超材料前沿研究一周精选 2022年11月15日-2022年11月27日

索引：

1.晶圆级立方碳化硅晶体的高热导率

2.基于特征模态分析的斜入射超宽带超材料吸收体

3.铌酸锂上GHz声表面波的热调制

4.一种拓扑非线性参数放大器

5.具备超陡斜率开关效应的二维应变效应晶体管

6.基于纳米团簇的光刻胶打印力学纳米晶格

7.一种用于操作微物体的仿生突跳超结构                 

基于碳化硅(SiC)的第三代半导体具备效率高、损耗低且耐高压等优势，大幅提高能量转换效率，对新一代电子器件发展具有重要意义。在高功率器件中难免会产生局域的高温，严重时会导致器件过热损坏，因此高功率电子元件的热管理设计变得尤为重要。SiC具备较高的导热系数，有利于器件中热量扩散，保证器件的稳定运行。最近几年，研究学者们致力于不同结构SiC的生长，基于立方相3C-SiC的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)与其他构型SiC相比，具有最高的迁移率，大大降低了开关器件的功耗，但与理论预测相反的是，实验测量发现3C-SiC热导率与其他构型相比较低(6H-SiC及4H-SiC的面外热导率分别约为320 W m⁻¹ K⁻¹和340 W m⁻¹ K⁻¹)，研究学者们发现这是由于硼原子缺陷引起声子散射造成的，这种散射效应甚至强于晶格空位造成的影响，因此高质量3C-SiC的生长可能再次推动第三代半导体的实际应用。

近日，美国伊利诺伊大学David G. Cahill研究团队及合作者们利用低温化学气相沉积方法在硅及氮化铝衬底上外延生长了晶圆级3C-SiC薄膜，最大可达到6英寸，结合偏束时域热反射技术测量了3C-SiC薄膜的面内及面外方向热导率，发现3C-SiC热传导性质是各向同性的，热导率高达500 W m⁻¹ K⁻¹，在大尺寸晶体中热导率仅次于金刚石，通过高质量的生长技术避免了异常强的缺陷-声子散射，发现3C-SiC的热导率明显比其他结构高，这是之前实验工作没有观测到的，利用第一性原理计算得到的结果与实验数据高度符合。由于3C-SiC/Si热边界电导是半导体界面中最高的，并同时具备较高的热导率，对下一代高频电子器件的研发具有重要意义。相关工作发表在《Nature Communications》上。（袁铭谦）

文章链接：

Z. Cheng, J. Liang, K. Kawamura, et al. High thermal conductivity in wafer-scale cubic silicon carbide crystals. Nat. Commun. 13, 7201 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41467-022-34943-w

电磁（EM）超材料的发展为操纵电磁波的极化、振幅和相位以实现多功能提供了广阔的应用前景。超材料吸收体（MMA）由于其独特的特性被广泛应用于各个领域，如雷达隐身、电磁干扰、无线通信、成像系统和生物医学检测。索尔兹伯里屏、Jaumann吸收体和完美超材料吸收体作为早期的成功实践，尽管受到窄带宽和相对较大厚度的限制，但也为超材料吸收设计探索了一条可行的技术路线。MMA的带宽、斜入射角和剖面厚度是一对难以调和的矛盾。因此，应采取适当的折衷措施，以实现令人满意的结果。引入电路模拟吸收器是一个很好的方案，它极大地解决了上述限制。同时，等效电路（EC）理论也是指导宽带和低轮廓电路模拟吸收器设计的快速有效方法。

近日，空军工程大学人工结构功能材料与器件重点实验室曹祥玉教授团队利用特征模态分析，提出了一种用于斜入射角的超宽带、偏振不敏感的超材料吸收器。该吸收器由导电曲折方形环和对称弯曲金属带组成，金属带嵌入集总电阻。借助于模态电流和模态加权系数，确定了集总电阻的位置。然后，研究人员提出并分析了等效电路（EC）模型和导纳公式，以进一步了解其工作原理和超宽带宽。实验结果显示，该团队所提出的吸收体测量的吸收带宽为4.3–26.5 GHz（分数带宽为144.1%），在正常入射下吸收率为90%。在45°的倾斜入射角下，横向电（TE）极化的90%吸收率带宽仍为5.1–21.3 GHz（122.72%），横向磁（TM）极化的吸收率带宽为6.8–29.5 GHz（125.07%）。仿真、测量和EC计算之间的良好一致性证明了所提出的方法的有效性，并表明该方法可以应用于其他微波和光学频带。该工作所提出的超材料吸收体可广泛应用于电磁兼容性、电磁干扰、雷达隐身和生物医学检测。相关研究工作发表在《Photonics Research》上。（丁雷）

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Kun Gao et al, Ultrawideband metamaterial absorber for oblique incidence using characteristic mode analysis. Photonics Research(2022).

https://doi.org/10.1364/PRJ.470998.

声表面波(SAW)器件广泛应用于微波信号处理中，这是因为SAW的传播速度比相同频率的电磁波的传播速度小5个数量级，因此，SAW器件的波长比它们的电磁对应物要小得多。这不仅可以实现SAW器件高密度集成也可以减少SAW器件之间的串扰，从而实现有效的压缩、相关性和射频（rf）脉冲的傅里叶变换。声学器件已成功地将其工作频率推高到数十GHz，这使得其成为下一代无线通信中有前途的微波信号处理平台。

SAW还充当不同量子比特(量子位)之间的通用接口，包括电子自旋、超导量子位和光学光子。到目前为止，大多数声学器件都是线性、被动和互易的组件，这限制了它们的功能。

近日，美国哈佛大学Marko Loncar教授团队演示了声波在铌酸锂和蓝宝石上铌酸锂（LN-on-sapphire）衬底上传播的稳定和有效的调制。GHz频率的SAW由集成的声波波导路由，而片上的微加热器用于局部改变温度，从而控制SAW的相位。使用这种方法，作者实现了超过720°的相变，其中铌酸锂为2.6°/mW，蓝宝石上铌酸锂为0.52°/mW。此外，作者用声学马赫-曾德尔干涉仪演示了SAW的振幅调制。相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW APPLIED》上。（郑江坡）

文章链接：

10.1103/PhysRevApplied.18.054078

对拓扑行为的最早观察之一是在打破时间反转对称性的磁场存在下的二维系统中的霍尔电导。此后，当拓扑态中各种对称性的作用被引入时，对拓扑绝缘体领域的研究快速扩散开来。拓扑光子学最近在各种应用中显示出了巨大的前景，包括拓扑量子光产生、拓扑激光器和先进的光子路由。

硅光子学和拓扑光子学领域的融合将产生重大的变革，原因有两点：(i)融合将打开硅光子学的大量潜在应用，拓扑光子学可以在其中找到急需的商业相关性。(ii)在硅基平台上拓扑光子器件和系统的实现尤其适合它们对CMOS制造的可访问性以及它们与特定应用集成电路的易于集成。拓扑光子系统中的非线性也是目前活跃的研究领域，可能是与硅光子有利协调的一个关键领域。

近日，新加坡科技设计大学Dawn T. H. Tan教授团队演示了基于带有域壁的SSH模型的拓扑光子波导中的参数放大和波长转换，并在cmos兼容的超富硅氮化物（USRN）上实现。通过高速测试对拓扑波导的线性传输特性进行了表征，结果表明支持30 Gb/s非回零（NRZ）和56 Gb/s脉冲调幅4级（PAM4）数据的高速传输。利用共传播泵浦和探针对边界波导的强定位技术，实现了高效、低功率的光参量放大和波长转换。相关工作发表在《Nature Communications》上。（郑江坡）

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https://doi.org/10.1038/s41467-022-34979-y

随着微纳米光刻技术的成熟，硅基金属氧化物半导体(CMOS)技术得到进一步，这得益于新材料的发现、器件结构的改进以及电路架构层次的优化。通过压缩金属氧化物半导体场效应晶体管(MOS-FET)的导电沟道尺寸，在保证功率恒定的条件下，可以在单位面积上组装更多的电子器件，导致现代处理器的计算能力比最初的性能提高了多个数量级。但随着尺寸降低，电子的屏蔽厚度变得非常薄，以至于产生电子的隧穿效应，器件发生漏电，因此不能仅靠通过压缩器件尺寸来提高元件的效率。为了解决这一问题，研究者们提出了隧道场效应晶体管(TFET)，通过控制电子隧穿来实现晶体管的导通和断开，是一种很有前景的低工作电压低能耗的逻辑器件。

近日，美国宾州州立大学Saptarshi Das等人提出了一种具有超陡斜率开关效应的应变效应晶体管(SET)，利用少层1T’-MoTe₂作沟道材料，栅极介质是锆钛酸铅(PZT)薄膜，在PZT薄膜上施加电压，通过逆压电效应对MoTe₂施加应力，引起沟道材料与金属触点的接触与断开。室温下的亚阈值摆幅小于0.68 mV/dec，当电源电压为1 V时, 通路电流高达约1.8 mA/μm，断路电流小于1 pA/μm，其开关比大于10⁹。该工作所提出的SET不仅可以实现小于5 μs的快速响应，在经过10⁶反复周期性开关实验后仍能正常工作，该工作为超小尺度晶体管的制造提供了新思路。相关工作发表在《Nano Letters》上。（袁铭谦）

文章链接：

Sarbashis Das and Saptarshi Das.An Ultra-steep Slope Two-dimensional Strain Effect Transistor. Nano Lett. ASAP (2022).

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c02194

3D打印技术的发展依赖于新的打印技术的发明以及相容性原料（如树脂、线材、粉末和光刻胶等）的研发。目前的一个研究前沿是任意3D纳米结构的复杂材料的打印。这些结构作为下一代的力学超构材料，将纳米尺度的材料尺寸效应与轻质点阵结构相结合，从而获得优化的强度、刚度或单位重量的能量吸收，具有非常的研究价值。这些复杂纳米结构的制备目前受到现有打印技术和缺乏合适的原料的限制。双光子（或多光子）光刻可以实现几乎任意几何形状的聚合物纳米结构。双光子抗蚀剂一般利用吸收光子的光引发剂形成引发聚合的活性物质。高性能的双光子引发剂可以极大地提高打印速度和分辨率。目前，几乎所有的双光子引发剂都是有机分子，并没有增强最终打印产物的性能和结构复杂性。此外，每个有机光引发剂通常只对单一类型的单体有效。通过在现有的双光子抗蚀剂中添加金属离子或无机粒子，可以打印出复合纳米结构。以往的研究已经合成了具有精确原子结构的尺寸为1~2 nm的超小金属纳米团簇。这些量子限域的纳米团簇表现出非金属、类分子的电子结构和光学性质。超小纳米团簇是替代传统有机分子作为光引发剂和金属离子或颗粒作为无机前驱体的主要候选者。这可以实现具有高结构质量、保真度和复杂性的纳米复合纳米点阵的快速打印。

近日，美国斯坦福大学Qi Li和X. Wendy Gu团队报告了一种使用金属纳米团簇快速纳米打印复杂结构纳米复合材料的策略。这些超小的、量子限制的纳米团簇作为高灵敏度的双光子激活剂，同时作为力学增强和纳米多孔材料的前驱体。具有复杂3D结构的纳米复合材料以及具有可调节、层级和各向异性的纳米孔隙结构被打印出来。纳米团簇聚合物纳米晶具有高比强度、高吸能性、高变形性和高可恢复性。该框架为光活性纳米材料在具有新兴力学性能的复杂系统的3D打印中的应用提供了一个通用的、多功能的方法。相关研究发表在《Science》上。（徐锐）

文章链接：

Q. Li, J. Kulikowski, D. Doan, et al. Mechanical nanolattices printed using nanocluster-based photoresists[J]. Science, 2022, 378(6621): 768-773.

https://doi.org/10.1126/science.abo6997

大自然已经发展出许多令人羡慕的材料结构和可编程的响应以确保生存，典型的例子是所谓的弹性不稳定性（如捕蝇草闭合叶子来捕捉猎物，蜂鸟关闭喙来捕捉昆虫，植物柱花草触碰昆虫时固定昆虫并授粉）。在这种强大的驱动机制的启发下，已在诸多领域得到应用。为了触发突弹跳变，如膨胀、液压或气动控制、电介质和温度等刺激已被报道。发生突弹跳变不稳定性的一个先决条件是双稳态或亚稳态的存在。曲梁和曲壳是两种典型的例子，利用梁和壳理论，研究其力-位移和压力-体积关系的力学响应。然而，不同的边界条件对突弹跳变双稳态的影响，以及制定从单稳态到双稳态过渡的明确条件目前尚不明确。在两种不同的机械响应之间应用这种转换可以构成一种切换策略，如由机器人系统驱动的创新型粘合夹持器。具有可编程性的可切换粘合可以显示“开”状态（粘附目标物体）和“关”状态（按需释放），现有的方案依赖于电和电磁、化学、热和机械输入。然而，它们大多是基于特定的响应材料或功能仅与附属器件相结合，这增加了粘接系统的复杂性，难以集成到微系统中。然而纯机械释放可以集成到机器人系统的轨迹中，且不需要额外的器件，如通过屈曲引起的压缩脱离和单向粘接剂的剪切驱动。

近日，德国莱布尼茨新材料研究所张璇和Eduard Arzt教授团队用超结构来创建突弹跳变不稳定抓取器以抓取和释放微观物体。该方法基于突弹跳变不稳定性的边界条件的调整，允许从单稳态到双稳态的可逆过渡。超结构设计由三部分组成：刚性框架、叠层弹簧和U型曲梁单元。在取放过程中，刚性框架结合压缩荷载将曲线梁单元的边界条件由“柔顺”调整为“刚性”。因此，由于弯曲梁的突弹跳变触发，弯曲梁与目标物体之间的接触区域分离，从而产生释放动作。此后，被压缩的层压弹簧将弧形梁从刚性框架中推出，实现了超结构的循环运行。首先，从理论上分析一个具有可调边界条件的弯曲梁模型，即一个完全和一个部分夹紧的端，后者被具有给定刚度的弹簧所约束。文章系统地研究和优化了弯曲梁的力-位移响应演化过程，并用数值模拟和实验验证了理论模型。然后，设计了一种双向可切换胶粘剂作为在单稳态和双稳态之间进行可逆切换的通用平台。最后，双光子直接写入用于缩小设计，以在多种情况下（干燥和水下）操纵光滑和粗糙表面的超轻物体。相关研究发表在《Science Advances》上。（徐锐）

文章链接：

X. Zhang, Y. Wang, Z. Tian, et al. A bioinspired snap-through metastructure for manipulating micro-objects[J]. Science Advances, 2022, 8: eadd4768.

https://doi.org/10.1126/sciadv.add4768

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