2D材料及器件微纳技术最新进展，看国内外大咖如何评述

Special Issue

2D材料及器件微纳米技术

2020年第2期，Research编委陶立，客座编委Akinwande组织出版了“2D材料及器件微纳技术”专题，聚集了来自中国、美国、德国和意大利的十余名国内外知名专家（其中院士及杰青5名，全球高被引专家6名）的最新研究成果。该专题由来自黄维院士团队、Max Lemme团队、孙立涛团队、曾海波团队、潘安练团队、柴扬团队、张晗团队、Alessandro Molle团队、Yuebing Zheng团队的9篇综述论文组成，涵盖了二维材料和器件的制备及其微电子、光电、磁学、传感器应用等当今的前沿研究热点及未来发展趋势。识别每篇摘要下面的二维码，直接阅读原文。

01

基于二维材料的光电存储器：

电子存储器和光学传感器的融合

通信作者：Yang Chai  [e-mail]

电子器件向着 "超越摩尔定律（More than Moore） "的趋势不断发展，要求能够收集数据（传感器）、存储（存储器）和处理（计算单元）信息的功能更多样化。

考虑到图像数据在数据中心和边缘设备中都占有较大的比例，因此，对于未来的节能和小型化电子系统来说，需要一种集光学传感和数据存储处理于一体的设备。二维材料及其异质结在配置光传感器时表现出宽波段光响应和高光响应率，在存储器器件中表现出快速的开关速度、多比特数据存储和大的开关比。此外，超薄的厚度和低温下的传输工艺，使得二维材料可以与现有的其他材料体系进行异构集成。在本文中，我们概述了最新的基于二维材料的光电随机存取存储器（ORAM），以及ORAM突触器件及其在神经网络和图像处理中的应用。ORAM器件有可能实现直接存储/处理来自外部环境的感知数据。我们还对基于二维材料的其他神经形态传感器设计(如听觉和嗅觉)在面向未来人工智能的智能电子系统上的潜在研究方向进行了展望。

02

面向纳米技术的功能基底上

外延生长的硅烯调控

通信作者：

Carlo Grazianetti [e-mail] ；

Alessandro Mollecarlo [e-mail]  

对石墨烯的颠覆性发现使得二维材料成为凝聚态物理学领域的一个现实案例。在硅烯研究产生的显著影响下，类石墨烯单元素人工晶体X烯迅速崛起。其中的一个代表，硅烯，具有石墨烯的特性，也为延续摩尔定律提供了可能。事实上，硅烯是作为器件制造商长期以来渴望的硅的工艺缩小版出现的，可以提高芯片的性能。尽管硅烯与石墨烯在周期表上有亲缘关系，但以硅烯为代表的X烯必须解决好在生长基底上脱离真空环境的稳定问题。早期在不同基底上合成硅烯以及通过电子和光学技术的深度表征，如今已经发展到硅烯向可集成器件的尝试实验。本文回顾了通过分子束外延生长的硅烯的三个典范案例，展示了三种不同的可能应用，旨在将硅烯的开发扩展到纳米电子领域之外，从而使当前主流的硅以更薄的方式保持关键地位。

03

用于场效应晶体管的第五主族二维材料

通信作者：

Shengli Zhang [e-mail]; 

Li Tao [e-mail];

Haibo Zeng [e-mail]

二维层状材料各种电子和光电器件中有着巨大的前景，这是传统半导体难以企及的。第五主族单元素二维材料(包括磷烯，砷烯，锑烯和铋烯)被认为是下一代逻辑器件的竞争候选材料。这是因为它们具有可调控性丰富的物理和化学特性，如可调谐的中小带隙和可控的稳定性。自2014年首个黑磷场效应晶体管出现以来，第五主族二维材料的基本性质、制备方法和相关电子应用等方面的研究取得了卓越的进展。本文回顾了第五主族二维场效应晶体管在材料和器件两方面的最新进展。其中包括对晶体结构、电子性能和合成或生长实验的简要回顾以及晶体管器件的实验制备、性能增强方法和配置工程。最后概述了第五主族二维材料及晶体管器件作为新型纳米电子器件的潜在平台的当前挑战和前景。

04

二维材料的缺陷：

精确操控和功能提升

通信作者：

Litao Sun [e-mail]；

Zhenhua Ni [e-mail]

在过去的十年里，二维材料引起了越来越多的关注。二维材料的超薄特性使其成为制造下一代电子和光电设备最有前途的构件之一。随着尺寸从三维到二维的缩小，材料微观缺陷对材料性能会产生不可忽略的重要影响。为了最大限度地发挥二维材料的功能，对缺陷的深刻理解和精确操纵是必不可少的。近年来，科研工作者们对二维材料中缺陷的观察、理解、操纵和控制的研究关注越来越大。本文总结了二维材料缺陷工程的最新研究进展。对电子束、等离子体、化学处理等引发的缺陷工程进行了全面的回顾。首先，介绍了电子束辐照诱导的缺陷演化、结构转变和新型结构制造。在高分辨率电子显微镜的帮助下，可实现原位可视化的动态缺陷工程。随后，回顾了通过等离子体、化学方法和臭氧处理等其他方法来改善二维器件性能的缺陷工程。最后，讨论了缺陷工程对促进二维材料发展的挑战和机遇。通过这篇综述，我们旨在建立二维材料缺陷与性能之间的关联性，以促进高性能电子和光电器件的设计和优化。

05

二维材料的光学图案化

通信作者：

Yuebing Zheng [e-mail]  

二维材料在原子厚度上的独特性质使得这一领域内产生了诸多全新的电子和光子器件。在衬底上将二维材料结构化成所需的图案，通常是功能器件的一个重要工艺步骤。在这方面，二维材料的光学图案化具有高通量、现场特定、和按需制造的优势，受到了科学界的广泛关注。近年来，各种光学技术适用于图案化的二维材料的研究层出不穷。本文汇总了当今最先进的二维材料光学法图案化技术，包括激光减薄、掺杂、相变、氧化和烧蚀；讨论了基于光学图案化的二维材料的应用。随着进一步的发展，光学图案化有望成为推动二维材料制造和应用的关键。

06

二维硼烯：

性能、制造和应用前景

通信作者：

Ni Xie [e-mail]

Xiaobing Yan [e-mail];

Han Zhang [e-mail]            

单元素二维材料(Xenes)由于其独特的性能和广泛的应用，在二维材料研究中引起了极大的关注。硼烯是一种典型的新型X烯，在能源、传感器和生物医学应用的材料中有极大的应用前景。然而，由于块状硼具有相当复杂的空间结构和多种化学性质，硼烯的制备仍然是一个挑战。本文描述了硼烯的优良特性，包括光学、电子、金属、半导体、光声和光热特性以及硼烯的制备方法，包括自下而上和自上而下两种途径。最后，本文对硼烯在最新应用中面临的前景和挑战进行了展望。

07

二维磁体的最新进展：

自旋电子应用中的物理原理和器件工程

通信作者：

Chao Zhu [e-mail]

Lin Wang [e-mail]

Wei Huang [e-mail]   

低维纳米材料的出现给磁学带来了革命性的发展，因为尺寸效应可以显著影响自旋排列。自2017年首次展示真正的二维磁性材料(2DMMs)以来， 2DMMs表现出了多种多样的磁相和相关特性，这为未来高效操控基于自旋的器件提供了新的机遇。本文重点介绍了2DMMs及其异质结在其结构特征、物理性能和自旋电子应用等方面的最新进展。回顾了二维晶格中自旋空间排列的显微表征；探讨了二维尺度下基于光-物质-自旋相互作用中的光学探针；系统地总结了近期关于2DMMs电子和自旋电子器件的工作。在电子特性部分，提出了2DMMs中的几个令人兴奋的现象，即长程磁子传输、场效应晶体管、可变磁阻行为和（量子）反常霍尔效应。在自旋电子学应用部分，重点介绍了基于2DMMs的自旋电子学器件，如自旋阀、自旋轨道转矩、自旋场效应晶体管、自旋隧道场效应晶体管和自旋滤波磁隧道结。最后，还对该领域目前的挑战和未来的期望提出了看法，以期有助于指导理论及实验学者在光，电及自旋特性的探索。

08

基于悬浮式二维材料的

纳米机电传感器

通信作者：Max C. Lemme [e-mail]

二维(2D)材料具有独特的原子厚度，使得应用二维材料的纳米机电传感器的体积更小，功能更完善、新颖。在过去的十年中，许多研究已经成功地表明了在压力传感器、麦克风、加速度计以及质量和气体传感器中使用二维材料悬浮膜的可行性。在这篇综述中，解释了不同的传感概念并概述了相关的材料特性、制造路线和器件操作原理；讨论了传感器的读出和集成方法，并提供了与技术现状的比较，以揭示基于二维材料的纳米机电传感的挑战和前景。

09

二维材料偏振相关的光学及光电器件

通信作者：

Anlian Pan   [e-mail]   

光电子器件的发展需要在新材料系统和新颖的器件机制上取得突破，并且最新的研究关注点已经从检测信号强度和响应度转变到探索偏振态信息的灵敏度。二维材料，包括各向异性材料，谷电子材料和其它混合异质结构，具有丰富的物理和电子特性，可应用于偏振器件。在这篇综述中，我们首先回顾了二维材料中与偏振光有关的物理机理，然后对光学和光电特性进行了详细描述，涉及拉曼位移，光学吸收，发光和功能性光电器件。最后，对未来的发展和挑战进行了展望。大量的二维材料及其异质结构为偏振相关的科学发现和光电子器件的应用提供了广阔前景。

往期回顾

04

08-2020

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07-2020

《Research》是中国科协与美国科学促进会于2018年共同创办的定位为国际化、高影响力、世界一流水平、综合性、大型OA科技期刊，是美国《Science》自1880年创刊以来第一本合作期刊。主要发表生命科学、新材料、新能源、人工智能、微纳米科学、环境科学、机械科学、机器人与先进制造8个具有巨大发展潜力的热点交叉领域突破性研究成果。目前已建立了93人的国内外各占50%、具有国际影响力的编委会，主编(中国)为西北工业大学常务副校长、中科院院士黄维，主编(国际)为美国明尼苏达大学麦克凯特杰出教授崔天宏。已被CAS、CNKI、CSCD、DOAJ、EI、ESCI、INSPEC、PMC、Scopus数据库收录。

欢迎相关领域的科学家们踊跃投稿，关注和使用期刊的出版内容。

网址：https://spj.sciencemag.org/research/

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