物理学家认为未来可以制造出可改变形状的纳米级电子器件

物理学家认为未来可以制造出可改变形状的纳米级电子器件这是一个可能从根本上改变电子设备性质的发现，也是科学家研究原子级量子材料的方式。这项研究最近发表在《科学进展》上。"我们发现的是，对于一组特定的材料，你可以制造纳米级的电子设备，而不是粘在一起，"物理学和天文学助理教授JavierSanchez-Yamagishi说，他的实验室进行了新的研究。"这些部件可以移动，因此这使我们能够在设备制成后修改其尺寸和形状。"这些电子设备是可以修改的，就像冰箱门上的磁铁一样--粘在上面，但可以重新配置成你喜欢的任何图案。Sanchez-Yamagishi实验室的博士生IanSequeira说："这项研究的意义在于，它展示了一种可以在这些材料中利用的新特性，允许从根本上实现不同类型的设备架构，包括机械地重新配置电路的一部分。"如果这听起来像科幻小说，那是因为直到现在科学家还不认为这种事情是可能的。事实上，Sanchez-Yamagishi和他的团队，其中还包括UCI的博士生AndrewBarabas，甚至还没有寻找到他们最终发现的东西。Sanchez-Yamagishi说："这绝对不是我们最初设定的目标。我们预计所有的东西都是静态的，但是发生的事情是我们在试图测量它的过程中，我们不小心撞到了设备，我们看到它在移动。"他们具体看到的是，微小的纳米级金线可以在被称为"范德瓦尔斯材料"的特殊晶体上以非常低的摩擦力滑动。利用这些光滑的界面，他们制作了由单原子厚的被称为石墨烯的物质的薄片制成的电子装置，这些物质附着在金线上，可以在飞行中转变为各种不同的配置。由于金的导电性能非常好，所以它是电子元件的一个常见部分。但是这一发现究竟会对使用此类设备的行业产生怎样的影响还不清楚。Sanchez-Yamagishi说："更多的是关于它的基础科学，尽管这是一个有一天会对工业产生影响的想法。这使它的想法萌芽。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1355519.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1355519.htm

科学家将铟原子穿入纳米纤维束以创造灵活的纳米线

科学家将铟原子穿入纳米纤维束以创造灵活的纳米线图1.(a)三维TMC晶体结构，由TMC纳米纤维组成，周围是单原子行的插层元素。(b)单个TMC纳米纤维的端面和侧面图。氯化物为金色，过渡金属为绿色，插层元素为深紫色。资料来源：东京都立大学过渡金属卤化物（TMC）的原子线是由过渡金属和第16组元素如硫、硒和碲组成的纳米结构。它们能够自我组装成具有不同维度的广泛结构，使它们成为纳米材料革命的核心，是近年来激烈研究的焦点。特别是，一类三维TMC结构引起了人们的特别兴趣，它由一束束TMC纳米纤维组成，这些纤维之间由金属原子固定在一起，在其横截面上形成一个有序的晶格（见图1）。根据对金属的选择，该结构甚至可以成为一个超导体。此外，通过使纤维束变薄，它们可以被制成可导电的柔性结构：这使得TMC纳米结构成为纳米电路中用作布线的主要候选者。然而，要把这些结构做成深入研究它们所需的长而薄的纤维，以及用于纳米技术的应用，一直都很困难。图2：（a）碲化钨纳米纤维束和最终插层结构的原子结构示意图，以及扫描透射电子显微镜图像。(b)在硅衬底上合成的三维TMC纳米纤维。资料来源：东京都立大学由助理教授YusukeNakanishi和副教授YasumitsuMiyata领导的一个团队一直在研究TMC纳米结构的合成技术。在最近的工作中，他们表明，他们可以在前所未有的大长度尺度上生产长而薄的TMC束（不含金属）。现在，他们已经使用气相反应将原子级的薄排铟穿入薄的碲化钨束。通过在500摄氏度的真空条件下将他们的长纳米纤维束暴露在铟蒸气中，金属铟原子进入构成纤维束的各个纳米纤维之间的空间，形成一个夹层（或桥接）的铟行，将纤维结合在一起。在成功地生产出大量的这些线状TMC束后，他们开始研究他们的新纳米线的特性。通过观察电阻率与温度的关系，测量数据确凿地表明，单个线束的行为像金属一样，因此能导电。这与计算机模拟结果一致，同时也证明了这些结构的有序性。有趣的是，他们发现这种结构与成批捆绑的纳米纤维略有不同，因为夹层行导致每个纳米纤维围绕其轴线轻微旋转。该团队的技术不仅限于铟和碲化钨，也不仅限于这种特定的结构。他们希望他们的工作可能会给纳米材料的开发和对其独特性能的研究带来新的篇章。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1347753.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1347753.htm

纳米级变化揭示了提高固态电池性能的线索

纳米级变化揭示了提高固态电池性能的线索研究表明，与材料的其他部分相比，接口处的振动增加更多的阻碍了锂离子的移动。这些发现于4月27日发表在《自然-材料》上，可能会导致开发新的方法来改善固态电池的离子传导性。固态电池包含由固体材料制成的电解质，它有希望比使用易燃液体电解质的传统锂离子电池更安全、更持久、更高效。但是这些电池的一个主要问题是，锂离子的运动受到更多限制，特别是在电解质与电极接触的地方。"我们制造更好的固态电池的能力受到了阻碍，因为我们不知道在这两种固体之间的界面上到底发生了什么，这项工作为观察这类界面提供了一个新的显微镜。通过看到锂离子在做什么，了解它们如何在电池中移动，我们可以开始设计方法，让它们更有效地来回移动。"该研究的共同第一作者托德-帕斯卡尔说，他是纳米工程和化学工程教授，也是加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院可持续动力和能源中心的成员。在这项研究中，帕斯卡尔与他的长期合作者、加州大学伯克利分校化学教授MichaelZuerch合作，开发了一种直接探测界面上锂离子的技术。在过去的三年里，这两个小组一直致力于开发一种全新的光谱方法，用于探测埋藏的功能性界面，如电池中存在的界面。帕斯卡尔的实验室领导了理论工作，而祖尔奇的实验室领导了实验工作。他们开发的新技术结合了两种既定的方法。第一种是X射线吸附光谱学，它涉及到用X射线束击中一种材料以确定其原子结构。这种方法对于探测材料内部深处的锂离子很有用，但在界面上却没有。因此，研究人员使用了第二种方法，称为二次谐波生成，它可以专门识别界面上的原子。它涉及到用两个连续的高能粒子脉冲击中原子--在这种情况下，是特定能量的高强度X射线束，这样电子就能达到一个高能状态，称为双激发态。这种激发状态不会持续很久，这意味着电子最终会回到它们的基态，并释放出吸附的能量，随后作为信号被检测到。这里的关键是，只有某些原子，如界面上的原子可以进行这种双重激发。因此，从这些实验中检测到的信号将必然而且只提供关于在界面上发生的事情的信息，帕斯卡尔解释说。研究人员在一个模型固态电池上使用了这种技术，该电池由两种常用的电池材料组成：作为固体电解质的镧系钛酸锂和作为阴极的氧化钴锂。为了验证他们看到的信号确实来自于界面，研究人员根据帕斯卡尔研究小组开发的方法进行了一系列的计算机模拟。当研究人员比较实验和计算数据时，他们发现这些信号几乎完全匹配。研究报告的共同第一作者萨萨瓦-贾姆努奇说："理论工作使我们能够填补空白，并使我们在实验中看到的信号更加清晰，但是该理论的一个更大的优势是我们可以用它来回答更多的问题。例如，为什么这些信号会以这样的方式出现？"他是帕斯卡尔研究小组的一名纳米工程博士生，最近通过了博士论文答辩。解开界面上的离子运动Jamnuch和Pascal将这项工作向前推进了一步。他们对固体电解质中的锂离子的动态进行建模，并发现了一些意想不到的东西。他们发现，高频振动发生在电解质界面，与材料其他部分的振动相比，这些振动进一步限制了锂离子的移动。"这是这项研究的主要发现之一，我们能够用理论来提取，"Jamnuch说。电池研究人员长期以来一直怀疑固体电解质和电极材料之间的不相容性限制了锂离子在界面的移动。现在，Jamnuch、帕斯卡尔及其同事表明，还有其他东西在起作用。帕斯卡尔说："实际上，在这种材料的界面上，对离子运动有一些内在的阻力。锂离子通过的障碍不仅仅是两种固体材料在机械上相互不兼容的功能，它也是材料本身振动的功能。"他将离子运动的障碍描述为类似于一个球在一个墙壁也在移动的房间内弹跳时的经历。他说："想象一下，一个房间的后面有一个球，而这个球正试图向前面移动，现在还可以想象，房间的两侧也在移动，来回移动，这导致球从一侧反弹到另一侧。总的能量是守恒的，所以如果球从侧面反弹得更多，那么它从后面到前面的运动就会更少。换句话说，两侧的运动速度越快，球花在反弹上的时间就越多，到前面的时间就越长。同样，在这些固态电池中，锂离子穿过材料的路径受到材料本身在界面上的振动频率比在体积上的振动频率高的影响。因此，即使电解质和电极材料之间有完美的兼容性，由于这些高频振动，锂扩散通过界面仍然会有阻力。"这一计算工作让研究人员为未来的固态电池设计奠定了基础。"一个想法是减缓固体电解质材料界面的振动，"Jamnuch说。"比如说，可以通过在界面上掺入重元素来做到这一点。现在我们对锂离子如何通过这个系统有了更多的了解，我们可以合理地设计新的系统，使离子更容易通过，我们发现了可以转动的新旋钮，优化这些系统的新方法。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1358301.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1358301.htm

纳米轮子：用于先进技术的具有独特性能的金属团块

纳米轮子：用于先进技术的具有独特性能的金属团块一个多研究所的研究小组合成了一系列纳米轮状金属团块，每个团块都具有特定的特性--如荧光和不同类型的磁性--可以推动下一代技术的发展。资料来源：清华大学出版社《多金属氧酸盐》。他们的研究结果最近发表在Polyoxometalates杂志上，这是一份经同行评审的国际跨学科研究杂志，关注聚氧金属的所有方面。共同通讯作者、西安交通大学前沿科学与技术研究所（FIST）教授郑艳珍说："多金属复合物不仅因其吸引人的分子结构，而且因其在各个领域的多用途应用而备受关注。"多金属复合物由各种金属的多个原子或金属和其他元素的组合组成，如果能够合成这些分子，就有可能使材料具有特定的性能。这些特性包括荧光或发光的能力，以及允许剧烈温度变化和控制的磁性特性。郑和他的团队专注于创造由镧系元素组成的多金属复合物，镧系元素是一组15种金属材料，也被称为稀土元素。他们特别使用了铕、铽和钆。在所有多金属复合物中，镧系化合物由于其有趣的磁性和发光行为而引起了前所未有的关注。"几个这样的化合物已经被成功分离出来，但直接合成一直是一个挑战。复合物所需的成分在几何上是多样的，需要大量的协调。郑说："以前的研究结果显示，在适当的有机配体存在下，控制镧系金属离子的水解--用水分解化合物--将是获得所需物种的有力策略。配体是一种与金属原子结合的分子。它加入到复合物中可以稳定其结构。"研究人员使用水解法在含有一种叫做三嗪的配体的浴液中分解镧系元素。三聚氰胺含有多个氧和氢的臂，这意味着它可以容纳很大范围的金属，并帮助稳定所产生的团簇。通过简单的水解反应合成了三个镧系纳米团块，并使用X射线衍射分析来揭示它们稳定的轮状结构。由于这些类似物中存在不同的镧系金属离子，每个化合物都显示出独特的特性。基于铕的团簇发出红色的荧光，而基于铽的团簇发出绿色的荧光。基于钆的团簇显示了在磁冷却方面的潜在应用。该研究小组正在继续研究这些团簇的合成和应用。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1359535.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1359535.htm

下一代纳米结构开启制造超低功率电子元件的可能

下一代纳米结构开启制造超低功率电子元件的可能化学气相沉积法可用于从不同的TMDC中生长出一个多层TMDC结构。资料来源：东京都立大学场效应晶体管（FET）是几乎所有数字电路的一个重要组成部分。它们根据跨接的电压来控制电流的通过。虽然金属氧化物半导体场效应晶体管（或称MOSFET）构成了当今使用的大多数场效应晶体管，但人们正在寻找下一代材料，以驱动要求越来越高、体积越来越小的设备，并使用更少的功率。这就是隧道式场效应晶体管（或TFET）的作用。TFET依赖于量子隧道，这是一种电子能够通过通常因量子力学效应而无法逾越的障碍的效应。尽管TFETs使用的能量要少得多，并且长期以来一直被认为是传统FETs的一个有前途的替代品，但科学家们还没有想出以可扩展的形式实现该技术的方法。由宫田康光副教授领导的东京都立大学的一个科学家团队一直致力于用过渡金属二钙化物制作纳米结构，过渡金属和第16组元素的混合物。过渡金属二钙化物（TMDCs，两个钙化物原子对一个金属原子）是制造TFET的优秀候选材料。他们最近的成功使他们能够将单原子厚的晶体TMDC片层缝合到前所未有的长度上。现在，他们已经将注意力转向了TMDC的多层结构。通过使用化学气相沉积（CVD）技术，他们表明他们可以从安装在衬底上的堆叠晶体平面的边缘生长出不同的TMDC。其结果是一个多层厚度的面内结。现有的关于TMDC结的大部分工作都是使用相互堆叠的单层；这是因为，尽管面内结的理论性能极佳，但以前的尝试无法实现使TFET工作所需的高空穴和电子浓度。(a)二硒化钨和二硫化钼的多层结的扫描透射电子显微镜图片。(b)用于表征掺杂铌和未掺杂二硫化钼的多层p-n结的电路示意图。(c)结上的导带最小值（Ec）和价带最大值（Ev）的能级示意图。费米水平（EF）表示在零温度下电子填充能级的水平。当施加栅极电压时，电导带中的电子可以穿越界面隧道。(d)电流-电压曲线作为栅极电压的函数。在较高的栅极电压下，可以清楚地看到NDR趋势。资料来源：东京都立大学在使用从二硒化钨生长出来的二硫化钼证明了他们技术的稳健性之后，他们把注意力转向了铌掺杂的二硫化钼，一种p型半导体。通过生长出未掺杂的二硫化钼（一种n型半导体）的多层结构，研究小组实现了TMDC之间的厚p-n结，其载流子浓度达到了前所未有的高度。此外，他们发现该结呈现出负微分电阻（NDR）的趋势，即电压的增加导致电流的增加越来越少，这是隧道的一个关键特征，也是这些纳米材料进入TFET的重要第一步。该团队采用的方法也可以在大面积上扩展，使其适合在电路制造过程中实施。这对现代电子学来说是一个令人兴奋的新发展，希望它能在未来的应用中找到自己的方式。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1356107.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1356107.htm

光电纳米技术的创新：麻省理工学院培育出精确的纳米LED阵列

光电纳米技术的创新：麻省理工学院培育出精确的纳米LED阵列麻省理工学院的一个新平台使研究人员能够"生长"卤化物包晶纳米晶体，并精确控制每个晶体的位置和尺寸，将它们集成到纳米级发光二极管中。图为纳米晶体阵列发光效果图。图片来源：SampsonWilcox,RLE提供卤化物钙钛矿是一类材料，因其优异的光电特性以及在高性能太阳能电池、发光二极管和激光器等器件中的潜在应用而引起人们的关注。这些材料已主要应用于薄膜或微米尺寸的设备应用中。在纳米尺度上精确集成这些材料可以开辟更非凡的应用，例如片上光源、光电探测器和忆阻器。然而，实现这种集成仍然具有挑战性，因为这种精致的材料可能会被传统的制造和图案化技术损坏。为了克服这一障碍，麻省理工学院的研究人员发明了一种技术，可以在需要的地方现场生长单个卤化物钙钛矿纳米晶体，并精确控制位置，尺寸在50纳米以内。（一张纸的厚度为100000纳米）纳米晶体的尺寸也可以通过该技术精确控制，这一点很重要，因为尺寸会影响其特性。由于材料是局部生长的，具有所需的特征，因此不需要可能造成损坏的传统光刻图案化步骤。NanOLED阵列（如图所示）可应用于光通信和计算、无透镜显微镜、新型量子光源以及用于增强和虚拟现实的高密度、高分辨率显示器。图片来源：研究人员提供该技术还具有可扩展性、多功能性，并且与传统的制造步骤兼容，因此它可以使纳米晶体集成到功能性纳米级器件中。研究人员用它来制造纳米级发光二极管（nanoLED）阵列，这是一种在电激活时发光的微小晶体。这种阵列可应用于光通信和计算、无透镜显微镜、新型量子光源以及用于增强和虚拟现实的高密度、高分辨率显示器。“正如我们的工作所示，开发新的工程框架将纳米材料集成到功能性纳米器件中至关重要。通过超越纳米制造、材料工程和设备设计的传统界限，这些技术可以让我们在极端纳米尺度上操纵物质，帮助我们实现非常规设备平台，这对于满足新兴技术需求非常重要。”Landsman电气工程和计算机科学(EECS)职业发展助理教授、电子研究实验室(RLE)成员，也是描述这项工作的新论文的资深作者。Niroui的合著者包括主要作者PatriciaJastrzebska-Perfect，她是EECS研究生；朱伟坤，化学工程系研究生；MayuranSaravanapavanantham、SarahSpector、RobertoBrenes和PeterSatterthwaite，均为EECS研究生；郑莉，RLE博士后；RajeevRam，电气工程教授。该研究于7月6日发表在《自然通讯》杂志上。微小的晶体，巨大的挑战使用传统的纳米级制造技术将卤化物钙钛矿集成到片上纳米级器件中是极其困难的。在一种方法中，可以使用光刻工艺对易碎的钙钛矿薄膜进行图案化，该工艺需要可能损坏材料的溶剂。在另一种方法中，首先在溶液中形成较小的晶体，然后以所需的图案从溶液中拾取并放置。“这两种情况都缺乏控制、分辨率和集成能力，这限制了材料扩展到纳米设备的方式，”尼鲁伊说。相反，她和她的团队开发了一种方法，可以在精确的位置直接“生长”卤化物钙钛矿晶体到所需的表面，然后在该表面上制造纳米器件。他们的流程的核心是本地化纳米晶体生长中使用的解决方案。为此，他们创建了一个带有小孔的纳米级模板，其中包含晶体生长的化学过程。它们修改模板的表面和孔的内部，控制一种称为“润湿性”的特性，因此含有钙钛矿材料的溶液不会聚集在模板表面上，并将被限制在孔内。“现在就有了这些非常小的、确定性的反应堆，材料可以在其中生长，”她说。他们将含有卤化物钙钛矿生长材料的溶液施加到模板上，随着溶剂蒸发，材料生长并在每个孔中形成微小的晶体。一种多功能且可调节的技术研究人员发现孔的形状在控制纳米晶体的位置方面起着关键作用。如果使用方形孔，由于纳米级力的影响，晶体有相同的机会放置在孔的四个角中。对于某些应用来说，这可能已经足够了，但对于其他应用来说，纳米晶体的放置需要更高的精度。通过改变孔的形状，研究人员能够设计这些纳米级的力，使晶体优先放置在所需的位置。当溶剂在孔内蒸发时，纳米晶体会经历压力梯度，产生定向力，确切的方向由孔的不对称形状确定。Niroui说：“这使我们不仅在生长方面，而且在这些纳米晶体的放置方面都具有非常高的精度。”他们还发现可以控制井内形成的晶体的大小。改变孔的大小以允许内部更多或更少的生长溶液产生更大或更小的晶体。通过制造精确的nanoLED阵列展示了其技术的有效性。在这种方法中，每个纳米晶体都被制成发光的纳米像素。这些高密度nanoLED阵列可用于片上光通信和计算、量子光源、显微镜以及增强和虚拟现实应用的高分辨率显示器。未来，研究人员希望探索这些微小光源的更多潜在应用。他们还想测试这些设备的极限，并努力将它们有效地整合到量子系统中。除了纳米级光源之外，该过程还为开发基于卤化物钙钛矿的片上纳米器件开辟了其他机会。他们的技术还为研究人员提供了一种更简单的方法来研究单个纳米晶体水平的材料，他们希望这将激励其他人对这些和其他独特材料进行更多研究。Jastrzebska-Perfect补充道：“通过高通量方法研究纳米级材料通常需要对材料进行精确定位并按该规模进行设计。通过提供局部控制，我们的技术可以改善研究人员研究和调整材料性能以适应不同应用的方式。”“该团队开发了一种非常聪明的方法，可以在基板上确定性地合成单个钙钛矿纳米晶体。他们可以以前所未有的规模控制纳米晶体的精确放置，从而为基于单纳米晶体制造高效纳米级LED提供了一个平台。”加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学教授AliJavey说道，他没有参与这项研究。“这是一项令人兴奋的工作，因为它克服了该领域的基本挑战。”...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1370463.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1370463.htm