性介电结构，传统方法中采用top-down技术来构建纳米光子晶体，该方法在加工和制造方面具有较大的限制和挑战。 2018年12月，美国哥伦比亚大学D.N. Basov教授在Science上发表了题为Photonic crystals for nano-light in moiré graphene superlattices的全文文章。研究者利用存在于转角双层石墨烯结构（twisted bilayer grapheme, TBG）中的莫尔（moiré）超晶格结构，成功构筑了纳米光子晶体，并利用德国neaspec公司的neaSNOM纳米高分辨红外近场成像显微镜研究了其近场光导和SPP特性，证明了其作为纳米光子晶体对SPP传播的调控。 正常机械解理的双层石墨烯是AB堆叠方式，但是，当把其中的一层相对于另一层旋转一个角度，就会形成AB和BA堆叠方式相间排列的莫尔超晶格结构，AB畴区和BA畴区之间是AA堆叠方式的畴壁，如图例1A所示。如果通过门电压对该双层石墨烯施加一个垂直电场，会在AB畴区和BA畴区打开一个带隙，从AB畴区到BA畴区堆叠次序的反转连同能带结构的反转则会在畴壁上形成拓扑保护的一维边界态，如图例1C。一维边界态的存在会使得畴壁上光学跃迁更加容易，表现为畴壁上增强的光导能力。研究者通过德国neaspec公司的neaSNOM高分辨率散射式近场红外光学显微镜对样品进行近场纳米光学成像，在近场光学振幅成像中观察到了转角双层石墨烯上六重简并的周期性亮线图案，成功可视化了这种光导增强的孤子超晶格网络。从近场光学振幅成像上可以看到孤子超晶格周期长度大约为260nm，据此，研究者推断对应的转角大约为0.06°。 图例1：散射式近场光学显微镜（neaSNOM）对转角双层石墨烯（TGB）进行近场纳米光学成像研究的结果。A:实验示意图（AB,BA,和AA表示石墨烯不同堆叠类型）；B：近场纳米光学振幅成像及TEM图；C:畴壁上电子能带结构。 不仅孤子超晶格的周期性和等离激元的波长相匹配，而且之前的研究表明，双层石墨烯中的孤子对SPP具有散射行为，转角双层石墨烯中规律的孤子结构所形成的周期性散射源恰好满足了作为纳米光子晶体的条件。接下来研究孤子超晶格对SPP的光子晶体效应，实验中研究者利用neaSNOM近场光学显微镜的针作为SPP发射源，并通过改变门电压和入射光波长改变SPP的波长，在该器件上同时得到了两组近场光学振幅图和相位图(如图例2B和2C)。从图中可以看到，λp=135 nm和λp=282 nm的情况下，近场光学振幅图和相位图表现出截然不同的周期性明暗图案，这种周期性明暗分布正是SPP在孤子超晶格传播过程中干涉效应的显现，近场光学振幅图、相位图和理论计算结果显示出的吻合性。对近场光学成像的傅里叶变换使得研究者可以进入动量空间研究其光子能带结构，结合模拟计算，对光子能带结构的研究表明，虽然孤子对SPP的散射较弱，还不足以形成纳米光学带隙，但是转角双层石墨烯中SPP的传播毫无疑问符合纳米光子能带色散行为。 图例2：散射式近场光学显微镜（neaSNOM）研究石墨烯超晶格中等离激元（SPP）传播近场光学成像结果。A,C: 通过改变门电压和入射光波长，λp分别为135nm和282nm下近场光学成像结果（同时获得近场光学振幅成像和相位成像）；B,D: 模拟计算结果。 在该项工作中，研究者利用转角双层石墨烯设计实现了石墨烯SPP纳米光子晶体，并利用德国neaspec散射式近场光学显微镜从几个途径进行了研究。先，畴壁区域增强的光导响应来源于孤子的一维拓扑边界态，neaSNOM近场光学显微镜以高的分辨率可视化了孤子超晶格网络。其次，双层石墨烯纳米光子晶体的主要参数（周期性、能带结构）可以通过改变转角角度和静电场等实现连续调控，这可以突破标准top-down或光刻等技术来构筑纳米光子晶体的限制和挑战。在电中性点附近，孤子被预言具有拓扑保护的一维等离激元模式，此时，双层石墨烯纳米光子晶体作为一维等离激元的二维网络载体，可能会展现出很有意思的光学现象。 特别值得指出的两点是：1. 即使研究者通过0.06°的超小转角制造了高达260nm的孤子超晶格周期长度，如果没有neaSNOM近场光学显微镜高的空间分辨率（取决于针曲率半径，高可达10nm），清晰地看到孤子超晶格网络依然是非常困难的。2. neaSNOM近场光学显微镜具有的伪外差相位解调模块，可以同时实现高信噪比下的近场光学信号振幅成像和相位成像。该项工作中实验结果和模拟计算结果的吻合很好地证明了这一点。作为二维材料纳米光学领域为专业的研究工具，neaspec近场光学显微镜已经助力国际和国内多个研究机构在为的杂志发表了诸多研究成果。不仅是在纳米光学成像领域，neaspec开放兼容的设计使得它在纳米傅里叶红外光谱（nano-FTIR）、太赫兹（THz）、拉曼、荧光、超快、光诱导等多个领域均有广泛应用。

近日，浙江焜腾红外技术股份有限公司（以下简称“焜腾红外”）通过持续的技术投入和研发试制，迎来了国产化替代的又一重要新成就：在二类超晶格（T2SL）材料技术优势基础上进一步深耕，往更长波方向迈进。该制冷型红外焦平面热成像探测器在覆盖普通长波的基础上，将波长延伸至11 μm-12 μm，正式推出器件覆盖10.3 μm-10.7μm波段，涵盖320 × 256和640 × 512二种面阵规格。该探测器可实时快速精准定位有害气体六氟化硫（SF6）的泄漏位置，并具有呈现高量子效率、高清晰度、高灵敏度、高精确度的气体泄漏热像视图的优势。二类超晶格六氟化硫（SF6）红外热成像探测器作为大气环保监测的一个有效手段，六氟化硫（SF6）气体红外热成像探测器可广泛应用于能源电力、环保监测、石油化工、船舶运输等领域，特别适用于电力行业中大型变电站的主变压器故障监测，变电站主变压器一旦出现故障，会泄漏六氟化硫（SF6）有害气体，如何通过远程非接触式的方式去判断SF6有害气体泄漏，一直以来都是行业难题。六氟化硫（SF6）气体红外探测器作为一种比较行之有效的监测手段，其核心探测器多年来一直靠进口国外厂家的产品来满足。之前国内生产的SF6热成像仪中使用的探测器一直是通过进口的量子阱（QWIP）探测器来实现。此次焜腾红外突破技术壁垒，利用其二类超晶格技术优势，攻克了这一技术难题，实现了核心材料和技术的全新国产化替代。同时，焜腾红外也是行业内全球第一家推出二类超晶格技术的六氟化硫（SF6）气体红外热成像探测器的企业，可谓国产化替代的又一里程碑！接下来，焜腾红外将持续提升产品技术优势，与行业内优秀的红外热成像整机厂商一起为电力设备故障监测及其他领域的有害气体监测提供有效的技术手段，用焜腾造中国“芯”武装这一领域的仪器与设备！关于焜腾红外焜腾红外成立于2017年9月，是国内仅有的几家集生产与研发制冷型红外探测器及激光芯片的国家高新技术企业，建有浙江省高新技术研发中心，2022年入选国家级第四批“专精特新小巨人企业”。多年来公司专注于红外探测芯片材料、器件、测试、封装等关键技术的研发，致力于Ⅱ类超晶格红外探测器的国产化研发生产与产业化应用，在大气环境监测、环保治霾等民用领域实现批量化应用，为实现碳达峰碳中和国家战略提供了有效的技术手段。

超材料是经过精心构造的材料；它们通常由周期性排列放置的单元块组成。这些材料所表现出的特性和功能与其组成材料有所不同，它们不仅仅是结合了其组成材料的特性和功能，还能形成一些由结构影响的独特性能。其中，机械超材料是一类人为设计的微观物理结构组成的、具有特殊机械性能的超材料。由于其在结构设计、尺寸和材料组件方面的可调整性，机械超材料为改善材料的机械行为和特性提供了新的机会，并为各种领域提供了多功能应用的潜质。过去的几十年中，人们不断地在追求材料的轻质化和高性能。一些报道指出简单立方（SC）板晶格在纳米尺度上可以达到力学性能的理论极限，这种板晶格机械超材料由于其理论上优异的机械特性和可人工调节设计的低密度而逐渐受到人们的关注。但是此类复杂结构的研究在过去一直受到制造技术的限制，因此新型3D打印技术的出现使得对这种晶格结构的深度研究成为可能。近期，新加坡南洋理工大学Prof. Hu Xiao团队提出了利用微立体光刻技术（PμSL），采用新型面投影微立体光刻设备（nanoArch S140, 摩方精密BMF）来打印高精度的立方板晶格结构，并成功制备出微米级到厘米级的简单立方晶格结构。该团队研究了打印模型的单元数量、开孔直径等对压缩性能的影响，并且将打印出来的结构与其他目前报道的机械超材料等进行了压缩性能的比较。结果表明，增加单元数量可显著提高抗压强度和能量吸收能力，打印的立体板晶格结构的比能量吸收能力甚至可以超过不锈钢晶格结构和目前文献报道过的其他聚合物晶格材料。图 1.（a）以往文献中使用的理想单元板晶格模型。（b） 本工作中使用的理想板晶格单元。（c） 修改后带孔的可打印立方板晶格单元。（d） 实验样品Cubic444-0.5mm。（e）有限元模拟von Mises带孔板晶格的压缩-Cubic444-0.5mm。（f） PμSL打印技术示意图。该研究中，简单立方晶格模型的理想化单元设计以及修饰后带孔单元的设计如图1 (a)-(c)所示。打印后的一组4*4*4的模型如图1 (d)所示，是一边长为1厘米的立方块，里面整齐堆垛了64个立方晶格单元，除此之外，还打印了另外两组：8*8*8，12*12*12的立方晶格结构。打印出来的所有样品都与设计的模型高度相似，具有非常高的打印精度，其中最薄的壁厚甚至能达到80微米。为了评估打印好的晶格模型的压缩性能，对所有晶格结构做了压缩测试。图2展示了压缩后立方晶格的刚度、强度、能量吸收能力与晶格结构的立方单元边长孔径比之间的关系。图 2.（a） d/l = 0.4时的立方板晶格的实验压缩应力-应变曲线。（b） 立方板晶格的压缩刚度与 d/l的关系拟合曲线。（c）立方板晶格的压缩强度吸收与 d/l的关系。（d） 立方板晶格的压缩能量与 d/l的关系。结果表明，在d/l = 0.4时观察到的强度变化是由于样品从正常结构到超材料结构的力学行为的巨大差异。当 d/l 很小 （d/l 30%）的样品。偏离拉伸主导行为的结果可以在图2d的能量吸收结果中看到。Cubic 444样本组具有低能量吸收值，对应于拉伸主导晶格的典型脆应力 - 应变行为。然而，Cubic 888和Cubic 121212具有更高的能量吸收，这对应于增加的弯曲特性即允许在失效前发生更大程度的变形。因此随着一个立方厘米内单元晶格数量的增加，晶格结构的能量吸收效率产生超乎寻常的增长。随后，将立方板晶格与具有相同相对密度相似单元大小的立方桁架结构和蜂窝结构进行了比较，如图 3(a)所示。在失效前，立方板晶格具有比桁架结构更大的应变和更高的刚度。与蜂窝相比，虽然蜂窝的垂直面表现出出色的机械性能，但其侧面压缩吸收的能量、压缩强度以及刚度都极低，几乎不具有支撑性，所以蜂窝从不同方向进行压缩的性能差异极其明显。而立方板晶格的三向力学性能相对来讲更均匀，它在三向上具有相同的结构特性，足够承受来自三维方向上的压力。同时，该团队将打印的所有晶格结构与最近报道的许多其他不锈钢或者聚合物基晶格材料的相对压缩能量吸收能力都进行了对比，如图 3(b)所示，其大范围可调节的能量吸收值最高约15 J/g，能力远高于文献报道的其他晶格材料，具有极高的应用潜能。图3. (a)不同结构类型样品的刚度、压缩强度和能量吸收比较柱状图。(b) 比能量吸收（SEA）比较图。

近日，中航凯迈（上海）红外科技有限公司（简称：中航红外）针对机载、舰载、防空雷达等光电系统远距离探测应用需求，研制出1280×1024（15 μm）InSb中波和640×512（25 μm）超晶格长波焦平面探测器。两款探测器均采用斯特林制冷机（可选集成式、分置式），性能稳定，具备高帧频、任意开窗、输出通道选择、全局复位等多种功能。1280×1024（15 μm）InSb中波探测器是基于中航红外公司多年累积的InSb焦平面探测器技术研制而成，具体参数见下表。表1 1280×1024（15 μm）InSb红外探测器主要参数在制冷型中波探测器领域，InSb具有量子效率高、稳定性好等特点，在国际军用中波红外探测器系统占据主导地位，而对于光电系统而言，该型探测器出色的稳定性同样具有很强的竞争力。图1 1280×1024（15 μm）InSb中波探测器：探测器（左）、成像（右）另外在公司原有十多年超晶格双色探测器技术基础上，采用二类超晶格材料成功研制出640×512（25 μm）超晶格长波焦平面探测器，具体参数见下表。表2 640×512（25 μm）超晶格长波红外探测器主要参数图2 640×512（25 μm）超晶格长波探测器：探测器（左）、成像（右）关于中航红外中航凯迈（上海）红外科技有限公司是中国空空导弹研究院控股子公司。公司建有红外探测器技术航空科技重点实验室、河南省探测器工程技术研究中心等。 中航公司在红外探测器设计、开发、生产等方面拥有良好人才、技术基础。现有正式职工200余人，专业技术人员120余人（其中博士20人，硕士90余人，技术专家1人，研究员11人），技能人员80余人，涵盖红外探测器设计、生产、测试、装配等各个专业及岗位。公司年均科研经费5000余万元，基础技术、基础工艺研究深入，获国家科技进步奖二等奖、国防发明二等奖等省部级奖15项，发明专利60余项，锑化物探测器科研生产能力处于国内领先水平。 近年中航公司将不断引进先进管理技术和高水平人才，做强、做大红外探测器产业，打造国内领先、国际一流的红外探测器研制生产基地，推进我国红外探测器的技术进步，带动相关产业发展，创造更大的经济和社会效益。

载流子之间的多体相互作用是相关物理学的核心。调控这种相互作用的能力将有望调控复杂的电子相图。近年来，二维莫尔超晶格已经成为量子工程的一个前景研发平台。莫尔系统的功能在于通过调整层扭转角、电场、莫尔载流子浓度和层间耦合，实现其物理参数的高可调性。由半导体过渡金属双卤化合物(TMDs)形成的莫尔超晶格是一个新兴的平台，可探索高可调性相关效应。结合强库仑相互作用、三角摩尔几何、强自旋轨道耦合和孤立的平坦电子带，TMD异质分子层是测试可调多体哈密顿数的理想平台。事实上，在整数和分数莫尔微带填充下的相关缘状态已经被实验证明了。理论上，TMD莫尔平台提供了一个机会来研究具有三角形或六边形几何形状的经典模型，以探索强相关的物理。通过改变现场库仑相互作用U和近邻跳变参数t，预测了具有各种缘态、金属态和奇异磁态和拓扑态的多体相图。图1. WS2/WSe2异质结中的磁圆二色性随填充因子变化。a) 器件示意图 b) PFM图像，标尺：20 nm c) 反射谱随偏置电压变化 d-e) 磁圆二色（RMCD）随填充因子变化 近期，Xiaodong XU（美国华盛顿大学）的研究小组报道了光激发可以高度调整莫尔捕获载流子之间的自旋-自旋相互作用，从而导致WS2/WSe2莫尔超晶格中的铁磁顺序。图1显示了丰富的填充因子依赖的磁光响应，在填充因子为−1时，RMCD显示出超顺磁样响应。当空穴掺杂明显减少（见图1e）时，一个磁滞回线开始出现, 这是铁磁性的标志。在−1/3的填充因子附近（即每3个莫尔晶胞中有一个空穴）附近，随着激子共振激发功率的增加，在磁圆二色性信号中出现了一个明显的磁滞回线。图2. 在填充因子为-1/3的时候对光致铁磁性的观察。a-b）1.6K温度，不同激光功率下RMCD信号随磁场变化。c-d）磁滞回线宽度与温度的关系，激光功率103 nW。图2a显示了在1.6K温度与填充因子为-1/3的时RMCD信号与激励光功率的关系。当功率小于16 nW时，RMCD信号与磁场之间的关系消失，表现为一条无特征的直线。当功率增加到临界阈值以上时，出现一个滞回线。图2b中零磁场下RMCD信号的强度随激光功率的增加而增大，终达到饱和。在低填充因子下，由于空穴距离更大固有磁相互作用明显较弱。因此，在分数填充因子为−1/3处出现的功率依赖的RMCD响应表明，通过光学诱导的长程自旋-自旋相互作用，出现了铁磁序。磁滞回线宽度对光激发功率的依赖关系可以忽略不计，这意味着在温度远低于居里温度时，磁回线宽度主要由磁各向异性决定。如图2c-d所示，随着温度的升高磁滞回线宽度减小，有效的居里温度被确定为8K左右。图3. 利用光激发功率和填充因子调节磁态。a-d) RMCD信号强度与磁场、温度、填充因子的关系图 图a-b中填充因子为-1/7. 课题组进一步在填充因子为−1/7下进行了温度与激光功率依赖性的RMCD测量（图3）。图3a显示了在不同的激光功率下的测量结果。 作者定义了一个临界温度Tc，超过这个温度，RMCD的磁性响应（心跳线形状）就会消失。以253 nW光激发为例，心跳线形状保持强至约40K。为了进一步突出这一效应，图3b中绘制了提取的RMCD信号振幅与激发功率和温度的变化关系。这些数据表明，一旦光激发功率足够大，可以引入磁序，Tc可以从20K左右的调谐到45K。观察到的现象指出了一种机制，其中光激发激子促成了莫尔捕获空穴之间的交换耦合。这种激子促成的相互作用可能比莫尔捕获空穴之间的直接耦合范围更长程，因此即使在稀空穴体系中也会出现磁序。这一发现为莫尔量子物质的丰富的多体哈密顿量增加了一个动态调谐旋钮。 以上的结果是借助于attoDRY2100低震动无液氦磁体恒温器获得的，该低温恒温器可以与拉曼光谱、磁圆二色性、磁光克尔效应和偏振荧光测量等多种实验技术结合使用。图4：低振动无液氦磁体与恒温器—attoDRY系列，超低振动是提供高分辨率与长时间稳定光谱的关键因素。 attoDRY2100低恒温器温主要技术特点：☛ 应用范围广泛: PL/EL/ Raman/RMCD/MOKE等光谱测量☛ 变温范围：1.8K - 300K☛ 空间分辨率：☛ 无液氦闭环恒温器☛ 工作磁场范围：0...9T (12T, 9T-3T，9T-1T-1T矢量磁体可选)☛ 低温消色差物镜NA=0.82☛ 精细定位范围： 5mm X 5mm X 5mm @ 4K☛ 精细扫描范围：30 μm X 30 μm@4K☛ 可进行电学测量，配备标准chip carrier☛ 可升到AFM/MFM、PFM、ct-AFM、KPFM、SHPM等功能 参考文献：[1]. Xiaodong XU, et al. Light-induced ferromagnetism in moiré superlattices. Nature 604, 468–473 (2022)

背景介绍 载流子之间的相互作用是凝聚态物理学的热门研究和重点关注对象。调控这种相互作用的能力将有望调控复杂的电子相图。近年来，二维莫尔超晶格已经成为量子领域非常具体潜力的一个研发平台。莫尔系统通过调整层扭转角、电场、莫尔载流子浓度和层间耦合，可以实现其物理参数的高度可调。进展概述 近期，Xiaodong XU（美国华盛顿大学）的研究小组报道了光激发可以高度调整莫尔捕获载流子之间的自旋-自旋相互作用，从而产生WS2/WSe2莫尔超晶格中的铁磁有序。该研究中，作者使用了德国attocube公司提供的ANPxyz101系列兼容低温强磁场纳米精度位移台，以确保在低温强磁场环境中精确控制样品位置。文章以《Light-inducedferromagnetism in moirsuperlattices》为题，发表于Nature期刊。 图1显示了丰富的填充因子依赖的磁光响应，在填充因子为&minus 1时，RMCD显示出超顺磁样响应。当空穴掺杂明显减少（见图1e）时，一个磁滞回线开始出现, 这是铁磁性的标志。在&minus 1/3的填充因子（即每3个莫尔晶胞中有一个空穴）附近，随着激子共振激发功率的增加，在磁圆二色性信号中出现了一个明显的磁滞回线。图1. WS2/WSe2异质结中的磁圆二色性随填充因子变化。a) 器件示意图 b) PFM图像，标尺：20 nm c) 反射谱随偏置电压变化 d-e) 磁圆二色（RMCD）随填充因子变化 图2a显示了在1.6K温度与填充因子为-1/3时RMCD信号与激光功率的关系。当功率小于16 nW时，RMCD信号与磁场之间的关系消失，表现为一条无特征的直线。当功率增加到临界阈值以上时，出现一个滞回线。图2b中零磁场下RMCD信号的强度随激光功率的增加而增大，最终达到饱和。在低填充因子下，由于空穴距离更大固有磁相互作用明显较弱。因此，在分数填充因子为&minus 1/3处出现的功率依赖的RMCD响应表明，通过光学诱导的长程自旋-自旋相互作用，出现了铁磁序。磁滞回线宽度对光激发功率的依赖关系可以忽略不计，这意味着在温度远低于居里温度时，磁滞回线宽度主要由磁各向异性决定。如图2c-d所示，随着温度的升高磁滞回线宽度减小，有效的居里温度被确定为8K左右。图2. 在填充因子为-1/3的时候对光致铁磁性的观察。a-b）1.6K温度，不同激光功率下RMCD信号随磁场变化。c-d）磁滞回线宽度与温度的关系，激光功率103 nW 课题组进一步在填充因子为&minus 1/7下进行了温度与激光功率依赖性的RMCD测量（图3）。图3a显示了在不同的激光功率下的测量结果。作者定义了一个临界温度Tc，超过这个温度，RMCD的磁性响应（心跳线形状）就会消失。以253 nW光激发为例，心跳线形状保持强至约40K。为了进一步突出这一效应，图3b中绘制了提取的RMCD信号振幅与激发功率和温度的变化关系。这些数据表明，一旦光激发功率足够大，可以引入磁序，Tc可以从20K左右的调谐到45K。观察到的现象指出了一种机制，其中光激发激子促成了莫尔捕获空穴之间的交换耦合。这种激子促成的相互作用可能比莫尔捕获空穴之间的直接耦合范围更长程，因此即使在稀空穴体系中也会出现磁序。这一发现为莫尔量子物质的丰富的多体哈密顿量增加了一个动态调谐方案。图3. 利用光激发功率和填充因子调节磁态。a-d) RMCD信号强度与磁场、温度、填充因子的关系图 图a-b中填充因子为-1/7 值得指出的是，整个实验都是在低温及强磁场中进行的。这其中关键的设备就是德国attocube公司提供的ANPxyz101系列兼容低温强磁场纳米精度位移台，该位移台能够在极低温环境下提供纳米级的精确位移，成为整个变温及磁场调控过程中精确控制样品位置的关键设备。 attocube公司生产的位移器设计紧凑，体积小巧，种类包括线性XYZ线性位移器、大角度倾角位移器、360度旋转位移器和扫描器，并以稳定而优异的性能，原子级定位精度，纳米位移步长和厘米级位移范围受到科学家的肯定和赞誉。产品广泛应用于普通大气环境和极端环境中，包括超高真空环境(5E-11mbar)、极低温环境（10 mK）和强磁场中（31 T）。图4 attocube低温强磁场位移器，扫描器attocube低温位移台技术特点如下：参考文献：[1]. Xiaodong XU, et al. Light-induced ferromagnetism in moiré superlattices. Nature 604, 468–473 (2022)

透射电子显微镜（TEM）在物理、化学、结构生物学和材料科学等领域的微纳结构研究中发挥着重要作用。电子显微镜像差校正光学的进展极大地提高了成像系统的质量，将空间分辨率提高到了低于50pm的水平。然而，在实际样品中，只有在极端条件下才能达到这个分辨率极限，其中一个主要的障碍是，在比单层更厚的样品中，多电子散射是不可避免的（由于电子束与原子静电势之间的强库仑相互作用）。多次散射改变了样品内部的光束形状，并导致探测器平面上复杂的光强分布。当对厚度超过几十个原子的样品进行成像时，样品的对比度与厚度之间存在非线性甚至非单调的依赖关系，这阻碍了通过相位对比成像方式直接确定样品的结构。定量结构图像解释通常依赖于密集的图像模拟和建模。直接修正样品势需要解决多重散射的非线性反函数问题。尽管已经通过不同的方法对晶体样品的不同布拉格光束进行相位调整（其中大部分是基于布洛赫波理论），但对于具有大晶胞或非周期结构的一般样品来说，这些方法变得极其困难，因为需要确定大量未知的结构因子。Ptychography（叠层衍射成像）是另一种相位修正方法，可以追溯到20世纪60年代Hoppe的工作。现代成熟的装置使用多重强度测量——通常是通过小探针扫描广大的样品收集的一系列衍射图案。这种方法已广泛应用于可见光成像和X射线成像领域。直到最近，电子叠层衍射成像技术还受到样品厚度和电子显微镜中探测器性能的限制。二维（2D）材料和直接电子探测器的发展引起了更广泛的新兴趣。用于薄样品（如2D材料）的电子叠层衍射成像已达到透镜衍射极限的2.5倍的成像分辨率，降至39μm阿贝分辨率。然而，这种超分辨率方法只能可靠地应用于小于几纳米的样品，而较厚样品的分辨率与传统方法的分辨率没有实质性差异。对于许多大块材料来说，这样的薄样品实际上很难实现，这使得目前的应用局限于类2D系统（例如扭曲的双层）。对于比探针聚焦深度更厚的样品，多层叠层衍射成像方法提出了使用多个切片来表示样品的多层成像。所有切片的结构可以分别恢复。目前，利用可见光成像或X射线成像都成功地演示了多层叠层衍射成像。然而，由于实验上的挑战，只有少数的多层电子叠层衍射成像证据的报道，并且这些报道在分辨率或稳定性方面受到限制。透射电子显微镜使用波长为几皮米的电子，有可能以原子的固有尺寸最终确定的固体中的单个原子成像。然而，由于透镜像差和电子在样品中的多次散射，图像分辨率降低了3到10倍。康奈尔大学研究人员通过逆向解决多次散射问题，并利用电子叠层衍射成像技术克服电子探针像差，证明了厚样品中不到20皮米的仪器（图像）模糊以及线性相位响应；原子柱的测量宽度受到原子热涨落的限制，新的研究方法也能够在所有三维亚纳米尺度的精度从单一的投影测量定位嵌入原子的掺杂原子。相关研究工作以“Electron ptychography achieves atomic-resolution limits set by lattice vibrations”为题发表在《Science》上。图1 多层电子叠层衍射成像原理图2 PrScO3的多层电子叠层衍射重建图3 多层电子叠层衍射成像的空间分辨率和测量精度图4 多层电子叠层衍射的深度切片

高准确度时间频率基准钟的研制，是保证国家时间频率计量体系独立完整性的关键，关系到国家的核心利益。12月16日，记者从由中国计量科学研究院获悉：“高准确度原子光学频率标准仪的研制与开发”课题顺利通过了国家质检总局组织的专家验收。该课题掌握了锶原子光钟和光纤光梳研究的一系列关键技术，为锶原子光晶格钟和光纤光梳的进一步研究奠定了技术基础。 　　课题负责人中国计量科学研究院方占军研究员告诉记者，与现行的铯原子钟比较，光钟具有实现更高准确度的潜力，被公认为下一代时间频率基准。用光钟替代现行的铯原子喷泉钟来重新定义秒，可以显著提高卫星导航系统的定位精度。该课题的顺利完成，为我国锶原子光晶格钟基准装置的进一步研究、建立基于光钟的新一代时间频率计量体系奠定了基础，对于2019年在国际上重新定义秒的问题争得发言权和主动地位具有重要意义。 　　据介绍，该课题是国家“十一五”科技支撑计划重大项目“科学仪器设备研制与开发”项目中的一项，由中国计量科学研究院、中国科学院武汉物理与数学研究所、北京大学和国防科技大学等4家单位共同承担。经过3年的科技攻关，目前该课题组掌握了锶原子光钟和掺铒光纤光梳研究的一系列关键技术，并实现了多项技术创新：研究建立了锶原子塞曼减速器和激光冷却囚禁装置，首次实现461nm蓝MOT 完善了633nm、543nm、612nm和532nm次级光学频率标准，建立了完整的光学频率量值传递体系等。

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【科学背景】随着纳米技术和量子材料科学的进展，二维(2D)过渡金属二硫属化合物(TMDC)莫尔超晶格引起了越来越多的关注。这种材料提供了一个强大的平台，用于模拟每个莫尔晶胞包含一个或几个人工原子的强关联量子固体。这种模拟不仅帮助科学家们理解了量子相变和电子关联效应，还揭示了许多新奇的量子现象和材料特性，例如莫特绝缘体、广义维格纳晶体和量子反常霍尔绝缘体。然而，在研究TMDC莫尔超晶格的过程中，科学家们面临着一些挑战。传统上，大多数研究集中在模拟费米-哈伯德模型，这种模型通过单一的在位排斥能U描述原子内相互作用，忽略了原子内部的自由度。这种简化虽然有助于理解基本的量子相互作用，但无法全面描述多电子系统中复杂的电荷分布和相互作用。最近的理论研究预测，在莫尔超晶格中的多电子人工原子中，由于单粒子能级间隔Δ和原子内部库仑排斥能U之间的竞争，可以产生显示出不寻常电荷密度分布的量子态。然而，这些理论预测缺乏实验验证，尤其是在直接成像和观察这些维格纳分子的长程有序排列方面。为了解决这些问题，科学家们进行了多方面的探索。最近，加州大学伯克利分校王枫、Hongyuan Li、Michael F. Crommie及麻省理工Liang Fu等人在“Science”期刊上发表了题为“Wigner molecular crystals from multielectron moiré artificial atoms”的最新论文。他们开发了一种先进的扫描隧道显微镜(STM)成像方案，以实验证明在扭曲的二硫化钨(tWS2)莫尔超晶格中多电子人工原子中维格纳分子晶体的存在。他们的研究不仅验证了理论预测，还展示了这些维格纳分子晶体如何通过机械应变、莫尔周期和载流子类型进行调节。这些发现为理解多电子系统中的复杂相互作用提供了新的视角，也为设计和控制新型量子材料提供了有力的工具。【科学亮点】（1）实验首次在扭曲双层二硫化钨（tWS2）莫尔超晶格中观察到了多电子人工原子中的维格纳分子晶体。通过扫描隧道显微镜（STM）成像，作者实验证明了在这些多电子人工原子中，维格纳分子晶体的形成。这些晶体结构代表了一种电子的晶体相，展示了电子在不同位置的强局部化现象，以最小化库仑能量。（2）实验通过以下几个方面得到了重要结果：&bull 使用扫描隧道显微镜（STM）观察到了多电子人工原子中维格纳分子的出现。当库仑相互作用占主导地位时，这些维格纳分子在多电子人工原子中形成。&bull 实验结果展示了维格纳分子晶体的高度可调性。通过调整机械应变、莫尔周期和载流子类型，可以调节这些维格纳分子的排列和特性。&bull 理论模拟进一步解释了电子-电子相互作用和莫尔势在导致维格纳分子晶体形成中的作用。这些模拟结果明确了单粒子能级间隔Δ和原子内部库仑排斥能U之间的竞争对电子态的影响，并展示了在不同维格纳参数RW下电子配置的变化。&bull 研究表明，在小RW值时，多电子莫尔原子的基态可以通过简单地填充非相互作用轨道来近似，形成中心峰值的电荷分布。然而，在足够大的RW值时，电子会强烈局部化，形成维格纳分子，展示了相互作用主导的电子结构和轨道重构。【科学图文】图1： 莫尔超晶格中的多电子人造原子。图2：Wigner分子的CBE和VBE隧道电流测量。图3： Wigner分子晶体结构工程。图4：Wigner分子晶体的数值模拟。【科学启迪】本研究揭示了在二维过渡金属二硫属化合物（TMDC）莫尔超晶格中，多电子人工原子可以形成维格纳分子晶体这一独特的电子晶体相。这种相对传统量子固体的革新在于其来源于人工设计的原子结构，而非自然存在的原子。通过扫描隧道显微镜（STM）的隧道电流测量方案，研究团队首次直接观察到了这一电子晶体相的形成过程，为理解和利用强关联电子系统提供了新的实验平台。此外，研究还展示了通过调节电荷载流子类型、莫尔周期和机械应变，可以有效地控制和调节维格纳分子晶体的性质。这种可控性不仅为量子材料的设计和制备提供了新的策略，还为探索在维格纳分子晶体内部产生的自旋、电荷和拓扑现象打开了全新的研究方向。因此，本文不仅在实验上验证了理论预测，还为开发新型量子材料及其应用奠定了坚实的基础，同时推动了强关联量子系统研究的前沿进展。文献详情：HONGYUAN LI. et al. Wigner molecular crystals from multielectron moiré artificial atoms. Science, 2024, 385(6704): 86-91；https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk1348

style type=" text/css" .TRS_Editor P{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor DIV{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor TD{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor TH{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor SPAN{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor FONT{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor UL{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor LI{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor A{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt } /style p 　　光在传波过程中振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，偏振是光作为电磁波的重要特征之一。偏振光探测在线性偏光镜（LPL）、偏振遥感以及医疗诊断治疗等方面已展现出广泛的应用前景。目前，对可见波段的偏振检测研究已比较普及，而对其它特殊波段的偏振探测有待进一步探索。近日，中国科学院半导体研究所超晶格室研究员李京波、魏钟鸣，与天津大学教授胡文平合作，围绕二维GeSe材料在短波近红外波段（700-1100 nm）的偏振光探测取得新进展。 /p p 　　GeSe是一种典型的二元IV-VI硫族化合物，研究显示，GeSe是以高度各向异性的层状正交晶系方式结晶（空间群Pcmn- ，比黑磷的空间群Bmab- 对称性低）。此外，GeSe的带隙范围为1.1-1.2eV，使其适用的二向色性波段分布在1100nm波段以内（可见/短波近红外波段）。在靠近带边处，高态密度直接导致高吸收系数。鉴于上述特性，GeSe在面内各向异性等方面的独特性质有待研究，来实现其在可见/短波近红外波段光偏振探测方面的应用。 /p p 　　在此背景下，该研究员团队利用GeSe材料高蒸气压的特点，采用真空气相沉积法，获得了高质量的GeSe层状单晶。通过XRD以及TEM表征，证实获得的二维GeSe纳米片具有很高的结晶度。同时，通过拉曼光谱、光吸收谱和光探测器件研究，系统分析了GeSe在晶格振动以及光学方面的各向异性（如图）。由于GeSe的几个典型的拉曼振动模的强度随着入射光和散射光的偏振方向以及样品的夹角而变化，拉曼光谱检测为GeSe晶向的确定提供了快速简便的方法。在光学方面，GeSe的各向异性体现在偏振度可分辨的光吸收谱和光电流谱等方面，在532nm激光波长下二向色性比为1.09，在638nm下为1.44，在808nm下为2.16，与吸收谱测试结果基本符合（对应的各向异性吸收比分别是1.09，1.26，3.02），这两种测试方法系统地确定了GeSe最佳的各向异性的光响应在808nm波长附近。结合理论计算的佐证，系统探测显示8-16nm厚度的GeSe有助于实现最优质的光探测结果。该研究成果显示出，二维GeSe在线偏振探测领域有潜在的应用价值。 /p p 　　相关研究成果近期发表在 em Journal of the American Chemical Society /em 上。研究工作得到中科院和国家自然科学基金委员会的资助。 /p p style=" text-align:center " img alt=" " oldsrc=" W020171123391449326616.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201711/uepic/753d9b4e-23b3-45db-b3a8-e7fd4a6082c2.jpg" uploadpic=" W020171123391449326616.jpg" / /p p style=" text-align: center " 由GeSe低晶格对称性导致的角度依赖各向异性拉曼信号和808nm激光下的探测性能。 /p

2022年举办的第27届国际计量大会（CGPM）通过“关于秒的未来重新定义”决议——将利用光钟实现时间单位“秒”的重新定义，计划在2026年第28届CGPM大会上提出关于“秒”的重新定义的建议，并在2030年第29届CGPM大会做出最终决定。中国科学院国家授时中心（NTSC）担负着“北京时间”的产生和发播任务。日前，中国科学院国家授时中心的锶光钟研制取得了重要进展——国家授时中心成功研制了频率不确定度5.1×10-17、频率稳定度6.6×10-16 (τ/s)-0.5的锶光钟NTSC-Sr1，并通过守时氢钟溯源至国际原子时（TAI），实现了在现行时间单位“秒”定义下的锶光钟绝对频率测量，测量值不确定度4.1×10-16。上述研究成果近日发表在国际计量权威学术期刊《计量学》（Metrologia）上。卢晓同特别研究助理为文章第一作者，常宏研究员和武文俊研究员为共同通讯作者。面向国家需求和世界科学前沿，在中国科学院国家授时中心常宏研究员带领下，自2008年起经过十余年的不懈努力，近年来在锶光钟研制方面取得了系列创新成果，如超越Dick极限的双激发谱锶光钟多项技术、弗洛凯准粒子干涉和浅光晶格钟跃迁窄谱，特别是国家授时中心负责研制的国际首台空间光钟于2022年10月搭载“梦天”实验舱入驻我国空间站。据介绍，中科院国家授时中心后续将推进锶光钟参与TAI守时研究，实现光钟在国家标准时间的应用，确保我国时间基准独立自主，并在“秒”定义变更中争取国际话语权。

功能材料界面由于经常表现出不同于体材料的新颖物理、化学现象与性质而备受关注。比如，人们在材料界面上发现了二维电子气、界面超导、界面发光和界面磁性等。这些有趣的界面现象与性质通常归因于界面上强烈的物理与化学交互作用，因此它们大多数出现在共格界面和半共格界面上。从共格界面到半共格界面、再到非共格界面，界面上的晶格失配不断增大，从而导致了材料界面上存在不同的晶格失配调节机制和界面结构。共格界面的晶格失配小，界面失配由两相邻晶格的弹性变形来调节，界面上形成了原子间完美匹配的界面结构；半共格界面的晶格失配适中，通过形成周期性排列的界面失配位错来补偿晶格失配。非共格界面的晶格失配非常大，界面两侧相邻晶体将保持各自原有的晶格而刚性堆叠在一起，不容易形成界面失配位错。虽然非共格界面比其他两类界面更常见，但由于它的晶格匹配度差并且界面键合强度弱，导致界面上的交互作用非常弱，因此非共格界面上很少表现出独特的界面现象与性质，这极大地限制了非共格界面的相关研究与应用。为了探索非共格界面上的新颖界面现象与物性，中国科学院金属研究所研究团队围绕非共格界面的原子与电子结构及界面交互作用开展了系统地研究工作，发现大晶格失配（~ 12 %）的AlN/Al2O3（0001）非共格界面上存在不寻常的强界面交互作用。强烈的界面交互作用显著调控了AlN/Al2O3界面的原子与电子结构及发光特性。透射电镜显微结构表征的研究结果表明，在AlN/Al2O3非共格界面上形成了界面失配位错网络和堆垛层错，这在其他非共格界面上是很少见的。原子层分辨的价电子能量损失谱表明，AlN/Al2O3非共格界面的带隙降低为~ 3.9 eV，显著小于AlN和Al2O3体材料的带隙（分别为5.4eV和8.0eV）。第一性原理计算表明，界面上带隙的减少主要由于在界面处形成了畸变的AlN3O四面体和AlN3O3八面体，从而导致了界面上存在Al-N键和Al-O键的竞争及键长的增大。阴极荧光光谱分析表明，该非共格界面具有界面发光特性，可发射波长为320 nm的紫外光，发光强度比AlN薄膜的本征发光高得多。该研究表明具有大晶格失配的非共格界面可表现出强烈的界面交互作用和独特的界面性质，深化和拓展了人们关于非共格界面的认识，可为开发基于非共格界面的先进异质结材料和器件提供借鉴与参考。相关研究工作得到国家杰出青年科学基金、中国科学院前沿研究重点项目和广东省基础与应用基础研究重大项目等的资助。相关研究成果以Interfacial interaction and intense interfacial ultraviolet light emission at an incoherent interface为题于5月15日在《自然-通讯》（Nature Communications）上在线发表。

范德瓦尔斯异质结构中的莫尔超晶格现已成为研究量子现象的有力工具和载体。该领域的研究也成为目前国际上的热门研究方向之一。近期，加利福尼亚大学伯克利分校（University of California, Berkeley）王枫团队利用超精准强磁场低温光学系统-OptiCool搭建了精密的低温光学测量系统，对范德瓦尔斯异质中的激子相关特性进行了系统研究并取得重要成果。相关成果在今年8月分别发表于Nature Physics[1]和Nature[2]上。单层WSe2和莫尔WS2/WSe2异质结中的关联层间激子绝缘体该篇工作对由超薄hBN分隔的WSe2单层和WS2/WSe2莫尔双层组成的双层异质结中相关层间激子绝缘体进行了观察研究。研究发现当空穴的密度为每个莫尔晶格位置一个时，莫尔WS2/WSe2双层具有莫特绝缘体状态。当电子被添加到WS2/WSe2莫尔双层中的Mott绝缘体中并且相同数量的空穴被注入到WSe2单层中时，会出现一个新的层间激子绝缘体，其中WSe2单层中的空穴和掺杂莫特绝缘体中的电子通过层间库仑相互作用结合在一起。层间激子绝缘体在WSe2单层中空穴达到临界密度前是稳定的，当空穴数量超过临界密度时，层间激子就会解离。本文的研究表明了由于莫尔平带和较强层间电子相互作用之间的相互影响，在双层莫尔系统中实现量子相的可能性。由WS2/WSe2 莫尔双分子层和WSe2单分子层组成的双层异质结示意图双层的相关绝缘状态范德华超晶格中层内电荷转移激子人们发现过渡金属硫化物双层异质结形成的莫尔图案是用于研究非同寻常的关联电子相、新型磁学及有关的激子物理学现象的平台。目前人们虽然通过光学表征方法发现了新型莫尔激子态，但是对这种莫尔激子态的微观性质并不清楚，更多的依靠经验性的拟合模型。有鉴于此，加州大学伯克利分校王枫研究团队和Steven G. Louie研究团队通过大尺度第一性原理GW、Bethe -Salpeter计算并结合显微反射光谱，确定了WSe2/WS2莫尔超晶格中激子共振的性质，发现一系列通过常规模型无法发现的莫尔激子。计算结果给出了不同特征的莫尔激子，包括可调控的Wannier激子和以往未曾发现的层内电荷转移激子。作者通过莫尔激子不同共振形成的载流子密度和磁场响应变化的特点，证实了这些激子的存在。这项研究展示了过渡金属硫化物的莫尔超晶格能够形成非平凡的激子态，提出了通过设计特定空间特征的激发态来调节莫尔体系中的多体物理的新方法。莫尔超晶格的重建旋转排列的WSe2/WS2层内激子的光谱和性质以上两个重要的科研工作中光学相关的测量是基于作者在超精准全开放强磁场低温光学研究平台-OptiCool 系统上搭建的光谱学测量系统完成的。高质量的实验数据反映出了测试系统具有杰出的灵敏度和稳定性。超精准全开放强磁场低温光学研究平台-OptiCoolOptiCool是Quantum Design于2018年2月推出的超精准全开放强磁场低温光学研究平台。系统拥有3.8英寸超大样品腔、双锥型劈裂磁体，可在超大空间为您提供高达±7T的磁场。多达7个侧面窗口、1个顶部超大窗口方便光线由各个方向引入样品腔，高度集成式的设计让您的样品在拥有低温磁场的同时摆脱大型低温系统的各种束缚。近期OptiCool又增加了新的选件，使得OptiCool的功能进一步增加，可以方便的应用于高压光谱和THz研究。OptiCool技术特点：▪ 全干式系统：完全无液氦系统，脉管制冷机。▪ 8个光学窗口：7个侧面窗口，1个顶部窗口▪ 超大磁场：±7T▪ 超低震动：▪ 新型磁体：同时满足超大磁场均匀区、大数值孔径的要求▪ 近工作距离选件：可选3 mm工作距离窗口，增透膜可选New▪ ZnSe窗口可用于THz研究New▪ 气路选件：系统可以集成气路，便于使用气膜高压腔进行高压光学测量New▪ 集成物镜：集成真空物镜、低温物镜、用户自定义物镜New▪ 控制柜电隔离：为确保微弱信号样品的电学测量，避免信号微扰的可能性New▪ 样品移动：可集成低温位移器New▪ 光纤选件：系统可集成光纤通道New▪ 底部窗口选件：可实现样品腔底部窗口，方面进行纵向的透射光学实验New参考文献：[1]. Zhang, Z., Regan, E.C., Wang, D. et al. Correlated interlayer exciton insulator in heterostructures of monolayer WSe2 and moiré WS2/WSe2. Nat. Phys. (2022). https://doi.org/10.1038/s41567-022-01702-z[2]. Naik, M.H., Regan, E.C., Zhang, Z. et al. Intralayer charge-transfer moiré excitons in van der Waals superlattices. Nature 609, 52–57 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04991-9相关产品：1、超精准全开放强磁场低温光学研究平台-OptiCool

2021年，《高分子学报》邀请了国内擅长各种现代表征方法的一流高分子学者领衔撰写从基本原理出发的高分子现代表征方法综述并上线了虚拟专辑。仪器信息网在获《高分子学报》副主编胡文兵老师授权后，也将上线同名专题并转载专题文章，帮助广大研究生和年轻学者了解、学习并提升高分子表征技术。在此，向胡文兵老师和组织及参与撰写的各位专家学者表示感谢。更多专题内容详见：高分子表征技术专题高分子表征技术专题前言孔子曰：“工欲善其事，必先利其器”。 我们要做好高分子的科学研究工作，掌握基本的表征方法必不可少。每一位学者在自己的学术成长历程中，都或多或少地有幸获得过学术界前辈在实验表征方法方面的宝贵指导！随着科学技术的高速发展，传统的高分子实验表征方法及其应用也取得了长足的进步。目前，中国的高分子学术论文数已经位居世界领先地位，但国内关于高分子现代表征方法方面的系统知识介绍较为缺乏。为此，《高分子学报》主编张希教授委托副主编王笃金研究员和胡文兵教授，组织系列从基本原理出发的高分子现代表征方法综述，邀请国内擅长各种现代表征方法的一流高分子学者领衔撰写。每篇综述涵盖基本原理、实验技巧和典型应用三个方面，旨在给广大研究生和年轻学者提供做好高分子表征工作所必须掌握的基础知识训练。我们的邀请获得了本领域专家学者的热情反馈和大力支持，借此机会特表感谢！从2021年第3期开始，以上文章将陆续在《高分子学报》发表，并在网站上发布虚拟专辑，以方便大家浏览阅读. 期待这一系列的现代表征方法综述能成为高分子科学知识大厦的奠基石，支撑年轻高分子学者的茁壮成长！也期待未来有更多的学术界同行一起加入到这一工作中来.高分子表征技术的发展推动了我国高分子学科的持续进步，为提升我国高分子研究的国际地位作出了贡献. 借此虚拟专辑出版之际，让我们表达对高分子物理和表征学界的老一辈科学家的崇高敬意！X射线晶体结构解析技术在高分子表征研究中的应用X-ray Diffraction Methodology for Crystal Structure Analysis in Characterization of Polymer作者：扈健，王梦梵，吴婧华作者机构：青岛科技大学 教育部/山东橡塑重点实验室,青岛,266042 北京化工大学 碳纤维及复合材料教育部重点实验室,北京,100029作者简介：扈健，男，1986年生. 2013~2016年在日本丰田工业大学获得工学博士学位；2016~2019年于青岛科技大学从事博士后研究；2019年任青岛科技大学高分子科学与工程学院特聘副教授. 主要利用广角和小角X射线散射，振动光谱等技术，从事结晶高分子各级结构表征、相变行为以及结构-性能关系的研究. 扈健，男，1986年生. 2013~2016年在日本丰田工业大学获得工学博士学位；2016~2019年于青岛科技大学从事博士后研究；2019年任青岛科技大学高分子科学与工程学院特聘副教授. 主要利用广角和小角X射线散射，振动光谱等技术，从事结晶高分子各级结构表征、相变行为以及结构-性能关系的研究.摘要高分子材料结构具有多尺度的复杂性，解析高分子材料各级微观结构并建立结构与性能之间的关系是高分子研究领域的重要目标和挑战. 对结晶性高分子而言，第一步工作就是对其晶体结构进行表征和解析，X射线衍射法是高分子晶体结构解析中最经典也是最常用的方法. 本文主要介绍X射线衍射等技术在高分子晶体解析中的基本原理和测试表征方法，总结概述近些年来晶体结构解析在高分子领域内的主要进展以及应用. 通过晶体结构解析的方法建立可靠的高分子晶体结构，不仅可以应用于新合成结晶高分子结构的解析，也可以进一步研究高分子各级结构在外场作用下的演变，探明微观结构与宏观性能之间的关系.AbstractBecause of complicated multi-scale structure for the polymer material, studying microscopic structure of polymer and clarifying the relationship between structure and physical property are the major goal and challengein the polymer science. For the crystalline polymer, crystal structure should be analyzed and established at first. X-ray diffraction is the most classical and conventional method for the crystal structure analysis in polymers, which gives the detailed information of molecular chain conformation, chain aggregation in the crystal lattice. This article reviews the main principles and experimental techniques of X-ray diffraction methodology, and also summarizes the progress and application in the polymer field over the past decade. By utilizing X-ray diffraction method, the crystal structure of newly synthesized crystalline polymers can be analyzed, which may help us recognize crystal phase transition and hierarchical structure evolution by the external force, and also study towards the microscopic clarification of structure-property relationship. By combining other techniques such as neutron scattering, electron diffraction, nuclear magnetic resonance, vibrational spectroscopy and computer simulation, the crystal structure of polymers with higher reliability can be established, leading us to the highly quantitative discussion from the molecular level. For this purpose, the study of polymer crystal structure is still on the way, and the contents may be helpful for the beginners and researchers.关键词结晶性高分子  晶体结构  X射线衍射  结构与性能KeywordsCrystalline polymer  Crystal structure  X-ray diffraction method  Structure and property 目前已知的高分子中，大约70%的都是结晶性高分子，它们在日常生活和高端领域有着大量的应用. 结晶性高分子受分子链结构不规整、链缠结和链间相互作用等效应的影响，很难像小分子一样完全结晶，通常也被称作半结晶性高分子[1-3]. 高分子结构具有多尺度复杂性，其各级结构通常包括聚合物链结构、晶体(胞)结构、晶胞堆砌结构、晶区与非晶区堆砌结构以及球晶中片晶结构等，各级结构都有可能影响着高分子相态及形貌，进而影响高分子材料的性能. 而其中，晶体结构的确定是研究结晶性高分子的基础，所以建立高质量的结晶性高分子的晶体结构是非常必要的[4,5].近几十年来，随着各类表征技术和计算机模拟等领域的快速发展，大量的高分子晶体结构被建立或者修正. 确定结晶性高分子在单元晶胞基础上的晶体结构信息，最传统和经典的方法是广角X射线衍射法，并且结合红外光谱、拉曼光谱、核磁共振谱、中子散射以及高分辨电子衍射等技术能够得到更为准确的晶体结构. 这些技术的进步和运用不仅有助于分析聚合物的晶体结构，而且也提供了新方法去研究更为复杂的高分子材料. 基于晶体结构的建立，我们可以研究高分子的各级结构以及在外场作用下各种相态之间的演变规律，对阐明聚合物材料微观结构与物理性能之间的关系都具有重要意义[6,7].1高分子X射线晶体结构解析法X射线是一种波长为埃(1 Å = 10-10 m)级的电磁波，由于其波长的数量级与晶体点阵中原子间距一致，晶体点阵可以成为X射线发生衍射效应的光栅，而衍射图会随晶体点阵的变化而变化，因此X射线适用于晶体结构解析. 从20世纪30年代开始，X射线衍射法对聚合物科学领域的发展就起到了重要的作用，例如通过X射线衍射方法确定了各类合成或天然高分子的纤维周期均为几个Å到几十个Å，这也证明了一根聚合物分子链可以贯穿多个晶胞. 随着近几十年同步辐射技术的应用，拓宽了X射线的波长范围，更短的波长可以使我们获得更多倒易空间的坐标信息，灵敏度更高的探测器可以帮助我们更细致观测相变的动力学以及其他行为. 另外，通过分子模拟软件进行数据分析，建立模型以及能量最小化等已经普遍用于X射线衍射法解析或精修晶体结构. 1.1X射线衍射法基本原理解析晶体结构的衍射原理和方法学主要是20世纪初期建立的，包括布拉格定律、晶体学对称、群论以及从实空间到倒易空间的傅里叶变换等等. 很多书籍对这些方法都有着详尽的描述，这里对几个重要的概念和原理进行简要的概述[8~11].1.1.1Bragg和Polanyi公式Bragg公式：如图1所示，当一束单色X射线非垂直入射晶体后，从晶体中的原子散射出的X射线在一定条件下彼此会发生干涉, 满足下列方程：其中λ为入射光波长，d为晶面间距，θ为入射光与晶面的夹角.Fig. 1Bragg' s condition.Polanyi公式: 如图2(a)所示，当一束波长为λ的X射线垂直入射在一维线性点阵时(例如单轴取向的纤维样品)，其等同周期为I, 当满足Polanyi方程公式时，散射出的X射线间会产生强烈的衍射：其中Φm为第m层衍射的仰角. 结晶高分子中分子链排列时以相同结构单元重复出现的周期长度被称为等同周期(identity period)或者纤维周期(fiber period)，图2(b)为全同聚丁烯-1的(3/1)螺旋构象，可以利用Polanyi公式从二维X射线纤维图中计算等同周期.Fig. 2(a) Polanyi' s condition (b) Identity period ofit-PB-1.1.1.2倒易空间倒易点阵是根据晶体结构的周期性抽象出来的三维空间坐标，是一种简单实用的数学工具来描述晶体衍射，X射线衍射的图样实际上是晶体倒易点阵的对应而不是正点阵的直接映像. 正点阵与倒易点阵是互易的，倒易晶格中越大的晶面指数(hkl)，在实晶格中就对应越小的晶面间距. 如图3(a)所示，假设晶体点阵中的单位矢量为a1，a2和a3，和它对应的倒易点阵的单位矢量为a1*，a2*和a3*，其关系如下式：其中晶胞体积V=a1 × ( a2 × a3)，a1*垂直于a2和a3，a2*垂直于a1和a3，a3*垂直于a1和a2，其长度是相应晶面间距的倒数的向量.Fig. 3(a) Relationship between real space and reciprocal space (b) Reciprocal lattice and vector.倒易晶格中的任一点称作倒易点，倒易点阵的阵点与晶体学平面的矢量相关，每一组晶面(hkl)都对应一个倒易点. 从倒易空间原点指向倒易点的矢量被称为倒易矢量Hhkl，如图3(b)所示，其关系如下：其中指标(h,k,l)就是实空间中的晶面指数，h,k,l均为整数. 倒易矢量Hhkl垂直于正点阵中的（hkl）晶面，并且矢量的长度等于其对应晶面间距的倒数|Hhkl|=1/dhkl.1.1.3Ewald球Bragg方程指出，当散射矢量等于某倒易点阵矢量时就具备发生衍射的基础，如果把Bragg方程进行变形可得到公式(5)：以1/λ为半径画一个球面，C点为圆心，CP为散射X射线，球面与O点相切，只要倒易点阵与球面相交就可以满足Bragg方程而发生衍射现象，这个反射球就被称为Ewald球，如图4所示.Fig. 4Relationship between Ewald sphere of radius 1/λ and reciprocal lattice. 根据图中的几何关系OP = 1/d，假设O点为倒易空间原点，OP即为倒易散射矢量，P点与倒易空间点阵的交点即为(hkl)晶面指数. 转动晶体的同时倒易点阵亦发生转动，从而会使不同的倒易点与Ewald球的表面相交. Ewald球直径的大小与X射线波长成反比，衍射点数量取决于Ewald球与倒易空间的交点的数目，实验可探测衍射的最小d值取决于Ewald球的直径2/λ，在实际测试中，可以减小入射光波长以增加可观测的衍射点数量.如图5所示，对于单轴取向的样品，拉伸方向平行于c轴方向，而a轴和b轴仍然是随机取向，所以倒易空间的(hkl)点呈同心圆分布,这一系列同心圆与Ewald反射球的交点就构成了一系列的hk0，hk1,hk2… hkl的倒易格子的平面. 通常定义(hk0)层为赤道线方向，沿拉伸方向的(00l)为子午线方向.Fig. 5The relationship among Ewald sphere, circular distribution of reciprocal lattice points and a diffraction pattern on a flat photographic film.1.1.4X射线衍射强度X射线的衍射强度Intensity公式如下：其中K是比例因子，m是多重性因子，p为极化因子，L是Lorentz因子，A是吸光因子，F为结构因子. 其中需要强调的是结构因子F，它是由晶体结构决定的，和晶胞中原子的种类和位置相关.如图6所示，一束平行X射线经过电子A和B分别发生散射，假设A到B的距离为r，S0和S分别为入射和散射单位矢量，其光程差为：其中b即为散射矢量，与图4中OP矢量一致.Fig. 6Sketch of classic scattering experiment.一个原子中的核外电子云呈球形分布，对环绕中心的所有可能实空间矢量的干涉进行积分可以得到一个原子周围的电子产生的相干散射：这个公式就是ρ(r)的傅里叶变换，其中ρ(r)是原子的散射因子.晶体中原子的周期排列决定了晶体中的一切都是周期的，相当于一种周期函数，这种周期函数的实质就是晶胞中的电子密度分布函数，倒易晶格就是实晶格的傅里叶变换. 晶格对X射线的散射为晶格中每个原子散射的加和，每个原子的散射强度是其位置的函数，加和前必须考虑每个原子相对于原点的位相差.r为实空间中的原子位置矢量，设r = xna1 + yna2 + zna3，b为倒易空间的倒易矢量，b = Hhkl = ha1* + ka2* + la3*，根据倒易空间的性质可以得出公式：通过此公式可以看出结构因子和原子坐标位置相关，这也就决定了系统消光现象，也就是说在不同晶系中不是所有衍射点都会出现，可以通过计算结构因子来判断.另外由于衍射强度正比于|Funit cell|2，在晶体计算过程中，衍射峰的绝对强度意义不大，但是衍射峰的相对强度对最后晶体结构的确定影响很大.1.1.5分子链排列方式和空间群一根分子链一般包含内旋转相互作用、非键接原子间相互作用、静电作用、键长伸缩和键角变形作用以及氢键作用等. 在晶格中分子链排列大多遵循2个原则：最稳定的空间螺旋构象以及最密堆砌.晶体学中的空间群是三维周期性的晶体变换成它自身的对称操作(平移，点操作以及这两者的组合)的集合，一共有230种空间群. 空间群是点阵、平移群(滑移面和螺旋轴)和点群的组合. 230个空间群是由14个Bravais点阵与32个晶体点群系统组合而成[12].我们挑选比较简单的空间群操作进行比较直观的说明，如图7所示，若一个右旋向上的分子链(图7(a)中Ru)，通过以箭头方向为旋转轴做180°转动，可以得到右旋向下的分子链(图7(a)中Rd)，如果空间中只有这一种对称操作，那么这种空间为P2；又若Ru分子链通过镜面对称操作可以得到左旋向上的分子链(图7(b)中Lu)，如果空间中只有这一种对称操作，那么这种空间为Pm；若空间群中同时包含以上2种对称操作，且镜面法线方向与对称轴垂直，也就是说在此晶胞内就同时存在右旋向上Ru，右旋向下Rd，左旋向上Lu，左旋向下Ld 4种分子链构象，那么这种空间群为 P2/m，如图7(c)所示.Fig. 7Introduction of different operation in the space group.1.2其他方法简介1.2.1振动光谱法振动光谱法通常包括红外及拉曼光谱，其可以提供分子链构象，晶体对称性等信息[8]. 虽然通过X射线衍射法进行晶体结构解析时可以得到晶区高分子链的构象信息，但无法获知分子间作用力的信息，而有时分子间作用力在晶体结构的形成起到很重要的作用.1.2.2中子衍射法X射线衍射是X射线与电子相互作用，它在不同原子上的散射强度与原子序数成正比，对高分子而言通常都给出主链的信息，而中子衍射法是中子与原子核相互作用，其衍射强度随原子序数的增加不会有序的增大，主要与原子的种类有关，因此中子衍射法可以确定晶体结构中轻元素的位置. 很多力学性能的各向异性通常受侧链的氢原子影响很大，结合X射线衍射和中子衍射法能得到更为准确的晶体结构[13,14].1.2.3电子衍射法电子衍射法可以给出聚合物单晶的形貌信息并且可以得到相应电子衍射图进行结构分析[15]. 但是通常电子衍射法得到衍射点数量较少，而且容易产生次级衍射，样品容易被电子束破坏.1.2.4固体核磁共振谱法固体NMR适用于解析固态高聚物的本体结构、链构象、结晶、相容性以及分子动力学等[16,17]. 谱峰的化学位移(chemical shift)是固体核磁波谱的主要信息，它依赖于分子的局部电子云环境. 电子云结构对分子构象的变化非常灵敏，是研究多晶型的重要依据. 但固体核磁法很难给出晶体的直接结构，常作为X射线衍射法的补充.2X射线衍射测试方法及技巧对于聚合物而言很难培养出0.1 mm以上的单晶，所以测试大多数采用的都是多晶样品. 相较于小分子和低分子量的化合物而言，高分子结晶区的尺寸通常只有几百个Å，晶格内分子链排列不完善，衍射点的数量较少并且衍射点尺寸较宽，大角度范围衍射点强度衰减非常严重，要得到高质量的数据和非常可信的结构解析结果是比较困难的，从样品制备到测试以及后续分析的每一个环节都需要仔细的处理.图8为X射线衍射法解析高分子晶体结构的具体步骤.

碳元素与硅元素同属第四主族，其原子最外层有四个未配对电子，可形成四根共价键。例如金刚石与单晶硅分别是碳原子和硅原子以sp3杂化方式与临近的四个原子成键形成的稳定结构。原则上，碳原子和硅原子可以以任意的比例互换，组成SixCy的一大类具有闪锌矿结构的晶体材料。理论预言表明，二维的SixCy晶体可以以蜂窝状结构稳定存在，随着碳硅比例的不同具有大范围可调节的带隙，从而产生丰富的物理化学性质，引起了研究人员广泛的关注。然而，自然界中的硅原子并不喜欢sp2杂化方式的平面二维结构，碳硅化合物晶体多数不存在像石墨一样的层状体材料。因此，常规的机械剥离方法并不适用于制备二维碳化硅材料。已有的实验报道包括利用液相剥离和扫描透射电子显微镜电子束诱导等手段获取准二维SiC和SiC2材料，然而这些材料存在着厚度不均一、尺寸太小以及无法集成等问题。因此，发展一种新的实验手段获取高质量、大尺寸的单晶二维碳化硅材料具有重要意义。最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件实验室高鸿钧研究团队利用组内自主设计研发的分子束外延-低温扫描隧道显微镜联合系统，对石墨烯硅插层技术进行了优化，并将其应用于二维碳化硅材料的构筑，成功在钌和铑两种单晶表面生长出大面积、高质量、单晶的单层Si9C15材料。他们首先在金属钌（铑）单晶表面生长获得高质量单层石墨烯，然后在石墨烯上沉积过量的硅，在1400 K高温下退火得到了厘米量级的单层碳化硅材料（图一）。他们进一步结合扫描隧道显微镜、扫描透射电子显微镜、X射线光电子能谱等表征手段和第一性原理计算，确定该二维材料是组分为Si9C15的翘曲蜂窝状结构（图二，图三）。蜂窝状结构由碳-碳六元环和碳-硅六元环组成，每个碳-碳六元环被十二个碳-硅六元环所包围。扫描隧道谱显示该二维材料表现出半导体特征，能隙为1.9eV（图四）。值得一提的是，单层Si9C15晶体具有较好的空气稳定性。制备的二维单晶样品在直接暴露空气72小时后重新传入超高真空腔体，在870 K退火1小时之后可以看到晶体结构几乎没有受到破坏（图五）。该项研究首次获得了大面积、高质量的单晶二维碳化硅材料。计算结果还显示在不同晶格常数的金属单晶衬底上有可能生长出不同碳硅比的二维材料，揭开了利用外延生长获取二维碳化硅材料的序幕。相关成果以“Experimental realization of atomic monolayer Si9C15”为题发表于Advanced Materials上。该工作与中国科学院大学的周武教授和国家纳米中心的张礼智研究员进行了合作。博士高兆艳、博士生徐文鹏、博士后高艺璇和博士后Roger Guzman为论文共同第一作者，李更、张礼智、周武和高鸿钧为共同通讯作者。该工作得到科技部（2019YFA0308500, 2018YFA0305700, 2018YFA0305800）、国家自然科学基金（61888102,51991340,52072401）、中国科学院（YSBR-003）和北京杰出青年科学家计划（BJJWZYJH01201914430039）等的支持。文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202204779 图一：单层Si9C15材料的获取。图二：二维Si9C15材料的原子构型图三：STEM图像证实二维Si9C15材料的存在。图四：二维Si9C15材料的电子结构。图五：二维Si9C15材料具有较好的空气稳定性。【近期会议推荐】仪器信息网将于2022年8月30-31日举办第五届纳米材料表征与检测技术网络会议，开设“能源与环境纳米材料”、“生物医用纳米材料”“纳米材料表征技术与设备研发（上）”、“纳米材料表征技术与设备研发（下）”4个专场，邀请20余位领域内专家，围绕纳米材料热点研究方向，从成分分析、形貌分析、粒度分析、结构分析以及表界面分析等主流分析和表征技术带来精彩报告。会议涉及热点研究方向：电极材料、医药材料、多铁/铁电材料、电子敏感材料、超宽禁带半导体材料......会议包含表征与检测技术：冷冻电镜、透射电镜、扫描电镜、扫描隧道能谱、X射线光电子能谱、纳米粒度及Zeta电位仪、超分辨荧光成像、表面等离子体耦合发射、荧光单分子单粒子光谱、磁纳米粒子成像、拉曼光谱、X射线三维成像......为纳米材料工作者及相关专业技术人员提供线上学术与技术交流的平台，帮助大家迅速掌握纳米材料主流分析和表征技术，共同提高纳米材料研究及应用水平。（点击此处进入会议官网，免费报名参会）