今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及边界诱导的手性异常体态及其传输特性的观察,非欧氏几何声学超材料结构中p轨道拓扑旋错态的观察,应变工程诱导的单层MoS2电荷迁移率增强等，敬请期待！
索引：
1.高效制造大面积超表面的亚波长图案脉冲激光光刻技术
2.边界诱导的手性异常体态及其传输特性的观察
3.非欧氏几何声学超材料结构中p轨道拓扑旋错态的观察
4.应变工程诱导的单层MoS2电荷迁移率增强
5.TMDCs-并五苯范德华异质结的激子动力学
6.定制具有超弹性和负泊松比的向心超构材料用于有机溶剂吸附
7.基于构建块的可重构软体机器人
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高效制造大面积超表面的亚波长图案脉冲激光光刻技术
近年来，由于对微型化超薄光学系统的需求不断增加，光调制超表面引起了人们的极大关注，这些超表面具有光束整形(偏转、聚焦、涡旋调制)、电磁斗篷、偏振控制、完美吸收和精确消色差等功能。超表面上的各种结构单元起着至关重要的作用，如定向表面波耦合的H形吸收光或调制波前，十字形调节色散或吸收，悬链线形提供高衍射效率和周期和相位延迟的线性比例等等。
加工方法的发展，特别是大规模生产和易获得的超表面方法，落后于他们的设计。电子束光刻和极紫外光刻具有卓越的10纳米以下分辨率，是验证不同光调制能力的超表面设计的一般方法，具有较高的可实现结构自由度。然而目前还没有一种容易获得的制造方法来有效地生产大面积和自由设计的纳米级分辨率结构阵列。
近日，南方科技大学的徐少林课题组开发了一种图形脉冲激光光刻（PPLL）方法，在大面积薄膜上创建具有亚波长特征分辨率和周期从小于1 μm到超过15 μm的结构阵列。利用准二元相位掩模分离具有波前图案的超快激光脉冲，通过高速扫描快速生成周期性的烧蚀/修正结构。波前的梯度强度边界和圆偏振减弱了光传播过程中的衍射和偏振相关的不对称效应，达到了较高的均匀性。相关工作发表在《Nature Communications》上。（郑江坡）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-022-33644-8
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边界诱导的手性异常体态及其传输特性的观察
拓扑材料很有用的性质是拓扑边界态的鲁棒性传输，它的存在取决于其拓扑不变量的非平庸。这其中谷自由度是一种简单而优雅的实现拓扑保护传输的方法，在电子学和经典波场中都引起了广泛的关注。与自旋电子学中的自旋类似，能谷数是一种信息载体。此外由于动量空间中谷的分离程度较大,谷间散射通常很小,所以手性谷传输对于弱无序具有较强的鲁棒性。目前为止，为了实现谷传输最常见的方法是通过降低或者破坏晶体的对称性来创造谷陈数，然后根据体边对应关系在两种携带不同的谷陈数晶体的界面来创建拓扑边界态。
近日，香港科技大学的C.T.Chan课题组和武汉大学刘正猷研究团队等人提出通过利用手性异常的体态来构造一种新的提供鲁棒性传输的机制，并且现象和能谷传输相同。他们发现具有硬边界的普通蜂窝六角结构的声子晶体的投影能带和条状的携带谷陈数的拓扑谷霍尔声子晶体的投影能带基本相同。并且边界条件导致的手性体模式是和能谷锁定的，这与拓扑谷霍尔晶体中的谷锁定边界态相对应。这种手性异常的体态具有和能谷霍尔声子晶体的能谷边界态一样的鲁棒性传输效应，并且在数值模拟和实验上都证明了这一点。结果还表明，边界条件修正可以诱导谷选择性输运，完成从K到K’的谷态转换和实现谷聚焦。这种利用手性异常的体态的方式仅需要对简单的拓扑平庸的结构进行边界的修改，可以适用于声学和电磁学系统。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（张晓萌）
文章链接：
Wang, M., Ma, Q., Liu, S. et al. Observation of boundary induced chiral anomaly bulk states and their transport properties. Nat Commun 13, 5916 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41467-022-33447-x
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非欧氏几何声学超材料结构中p轨道拓扑旋错态的观察
拓扑缺陷(如旋错和位错)虽然存在于各种材料中，但在拓扑物理中研究有限。直到最近，拓扑缺陷才被用作拓扑相的独特实验探针。旋错——这种在各种材料中普遍存在的拓扑缺陷，可以通过体-旋错对应关系揭示材料的固有能带拓扑结构。在低维材料和纳米结构中，如石墨烯和富勒烯，研究旋错产生曲面和涌现的非欧氏几何图形，这对理解这些材料的性质至关重要。然而，从来没有在非欧氏几何中研究过体-旋错对应关系，也没有在p轨道物理系统中研究过。
近日，华侨大学的陈颖课题组和厦门大学的陈焕阳教授课题组以及苏州大学的蒋建华教授课题组通过研究p轨道谷霍尔声学超材料中圆锥面和双曲面倾角上的拓扑模来填补上述空白。不同于以往实验工作研究平面（欧式）几何内的旋错，本工作通过Kamada-Kawai算法分别得到了切除或增加2π/3完美晶体的扇区后所对应的锥形或双曲形的曲面旋错结构，考虑了缺陷处局部曲率对旋错态的影响，并利用三维打印技术构建了该非欧几何形状的声学拓扑晶体。相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上，并被选为编辑推荐文章。（郑江坡）
文章链接：
10.1103/PhysRevLett.129.154301
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应变工程诱导的单层MoS2电荷迁移率增强
过渡金属二卤族化合物(TMDs)是二维(2D)层状材料中备受关注的材料，由于其具有原子层级厚度及高度可调的载流子行为，在场效应晶体管及光电器件中应用广泛。其中，二硫化钼(MoS2)由于其在空气中相对稳定，并且带隙几乎是硅的两倍，因此有望被应用在低功率晶体管中。为了达到与现有硅基器件同样的电学性能，已有工作报道了可以通过界面工程、化学掺杂、缺陷愈合等手段，改进MoS2和其他TMD器件的电学性能，如原位电流、迁移率和接触电阻等。另外，应变工程是调控半导体性质的另一种重要方法，一直被用于提高硅晶体管的迁移率，然而通过应力调控TMD二维材料的研究主要集中在光学测量上，例如通过施加应力引起光学带隙变化的方法调控光致发光等。尽管理论上预测应变工程是提高电性能的另一种方法，但仍缺少应变工程调控电子和空穴迁移率的实验研究。
近日，美国斯坦福大学Eric Pop研究团队通过CVD生长以及机械转移等方法在柔性衬底PEN上贴附单层MoS2，研究了单轴拉伸应变对单层MoS2晶体管电学性能的影响。研究发现，当施加0.7%应变时，迁移率和通路电流几乎增长了一倍，当去除应变时又恢复到初始值，是目前通过外部施加应变对TMD载流子迁移率的最明显调控，揭示了应变工程在增强基于TMD的2D晶体管电学性能方面可能与缺陷和界面工程同样重要。工作还表明，这一器件可以用作应变传感器，其压阻系数高达200，与大多数基于体块材料的传统应变传感器和大多数基于2D材料的应变传感器相比，压阻效应更为显著。该工作阐释了应变工程对二维半导体集成电路性能的重要性，并有望应用于柔性应变传感器中。相关工作发表在《Nano Letters》上。（袁铭谦）
文章链接：
Isha M. Datye, Alwin Daus, Ryan W. Grady, et al. Strain-Enhanced Mobility of Monolayer MoS2 Nano Letters, Article ASAP (2022).
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c01707
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TMDCs-并五苯范德华异质结的激子动力学
过渡金属二卤代化合物(TMDCs)薄膜具有众多奇特的物理现象，如异常大的激子结合能、自旋谷锁定和激子霍尔效应等，在与金属或多铁材料薄膜形成的异质结中表现出极低的电学阻抗和层间激子的调控行为。由于TMDCs和有机半导体(OSs)都是具有丰富和高度多样化的光学和电子特性的半导体材料，基于TMDCs薄膜和OSs薄膜组成的范德华异质结的研究在光电子和光电调控领域相当广泛，例如发光二极管、隧道晶体管、和光伏电池技术等，然而该系统中界面电荷转移动力学仍有待研究。
近日，荷兰特温特大学Pavel A. Markeev等人分别将MoS2和WSe2单层膜以及20 nm的并五苯薄膜转移到Au表面，利用瞬态吸收光谱对两种不同TMD材料和并五苯薄膜组成的范德华异质结中的激子动力学进行研究。研究发现，基于MoS2到并五苯的空穴转移，A激子衰减的特征时间为21±3 ps，比之前报道的在SiO2衬底上形成的MoS2-并五苯异质结的转移时间慢，这是由于不同衬底上并五苯薄膜中不同的分子取向所造成的。而WSe2中的B激子则表现出更快的空穴转移速率，通过拟合特征时间仅为7±1 ps，然而WSe2中的A激子同样由于并五苯层的存在衰减更快。该工作为TMDC-OS异质结领域的激子动力学以及二位材料激子调控提供了重要的见解。相关工作发表在《ACS Nano》上。（袁铭谦）
文章链接：
Pavel A. Markeev, Emad Najafidehaghani, Gergely F. Samu, et al. Exciton Dynamics in MoS2-Pentacene and WSe2-Pentacene Heterojunctions. ACS Nano ASAP (2022).
https://doi.org/10.1021/acsnano.2c06144
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定制具有超弹性和负泊松比的向心超构材料用于有机溶剂吸附
近日，中国科学院上海硅酸盐研究所董绍明和杨金山团队采用一种独特的向心冷冻浇注成型技术组装了具有径向结构和负泊松比的石墨烯超构材料。在向心温度梯度的驱动下，冰晶向水相石墨烯色散体的中心生长，形成一个径向排列的骨架。当冰晶升华时，在整体的对角线处形成了一个凹角结构。所获得的向心石墨烯超构材料具有负泊松比响应。该超构材料在50%的压缩下保持负泊松比，在10%的应变下达到最小值（-0.18）。经过50次50%应变的压缩循环后，该超构材料保留了约96%的原始抗压强度。径向通道使向心石墨烯超构材料具有快速的吸收动力学，负泊松比响应有效地适应了反复吸附-再生循环中体积收缩引起的损伤。该策略是实现多孔材料的负泊松比响应和提高材料力学性能的有效方法。相关研究发表在《Science Advances》上。（徐锐）
文章链接：
L. Tian, J. Yang, X. You, et al. Tailoring centripetal metamaterial with superelasticity and negative Poisson’s ratio for organic solvents adsorption[J]. Science Advances, 2022, 8: eabo1014.
https://doi.org/10.1126/sciadv.abo1014
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基于构建块的可重构软体机器人
软体机器人越来越受到关注，其主体由柔性结构组成，并由软驱动机构驱动。其结构解决了传统机器人的一些缺点，如人机交互过程中的碰撞风险，以及由于传统的刚性结构和对笨重电机的依赖而缺乏灵活性和柔顺性。软体机器人还可以设计成具有模块化和可重构能力，从而提高其灵活性、设计简单性、维护方便性和小型化的可能性。软体机器人可以根据其驱动方法进行分类，即i）流体弹性驱动器（FEAs），ii）形状记忆合金（SMAs），iii）介质弹性驱动器（DEAs）。其中，FEAs通常使用真空/高压对致动器内的腔进行放气/充气，以产生具有高力-尺寸比的弯曲运动。由于其设计和驱动简单，广泛应用于机器人手、仿生连续体机器人。由于其非线性驱动、空气压缩性（使其难以精确控制）以及辅助管道和大型泵的使用限制了其灵活性。基于SMAs驱动的软体机器人通过焦耳效应工作，能够实现其结构的预定义构型。尽管其设计简单，但由于低应变比、材料响应时间慢和SMAs的非线性响应，其应用受到限制。基于DEAs的软体机器人由一个弹性骨架组成，连接在一个非常薄的拉伸弹性体膜（<1mm）上，夹在两个柔性电极之间。在电极上施加高电压，产生静电压力，并将其转化为应变能。DEAs是一种很有前途的执行机构，它为软体机器人提供了与前两种方法相比，设计简单，机电效率高，易于缩小规模，成本低，响应速度快。
近日，英国诺丁汉大学Abdelkhalick Mohammad团队提出了一种可以拆卸和重构的软构件设计，以构建不同的模块化的软体机器人，如机器人手和连续体机器人。首先，建立了构建块的数值模型，以理解它们的行为与设计参数。然后开发了一个形状优化算法，允许基于这些软构建块构建不同类型的软体机器人。为了验证该方法，文中展示了仿生设计的2D和3D案例研究：（1）引入柔软的手指作为抓取复杂和精致物体的案例研究。（2）设计象鼻抓花案例。（3）设计步行机器人。这些案例研究证明，所提出的模块化构建方法使得构建和重构具有多种复杂形状的不同类型的软体机器人更加容易。相关研究发表在《Advanced Science》上。（徐锐）
文章链接：
M. G. B. Atia, A. Mohammad, A. Gameros, et al. Reconfigurable Soft Robots by Building Blocks[J]. Adv Sci (Weinh), 2022: e2203217.
https://doi.org/10.1002/advs.202203217
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