二维材料

沙特阿卜杜拉国王科技大学科学家在27日出版的《自然》杂志上发表论文指出，他们成功将二维材料集成在硅微芯片上，并实现了优异的集成密度、电子性能和良品率。研究成果将帮助半导体公司降低制造成本，及人工智能公司减少数据处理时间和能耗。微芯片内的设备和电路的光学显微镜图像。图片来源：《自然》杂志网站二维材料有望彻底改变半导体行业，但尽管科学家们研制出了多款类似设备，但技术制备水平较低，因为大部分技术使用与目前的半导体工业不兼容的合成和加工方法，在无功能的基板上制造出大型器件，且成品率较差。例如，IBM曾试图将石墨烯集成到用于射频应用的晶体管中，但这些器件无法存储或处理信息。最新研究将名为多层六方氮化硼的二维绝缘材料（约6纳米厚），集成到包含由互补金属—氧化物半导体技术制成的硅晶体管的微芯片内，实现了优异的集成密度、电子性能和良品率。研究人员表示，研制出的器件宽度仅260纳米，能用于高级数据存储和计算。未来大多数微芯片将会利用这些二维材料优异的电子和热属性。最新制造出的微芯片显示出了高耐久性和特殊的电子性能，使制备出功耗极低的人工神经网络成为可能。人工神经网络是人工智能系统的关键组成部分，但现有大多数设备都不适合实现这种类型的神经网络，最新研究为此开辟了一条新途径。此外，最新研究有望帮助微芯片制造商和人工智能公司开发新硬件，以减少数据处理时间并降低能耗。研究人员强调，最新研究对纳米电子和半导体领域来说具有重要意义，因为所生产的器件和电路性能优异，且具有深远的工业应用潜力。

p 　　光电应用比如光电探测器和发射器都依赖于其活性物质与光强烈相互作用，所以大家会质疑二维材料的性能这无可厚非。毕竟二维材料的横截面最多只能由几个原子构成，因而没有足够的物质与光相互作用。然而，即便随手在网上一搜便会得到许多有关石墨烯和二维光学材料论文和专利。那么是什么让这些材料如此有吸引力呢？ /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201806/insimg/4cfd9cf9-f64c-40fe-b69f-ad42da2bcd7f.jpg" title=" 02.jpg" / /p p 　 strong 　1. 超高速自由电子漂浮在石墨烯晶格上 /strong /p p 　　石墨烯的原子结构是每个碳原子都会连结其他三个原子，这对于其性能有着非常深远的影响。这是因为这样的结构使得一大群自由电子以极快的速度移动产生了前所未有的电子迁移率。因此，在高频即便吸收少量的光便可有效地探测到变化。利用石墨烯的特性和一些巧妙的设计，已多次实现了石墨烯光电探测器在可见光和近红外光谱的极高响应率。然而，真正令人兴奋的进展是在1550nm左右波长的电信频率中石墨烯光电探测器已实现数万兆赫的操作速度! /p p 　　 strong 2. 钝化表面和晶格错配现象的消失 /strong /p p 　　二维材料只在范德华力的基础上相互作用于表面(这些微弱的力量保持了石墨各层的结合!)，因此它们不像传统材料在硅上沉积时会产生表面应力。当然他们的表面同样自然钝化，由于没有悬空键, 不仅最大程度降低损耗，也能降低光波导集成的难度。这些属性使得全球研究人员不仅可以在硬基板，而且在柔性基板和透明基板上，利用半导体二维材料提取光时都能产生较高量子产率(已经证明近似使用完美晶体的产能)。 /p p 　　在未来几年，光发射器、调节器和光电探测器的研发浪潮必将到来。我们已经看到了石墨烯探测器与硅技术的集成方面的大量技术准备，但研究人员仍有大量机会将这种神奇的材料应用于集成电路芯片! /p p 　　牛津仪器愿与您携手持续改善我们的工艺和系统，通过开发设备制造解决方案推动这项技术的进步。我们很高兴能有机会与您进一步交流，更多详情欢迎与我们取得联系。 /p

p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: & quot times new roman& quot " 据悉，近年来，二维磁性材料在国际上成为备受关注的研究热点。它们能将自发磁化保持到单原胞层厚度，为人们理解和调控低维磁性提供了新的研究平台，也为二维磁性与自旋电子学器件的研发开辟了新的方向，在新型光电器件、自旋电子学器件等方面有着重要应用价值。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: & quot times new roman& quot " 尽管二维磁性材料的铁磁性质已有研究，但反铁磁态由于不具有宏观磁化，材料体系整体对外不表现出磁性，加之样品既薄又小，其实验研究是领域内的一大难题。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: & quot times new roman& quot " 针对这一问题，近日，复旦大学物理系吴施伟课题组与华盛顿大学许晓栋课题组合作，在二维磁性材料双层三碘化铬中观测到源于层间反铁磁结构的非互易二次谐波非线性光学响应，并揭示了三碘化铬中层间反铁磁耦合与范德瓦尔斯堆叠结构的关联。北京时间8月1日凌晨，相关研究成果以《反铁磁双层三碘化铬中巨大的非互易二次谐波产生》（“Giant nonreciprocal second harmonic generation from antiferromagnetic bilayer CrI3”）为题发表于《自然》（Nature）杂志。 /span /p p style=" text-align: center text-indent: 2em " span style=" font-family: & quot times new roman& quot " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 400px height: 273px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201908/uepic/4ab2a45d-ae2c-44ff-a0d7-2d4959a3a9a0.jpg" title=" caef76094b36acaf4a6e7356761eb51503e99cde.jpeg" alt=" caef76094b36acaf4a6e7356761eb51503e99cde.jpeg" width=" 400" height=" 273" border=" 0" vspace=" 0" / /span /p p style=" text-indent: 2em text-align: center " span style=" font-family: & quot times new roman& quot font-size: 14px " 双层三碘化铬 图片来自复旦大学物理系网站 /span /p p style=" text-align: justify " strong span style=" font-family: & quot times new roman& quot " 将经典方法引入新领域 开辟广阔研究空间 /span /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: & quot times new roman& quot " 研究工作中观测到的由层间反铁磁诱导的二次谐波响应让团队成员们非常兴奋，因为他们知道，这在二维材料的研究和非线性光学领域都具有重要的意义。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: & quot times new roman& quot " “意义首先在于其独特性。”吴施伟介绍，迄今为止二维材料领域所研究的二次谐波大多由晶格结构的对称破缺引起。“对称破缺也就是破坏对称性，例如人的左右手原本是镜面对称的，如果一只手指受伤，那么镜面对称就破缺了。”而这种由磁结构产生的非互易二次谐波和前者有本质区别，从原理上就十分新颖。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: & quot times new roman& quot " 反铁磁材料由于没有宏观的磁矩，对外部的物理激励一般难以产生宏观的可测量的响应，对仅有几个原子层厚的二维反铁磁材料往往无能为力。“过去这个问题就像是灯光照不到的地方，一片黑暗无从下手。然而就是这样的一种‘暗’状态，现在能通过二次谐波的方式变‘亮’。这也是将一种经典的方法引入一个新领域的美妙所在。”吴施伟对此颇有感触。这种二次谐波过程对材料磁结构的对称性高度敏感，为二维磁性材料的研究开辟了广阔的研究空间。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: & quot times new roman& quot " 研究团队同时发现，双层反铁磁三碘化铬的二次谐波信号相比于过去已知的磁致二次谐波信号（例如氧化铬Cr2O3），在响应系数上有三个以上数量级的提升，比常规铁磁界面产生的二次谐波更是高出十个数量级。利用这一强烈的二次谐波信号，团队得以揭示双层三碘化铬的原胞层堆叠结构的对称性。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: & quot times new roman& quot " 吴施伟介绍，体材三碘化铬在高温下属于单斜（monoclinic）晶系，在低温下发生结构相变而变为菱形（rhombohedral）晶系，两者的差别在于范德瓦尔斯作用（一种原子或分子之间的相互作用力，相比于化学键的相互作用，范德瓦尔斯相互作用弱得多）的层间平移。但在寡层极限下，低温下的晶格堆叠结构还存在着争议。团队在实验中使用一束偏振光测量了材料在空间不同方向的极化，通过测量偏振极化的二次谐波信号，发现它与单斜晶格的堆叠结构都具备镜面对称性，这与国际上新近发表的理论计算结果一致，为研究二维材料层间堆叠结构与层间铁磁、反铁磁耦合的关联提供了新的实验证据和研究手段。 /span /p p style=" text-align: justify " strong span style=" font-family: & quot times new roman& quot " 创新研发实验系统 实现基础研究突破 /span /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: & quot times new roman& quot " 研究团队在实验中探测的反铁磁材料仅有两个原胞层厚度（厚度在2nm以下），而在此条件下，中子散射等测量手段很难奏效。针对这一问题，团队基于过去多年在二维材料非线性光学研究领域的积累，运用了光学二次谐波这一方法来探测二维磁性材料的磁结构与相关特性。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: & quot times new roman& quot " 光学二次谐波过程对体系的对称性高度敏感，光学二次谐波的探测方法从体系的对称性入手，能够灵敏地探测体系的反铁磁性。与通常探测磁性的实验手段不同，它不依赖于材料的宏观磁性，而取决于微观磁结构造成的对称破缺。双层三碘化铬在反铁磁态下，其磁结构不但打破了时间反演对称性，也同时打破了空间反演对称性，由此产生强烈的非互易二次谐波响应。当体系升至转变温度以上、或施加面外磁场拉为铁磁态后，磁结构的对称性却发生了改变，这一二次谐波信号也随之消失。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: & quot times new roman& quot " 自2017年至今，两年的协力共进浇灌出如今的成果。团队首先利用实验室已有的无液氦可变温显微光学扫描成像系统进行了初步测量，但由于该系统没有磁场，很多关键的实验测量受到了限制。为解决这一问题，课题组成员攻坚克难，利用一套无液氦室温孔超导磁体，自主研发搭建了一套无液氦可变温强磁场显微光学扫描成像系统，并借助新系统实现强磁场下的光学测量，完成了关键数据的探测。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: & quot times new roman& quot " 据了解，该研究工作的合作团队还包括香港大学教授姚望、卡耐基梅隆大学教授肖笛、华盛顿大学教授曹霆、美国橡树岭国家实验室研究员Michael McGuire，以及我系教授刘韡韬、陈张海、高春雷等。吴施伟和许晓栋为文章的通讯作者，我系博士研究生孙泽元和易扬帆为共同第一作者。研究工作得到自然科学基金委、科技部重大研究计划和重点研发专项计划等项目经费的支持。 /span /p p br/ /p

德国尤利希研究中心领导的一个国际研究团队在最新一期《自然通讯》杂志上撰文指出，他们首次证明了在二维材料中存在一种奇异的电子态——费米弧，这为新型量子材料及其在新一代自旋电子学和量子计算中的潜在应用奠定了基础。　　研究人员解释说，他们检测到的费米弧是费米面的一种特殊形式。费米面在凝聚态物理中用于描述金属内电子的动量分布。通常这些费米曲面代表闭合曲面，而费米弧等例外情况非常罕见，通常与超导性、负磁电阻以及异常量子传输效应等奇异性质有关。　　科学家们目前面临的技术挑战是“按需”控制材料的物理特性，但这种实验测试在很大程度上仅限于大块材料，针对纤薄的拓扑二维（2D）材料开展相关研究是凝聚态科学领域的重大挑战。　　由于电子和晶体结构的相互作用，拓扑材料具有特殊的性质，而且免受干扰的影响。另一方面，二维材料是仅由一层原子或分子组成的材料，其中大名鼎鼎的二维材料是石墨烯，其由单层碳原子组成。由于其拥有不同寻常的特性，科学家们目前正在对其开展深入研究。　　最新研究使用的材料是二维铁原子层。与石墨烯相比，这些二维混合磁体也有其独特的特性，如它可以为设备内的手性异常找到潜在的用武之地；也有望为强关联拓扑材料开辟新的研究领域。　　研究人员在位于意大利的Elettra同步辐射实验室进行了实验，发现了材料内新奇的电子效应——费米弧。这一发现表明，科学家们可以通过外部磁场对低维系统中的拓扑状态进行量子控制，未来可以利用外部磁场让二维材料在人工智能和信息处理领域“大显身手”。

近日，中国科学技术大学化学与材料科学学院吴长征教授实验课题组和武晓君教授理论计算课题组合作，成功实现非范德华力层状材料AMX2（A=单价离子，M=三价离子，X=氧族元素）精准剥离，获得保持计量比的AMX2二维材料，为二维材料家族添加全新成员。该新二维材料展现出较之块材提升三个数量级的室温超离子导电行为。相关成果于10月18号在线发表在《自然• 化学》杂志上(Nature Chemistry 2021, DOI: 10.1038/s41557-021-00800-4)。近年来，二维材料由于独特的电子结构和丰富的物理化学性能引起人们大量关注。其中，范德华力层状材料，由于层间的弱相互作用力，使得人们可以通过多种剥离手段获得其保持块材的组分和结构的单层二维材料，推进了其在降维后量子限域效应下的本征性能研究。对于非范德华力层状材料，层间的强化学键作用极大地阻碍了原子级厚度二维结构的制备。尽管通过选择性刻蚀化学活性层，人为构建范德华力间隙，能够实现单层或寡层纳米片的制备，但目前往往不可避免剧烈破坏原始晶格，致使所获二维材料的组分和结构与块材产生巨大差异。当前，如何实现具有块材组分和结构的二维非范德华力层状材料仍存在巨大挑战。AgCrS2的二维结构与离子输运性能为此，吴长征教授团队针对非范德华力层状材料AMX2系列化合物，通过可控电化学插层手段，利用金属A与大半径插层分子电对之间的氧化还原电势差，成功剥离获得与块材几乎一致组分和结构的二维结构，为二维材料家族添加全新成员。以AgCrS2为例，不同厚度的纳米片均由两层（CrS2）夹着一层Ag的三明治结构方式组成，并表现出统一的AgnCrn+1S2(n+1)（n为Ag层数目）化学式。不仅如此，团队发现AgCrS2纳米片的离子导电性随着厚度降低而大幅提高，并在单层展现出室温超离子导电行为，较之块材提升了三个数量级。理论计算指出，在该二维材料中Ag+离子沿着四面体空位的跃迁能垒大幅降低，从而将这种在块材中的高温超离子导电相（仅在673 K以上出现）稳定至室温。该项工作是吴长征教授课题组近年来在大尺寸二维纳米片相关研究（全单晶溶液相剥离制备超大尺寸、缺陷可调的非碳二维材料以及二维同质结构: JACS,2017,139, 9019；JACS,2018,104, 493 JACS,2019, 141,592 Adv. Mater.2019, 201900568）的拓展延续。二维材料全新家族成员，为未来二维非范德华力层状材料的合成和探索提供了新思路。中国科学技术大学微尺度彭晶博士后，刘雨桦博士和吕海峰博士后是本论文共同第一作者，吴长征教授是本论文通讯作者。该项研究工作得到了国家自然科学基金委国家杰出青年科学基金、重大项目以及国家重点研发计划等项目的资助。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41557-021-00800-4

铁电材料因具有稳定的自发极化，且在外加电场下具有可切换的极化特性，在非易失性存储器、传感器、场效应晶体管以及光学器件等方面具有广阔的应用前景。与传统的三维铁电材料不同，二维范德华层状铁电材料表面没有悬空键，这可降低表面能，有助于实现更小的器件尺寸。此外，传统三维铁电薄膜的外延生长需要合适的具有小的晶格失配的基材，而在二维层状材料中，许多具有不同结构特性的层可以被堆叠并用于铁电异质结构器件，不受基底的限制，从而提供了广泛的铁电特性可调性。某些二维层状材料已在实验或理论上被报道为铁电材料，包括薄层SnTe、In2Se3、CuInP2S6、1T单层MoS2、双层或三层WTe2、铋氧氯化物和化学功能化的二维材料等。然而，目前对二维材料铁电畴结构的调控及铁电-反铁电相变等方面缺乏系统性研究，在范德华层状材料中实现连续的铁电域可调性和铁电-反铁电相转变仍是挑战。 　　近日，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员康黎星团队与中国人民大学教授季威团队、南方科技大学副教授林君浩团队、松山湖材料实验室副研究员韩梦娇合作，在新型二维铁电材料铁电畴结构的调控方面取得进展。该团队发现了一种具有室温本征面内铁电极化的新型二维材料Bi2TeO5，并观测到由插层铁电畴壁诱导的铁电畴大小、形状调控机制以及由此产生的铁电相到反铁电相的转变。科研人员采用CVD法合成新型的超薄室温二维铁电材料Bi2TeO5，通过压电力显微测(PFM)证实该材料存在面内的铁电畴结构，结合电子衍射及原子尺度的能谱分析和第一性原理计算结果对其结构进行解析，结合像差校正透射电镜对亚埃尺度的离子位移进行分析(图1)。对Bi2TeO5中畴结构的进一步研究发现，样品中存在大量的条状畴结构。原子尺度结构分析和计算结果表明，由于Bi/Te插层的存在，有效降低了畴壁的应变能，从而使得180°畴壁的条状畴能够稳定(图2)。研究表明，通过调控前驱体中Bi2O3和Te的比例可以有效实现180°铁电畴宽度的调控及实现铁电-反铁电相的反转(图3、图4)。此外，Bi/Te插层的引入除了能够改变铁电畴的大小，同时可以对畴壁的方向进行调控(图5)。 　　本研究对Bi2TeO5室温面内铁电性的报道丰富了本征二维铁电材料体系。原子插层作为新的调控单元对铁电畴大小及方向的调控，以及由此产生的铁电-反铁电相变，为二维铁电材料畴结构及相结构的调控提供了新思路，并为在未来纳米器件领域的应用奠定了新的材料基础。相关研究成果以Continuously tunable ferroelectric domain width down to the single-atomic limit in bismuth tellurite为题，发表在《自然-通讯》(Nature Communications)上。图1.二维层状铁电材料Bi2TeO5的CVD生长及结构表征。a、二维层状Bi2TeO5的光镜图；b-c、样品的表面形貌及对应的面内PFM图像；d-f、不同方向Bi2TeO5的结构模型以及铁电极化的产生；g-I、Bi2TeO5的原子尺度结构表征及对应的极化分布。图2.Bi/Te插层诱导的180°铁电畴的形成。a、Bi2TeO5中典型条状180°铁电畴的面内PFM；b、180°铁电畴壁的原子尺度HAADF-STEM图；c-e、180°铁电畴壁处铁电离子位移(DBi)及晶格畸变(晶格转角θ)的原子尺度分析；f、弛豫后180°铁电畴的结构模型。图3.插层对畴宽度的调控及铁电相到反铁电相的转变。a-d、具有不同周期的180°畴HAADF-STEM图像；e-h、分别为对应图a-d中的离子位移分布。图4.插层诱导的反铁电相。a、具有反铁电性样品的PFM；b-d、反铁电样品中的原子尺度极化分布及晶格畸变分析；e、弛豫后的反铁电相结构模型。图5.畴壁台阶的形成及插层对畴壁取向的影响。a-b、样品中扇形铁电畴的面内PFM图像；c、扇形铁电畴边缘处大量台阶形成的倾斜畴壁面；d-e、畴壁台阶的原子尺度HAADF-STEM图像及对应的离子位移分析；f、弛豫后的畴壁台阶结构模型；g、Te和O浓度对畴壁台阶形成焓的影响。

中国科学技术大学郭光灿院士团队教授任希锋等人与新加坡国立大学教授仇成伟、博士郭强兵等合作，在二维材料非线性量子光源研究中取得重要突破。研究成果1月4日发表在《自然》杂志上。 　　小型化、集成化是解决空间光学量子系统稳定性差、不可扩展等问题的理想方案，也是光学量子计算、量子通讯等走向大规模和实用化的必经之路。量子光源作为量子光学系统必不可缺的部分，其小型化一直是人们研究的重点。任希锋前期与南京大学等单位合作，将超构表面引入到量子信息领域，集成超构透镜阵列与非线性光学晶体，实现了100路径参量下转换，制备了超高维量子纠缠态和多光子源。 　　为了进一步提高量子光源的集成化程度，任希锋与新加坡国立大学等单位的合作者一起，首次利用新型二维材料NbOCl2的非线性过程实现了超薄的量子光源，厚度可低至46nm。 　　二维材料的层内晶体结构稳定，而原子层间的相互作用力要弱很多。基于这种特性，单层二维材料可以在保持原子尺度厚度的同时也保持物理性质的稳定，使得二维材料可以稳定且灵活地与各种微纳尺度光学器件直接耦合，因此被广泛应用在集成光子芯片的各个重要组成部分之中。常见的二维材料(WS2、WSe2等)虽然具有很大的二阶非线性系数，但是单层厚度太薄(图一：NbOCl2晶体的结构测试，单层厚度约0.65nm图二：NbOCl2二维材料的倍频二阶非线性过程测试图三：基于NbOCl2二维材料的量子光源

来自美国麻省理工学院（MIT）的科研人员在最新一期《科学》杂志上撰文指出，他们首次直接探测到二维材料内电子之间的强关联作用，而且测量出了这种排斥力的大小。最新研究有望帮助科学家设计出奇异的功能材料，比如非常规超导体等。近年来，物理学家发现，包括“魔角”石墨烯等在内的一些二维材料可以根据施加的电压改变电子状态，从金属“变身”为绝缘体甚至超导体。尽管促使这种材料“变身”的潜在物理机制仍是未解之谜，但物理学家们怀疑与“电子关联”——两个带负电荷电子之间的相互作用有关。这种排斥力对大多数材料的性质几乎没有影响，但可能是影响二维材料性质的主要原因。了解电子关联如何改变电子状态，可以帮助科学家设计出奇异的功能材料（如非常规超导体）。现在研究人员首次揭示了一种名为ABC三层石墨烯的二维材料内电子关联的直接证据，最新研究主要作者、MIT助理教授鞠龙（音译）说：“更好地理解超导性背后的物理学，将使我们设计出能改变世界的设备，从零损耗能量传输到磁悬浮列车等。”墨烯类似于研究更深入的魔角双层石墨烯（由六边形排列的碳原子晶格制成）。在最新研究中，鞠龙团队首先合成了ABC三层石墨烯样品，创造出带有能阱的超晶格，随后使用自己开发的独特光学技术确认这种材料确实拥有一个“平带”结构——其间所有电子的能量几乎相同，他们认为正是这一结构影响了材料的性质。然后他们稍微调低电压，使晶格中每个阱中只有一个电子。在这种“半填充”状态下，材料被视为莫特绝缘体（一种奇特的物质状态），材料应该能像金属一样导电，但表现为绝缘体。在此过程中，他们首次直接检测到这种特定莫特超晶格材料中的电子关联，并测量其强度约为20毫电子伏。结果表明，强电子关联是这种特殊二维材料的物理基础。

近日，大连化物所催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组(508组)吴忠帅研究员团队在构筑高性能二维赝电容多电子反应储锂材料方面取得新进展，设计并制备出一种超薄二维VOPO4赝电容正极新材料，显著提升了多电子反应的动力学，构筑出高能量密度和高功率密度固态锂金属电池。 　　“多电子反应”通常被定义为每个活性材料分子转移一个以上电子的反应。作为一类典型的具有V4+/V5+和V3+/V4+多重氧化还原电对的多电子反应正极材料，VOPO4由于其负电性(PO4)3-阴离子具有较高的电势(3.55至3.95 V)，可提供更高的能量密度。然而，VOPO4由于体积扩散过程和低本征电导率(10-8S/cm)，其反应动力学缓慢。本工作中，团队通过调控VOPO4中的V4+缺陷，实现了高倍率多电子反应化学赝电容正极。团队制备的二维VOPO4/石墨烯纳米片，不仅具有超薄纳米片结构(2.8nm)以提高电子和离子电导率，而且通过控制V4+缺陷的含量，有效调节了多电子反应均匀性和反应动力学，降低了电极极化。该赝电容多电子反应正极在0.1C时的容量达313mAh/g，在50C的超快速率下保持了116mAh/g。进一步，团队提出了一种新型紫外光固化固态电解质(ETPTA-LiClO4-SSE)，室温离子电导率可达0.99mS/cm，明显高于聚环氧乙烷固态电解质(约10-6S/cm)。团队组装的Li||ETPTA-LiClO4-SSE||VOPO4固态锂金属电池实现了85.4Wh/kg的高能量密度和2.3kW/kg的高功率密度，同时软包电池显示出出色的机械柔性和安全性。该工作为开发用于高比能高功率锂金属电池的多电子化学二维赝电容快充正极材料提供了一条新途径。 　　相关研究成果以“2D VOPO4 pseudocapacitive ultrafast-charging cathode with multi-electron chemistry for high-energy and high-power solid-state lithium metal batteries”为题，于近日发表在Advanced Energy Materials上。该工作的第一作者是我所508组博士研究生邢菲菲。上述工作得到了国家自然科学基金、我所创新基金等项目的资助。

MXene是一种新型的二维材料，由金属碳化物或氮化物组成。其由于具有出色的柔韧性、良好的电子传导性、优异的机械性能，是最常用的柔性电极材料之一。近日，中国科学院大连化学物理研究所研究员吴忠帅团队，发表了关于高熵MXene在能源存储与催化应用领域的展望文章，介绍了高熵MXene相关的重要研究进展，并展望了高熵MXene的研究方向与未来可能的研究范式。相关文章发表在《科学通报》上。多功能应用方向。大连化物所供图　　MXene在能源、传感、催化和生物医学等领域有着广泛的应用前景。自2011年发现以来，在能源存储和催化等领域开展了大量理论研究和实验工作，研究也由最初的表面功能化简单调控，逐渐过渡到MXene晶体结构中过渡金属调控等精细工作，以期进一步提高MXene使用性能，并发掘其更大应用潜力。　　高熵合金中含有5个以上主要元素，熵增效应使其常常具有独特且意想不到的性能。受高熵合金启发，研究人员试图将高熵概念融入MXene中，通过在MXene中引入多种近似等摩尔比的过渡金属来调节其性能，进而提高其各种应用的适用性。　　鉴于高熵MXene的独特性质与应用潜力，文章首先分析了MXene在电池和超级电容器中的性能，强调了高熵MXene研究的重要性，并讨论了当前各种MXene合成方法特点，以及未来可能的新方法。文章还分析了高熵MXene在超级电容器和电池中的应用研究，发现了熵增加与超级电容器的电容增加和电池稳定性的提高密切相关。此外，文章也展望了高熵MXene在催化及其它方面的应用前景。　　该文章提出，由于高熵MXene研究涉及多学科交叉融合，高熵MXene的快速发展亟需进行全球范围内的实验与理论合作，进而克服该领域的未知挑战，并将最大限度发掘高熵MXene的应用潜力。

中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿团队在二维范德瓦尔斯材料固态自旋色心领域取得重要进展。该团队李传锋、唐建顺研究组与匈牙利魏格纳物理研究中心教授AdamGali等合作，实验研究并理论解释了六方氮化硼（hexagonalboronnitride，hBN）中带负电硼空位（VB-）色心受磁场调制的自旋相干动力学行为，揭示了hBN中VB-色心电子自旋与核自旋之间的相干耦合和弛豫机制，这对发展基于二维范德瓦尔斯材料的相干自旋系统及低维量子器件具有重要意义。9月29日，相关研究成果发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。 近年来，研究发现，宽禁带范德瓦尔斯材料hBN是室温自旋色心的优秀宿主。范德瓦尔斯材料通过简单的机械剥离便可制备为原子厚度的二维结构，且可与多种微纳结构相耦合，在低维量子器件制备和近场传感探测等方面比三维体材料具有天然优势，因而hBN中的自旋色心成为固态自旋色心领域的研究热点。目前，研究最广泛的hBN自旋色心为VB-色心，且集中于VB-的电子自旋，而对VB-电子自旋周围的核自旋缺乏深入研究及观测。由于色心周围的核自旋是固态自旋维度扩展的主要途径之一，且是造成固态自旋弛豫的主要因素。因此，VB-色心的电子自旋与周围核自旋耦合形成的多自旋体系的相干动力学研究，对推动基于范德瓦尔斯材料的固态量子自旋技术至关重要。本工作中，研究组使用中子辐照技术在hBN中制备出高浓度的VB-色心样品，并利用ODMR（optical probing magnetic resonance）技术探测VB-自旋能级结构，观测到VB-色心中电子自旋与3个最近邻14N核自旋相互作用产生的超精细劈裂以及14N核自旋偏振随磁场增强的极化现象。同时，研究组对VB-进行多项室温相干操控和探测，包括Rabi振荡、自旋回波、Ramsey干涉探测等。探测结果表明，VB-自旋受到明显的核自旋相干调制，且核自旋调制效应会随磁场增加而变强。为进一步揭示相关现象的内在动力学机制，研究组理论构建了VB-电子与最近邻14N核自旋组成的4自旋系统，并对该4自旋系统的多种动力学性质进行无参数（parameterfree）的理论模拟。结合实验与模拟结果，研究组发现VB-色心中存在较强的电子与核自旋相互作用，同时最近邻14N核自旋极化也受到显著的驱动微波动态调制。此外，研究组还在理论模拟中引入了包含127个14N和11B的多体核自旋环境，并模拟了与之相互作用的开放4自旋VB-系统的动力学行为。通过对照实验和理论结果，研究组发现11B核自旋环境主导了VB-色心的自旋弛豫，而磁场能够减弱核自旋环境的弛豫效应并增强VB-电子与最近邻14N的相干耦合。（a）VB-色心的原子结构示意图；（b）VB-色心的电子自旋能级结构；（c）不同磁场下VB-色心的ODMR信号；（d）不同磁场下VB-色心的Rabi振荡信号。该研究从实验和理论上揭示了VB-色心中存在显著的电子和最近邻14N核自旋相干耦合，以及多体11B核自旋环境导致的VB-色心自旋弛豫。该工作为将VB-相干操控自旋拓展至核自旋以及发展相关低维固态量子系统奠定了基础。研究工作得到科技部、国家自然科学基金、中科院和合肥国家实验室等的支持。

为加快前沿材料产业化创新发展，引导形成发展合力，工业和信息化部、国务院国资委日前组织编制了《前沿材料产业化重点发展指导目录（第一批）》。新材料产业是战略性、基础性产业，是未来高新技术产业发展的基石和先导。前沿材料代表新材料产业发展的方向与趋势，具有先导性、引领性和颠覆性，是构建新的增长引擎的重要切入点。记者了解到，本次公布的第一批前沿材料产业化重点发展指导目录聚焦已有相应研究成果、具备工程化产业化基础、有望率先批量产业化的前沿材料，涵盖超材料、超导材料、单/双壁碳纳米管、二维半导体材料、负膨胀合金材料等15种前沿材料，可用于新一代信息技术、航空航天装备、高端医疗装备、节能与新能源汽车、智能机器人等多个潜在应用领域。工业和信息化部、国务院国资委要求各地工业和信息化主管部门要加大宣传推广和支持力度，引导各类市场主体结合实际积极开展技术创新、应用探索和产业布局。后续两部门将根据技术发展情况，适时分批发布前沿材料产业化重点发展指导目录。

几个世纪以来，人类探索磁性及其相关现象的脚步从未停歇。在电磁学和量子力学发展的早期，人类很难想象磁石对铁的吸引力，鸟、鱼或昆虫在相隔数千英里的目的地之间的导航能力，这些神奇又有趣的现象具有相同的磁性起源。这些磁性来源于基本粒子的运动电荷与自旋，它和电子一样普遍存在。近年来，二维磁性材料在国际上成为备受关注的研究热点，它们为自旋电子学器件的研发开辟了新的方向，在新型光电器件、自旋电子学器件等方面都有着重要的应用价值。近日，《物理学报》2021年第12期也推出了二维磁性材料专题，从不同的角度描述了二维磁性材料在理论与实验方面的进展。《物理学报》2021年第12期你能想象得到吗？只有几个原子厚度的二维磁性材料就可以为极小的硅电子器件提供基板。这种神奇的材料由成对的超薄层制成，超薄层通过范德瓦耳斯力，即分子间作用力堆叠在一起，同时层内原子以化学键进行连接。虽然只有原子级的厚度，但依然保持着磁学、电学、力学、光学等方面的物理和化学特性。二维磁性材料 图片引用自https://phys.org/news/2018-10-flexy-flat-functional-magnets.html打个有趣的比方，二维磁性材料中的每个电子都像一个微小的罗盘，拥有北极和南极，这些“罗盘针”的方向决定了磁化强度。当这些无穷小的“罗盘针”自发对齐时，磁序就构成物质的基本相位，因此可制备出很多功能性装置，例如发电机和电动机、磁阻存储器和光学阻隔器等。这种神奇的特性也让二维磁性材料变得炙手可热起来，虽然现在集成电路制造工艺在不断提高，但由于器件在不断缩小，已经受到量子效应的限制，微电子行业已经遇到了可靠性低、功耗大等瓶颈，延续了近50年的摩尔定律也不再“吃香”（摩尔定律：集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月便会增加一倍）。如果未来二维磁性材料能够在磁传感器、随机存储器等新型自旋电子学器件领域得到应用，说不定有望突破集成电路性能瓶颈。我们已经知道，具有磁性的范德瓦耳斯晶体带有特殊的磁电效应，因此在二维磁性材料的研究过程中，定量的磁性研究是必不可少的步骤。然而，对此类磁体在纳米尺度上磁性响应的定量实验研究依然非常缺乏。现有的一些研究报道了在微米尺度上实现了对晶体磁性的检测，但这些技术不仅还无法提供关于磁化的定量信息，还极容易干扰阻碍超薄样品的磁信号。因此，检测技术的更新对于探测材料纳米尺度上的磁性质是非常紧迫的挑战。国仪量子QDAFM为了解决这一难题，国仪量子提供了一种新的测量途径——量子钻石原子力显微镜（QDAFM）。QDAFM是基于NV色心和AFM扫描成像技术的量子精密测量仪器。通过对钻石中氮—空位（NV）色心发光缺陷的自旋进行量子操控与读出，可实现磁学性质的定量无损成像，具有纳米级的高空间分辨率以及单个自旋的超高探测灵敏度，可用于定量检测范德瓦耳斯磁体的关键磁学性质，并对其磁化、局部缺陷和磁畴进行高空间分辨率的磁成像，具有非侵入性、可覆盖宽温区、大磁场测量范围等独到优势，在量子科学，化学与材料科学，以及生物和医疗等研究领域有着广泛的应用前景。二维碘化铬的磁化图引用自Probing magnetism in 2D materials at the nanoscale with single-spin microscopy（Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aav6926）下面，为大家介绍QDAFM在微纳磁成像、超导磁成像、细胞原位成像、拓扑磁结构表征等方面的具体应用。01微纳磁成像对于磁性材料，确定其静态自旋分布是凝聚态物理中的重要问题，也是研究新型磁性器件的关键。QDAFM提供了一种新的测量途径，能够实现高空间分辨率的磁性成像，具有非侵入性、可覆盖宽温区、大磁场测量范围等独到优势。布洛赫型磁畴壁成像引用自Tetienne, J. P.et al. The nature of domain walls in ultrathin ferromagnets revealed by scanning nanomagnetometry.Nature Communications6, 6733(2015)02超导磁成像对超导体及其涡旋的微观尺度研究，能够为理解超导机理提供重要信息。利用工作在低温下的QDAFM，可以对超导体的磁涡旋进行定量的成像研究，并扩展到众多低温凝聚态体系的磁性测量。单个磁性涡旋的杂散场定量成像引用自Thiel, L.et al.Quantitativenanoscale vortex imaging using a cryogenic quantum magnetometer. Nature Nanotechnology 11,677- 681 (2016).03细胞原位成像在细胞原位实现纳米级分子成像是生物学研究的重要手段。在众多成像技术中，磁共振成像技术能够快速、无破坏地获取样品体内的自旋分布图像，已经广泛应用在多个科学领域中。特别是在临床医学中，因其对生物体几乎无损伤，对疾病的机理研究、诊断和治疗起着重要的作用。然而，传统的磁共振成像技术使用磁感应线圈作为传感器，空间分辨率极限在微米以上，无法进行细胞内分子尺度的成像。利用QDAFM的高空间分辨率特性，研究人员观测到了细胞内部存在于细胞器中的铁蛋白，分辨率达到了10纳米。细胞原位铁蛋白分子的纳米磁成像引用自Wang, P. et al. Nanoscale magnetic imaging of ferritins in a single cell. Science advances 5, 8038 (2019).04拓扑磁结构表征磁性斯格明子是具有拓扑保护性质的纳米尺度涡旋磁结构。磁性斯格明子展现出丰富新奇的物理学特性，为研究拓扑自旋电子学提供了新的平台，在未来高密度、低能耗、非易失性计算和存储器件中也具有潜在应用。但是室温下单个斯格明子的探测在实验上仍具有挑战性。QDAFM的高灵敏度和高分辨率特点，是解决这一难题的有力工具，通过杂散场测量可重构出斯格明子的磁结构。斯格明子磁场成像引用自Dovzhenko, Y. et al. Magnetostatic twists in room-temperature skyrmions explored by nitrogen-vacancy center spin texture reconstruction. Nature Communications 9, 2712 (2018).参考文献：1.《物理学报》2021年第12期，二维磁性材料专题2.Two-dimensional magnetic crystals and emergent heterostructure devices（Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aav4450）3.https://phys.org/news/2018-10-flexy-flat-functional-magnets.html4.Probing magnetism in 2D materials at the nanoscale with single-spin microscopy（Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aav6926）

【科学背景】二维材料具有超薄形态和极高长宽比，与块体材料相比，它们的性质发生了显著变化，因而在光电子学、自旋电子学、二氧化碳转化、能源存储和气体分离等领域展现出巨大的应用潜力。然而，尽管二维材料在许多方面表现出色，直到最近，全局手性这一特性在二维材料中仍然缺失。手性是一种广泛存在于自然界中的现象，尤其是在分子水平上。手性材料因其在对映选择性识别和催化中的应用，长期以来受到研究者的关注。然而，全局手性，即发生在分子水平以上的手性构象和排列，在二维材料中的实现一直是一个难题。特别是手性二维材料的设计、合成与表征面临着诸多挑战，包括超薄纳米片的分离、稳定性问题以及在二维平面中有效传递和放大手性信号的难度。有鉴于此，上海交通大学化学化工学院董金桥刘燕以及崔勇合作发表了二维材料的最新评述论文。他们发现，研究者们近年来开展了大量的研究，并在手性二维材料的设计与合成方面取得了显著进展。通过化学合成和精确设计，几种不同类型的超薄手性二维晶体得以实现。这些新型手性二维材料在实验上展示了分子尺度的局部手性如何在超薄单晶二维结构中显著传递和放大，从而形成独特的全局手性。【科学亮点】1. 本研究发现超薄手性二维晶体材料表现出独特的物理性质和潜在应用，填补了二维材料中长期缺失的全局手性这一重要特性。2. 论文指出，科学家成功地传递并放大了分子尺度的局部手性，从而在超薄单晶二维结构中实现了显著的全局手性。【科学图文】图1：手性二维2D 金属有机骨架材料metal–organic frameworks，MOFs的局部结构表征。图2：通过共价或非共价组装的手性二维2D纳米片合成和结构表征。图3：手性二维2D 有机-无机混合钙钛矿hybrid organic–inorganic perovskites，HOIP的晶体结构。图 4: 手性二维2D蛋白质的合成和HR-TEM表征。【科学启迪】本文揭示了二维材料领域中的全局手性这一未被充分探索的潜力。尽管二维材料因其超薄形态和极高的长宽比展现出众多独特性能，但全球手性特性长期以来在这些材料中却鲜有踪迹。近期的研究突破通过实现多种超薄手性二维晶体，揭示了全局手性在二维材料中的重要性和应用潜力。文章强调了如何通过精确设计和合成策略，将分子尺度的局部手性有效地传递并放大至整个超薄单晶二维结构中，从而形成显著的全局手性。这种全局手性不仅提升了材料的功能复杂性，还为开发新型手性材料和应用提供了全新的视角。本文的讨论引导我们认识到，在二维材料中探索和应用全局手性，能够拓展现有材料的功能范围，并激发在化学、物理和材料科学等领域中的新兴应用机会。参考文献：Dong, J., Liu, Y. & Cui, Y. Emerging chiral two-dimensional materials. Nat. Chem. (2024). https://doi.org/10.1038/s41557-024-01595-w

近日，北京航空航天大学宫勇吉教授团队与北京大学吴凯教授团队合作在Nature Synthesis期刊上发表了一篇题为“Flux-assisted growth of atomically thin materials”的研究成果。课题组突破传统方法合成二维材料的限制，采用熔体辅助析出的方法，高效可控地实现了近100种超薄纳米片材料的合成，包括传统方法无法合成的复杂多元层状或者非层状超薄二维单晶材料。论文通讯作者是宫勇吉、吴凯；第一作者是张鹏、王兴国、江华宁。二维材料由于特殊的物理和化学特性，近年来引起了大量关注。尤其是这些原子薄材料为在二维极限层面探索催化、磁性、超导和拓扑性质提供了理想的平台。因此，高质量二维材料的可控制备已经成为其在电子和信息产业应用的先决条件。化学气相沉积（CVD）和机械剥离（ME）已被广泛应用于各种超薄材料的制备，但是这些方法目前面临越来越多的挑战。CVD气相反应的特性，决定了其在制备多元素材料时，气相分布不均匀往往会导致相分离，因此很难可控合成复杂多元二维材料。另外，对于具有一些特殊性质的非层状材料，由于其材料高表面能或者晶面之间较强的键合能，既不能被CVD合成，也不能被ME机械剥离。有鉴于此，为突破传统方法合成二维材料的限制，北京航空航天大学宫勇吉教授团队联合北京大学吴凯教授团队，提出一种全新、简单、强大且高效的熔体辅助生长二维材料的普适性策略。该方法利用经典生长单晶的熔体析出过程辅以空间限域，成功制备出一系列超薄二维单晶，包括层状或者非层状，少元或者多元二维单晶。另外，该方法也展现出制备二维单晶薄膜的潜力。不同于气相沉积方法，熔体析出法具有高效稳定、组分可控、重复性高等优点。特别的，该方法对外在生长条件，如温度、气流大小、前驱体数量等具有极高容忍度。图1：a-d. 熔体辅助析出过程及生长机制。e-h. Fe5GeTe2、AgCrS2重复率及厚度分布统计和条件容忍度。熔体辅助生长方法具有高重复率及对生长条件高容忍度。以Fe5GeTe2及AgCrS2为代表性的二维材料，生长重复率均接近100%，约为98%。另外，其生长气流大小可在50-500 sccm变化，生长温度区间可达接近200 °C，显示出熔体辅助法的优越性。图2：合成的80种超薄二维单晶及代表性的大尺寸单晶及厘米级薄膜。熔体辅助生长方法具有普适性。利用熔体辅助析出方法，成功制备出80种具有代表性的超薄二维单晶。其中包括层状和非层状，少元和多元和大尺寸单晶及薄膜二维材料。特别的，其中以CuCrTe2、FeGe、BiFeO3等为代表的非层状材料，既难以被CVD合成，也不能被机械剥离。充分证明了熔体辅助生长方法的独特性和优越性。图3：代表性材料Fe3GeTe2、Fe5GeTe2、MnPS3、CuInP2S6结构及比例分析。熔体析出二维单晶比例控制准确，性能优异。球差电镜测试结果表明材料结晶性能良好，元素比例准确。PFM测试结果证明了生长的超薄In2Se3具有明显铁电性能，可以和机械剥离In2Se3纳米片相媲美。NbSe2超导测试结果与CVD及机械剥离NbSe2二维片相当，表明熔体析出样品出色的结晶性。图4：In2Se3铁电性能及NbSe2超导性能表征。该研究提出一种不同于传统合成二维材料的普适性新方法，为合成更多复杂多元二维材料，非层状二维材料及大尺寸薄膜铺平了道路。相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s44160-022-00165-7为促进二维材料的研究与应用，仪器信息网将于2022年11月15日组织召开 “二维材料的表征与评价”主题网络研讨会。邀请业内专家以及厂商技术人员就二维材料最新应用研究进展、检测技术及标准化等分享精彩报告，为广大用户搭建一个即时、高效的交流平台。点击图片直达会议页面

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）

近日，国家市场监督管理总局（国家标准化管理委员会）发布2021年第7号国家标准公告，批准发布386项推荐性国家标准和3项国家标准修改单，其中包括两项石墨烯相关标准：由泰州巨纳新能源有限公司牵头起草的国家标准GB/T 40071-2021《纳米技术 石墨烯相关二维材料的层数测量 光学对比度法》，以及由中国科学院半导体研究所牵头起草的国家标准GB/T 40069-2021《纳米技术 石墨烯相关二维材料的层数测量 拉曼光谱法》。以上两项标准同属于我国石墨烯领域首批国家标准计划项目，将于2021年12月1日起正式实施。石墨烯相关二维材料是层数不超过10层的碳基二维材料，包括石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯、氧化石墨烯等，具有优异的电学、光学、力学、热学等性能，引起了学术界和工业界广泛的研究兴趣。石墨烯相关二维材料的层数是影响其性能的关键参数。准确测量石墨烯相关二维材料的层数对于材料的研究、开发和应用意义重大。光学对比度法与拉曼光谱法因其快速、无损和高灵敏度等优势，被广泛应用于测量石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯等石墨烯相关二维材料的层数。《纳米技术 石墨烯相关二维材料的层数测量 光学对比度法》由泰州巨纳新能源有限公司、东南大学、泰州石墨烯研究检测平台有限公司等单位主导起草。利用光学对比度法测量石墨烯相关二维材料层数时，测量结果会受到硅（Si）衬底表面二氧化硅（SiO2）层的厚度、显微物镜的数值孔径、数据的处理方法等各种测试条件的影响。为提高层数测量结果的可靠性和一致性，该标准规定了光学对比度法（包括反射光谱法和光学图片法）测量石墨烯相关二维材料的层数的步骤、仪器参数要求、数据分析、层数判定准则。《纳米技术 石墨烯相关二维材料的层数测量 拉曼光谱法》由中国科学院半导体研究所 、贝特瑞新材料集团股份有限公司 、河北大学 、东南大学等单位主导起草。该标准规定了拉曼光谱法测量石墨烯相关二维材料层数时的样品制备、仪器参数要求、表征步骤、图谱分析及结果表示等内容，并列出基于本标准规定的方法测量某几个石墨烯薄片样品的实例。以上标准是重要的石墨烯相关二维材料层数测量方法标准，将为石墨烯相关二维材料的生产、应用、检验、流通、科研等领域，提供两种快速、无损和高灵敏度的测量方法，为石墨烯相关产业健康发展起到积极的推动作用。科技创新，日新月异，只有成为先进标准的制定者，才能在激烈的全球化竞争中增强产业核心竞争力，才能抢占战略性新兴产业发展制高点。值得一提的是，本次标准牵头起草方之一的泰州巨纳新能源有限公司，曾牵头制定我国首个石墨烯国家标准GB/T 30544.13-2018《纳米科技 术语 第13部分：石墨烯及相关二维材料》，该标准已于2019年11月起实施。泰州巨纳新能源有限公司成立于2010年，是国内最早从事石墨烯研究、检测、应用、标准化工作的公司之一。截至目前，公司获批国际标准2项，国家标准项目4项（2项已发布），江苏省地方标准2项，编制联盟标准项目7项（3项已发布）；率先发布全国首批石墨烯检测技术领域19项企业标准。2013年组织召开了全国首届石墨烯标准化论坛。2016年12月，经国家标准委和中国科学院批准，承担全国纳米技术标准化技术委员会低维纳米结构与性能工作组（编号为SAC/TC279/WG9）秘书处，负责协调和组织全国低维纳米材料的标准化工作。2017年，被评为泰州市标准化先进集体。2018荣获泰州市首届标准创新奖。2020年被评为泰州市专利标准融合创新示范企业，同年获批承担全国微细气泡技术标准化技术委员会微细气泡技术应用工作组（编号为SAC/TC584/WG3）秘书处。从2013年起举办多项全国性标准化活动，打造了行业知名的LDMAS国际会议品牌，在全国乃至国际上形成了巨大的影响力。

二维材料是指电子仅可在两个维度的纳米尺度（1-100nm）上自由运动的材料，拥有独特的物理、化学、电学、光学等特性，在半导体、电子器件以及复合材料等领域有具有重要的应用价值，已成为国内外学者的研究热点。为促进二维材料的研究与应用，仪器信息网将于2022年11月15日组织召开 “二维材料的表征与评价”主题网络研讨会。邀请业内专家以及厂商技术人员就二维材料最新应用研究进展、检测技术及标准化等分享精彩报告，为广大用户搭建一个即时、高效的交流平台。点击图片直达会议页面一、会议日程时间报告题目报告嘉宾单位职位/职务09:00-09:30二维半导体及异质结构的原子分辨原位表征研究王荣明北京科技大学 教授09:30-10:00不仅是形貌 - 原子力显微镜在二维材料高分辨成像和物性测试中的应用竺仁牛津仪器科技（上海）有限公司AFM应用工程师10:00-10:30二维材料成核阶段的qPlus-AFM研究刘梦溪国家纳米科学中心副研究员10:30-11:00岛津XPS在二维材料表面分析中的应用研究蔡斯琪岛津企业管理（中国）有限公司产品专员11:00-11:30石墨烯粉体材料表征与评价任玲玲中国计量院研究员11:30-14:00午休14:00-14:30旋转二维材料的原子结构解析与皮米尺度应力场分析赵晓续北京大学 研究员14:30-15:00二维材料的层间耦合调控及光谱学研究夏娟电子科技大学研究员15:00-15:30二维材料催化活性位的光谱和成像原位分析黄腾翔厦门大学副教授15:30-16:00二维过渡金属硫族材料原子尺度的缺陷调控和关联物性分析林君浩课题组南方科技大学博士研究生二、报告嘉宾三、参会指南1、点击会议页面链接或扫描下方二维码报名；会议页面：https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/2dmaterial2022/扫码免费报名抢位2、报名并审核通过后，将以短信形式向报名手机号发送在线听会链接；3、本次会议不收取任何注册或报名费用；4、会议联系人：牛编辑（手机号：13520558237 邮箱：niuyw@instrument.com.cn）。

【科学背景】二维（2D）材料家族在过去二十年显著扩展，包括近2000种理论预测和数百种实验室可接近的物种。这一演变与材料制备技术的进步密切相关。传统的机械剥离从体块晶体中开创性地发现和分离了石墨烯，提供了高质量材料，但在大规模生产中面临挑战。溶液基剥离等替代方法虽然提供了2D材料的可伸缩性，但可能引入缺陷、杂质和化学修饰。与此相比，外延生长技术通过在各种基底上组装原子或分子成为2D材料，无需晶格匹配要求，并能精确控制成分和晶质，展示了制造大面积高质量单晶薄膜的潜力。二维材料外延的概念可以追溯到20世纪60年代，当时John May在高温金属基底上的烃类中发现了未指定的低能电子衍射图案，并将其归因为‘单层石墨’的生长。1984年，Koma等人提出了“范德瓦尔斯（vdW）外延”这一术语，用于在剥离的MoS2表面上制造亚纳米NbSe2薄膜。然而，这些初探一直局限于表面物理学领域，未能引起广泛关注。随着2004年石墨烯的发现和分离，这一领域经历了转变，激发了一系列探索和特征性2D vdW材料及其同质结构外延生长的突破性‘浪潮’。第一波浪由2009年在铜箔上合成单层石墨烯开启，随后十年揭示了外延机制，推动了单晶薄膜的工业化生产。接连而来的浪潮归因于二维六角硼氮化物（hBN）和过渡金属二硫化物（TMDCs）的外延，最近实现了英寸大小的单晶。此外，人工多层系统中的扭转电子学和moire光子学推动了另一波，用于直接生长具有控制堆叠和扭转角度的垂直同质结构。北京大学刘开辉团队最新论文表示，新兴二维材料外延的前景广阔，可能涵盖单元素物种（如黑磷、硼烯和碲烯）以及各种化合物如硫化物、硼化物、碳化物等。每一波浪都带来独特的挑战，但普遍的外延原则在这些进展中是潜在且必要的。随着科学家们不断提出新的技术和策略，如何有效应对这些挑战并推动新材料的应用和工业化成为了当前研究的关键焦点。【科学亮点】（1）在二维材料研究领域，实验揭示了机械剥离技术从体块晶体中分离出石墨烯，并且成功实现了高质量材料的获得。（2）替代的溶液基剥离方法被引入以扩展2D材料的可伸缩性，但引入了潜在的缺陷和杂质，同时也进行了化学修饰。然而，外延生长技术通过在各种基底上组装原子或分子成2D材料，无需晶格匹配要求，为制造大面积、高质量的单晶薄膜提供了精确的成分和晶质控制。（3）二维材料外延的历史可以追溯到1960年代，当时John May首次在高温金属基底上观察到未指定的低能电子衍射图案，推动了“单层石墨”生长的初步探索。（4）1984年，Koma等人提出了“范德瓦尔斯（vdW）外延”概念，用于在MoS2表面上制造亚纳米NbSe2薄膜。这些探索初期局限于表面物理学界，未引起广泛关注。（5）随着2004年石墨烯的发现和分离，二维材料外延领域经历了转变，激发了一系列在探索和外延生长典型2D vdW材料及其同质结构方面的突破性‘浪潮’。（6）外延技术的进步推动了二维六角硼氮化物（hBN）和过渡金属二硫化物（TMDCs）的生长，最近实现了英寸大小的单晶，展示了制造大面积、高质量单晶薄膜的潜力。【科学图文】图1：二维2D 范德华 van der Waals，vDW材料及其同质结构外延生长的代表性进展。图2：单畴的成核控制。图3：多域定向控制。图4：均匀多层膜的制备。图5: 转角同质结构的制造。【科学结论】在过去的十年中，二维范德瓦尔斯（vdW）材料外延生长取得了显著进展，从平面单晶单层发展到垂直多层结构。一些典型材料的制备已经达到了先进阶段，例如工业规模生产石墨烯单晶薄膜，英寸尺寸的hBN单晶单层合成，以及TMDC半导体达到标准300毫米晶片大小，与主流硅技术对接134。此外，具有平行堆叠或精确扭转角度控制的同质结构多层外延也有了一定的阶段性进展。我们在本综述中总结了这些案例背后的策略，并相信它们可以进一步扩展到其他外延技术或二维系统中。复杂vdW化合物如金属氧化物或氢氧化物的单晶外延生长，目前正处于探索阶段，遵循这些已建立的策略。在器件应用场景中，二维结构理想情况下应在材料制备过程中启动和形成。对绝缘晶片上的二维薄膜进行直接生长或晶片规模的转移技术是将二维场效应晶体管纳入未来大规模集成器件至关重要的。需要制定经济实惠的热预算解决方案，以适应材料生长和随后器件制造与后端线路工艺的兼容性。下一步是建立从材料设计到封装和器件集成的工业链桥梁。最终，一旦二维材料的生长准备水平和生产复制性达到硅晶片的水平，它们从研究（实验室）到设计和制造（工厂）的转变将指日可待。原文详情：Liu, C., Liu, T., Zhang, Z. et al. Understanding epitaxial growth of two-dimensional materials and their homostructures. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01704-3

二维材料是伴随着2004年曼彻斯特大学Geim 小组成功分离出单原子层的石墨烯而提出的，是指电子仅可在两个维度的纳米尺度（1-100nm）上自由运动（平面运动）的材料。因其载流子迁移和热量扩散都被限制在二维平面内，二维材料展现出许多奇特的性质，在学术界和产业界都掀起了研究热潮。点击图片报名为促进二维材料的研究与应用，仪器信息网联合中国科学院纳米标准与检测重点实验室将于2021年11月18日组织召开 “二维材料检测技术与应用”主题网络研讨会。邀请业内专家以及厂商技术人员就二维材料最新应用研究进展、检测技术及标准化等分享精彩报告，为广大用户搭建一个即时、高效的交流平台。主办方：仪器信息网 中国科学院纳米标准与检测重点实验室会议时间：2021年11月18日 09:30-16:30会议日程：时间报告主题报告人09:30-10:00二维相变材料的低温低波数拉曼光谱研究谢黎明（国家纳米科学中心）10:00-10:30雷尼绍拉曼光谱系统在二维材料领域的应用李兆芬（雷尼绍（上海）贸易有限公司）10:30-11:00布鲁克纳米红外光谱系统在二维材料领域的应用魏琳琳（布鲁克（北京）科技有限公司）11:00-11:302D Materials for sustainable world: electrocatalysis, low-power device and AI刘政（新加坡南洋理工大学）11:30-14:00午休14:00-14:30基于水氧敏感二维材料无损表征的氛围保护互联系统搭建与应用林君浩（南方科技大学）14:30-15:00HORIBA拉曼光谱技术在二维材料领域的应用苗芃（HORIBA科学仪器事业部）15:00-15:30原子力显微镜测量氧化石墨烯厚度比较研究杨露（北京石墨烯研究院）15:30-16:00待定赛默飞世尔科技分子光谱16:00-16:30石墨烯粉体的元素组成定量测量国际标准研制刘忍肖（国家纳米科学中心 ）报名方式扫描下方二维码或点击以下链接即可进入报名页面。报名链接：https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/2dmaterial2021/报名参会 加入会议交流群，随时掌握会议动态

2021年11月18日，由仪器信息网与中国科学院纳米标准与检测重点实验室联合举办的“二维材料检测技术与应用”主题网络研讨会成功召开。会议针对二维材料制备、表征及标准化等研究热点，邀请到10位来自高校、科研院所、仪器企业的资深专家分享精彩报告；吸引逾600名行业用户报名参会；并得到参会专家和用户的积极反馈和高度认可。为方便更多用户学习，经报告专家允许，现将部分会议视频整理发布。回放视频列表报告主题报告人回放链接二维相变材料的低温低波数拉曼光谱研究谢黎明（国家纳米科学中心 研究员）不回放雷尼绍拉曼光谱系统在二维材料领域的应用李兆芬（雷尼绍 应用工程师）回放链接布鲁克纳米红外光谱系统在二维材料领域的应用魏琳琳（布鲁克 应用工程师）回放链接2D Materials for sustainable world: electrocatalysis, low-power device and AI刘政（新加坡南洋理工大学 副教授）不回放WITec共聚焦拉曼成像助力二维材料检测与应用胡海龙（WITec 中国区应用服务经理）不回放基于水氧敏感二维材料无损表征的氛围保护互联系统搭建与应用林君浩（南方科技大学 副教授）不回放HORIBA拉曼光谱技术在二维材料领域的应用苗芃（HORIBA 应用工程师）回放链接原子力显微镜测量氧化石墨烯厚度比较研究杨露（北京石墨烯研究院 研发工程师）不回放赛默飞扫描电镜产品在纳米材料表征领域的应用罗俊（赛默飞 产品专家）回放链接石墨烯粉体的元素组成定量测量国际标准研制刘忍肖（国家纳米科学中心 高级工程师）回放链接 添加群主微信，加入二维材料交流群

以石墨烯、BN、MoS2为代表的二维材料因其特殊的性能成为现在科研领域的新宠。现在，除了石墨烯和MoS2等热度较高的二维材料之外，很多其他类型的二维材料也相继被开发出来。然而真正的二维材料因为厚度极薄，在扫描电镜下衬度较低；而且因为X射线在深度方向的穿透，EDS对二维材料上的分析也无能为力。而目前的二维材料除了用到SEM之外，拉曼光谱也是极其重要的表征手段，而将两者完全一体化的电镜-拉曼系统在二维材料的表征上有着得天独厚的优势。生长的石墨烯片层很多科研工作者都会通过扫描电镜进行石墨烯的形貌观察，然而观察到的究竟是否是石墨烯？石墨烯质量、厚度如何？这些问题却不是仅用SEM能够知道的。而扫描电镜-拉曼联用技术给出了很好的解决方案，确实成为石墨烯研究最强大的“神器”。在电镜-拉曼一体化系统中，当用SEM观察的同时可以直接进行拉曼光谱的面扫描，可以通过D峰、G峰、2D峰之间的关系直接得到石墨烯的质量、厚度等信息。如下图，在SEM观察到的区域再进行拉曼光谱面扫描，发现扫描区域存在三种不同的光谱。厚度约薄的2D峰强度越高，厚度增加2D峰减弱但G峰升高。因此电镜-拉曼一体化系统的SEM和Raman混合图像上不仅有形貌信息，也有石墨烯的质量厚度信息。在SEM观察形貌的同时进行拉曼面扫描通过拉曼特征峰获得石墨烯质量、厚度信息 目前，有关石墨烯质量和厚度的测试方法还没有明确的国家标准，行业上比较认可的方法有光学对比度法、原子力显微镜法和拉曼光谱法。在拉曼光谱中通常也用G峰和2D峰的比值来衡量石墨烯的厚度，比值越小，膜厚也约小。如下图，在硅衬底上用CVD法生长的石墨烯。我们通过电镜-拉曼一体化系统得到G峰和2D峰的面分布图，不过仅有G峰和2D峰的分布情况并不能完全帮助我们进行明确的厚度分布分析。在硅衬底上用CVD法生长的石墨烯石墨烯样品的G峰和2D峰拉曼面分布图而电镜-拉曼一体化系统的面分布能力非常强大，除了利用正常峰的强度、半高宽、位移等物理性质进行Mapping外，还可生成2D峰/G峰强度的面分布图。 通过电镜-拉曼一体化系统得到石墨烯样品的2D峰/G峰强度的面分布图通过2D/G峰强度的分布图有助于我们更加准确的进行石墨烯厚度分布的分析，最终获得不同膜厚区域的特征光谱，以及其分布图。石墨烯样品不同膜厚区域的拉曼特征光谱 石墨烯样品不同膜厚区域分布图石墨烯的质量控制与鉴别石墨烯是一个非常热门的新兴领域，不过也正因为如此，石墨烯的研究和制备也存在着良莠不齐的现象。很多研究的时候，在电镜下观察到明显的明暗衬度的膜层就认为是石墨烯，甚至一些文献中也出现了这样的情况。科研工作者也会借助AFM、普通拉曼光谱等来配合电镜进行石墨烯的表征，但是拉曼光谱、AFM的数据和SEM的数据基本不在同一处，不能很好的进行严密的论证。所以从表征的角度来看，不在同一处的不同仪器的数据，有时并不能充分说明问题，至少表征还不够严密。比如在上述例子中，在花状的石墨烯外面，电镜图像上认为的空白处，经过电镜-拉曼一体化系统扫描后，该区域的拉曼光谱依然反应出石墨烯的存在。 再比如下图，在电镜中观察到类似石墨烯的膜层状结构，然而试样是否真是石墨烯？质量、厚度又是如何？这还需要借助其他手段进行综合判断。在电镜中观察到类似石墨烯的膜层状结构 在利用电镜-拉曼一体化系统对该区域进行拉曼光谱面分布分析后，发现该区域的D峰、G峰强度较高，而2D峰很弱，说明了该区域的膜厚比较高，已经算不上是石墨烯，而且缺陷也很多，石墨烯的质量并不是非常理想，此外该区域还存在较多的拥有荧光峰的杂质。进行拉曼光谱面分布分析该区域石墨烯厚度 该区域存在较多拥有荧光峰的杂质此外，很多客户在电镜下观察到的石墨烯，经过电镜-拉曼一体化系统分析后，也发现均是质量不好的石墨烯，或者是石墨薄片，甚至是非晶碳，如下图。质量不好的石墨烯、石墨薄片、非晶碳等的SEM图像质量不好的石墨烯、石墨薄片、非晶碳等的拉曼特征峰表现 由此可见，电镜-拉曼联用技术对于石墨烯的观察和原位的质量鉴别及分析有着非常强大的优势。石墨烯复合材料现在热门的不仅仅是石墨烯本身，很多石墨烯转移材料，或者把石墨烯作为添加剂的新材料和器件也成为研究热门，希望利用石墨烯特殊的热力光电磁性能来改变材料的性能。那么石墨烯在新复合材料中的分布、状态及本身质量就成为新材料性能能否提升及提升多少的重要因素。因此在石墨烯复合材料中，能够准确的进行传统电镜形貌、元素的测试，及石墨烯的详细表征就成为了表征环节的重中之重，而这是电镜-拉曼联用技术的最大优势所在。 如下图，金属合金材料中复合石墨烯，用以增强新材料的力学性能。在电镜下确实观察到了衬度偏暗的区域，能谱分析出的确是富含碳。但该区域是否真是石墨烯？只能求助于电镜-拉曼联用技术。通过电镜-拉曼一体化系统分析，结果表明偏暗区域的确是石墨烯的存在，不过缺陷相对较多，膜层层数也较多，这些信息对复合材料性能的研究有着置换重要的作用。 金属合金材料的SEM图像，衬度偏暗的区域可能是复合石墨烯通过能谱分析，SEM图像中衬度偏暗的区域富含碳 通过电镜-拉曼分析技术，确认为石墨烯，且该区域缺陷和膜层层数相对较多 再比如下图，试样为表面包覆石墨烯的锌粉。要想通过截面制备或者侧面直接观察出石墨烯的厚度和层数，无论扫描电镜的分辨率有多好，都是不可能完成的任务。就算真的观察到类似层状的结构，也不是我们所理解的石墨烯每一层层数，只是很多层堆叠在一起后的分层而已。而在电镜-拉曼一体化系统中可以直接进行拉曼面扫的分析。观察到在整个扫描区域内，都有明显的G峰和2D峰分布。由此我们可以知道该锌粉外层的确有质量较好的石墨烯包覆，而且层数很少。 表面包覆石墨烯的锌粉 通过电镜-拉曼一体化系统，观察到整个区域内G峰和2D峰的分布MoS2的研究除了石墨烯外，过渡金属二硫化物也是二维材料的一个大类，如MoS2也是因为其特殊性能在电子器件领域广受关注。电镜和能谱对二维的MoS2的表征除了稍有形貌信息外，再无其他分析能力了。但是MoS2却有非常强的拉曼特征峰。如下图，通过拉曼峰我们可以分析出MoS2的孪晶。MoS2的SEM图像MoS2 的SEM-Raman叠加图像通过拉曼特征峰表征MoS2的孪晶通过对MoS2的拉曼面扫描，我们发现MoS2的特征峰在不同的区域呈现出不同的分裂。由此我们可以对其做出更详细的分析，另外通过特征峰分裂后的波数差值，也可以大致得到MoS2的层数。而这都是常规电镜无法得出的信息。MoS2的拉曼面扫描分析MoS2的特征峰在不同的区域呈现出不同的分裂其他二维材料满足结构有序、在二维平面生长、在第三维度超薄这三个条件都算是二维材料，现在除了石墨烯和MoS2等热度较高的二维材料之外，很多其他类型的二维材料也相继被开发出来。比如和C元素相邻的B、Si、P、Ge、Sn等元素的单原子层材料，即X烯，如硅烯、磷烯、硼烯；还有二维有机材料，如二维MOF或COF；还有超薄氮化物，如BN等。这些二维材料都有着很强的拉曼特征谱峰，所以利用电镜-拉曼一体化系统对二维材料的分析表征将会成为不可或缺的重要手段。关于TESCANTESCAN发源于全球最大的电镜制造基地-捷克Brno，是电子显微镜及聚焦离子束系统领域全球知名的跨国公司，有超过60年的电子显微镜研发和制造历史，是扫描电子显微镜与拉曼光谱仪联用技术、聚焦离子束与飞行时间质谱仪联用技术以及氙等离子聚焦离子束技术的开拓者，也是行业领域的技术领导者。关注TESCAN新微信“TESCAN公司”，更多精彩资讯

在国家自然科学基金项目等资助下，东南大学吕俊鹏、倪振华教授团队与山东大学何京良、张百涛教授团队合作，运用缺陷工程提升二维可饱和吸收体器件性能，实现了基于二维Bi2O2Se可饱和吸收体的高性能的锁模脉冲激光输出。相关研究成果以“通过二维Bi2O2Se可饱和吸收体中的缺陷调控实现高输出功率的锁模激光（High output mode-locked laser empowered by defect regulation in 2D Bi2O2Se saturable absorber）”为题，发表在《自然通讯》（Nature Communications）。 图1 a-c 原始Bi2O2Se纳米片的TEM图像；d-f Bi2O2Se纳米片经过较短时间氩等离子体辐照后的TEM图像；g-i Bi2O2Se纳米片经过较长时间氩等离子体辐照后的TEM图像。 图2 a 缺陷调控后的Bi2O2Se的差分反射率变化趋势；b 不同等离子体辐照时间下Bi2O2Se的非线性吸收变化；c 缺陷调控后Bi2O2Se可饱和吸收体的连续锁模输出的最大平均功率以及阈值泵浦功率趋势；d 1.0 µm 锁模全固态激光器性能对比。 高输出功率的飞秒激光在精密加工、生物医学、和科学研究等领域展具有重要的应用价值。可饱和吸收体是实现超短脉冲的关键光学元件，直接决定锁模激光器性能。2009年以来，以石墨烯为代表的二维材料因具有十分优异的电子以及光学性能成为新一代高性能的可饱和吸收体材料和器件研究的热点。二维材料中包含种类丰富的缺陷，通过表面和缺陷工程可以有效调控二维材料的能带结构，进而对其电学、光学、磁学、机械等性能产生重要影响。然而，目前缺陷工程对二维材料中光生载流子动力学过程以及非线性吸收过程的调控机制尚未有详细报道。Bi2O2Se是一种新型的二维光电材料，具有大的非线性吸收系数以及良好的空气稳定性。研究团队通过利用氩等离子体辐照不同时间来精准调控二维Bi2O2Se中O空位以及Se空位缺陷态密度，可有效提高二维Bi2O2Se中光载流子的捕获速率和缺陷辅助的俄歇复合速率，进而实现对其可饱和吸收参量的调控。将二维Bi2O2Se作为可饱和吸收体应用到全固态锁模激光器中，实现了飞秒锁模激光输出，通过缺陷工程对二维Bi2O2Se可饱和吸收体进行调控后，锁模激光性能得到了明显提高（功率更高、脉宽更短），实现了665mW、266fs的超短脉冲激光输出。该项工作为二维材料超快载流子动力学过程以及非线性吸收特性调控提供了新途径，并为二维材料超快光子学器件的设计和开发奠定了理论基础。

引言近年来, 石墨烯等二维材料与器件领域的研究和开发取得了日新月异的进展。随着二维材料与器件研究和开发的深入, 研究人员越发清楚地认识到, 二维材料中载流子的传输能力是影响其器件性能的一个至关重要的因素。衡量二维材料载流子传输能力的主要参数是载流子迁移率μ, 它直接反映了载流子在电场作用下的运动能力, 因此载流子迁移率的测量一直是石墨烯等二维材料与器件研究中的重要课题。二维材料载流子迁移率的测量方法迄今为止已有许多实验技术来测量二维材料的载流子迁移率，主要分为四大类, 一是稳态电流方法（ 如稳态直流J-V 法和场效应晶体管方法），该方法是简单的一种测量载流子迁移率的方法，可直接得到电流电压特性和器件的厚度等参数。二是瞬态电流方法，如瞬态电致发光、暗注入空间电荷限制电流和飞行时间( TOF) 方法等；三是微波传导技术, 如闪光光解时间分辨微波传导技术和电压调制毫米波谱；四种是导纳( 阻抗) 法。但上述实验方法仍存在一些普遍性问题：1）样品制备要求较高，需要繁杂的电制备；2）只能给出平均值，无法直观的得到整个二维材料面内的载流子迁移率的分布情况，无法对其均匀性进行直观表征；3）测量效率较低，无法满足未来大面积样品及工业化生产的需求。因此，我们亟需进一步优化和开发新的实验技术来便捷快速的获得载流子迁移率。颠覆性的二维材料载流子迁移率测量方法西班牙Das Nano公司采用先进的脉冲太赫兹时域光谱技术创新性的研发出了一款针对大面积（8英寸wafer）石墨烯、半导体薄膜和其他二维材料100%全区域的太赫兹无损快速测量设备-ONYX[2,3]，可在1 min之内完成厘米样品的载流子浓度测量。基于反射式太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）弥补了传统接测量方法之间的不足和空白。实现了从科研到工业的大面积石墨烯及其他二维材料的无损和高分辨，快速的载流子迁移率测量，为石墨烯和二维材料科研和产业化研究提供了强大的支持。近日，北京大学刘忠范院士团队通过自主设计研发的电磁感应加热石墨烯甚高温生长设备，在 c 面蓝宝石上在 30 分钟内就可以直接生长出了由取向高度一致、大晶畴拼接而成的晶圆高质量单层石墨烯。获得的准单晶石墨烯薄膜在晶圆尺寸范围内具有非常均匀的面电阻，而且数值较低，仅为~600 Ω/□，通过Das Nano公司的ONYX的载流子迁移率测量功能显示当分辨率为250 μm时迁移率依旧高于6,000 cm2 V–1 s–1，且具有很好的均匀性。这是迄今为止，常规缘衬底上直接生长石墨烯的好水平。文章以题为“Direct growth of wafer-scale highly-oriented graphene on sapphire”[4]发表在Science Advances上。图二、电阻及载流子迁移率测量结果 【参考文献】[1] Bardeen J, Shockley W. Deformation Potentials and Mobilities in Non-Polar Crystals[J]. Physical Review, 2008, 801:72-80[2] Cultrera, A., Serazio, D., Zurutuza, A. et al. Mapping the conductivity of graphene with Electrical Resistance Tomography. Sci Rep 9, 10655 (2019).[3] Melios, C., Huang, N., Callegaro, L. et al. Towards standardisation of contact and contactless electrical measurements of CVD graphene at the macro-, micro- and nano-scale. Sci Rep 10, 3223 (2020).[4]Chen, Z., Xie, C., Wang, W. et al. Direct growth of wafer-scale highly-oriented graphene on sapphire. Sci. Adv. (2021).

p style=" text-align: justify " 　　二维材料独特的各向异性和电子性能引起了人们对其基本电化学和广泛的应用领域的极大兴趣。从2D材料原型——石墨烯开始，对其他超薄层结构的广泛研究逐渐出现。其中包括过渡金属二硫代化合物TMDs、层状双氢氧化物LDH、金属碳化物和氮化物(MXenes)以及单元素化合物的黑磷族。随着可持续能源的发展得到全球的关注，评估各种二维纳米材料在这些领域的有效性已成为当务之急。电催化技术是未来清洁能源转化技术的核心，主要通过析氢反应(HER)、氢氧化反应(HOR)、氧还原反应(ORR)、析氧反应(OER)和二氧化碳还原反应(CO2RR)实现。而二维纳米材料可作为昂贵的铂基催化剂的经济替代品。 /p p style=" text-align: justify " 　　【成果介绍】 /p p style=" text-align: justify " 　　最近新加坡南洋理工大学的XinyiChia与布拉格化工大学的MartinPumera教授以”Characteristics and performance of two-dimensional materials for electrocatalysis“为题在Nature catalysis上发表综述，主要讨论了这些二维材料的相似之处，并强调了它们在电化学和电催化性能上的差异。介绍了工业重要反应中与能源有关的电催化二维材料的研究进展。 /p p style=" text-align: justify " 　　【图文导读】 /p p style=" text-align: justify " 　　1. 2D材料的结构 /p p style=" text-align: justify " 　　二维材料独特的各向异性和电子性能引起了人们对其基本电化学和广泛的应用领域的极大兴趣。从2D材料原型——石墨烯开始，对其他超薄层结构的广泛研究逐渐出现。文章主要探讨了超薄2 D纳米材料的结构、电催化性能及其影响因素，包括石墨烯、单或一些层次化的过渡金属(TMD)，如金属氧化物、水滑石(类)、六角氮化硼(h-BN), g-C3N4, MXenes，黑磷等，其结构如图1所示。 /p p style=" text-align: justify " & nbsp /p p style=" text-align: center " img title=" 111111111111.webp.jpg" alt=" 111111111111.webp.jpg" src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/46566102-1ac7-4757-bab6-7787b308ae47.jpg" / /p p style=" text-align: center " 　　图1 二维材料结构构型示意图. (a)石墨烯 (b)氮化硼 (c) g-C3H4 MoS2的两种物相(d)2H型, (e)1T型 黑磷的两种物相(f)三方晶系, (g)正交晶系. (h)MXenes, 以Ti3AlC2为例。 /p p style=" text-align: justify " 　　2. 二维电极材料的电化学稳定性 /p p style=" text-align: justify " 　　由于材料在使用过程中可能会发生化学或结构变化，因此了解二维电极材料的稳定性对于二维纳米材料的应用是必不可少的。电极的稳定性是由其固有的电化学性质和催化反应倾向来决定的，即取决于电解液的选择和应用的电位窗口。如Bonde[1]等首先报道了酸性条件下MoS2和WS2进行HER反应后，通过XPS观察到催化剂表面形成了MoO3，SO42-等氧化产物。最近有相关报道VIB族元素化合物在电位区间为1.0~1.2V(vs. Ag/AgCl)易被氧化成高价金属离子。此外，不同的非金属元素也影响着TMDs的稳定性，如报道了VIB族元素化合物的氧化峰电位符合WSe2& lt mose2& lt ws2 & lt MoS2的规律。因此在研究TMDs此类材料中，应着重关注电极材料的电化学稳定性。 p style=" text-align: justify " 　　由于石墨烯、g-C3N4、MXene等具有较高的还原电位，在ORR、HER、OER、CO2RR的电位区间都难以被氧化还原，因此这些材料具有广泛的电化学反应窗口。 /p p style=" text-align: justify " 　　文献信息 /p p style=" text-align: justify " 　　[1] Hydrogen evolution on nano-particulate transition metal sulfdes. (Faraday Discuss. 140, 219–231 (2009).) /p p style=" text-align: justify " 　　原文链接： /p p style=" line-height: 16px " img style=" margin-right: 2px vertical-align: middle " src=" /admincms/ueditor1/dialogs/attachment/fileTypeImages/icon_pdf.gif" / a title=" bonde2009.pdf" href=" https://img1.17img.cn/17img/files/201812/attachment/0f62cb46-d16a-4d4d-8df0-95918f65443e.pdf" target=" _blank" textvalue=" Hydrogen evolution on nano-particulate transition metal sulfdes" & nbsp Hydrogen evolution on nano-particulate transition metal sulfdes /a /p p style=" text-align: justify " 　　3. 二维材料的电子转移 /p p style=" text-align: justify " 　　电催化剂的电子转移强弱直接决定了催化反应的速率快慢。而电催化剂的各向异性、电子和表面特性已经被发现在电子转移(HET)中显示出重要的意义。二维材料中，如TMDs的边缘和基面具有明显的电子转移特性。以MoS2为例，如图2，以电化学探针进行检测边缘与基面的活性，发现边缘的反应速率常数远高于基面的反应速率常数，因而边缘原子的活性高于基面原子的活性。除了TMDs以外，石墨烯也显示相同的规律。如图3，氧化石墨烯表面含氧基团数量影响着石墨烯的电子转移，含氧官能团比例越高，电子转移速率越差。此外，异质元素掺杂也会改变二维材料的电子传递特性。如氮掺杂石墨烯可以提高其电子转移速率，由过渡金属掺杂的TMDs也同样能够引起电子传递变化。 /p p style=" text-align: justify " & nbsp /p p style=" text-align: center " img title=" 222222222.webp.jpg" alt=" 222222222.webp.jpg" src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/a377e54d-320a-4733-9c49-a736b1f531c6.jpg" / /p p style=" text-align: center " 　　图2 影响二维材料电子传递的各向异性效应. (a)MoS2的边缘和基面示意图, 插图:宏观辉钼矿晶体 MoS2(b)底面与(c)边缘面. /p p style=" text-align: justify " & nbsp /p p style=" text-align: center " img title=" 3333333333333333.webp.jpg" alt=" 3333333333333333.webp.jpg" src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/ff003f31-27f0-435f-a46d-d5d923bb6910.jpg" / /p p style=" text-align: center " 　　图3 影响二维材料电子传递的表面特性 /p p style=" text-align: justify " 　　4.二维电催化材料的研究进展 /p p style=" text-align: justify " 　　材料的传质效应、各向异性和本征活性决定了二维材料的电催化效率。电催化中的各向异性因子建立在二维材料不同的催化位点。电催化剂体系中材料的内在活性是通过火山图关系来评价的，火山图关系是根据Sabatie原理进行定量描述的。理想情况下，高活性的催化剂与反应中间体的结合既不应太强烈也不应太弱。催化剂载体的选择也属于催化剂的设计范围，选择一个合适的载体可以优化催化剂的活性。 /p p style=" text-align: justify " 　　从传质效应上看，由于界面反应物种类(H+或OH-)的快速消耗和气态产物的生成阻碍了反应速率，因此良好的传质对于高活性催化剂是至关重要的。在二维催化剂中，相邻薄片之间的间隙存在二维通道，可以有利于提高液相和气相之间的传质效果。如图4，将间隔物结合到MoS2纳米薄片中，产生了开放的通道，增大物质传达的表面积及改善离子扩散，整体增强HER的催化性能。 /p p style=" text-align: justify " 　　& nbsp /p p style=" text-align: center " img title=" 444444444.webp.jpg" alt=" 444444444.webp.jpg" src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/b2311091-5db0-4639-be2a-48caf0f09a83.jpg" / /p p style=" text-align: center " 　　图4传质效应影响二维材料的电催化性能 /p p style=" text-align: justify " 　　从各向异性上看，二维材料的各向异性因子对其催化性能的影响表现在活性的边缘面和惰性的基面。二维材料边缘上的原子所处的化学环境与基体平面不同，基体平面一般具有饱和配位，而基体平面具有较大的非饱和配位倾向。由于边缘位点对二维材料的催化活性起着重要作用，因此优化边缘结构以提高其性能变得至关重要。在HER电催化中，2H-TMDs的催化活性位点主要来自于边缘面原子。如合成具有双陀螺形貌的介孔MoS2结构(图5)，可以获得高比例的外露边缘位置，从而增强了MoS2的HER活性。此外，也有相关报道关于通过提高边缘位点及导电性来改善1T-TMDs的HER活性。总之，提高二维材料的边缘活性位点数量，有利于提高二维材料的电催化活性。 /p p style=" text-align: justify " & nbsp /p p style=" text-align: center " img title=" 555555555555.webp.jpg" alt=" 555555555555.webp.jpg" src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/7bd7f2cf-707b-453a-8efd-35920f27f312.jpg" / /p p style=" text-align: center " 　　图5 各向异性效应影响二维材料的电催化性能 /p p style=" text-align: justify " 　　从本征活性上看，引入掺杂剂或官能团等可以最大限度地提高二维材料催化的内在活性。由于边缘是二维材料的催化活性位点，在边缘掺杂或附着官能团可以增强其催化活性。而基底位掺杂或功能化也同样可以调节惰性基底平面的内在活性。如由于吡啶氮被认为是中间COOH*形成CO的活性吸附位点，因此N掺杂石墨烯可以表现出优异的CO2RR催化活性(图6)。此外，缺陷工程是一种提高活性位点固有活性的方法。表面结构缺陷包括配位数低的边缘 所以才会出现悬空键和原子空位。如由于金属空位可以提高了邻近金属中心的原子价态，从而有利于提高OER活性，而利用等离子体技术处理CoFe-LDHs可以导致Co、Fe和O出现多个空位，这些空位是可以降低水的吸附能同时提高OER活性。 /p p style=" text-align: justify " & nbsp /p p style=" text-align: center " img title=" 66666666666.webp.jpg" alt=" 66666666666.webp.jpg" src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/0ccc76a4-e8d4-4a91-a345-5066f093a19d.jpg" / /p p style=" text-align: center " 　　图6本征活性影响二维材料的电催化性能 /p p style=" text-align: justify " 　　【总结与展望】 /p p style=" text-align: justify " 　　二维材料丰富的电化学特性为其在能源催化中的应用提供了新的机遇。尽管二维材料具有多样性，但其最终的电催化性能和电荷转移性能取决于各向异性和表面特性。二维材料在ORR、HER、OER和CO2RR电催化中取得了巨大的成功，其中边缘面为主要的催化活性中心。 /p p style=" text-align: justify " 　　提高二维材料的电催化活性主要从以下几个方面进行：①改变二维纳米结构来增加活性边缘位点的密度 ②异质元素掺杂二维材料或与官能团结合、或引入缺陷增强催化活性 ③改善二维材料电子转移能力提高材料催化活性，如使用合适的催化剂基底材料。展望未来，二维纳米材料领域充满了各种可能性。通过集成两种或两种以上的材料来开发混合2D材料，可以创建新的复合结构，以显示出独特的性能和针对特定应用的定制属性。各向异性和表面特性可以作为设计不同化合物的指导原则。 /p p style=" text-align: justify " 　　【文献链接】 /p p style=" line-height: 16px " img style=" margin-right: 2px vertical-align: middle " src=" /admincms/ueditor1/dialogs/attachment/fileTypeImages/icon_pdf.gif" / a title=" 1212121.pdf" href=" https://img1.17img.cn/17img/files/201812/attachment/4901c2e3-062f-4ae5-a435-f30cd6f2f33f.pdf" target=" _blank" textvalue=" Characteristics and performance of twodimensional materials for electrocatalysis" Characteristics and performance of twodimensional materials for electrocatalysis /a /p p & nbsp /p p & nbsp /p p & nbsp /p p & nbsp /p p /p /p

【科学背景】随着二维材料（2DM）及其异质结构的广泛应用，研究者们越来越关注如何在这些材料中实现更精确的操控与调节。二维材料具有优异的电学和光学性质，其性能可通过静电栅控和范德华（vdW）堆叠来调节。尤其是在扭曲的范德华异质结构中，莫尔效应提供了进一步调控能带结构和多体相关性的可能性，这引起了科学界的广泛关注。然而，尽管静电栅控技术已经成熟，但在实际应用中实现对2DM界面性质的实时控制仍面临诸多挑战。当前，尽管已有通过扫描显微镜等先进技术对2DM进行操控的方法，但这些方法存在应用范围有限、操作复杂以及成本高昂的问题。传统的干转移和湿转移方法虽然可靠且简单，但每个堆叠的独特性和不可重构性限制了对堆叠参数（如扭曲角度）的便捷探索。这种非可重复性使得研究者在探索堆叠效应时常常只能依赖于少数样本，从而限制了对二维材料性质的深入理解和应用开发。为了解决这些问题，哈佛大学的Eric Mazur和Amir Yacoby、哈佛大学和加州大学伯克利分校的曹原团队提出了基于微机电系统（MEMS）的芯片上平台——MEGA2D。这一平台不仅可以精确地控制2DM的堆叠，还能够进行实时的调节和操控，包括接近、扭转和加压等动作。MEGA2D平台的设计旨在提供一种通用的、可扩展的解决方案，能够克服传统方法在操作灵活性和可重复性方面的不足。通过这一平台，我们能够在扭曲的六方氮化硼（h-BN）中创建合成拓扑奇点，例如梅伦（merons），从而推动了非线性光学性质的研究。同时，该技术还为集成光源的开发提供了实时可调的偏振解决方案，并有望在量子光学领域产生可调的纠缠光子对。【科学亮点】1. 实验首次提出了一种基于微机电系统（MEMS）的芯片上平台，名为MEGA2D，用于二维材料（2DM）的通用操控。这一平台实现了在现场对2DM堆叠的精确控制，包括接近、扭转和加压操作，为探索低维量子材料提供了新的工具。2. 实验通过在扭曲的六方氮化硼（h-BN）中创建合成拓扑奇点，如梅伦（merons），验证了MEGA2D平台的有效性。此外，实验展示了这一技术在开发具有实时和宽范围可调偏振的集成光源中的应用潜力。3. 该平台可以应用于量子光学中，生成具有可调纠缠性质的纠缠光子对。这一工作不仅扩展了现有技术在操控低维量子材料方面的能力，还为未来的混合二维和三维器件的发展提供了基础。【科学图文】图1：MEGA2D，一种用于扭转二维材料的芯片上MEMS平台。图2：使用MEGA2D调节的扭曲h-BN的非线性光学探测和拉曼光谱。图3：在扭曲的h-BN中实现的合成梅伦（半斯克雷明）的实验。图 4: 具有MEGA2D的可调经典和量子光源。【科学结论】本文展示了通过微机电系统（MEMS）技术对二维材料（2DM）及其异质结构进行实时操控的创新方法。这一技术突破性地解决了以往静电栅控和扫描显微镜方法在二维材料研究中的局限性，尤其是在探索新奇物理现象和开发先进量子器件方面。通过在芯片上实现对二维材料堆叠的精确控制，本文不仅为研究者提供了更为便利和可扩展的工具，还为未来二维材料与三维器件的混合应用奠定了基础。这种可调控的堆叠方法进一步拓展了二维材料在凝聚态物理学和量子光学领域的研究范围，为开发新型光源和量子纠缠光子对等应用提供了新的思路和可能性。参考文献：Tang, H., Wang, Y., Ni, X. et al. On-chip multi-degree-of-freedom control of two-dimensional materials. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07826-x

p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 传统的三维半导体材料表面存在大量的悬挂键，可通过捕获和散射等方式影响和限制自由载流子的运动，因此表面态的设计、制造和优化是提高三维半导体器件性能的关键因素。类似于三维半导体材料的表面态，单层二维材料（如二硫化钼和石墨烯）在边界原子的终止和重建可以产生边界态，这使二维材料产生了许多独特的现象，使其得到广泛的应用。& nbsp /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 针对此现象，微电子所微电子器件与集成技术重点实验室刘明院士和李泠研究员的科研团队与中科院物理所、北京理工大学、美国加州大学洛杉矶分校合作，对单层MoS2/WSe2晶体管进行了器件测试、扫描隧道显微镜实验观测和第一性原理计算，发现二维材料的边界态是控制器件亚阈值特性及影响器件迁移率的关键因素，并在国际上首次提出这种边界态是拉廷格液体的物理本质。该科学发现对于研究器件性能优化和低功耗应用具有一定的意义。& nbsp /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 该工作以《Possible Luttinger liquid behavior of edge transport in monolayer transition metal dichalcogenide crystals》为题发表在& nbsp Nature Communications期刊上（DOI: 10.1038/s41467-020-14383-0）。微电子所博士后杨冠华和物理所邵岩博士为该文章第一作者，微电子所刘明院士、李泠研究员、北京理工大学王业亮教授和美国加州大学洛杉矶分校段镶锋教授为共同通讯作者。& nbsp /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 上述工作得到了国家自然科学基金委、科技部、中科院等相关项目的资助。& nbsp /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-14383-0#citeas& nbsp /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" http://www.ime.ac.cn/zhxx/ttxw/202009/W020200925583655261172.png" / /p p style=" text-align: center " strong 图a. /strong 二维材料边界电导比例与温度、栅压关系。 strong 图b. /strong I/T1+α与qV/kBT关系。 strong 图c. /strong STS能谱。& nbsp /p p style=" text-align: center " a href=" https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/iCSMD2020/" target=" _self" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202010/uepic/287a2421-2521-43a6-aa4c-219af657b8e0.jpg" title=" 半导体材料与器件.jpg" alt=" 半导体材料与器件.jpg" / /a /p

p 　　近日，中国科学院重庆绿色智能技术研究院量子信息技术中心团队在以GeSe为代表的IV sup A /sup VI sup B /sup 大面积单原子层材料制备和能带结构确定，及其器件测试分析研究中取得最新进展。 /p p 　　目前已有近百种二维材料被人们发现，包括第四主族单质、第三和第五主族构成的二元化合物、金属硫族化合物、复合氧化物等。这些发现不仅打破了长久以来二维晶体无法在自然界中稳定存在的说法，其自身的特性更是呈现出许多新奇的物理现象和电子性质，如半整数、分数和分形量子霍尔效应、高迁移率、能带结构转变等。IV sup A /sup VI sup B /sup 单晶二维材料MX（M=Ge,Sn；X=S,Se）因极高稳定性、环境友好性、丰富蕴藏量，以及从材料结构到性能上与黑磷烯的相似性而受到广泛关注。基于第一性原理方法对MX的能带结构的计算、对其从间接带隙到直接带隙的临界层厚，以及基于其C sub 2v /sub 对称结构的压电性能理论预测的研究已多有报道。但受其脆性影响，该类型材料难以直接采用物理撕裂法制备得到单原子层材料。采用化学合成方法，也难以获得较大面积的单原子层（大于1微米）。因此，对IV sup A /sup VI sup B /sup 单晶二维材料的研究迄今仍停留在理论预测阶段。 /p p 　　在MX中，GeSe理论上被认为是唯一具有直接带隙的材料，且该材料的光谱范围预测几乎覆盖了整个太阳光光谱，这使它在量子光学、光电探测、光伏、电学等领域有巨大的应用潜力。据此，重庆研究院量子信息技术中心团队研究发现，利用单晶硅表面二氧化硅的隔热效果和激光减薄方法，可以在一定激光功率密度下不断地减薄GeSe的层厚，直至单原子层。其减薄机理是激光在GeSe表层产生高热，由于GeSe材料本身的层状特性，难以将热量及时传导出去，导致层厚被不断减薄。当GeSe的层厚被减薄至单原子层时，整个SiO sub 2 /sub /Si可以被看作热沉而无法继续减薄。利用此方法，该团队首次实验制备出了100微米以上的GeSe单原子层材料，基于荧光谱、拉曼谱等方法对GeSe单原子层的原子和能带结构进行研究，并基于第一性原理方法理论印证了实验结果的可靠性。实验和理论计算表明，GeSe单原子层的荧光谱非常宽，从可见光波段到近红外波段发现了8个荧光峰，从间接带隙到直接带隙的转变发生在第三层。此外，该团队分别实验制备出了基于GeSe体材料和二维材料的晶体管，其I-V和光反应性能表明，二维材料的光敏度是相应体材料的3.3倍，同时二维材料器件的光反应度也远优于相应体材料器件。 /p p 　　相关研究成果发表在 em Advanced Functional Materials /em 上。该研究得到了重庆市基础前沿重大项目、中科院“西部之光”西部青年学者A类项目、国家自然科学基金面上项目的资助。?? /p p br/ /p

石墨烯/二维材料电学性质非接触快速测量系统西班牙Das Nano公司成立于2012年，是一家提供高安全级别打印设备，太赫兹无损检测设备以及个人身份安全验证设备的高科技公司。ONYX是其在全球范围内推出的第一款针对石墨烯、半导体薄膜和其他二维材料大面积太赫兹无损表征的测量设备。ONYX采用先进的脉冲太赫兹时域光谱专利技术，实现了从科研及到工业级的大面积石墨烯及二维材料的无损和高分辨，快速的电学性质测量，为石墨烯和二维材料科研和产业化研究提供了强大的支持。与传统四探针测量法相比，ONYX无损测量样品质量空间分布与拉曼，AFM，SEM相比，ONYX能够快速表征超大面积样品背景介绍太赫兹辐射( T射线)通常指的是频率在0. 1～10THz、波长在30μm-3mm之间的电磁波，其波段在微波和红外之间，属于远红外和亚毫米波范畴。该频段是宏观经典理论向微观量子理论的过度区，也是电子学向光子学的过渡区。在20世纪80年代中期以前，由于缺乏有效的产生方法和探测手段，科学家对于该波段电磁辐射性质的了解和研究非常有限，在相当长的一段时期,很少有人问津。电磁波谱中的这一波段(如下图) ，以至于形成远红外和亚毫米波空白区,也就是太赫兹空白区（THz gap）。太赫兹波段显著的特点是能够穿透大多数介电材料（如塑料、陶瓷、药品、绝缘体、纺织品或木材），这为无损检测（NDT）开辟了一个可能的新世界。同时，许多材料在太赫兹频率上呈现出可识别的频率指纹特性，使得太赫兹波段能够实现对许多材料的定性和定量研究。太赫兹波的这两个特性结合在一起，使其成为一种全新的材料研究手段。而且其光子能量低，不会引起电离，可以做到真正的无损检测。 ONYX工作原理 ONYX是全球第一套实现石墨烯、半导体薄膜和其他二维材料全面积无损表征的测量系统，能够满足测试面积从科研级（mm2）到晶元级（cm2）以及工业级（m2）的不同要求。与其他大面积样品的测量方法（如四探针法）相比，ONYX能够直观得到样品导电性能的空间分布。与拉曼、扫描电镜和透射电镜等微观方法相比，微米级的空间分辨率能够实现对大面积样品的快速表征。ONYX采用先进的脉冲太赫兹时域光谱THz-TDS技术，产生皮秒量级的短脉太赫兹冲辐射。穿透性极强的太赫兹辐射穿透进样品达到各个界面，均会产生一个小反射波可以被探测器捕获，获得太赫兹脉冲的电场强度的时域波形。对太赫兹时域波形进行傅里叶变换,就可以得到太赫兹脉冲的频谱。分别测量通过试样前后(或直接从试样激发的)太赫兹脉冲波形,并对其频谱进行分析和处理,就可获得被测样品介电常数，吸收吸收以及载流子浓度等物理信息。再利用步进电机完成其扫描成像，得到其二维的电学测量结果。ONYX主要参数及特点样品大小: 10x10mm-200x200mm 全面的电导率和电阻率分析样品100%全覆盖测量最高分辨率：50μm完全非接触无损无需样品制备载流子迁移率, 散射时间, 浓度分析 可定制样品测量面积(m2量级)超快测量速度： 12cm2/min软件功能丰富，界面友好全自动操作图1 太赫兹光谱范围及信噪比ONYX主要功能→ 直流电导率（σDC）→ 载流子迁移率, μdrift→ 直流电阻率, RDC→ 载流子浓度, Ns→ 载流子散射时间，τsc→ 表面均匀性ONYX应用方向石墨烯材料：→ 单层/多层石墨烯 → 石墨烯溶液→ 掺杂石墨烯→ 石墨烯粉末→ 氧化石墨烯→ SiC外延石墨烯其他二维材料： → PEDOT→ Carbon Nanotubes→ ITO→ NbC→ IZO→ ALD-ZnO石墨烯光伏薄膜材料半导体薄膜电子器件PEDOT钨纳米线GaN颗粒Ag 纳米线ONYX测试数据1. 10x10mm CVD制备的石墨烯在不同分辨率下的电导率结果 2.10 x10mm CVD制备的石墨烯不同电学参数测量结果 3.利用ONYX测量ALD沉积在硅基底上的TiN电导率测量结果 ONYX发表文章1. P Bogild et al. Mapping the electrical properties of large-area graphene. 2D Mater. 4 (2017) 042003.2. S Fernández et al. Advanced Graphene-Based Transparent Conductive Electrodes for Photovoltaic Applications. Micromachines 2019, 10, 402.3. David M. A. Mackenzie et al. Quality assessment of terahertz time-domain spectroscopy transmission and reflection modes for graphene conductivity mapping. OPTICS EXPRESS 9220, Vol. 26, No. 7, 2 Apr 2018. 4. A Cultrera et al. Mapping the conductivity of graphene with Electrical Resistance Tomography. Scientific Reports , (2019) 9:10655.ONYX用户单位重要客户合作伙伴参与项目创新点：ONYX是第一款针对石墨烯、半导体薄膜和其他二维材料大面积太赫兹无损表征的测量设备，采用先进的脉冲太赫兹时域光谱专利技术。与传统四探针测量法相比，ONYX无损测量样品质量空间分布；与拉曼，AFM，SEM相比，ONYX能够快速表征超大面积样品石墨烯/二维材料电学性质非接触快速测量系统

光电探测器的原理是由辐射引起被照射材料电导率发生改变。光电探测器的工作原理是基于光电效应，热探测器基于材料吸收了光辐射能量后温度升高，从而改变了它的电学性能，它区别于光子探测器的最大特点是对光辐射的波长无选择性。 　　为了提高传输效率并且无畸变地变换光电信号，光电探测器不仅要和被测信号、光学系统相匹配，而且要和后续的电子线路在特性和工作参数上相匹配，使每个相互连接的器件都处于最佳的工作状态。 　　具有宽带探测能力的光电探测器在我们日常生活的许多领域中发挥着重要作用，并已广泛应用于成像、光纤通信、夜视等领域。迄今为止，基于传统材料的光电探测器如：GaN 、Si 和 InGaAs占据着从紫外到近红外区域的光电探测器市场。 　　然而，相关材料复杂的生长过程和高昂的制造成本阻碍了这些探测器的进一步发展。为了应对这些挑战，人们一直在努力开发具有可调带隙、强光-物质相互作用且易于集成的二维材料光电探测器。 　　如今，许多二维材料如石墨烯、黑磷和碲等已经表现出优异的宽带光探测能力。尽管如此，目前基于二维材料的高性能宽带光电探测器数量仍然有限，特别是许多基于二维材料的光电探测器虽然表现出较高的光响应度和探测率，但响应速度较慢，这可能归因于其较长的载流子寿命，这种较低的响应速度限制了二维光电探测器的实际应用。 　　最近，石墨烯、黑磷和部分过渡金属二硫属化物(TMDs)范德华异质结器件已经展现出二维材料在高速宽带光电探测领域的潜力。然而，石墨烯是一种零带隙材料，黑磷在环境条件下并不稳定，TMDs异质结的制造工艺相对复杂，这些问题同样限制了这些材料在光电探测领域的应用。 　　鉴于此，中科院合肥研究院固体所纳米材料与器件技术研究部李广海研究员课题组李亮研究员与香港理工大学应用物理系严锋教授合作，开发了一种基于层状三元碲化物InSiTe3的光电探测器，合成出高质量的InSiTe3晶体，并通过拉曼光谱分析了其拉曼振动模式。InSiTe3的间接带隙可以从1.30 eV(单层)调节到0.78 eV(体块)。 　　此外，基于InSiTe3的光电探测器表现出从紫外到近红外光通信区域(365-1310 nm)的超快光响应(545-576 ns)，最高探测率达到7.59×109 Jones。这些出色的性能价值凸显了基于层状InSiTe3的光电探测器在高速宽带光电探测中的潜力。 　　论文第一作者为纳米材料与器件技术研究部博士生陈家旺。该工作得到了国家自然科学基金、安徽省领军人才团队项目、安徽省自然科学基金、安徽省先进激光技术实验室开放基金和香港理工大学基金的支持。