2D材料在电子学领域的最新进展

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薄层2D材料的最新研究进展令人振奋，并引发研究热潮。2D材料的优良性质，使得其在场效应晶体管、传感器、光伏、存储设备等领域有着广阔的应用前景。本期专刊特邀来自韩国UNIST的Soon Yong Kwon教授和普渡大学Peide Ye教授为大家介绍这一新兴领域的前沿研究，内容涵盖薄层2D材料及其异质结构所制备的各种电子器件及相关应用。

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iScience 1月刊已于1月21日上线

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功能化石墨烯纳米片和氧化石墨烯：抑制SARS-CoV-2感染新材料

最新研究表明，石墨烯（G）和氧化石墨烯（GO）等二维纳米颗粒有望作为抵抗SARS-CoV-2感染的功能性个人防护设备（PPE）的原材料。石墨烯和氧化石墨烯能够与微生物反应，因而成为抑制COVID-19传播PPE的潜在材料。现有PPE仅可作为一种物理屏障，来降低感染病毒可能性，但却不会使病毒失活。本文中，来自CNR-ISC的Valentina Palmieri等研究人员发现，通过将病毒与可溶性GO共同预培养，可抑制SARS-CoV-2对VERO细胞的感染。此外，当G/GO功能化聚氨酯/棉材料接触病毒时，织物的传染性几乎完全被抑制。因此，该项研究成果提出了一项重要纳米材料创新策略，能够显著提高PPE预防SARS-CoV-2病毒感染的功效，并有望应用于水过滤、空气净化和病理诊断等方面。

应变控制合成超薄六角CaTe/MoS2异质结用于高灵敏光电检测

超薄六角GaTe因具有较高的电荷密度，在光电子器件领域有着巨大的应用潜力。然而，热力学不稳定性却限制了其进一步应用和发展。本文中，湖南大学潘安练教授、李东教授、朱小莉教授等研究人员通过引入二维MoS2为衬底，成功实现了超薄h-GaTe的相控合成，获得了高质量的h-GaTe/MoS2异质结构。理论计算结果表明，在MoS2衬底上，六方相GaTe具有更高的热力学稳定性，这归因于应变拉伸和形成能的降低。研究人员基于此p-n异质结构，成功制备了光响应率（32.5A/W）显著、光响应（<50μs）快速，且光传感行为优良的光电器件。这项研究为相关材料的可控制备提供了参考，并且团队开发的异质结构未来将有可能在集成电子和光电子器件相关领域有着广阔的应用前景。

双表面沟道MoS2晶体管制备多功能存算一体SRAM单元

机器学习、人工智能和物联网等技术的迅猛发展，基于冯·诺依曼结构的存储体系显得有些力不从心，新型计算机架构的开发势在必行。存算一体“computing-in-memory”是解决冯·诺依曼瓶颈的一种可选途径。本文中，复旦大学周鹏教授团队设计了双表面沟道MoS2晶体管存算一体结构：对称4T2R静态随机存取存储器（SRAM）单元和倾斜3T3R SRAM单元。其中，对称SRAM单元进行内存中的XNOR/XOR计算，倾斜SRAM单元实现内存中的NAND/NOR计算。此外，由于存储器和计算单元均架构在高面积效率的双表面沟道晶体管上，降低了两个存算一体SRAM单元的能耗，因此有望应用于高面积效率的多功能计算芯片的未来场景中。

激光直接写入可编程图案化MoS2膜用于健康信号监测

二维（2D）过渡金属硫族化合物（TMDs）作为新兴的无机材料体系，将在战略柔性信息器件领域大展身手。由于制造和集成工艺的限制，柔性电子通常需要大面积、高质量的图案材料。然而，合成满足要求的2D TMDs是十分困难的。西北工业大学黄维院士、王学文教授团队在本文中设计并开发了一种高效且强大的脉冲激光，用于合成晶片级MoS2。柔性应变传感器由MoS2制作，表现出低检测限（0.09%）、高应变系数（1118）和高稳定性（1000次循环）等优点。此外，团队发现所制备的MoS2膜可实时监测健康生理信号（如桡动脉压力、呼吸频率和声带振动）。研究结果表明，激光辅助策略可有效合成晶片级2D TMDs，这将为下一代柔性电子和可穿戴健康监测设备开辟新的道路。

CVD生长p-MoTe2和n-MoS2：制备低能耗CMOS逆变器

二维（2D）半导体过渡金属二硫化物（TMDCs）在逻辑应用方面具有明显优势。就降低功耗而言，互补金属氧化物半导体（CMOS）逆变器是集成电路中的关键器件。迄今为止，基于TMDCs的CMOS逆变器性能不尽人意。此外，大多数逆变器都是由机械剥离材料制成，这阻碍了其在实际应用中的重复生产和大规模集成。在这项研究中，北京大学戴伦教授团队开发了一种利用化学气相沉积法生长大面积p-MoTe2和n-MoS2，以制备CMOS逆变阵列的实用方案。通道材料的电流特性通过沉积Al2O3原子层来平衡。在逆变器中，作者观察到完整的逻辑摆幅和清晰的动态开关行为，并实现超低功耗（～0.37 nW）。此项工作为2D TMDCs材料在大规模低功耗逻辑电路中的应用铺平了道路。

二维材料场效应晶体管和纳米机电系统用于高效传感

传感器在医疗保健、安保、法医行业以及环境保护等领域有着广泛应用。其中，采用超大规模集成电路（VLSI）兼容的微加工技术所制备的传感器具有体积小，成本低，并有望实现大规模制造等优势，迅速成为该领域的研究热点。二维材料的原子级厚度、平坦表面以及可形成范德华异质结等特点，成为此类传感器的一种很有前途的构件。本文中，来自麻省理工学院的Deblina Sarkar教授团队综述了基于二维材料的场效应晶体管（FET）和纳米机电系统（NEMs）在检测不同气体、化学品和生物分子方面的应用；深入分析了这些材料在传感应用中的独特优势；并且论述了与这些技术相关的制造方案、检测手段和表征技术。文末，作者对该领域的前景和调整进行了展望。

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二维铁磁材料CrI3螺旋发光实现宽波长磁编码

二维（2D）范德华（vdW）铁磁体为在单个或少数原子层限制下控制自旋，以及通过铁磁（FM）序和激子间的耦合效应制备磁激子器件指出了新的方向。然而，迄今为止，人们发现的2D范德华铁磁体很少具有激子行为。尽管已有研究表明，铁磁性CRI3表现出与铁磁序相关的配体场光致发光效应，但通常其发射峰较宽。来自电子科技大学梁迪飞研究员、彭波教授团队在微球腔中实现了CrI3窄螺旋发射和铁磁序间的强耦合。SiO2微球作为一种共振回音壁模（WGM）可形成强烈的振荡螺旋发射，在连续波激发下，发射峰半高宽（FWHM）处峰宽不足5nm，并可在950-1100 nm宽波长范围下利用螺旋发光进行可逆磁编码。这项工作为光子集成芯片的磁编码激光提出了新的思路。

一维-二维杂化纳米线网络用以栅控气体传感器

在室温下工作的新型气体传感器因其低能耗和高稳定性而备受关注。然而，在室温条件下，传感特性的发展仍然面临诸多挑战。想要进一步提高气体传感器在室温条件下的灵敏度、选择性和效率，需要多种反应途径，且要降低气体分子吸附能垒。本文中，来自仁荷大学Myung Gwan Hahm教授、Sang Sub Kim教授和三星先进技术研究所Un Jeong Kim等研究人员构建了一种SnSe2层和SnO2纳米线网络的1D–2D杂化纳米结构，通过控制背栅偏压（Vg=1.5 V），增强了室温下传感器的气敏性能；作者进一步降低反应位点上的吸附能垒，使得响应时间显著缩短。因此，该研究有助于提高在室温条件下气体传感器的性能。

高效机械能采集体系的最新发展趋势

以能量采集器为能源的自供电可穿戴设备可以从我们周围的环境中获取能量，以满足便携式可穿戴电子设备的能量需求，由于其具有小型化且多功能等特性，因而受到广泛欢迎。一些研究者发现摩擦生电和压电纳米发电机可从机械振动中获取电能；并且，当这两种效应结合起来时，可以进一步提高纳米发电机的输出效率。文中，来自印度德里科技大学Bharti Singh教授等人讨论了柔韧性好、机械稳定性高、毒性低且具有生物降解性的2D材料在纳米发电机制造领域中的重要作用。本文综述了2D材料在压电、摩擦生电和混合纳米发电机及其范德华异质结构的发展，以及聚合物-2D复合材料对纳米发电机输出性能的影响。

新兴2D杂化有机-无机卤化物钙钛矿在能源领域的应用

有机-无机卤化物钙钛矿杂化材料（HOIPs）是能源应用领域的明星材料。然而，大尺寸钙钛矿的不稳定性和毒性是其未来商业化进程的两大阻碍。为了找到解决方案，武汉理工大学李能教授等研究人员开发了一系列二维HOIPs材料，通过高效的光电转换和能量存储来延长器件寿命。文中，研究人员总结了二维HOIPs材料及其结构衍生物在能源相关领域中的最新进展；论述了晶体结构、物理化学性质和生长机理的基本概念；并探讨了下一代2D HOIPs的挑战和未来发展方向。

原标题：《2D材料在电子学领域的最新进展 | iScience论文精选》

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