各向异性层

以碳纤维增强树脂基(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP)为代表的先进复合材料，具有高比强度和比刚度、良好的耐疲劳和耐腐蚀、易于大面积成型等优点，正越来越广泛地代替金属材料用作航空/天飞行器主承力构件。受制造工艺复杂、服役环境严苛影响，CFRP容易产生材料退化，甚至分层、纤维褶皱、孔洞等缺陷，威胁结构服役安全。超声无损检测技术是实现制造质量控制和服役性能评估的有效手段，但却面临材料形状复杂、多层结构、弹性各向异性因素共同作用所致超声传播行为复杂的挑战。现有超声检测技术主要是面向声学特性较为简单的各向同性均质材料，直接沿用至CFRP结构时不可避免地存在超声信号混叠、信噪比低、成像质量差等问题。针对以上难题，中国科学院深圳先进技术研究院郭师峰研究员团队开展了系列创新性研究工作，为航空/天复合材料结构无损检测与评估提供了理论和技术支撑，包括：(1)提出了利用相控阵超声和完全非接触激光超声原位测量超声群速度分布的新方法，解决了各向异性复合材料力学性能原位、高精度测量难题，为材料强度及其退化程度定量评估提供技术支撑；(2)建立了定量描述复杂形状、多层结构、弹性各向异性对CFRP声学特性影响规律的理论模型，为复杂超声传播行为理论分析和超声成像算法研究提供可靠的模型基础；(3)提出了基于计算机科学最短路径搜索算法的声线示踪新方法，解决了高分辨率超声成像算法聚焦法则高精度计算难题，大幅提升缺陷检测灵敏度和定位/量精度。上述研究工作为航空/天复合材料结构无损检测与评估提供了理论和技术支撑。2024年9月11-12日，仪器信息网组织召开第三届无损检测技术进展与应用网络会议，邀请领域内科研、应用等专家老师围绕无损检测理论研究、技术开发、仪器研制、相关应用等方面展开研讨。期间，郭师峰研究员团队中的曹欢庆副研究员将作大会报告《多层各向异性复杂型面航空/天复合材料结构相控阵超声成像检测》，介绍上述研究工作。本次会议于线上同步直播，欢迎材料、机械、工程、无损检测等相关科研工作者、工程技术人员、科技企业人士等报名，参会交流！关于第三届无损检测技术进展与应用网络会议无损检测，即在不破坏或不影响被检测对象内部组织与使用性能的前提下，利用射线、超声、电磁、红外、热成像等原理并结合仪器对物体进行缺陷、化学、物理参数检测的一种技术手段，被广泛应用于航空航天、交通运输、石油化工、特种设备、矿山机械、核电、冶金、考古、食品等各个领域。为推动我国无损检测技术发展和行业交流，促进新理论、新方法、新技术的推广与应用，仪器信息网定于2024年9月11-12日组织召开第三届无损检测技术进展与应用网络会议，邀请领域内科研、应用等专家老师围绕无损检测理论研究、技术开发、仪器研制、相关应用等方面展开研讨，欢迎大家参会交流。会议链接：https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/ndt2024

最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)张广宇研究组与高鸿钧研究组、王恩哥研究组合作，利用自制的远程电感耦合等离子体系统，首次成功实现了石墨烯的可控各向异性刻蚀。这种基于石墨烯的各向异性刻蚀技术是我国科学家在该研究领域中独具特色的工作，相关结果发表在【Advanced Materials (2010)】，并得到了审稿人的高度评价。 　　石墨烯(graphene)，是继富勒烯、碳纳米管之后被科学家们发现的又一种新的碳元素结构形态。作为一种室温下稳定存在的二维量子体系，石墨烯打破了凝聚态物理的理论，推翻了人们以前普遍接受的严格的二维晶体无法在有限的温度下存在的科学预言，对凝聚态物理的发展产生了重大的影响。不仅如此，石墨烯表现出来的一系列独特的电学输运特性、光学耦合和其他新奇的物理特性，以及利于剪裁加工的二维特性，使其在分子电子学、微纳米器件、超高速计算机芯片、高转换效率电池、固态气敏传感器、太赫兹学等领域可能有重要的应用前景。 　　然而，由于石墨烯的导带与价带之间没有能隙，做成晶体管器件时，很难实现开关特性，而且若要运用于现在普遍使用的逻辑电路，其金属性也是一个巨大的难题。如何在石墨烯中引入能隙，成为人们关注的热点问题，这也为石墨烯的制备提出了新的挑战。一般引入能隙的手段主要有：(1) 利用对称性破缺场或相互作用等使朗道能级发生劈裂，在导带与价带之间引入能隙。这主要通过掺杂、外加电场、化学势场等方式在双层石墨烯中引入对称破缺，实现人工调制能隙。(2) 利用量子限域效应和边缘效应，通过形成石墨烯纳米结构(如 nanoribbons纳米带)引入能隙，通过调节带宽，可以实现对带隙宽度的调节。(3) 利用化学气相沉积法掺杂(如B、N等)产生能隙，通过调节掺杂程度可实现对能隙的调节。(4)利用基底作用诱导(如SiC基底上的外延石墨烯)产生能隙，通过调节基底的作用程度可实现对能隙的调节。此前，张广宇研究组与高鸿钧研究组和陈小龙研究组合作，利用拉曼光谱学的手段，系统地研究了外延石墨烯与碳化硅基底之间的电荷转移机制，为未来这类样品制作电子学器件提供了技术参考依据。相关结果发表在【J. Appl. Phys. 107, 034305, (2010)】。 　　基于已有的实验结果，大家一致认为这四种方法中最可行、最具应用价值的当属石墨烯的纳米结构。目前，石墨烯纳米结构的制备技术和电学性能的研究都有飞速的发展，但要实现大规模集成石墨烯纳米结构器件的应用，如何利用现有的微纳加工技术获得边缘可控的石墨烯纳米结构是亟待解决的难题。虽然国际上已有少数研究组利用金属粒子催化加氢反应或利用SiO2衬底与石墨烯的选择性反应来实现石墨烯选择性的各向异性刻蚀，但这些方法的刻蚀速率不可控，刻蚀取向不确定，且无法与传统的微纳加工技术兼容，从而无法实现石墨烯纳米结构器件的集成加工。 　　张广宇等人此次实现的这种基于氢等离子体的干法刻蚀技术受等离子体强度和样品温度的调控，刻蚀速率可以精确控制在几个nm/min，且不会引入新的缺陷。由于石墨烯特殊的六角对称性，这种方法可以得到近原子级规则的Zigzag边缘结构。他们还利用这种干法刻蚀技术结合电子束光刻技术首次实现了对石墨烯纳米结构的精确加工和剪裁。这种技术的优势在于可以对石墨烯结构进行原子级尺度加工和对于石墨烯质量的保持性。这种可以沿固定晶向，得到固定的边缘结构的加工剪裁石墨烯的技术是传统技术所无法实现的，为未来大规模精确控制、加工具有确定晶向和边缘结构的石墨烯纳米结构奠定了技术基础。 　　这项工作得到了中科院“百人计划”、国家自然科学基金和“973”项目的支持。 　　 　　图1新鲜解理的石墨(a)表面光滑台阶清晰可见，不同功率。(b)50W和(c)100W氢等离子体刻蚀过的石墨表面，显示出了形状规则的正六边形孔。(d)刻蚀速率随温度的变化关系。(e)刻蚀速率随时间的变化关系，证明刻蚀速率可精确稳定的控制在几纳米/分钟。 　　 　　图2 同样的各向异性刻蚀效应在机械剥离的石墨烯中也如此。氢等离子体刻蚀过的单层(a)、两层(b)及多层(c)石墨烯，正六边形孔洞清晰的形成于缺陷处。(d)单层及两层石墨烯刻蚀速率随温度的变化关系。(e)拉曼光谱表征，几乎看不到代表缺陷态的拉曼D峰，证明石墨烯的晶体质量并没有被温和的氢等离子体破坏。 　　 　　图3 氢等离子体刻蚀出的单层正六边形孔洞边缘的扫描隧道显微镜成像(a)恒流模式高度像，(b)原子分辨像，(c)二维傅里叶变换图，显示出刻蚀得到的近原子级规则的边缘与zigzag取向平行，且在边缘处观察到了驻波。(d)对应的结构示意图。 　　 　　图4 利用电子束曝光与各向异性刻蚀方法相结合制备具有特定取向的sub-20nm石墨烯纳米带的流程图(a)。具体过程如图(b)电子束曝光和氧等离子体刻蚀得到的起始宽度为120nm的石墨烯条带，经过氢等离子体各向异性刻蚀之后细化到sub-20nm的石墨烯纳米带如图(c)。(d)石墨烯纳米带场效应晶体管器件的结构示意图，石墨烯为接触电极，(e)不同宽度的石墨烯纳米带的器件，(f)对应的转移特性曲线，证明8nm宽的石墨烯纳米带能在室温下实现2个数量级的开关比。

磁性材料是构成现代工业的重要基础性材料，在永磁电机、磁制冷、磁传感、信息存储、热电器件等领域扮演着重要角色。在自旋电子学前沿领域，利用磁性材料中的磁矩引入额外对称性破缺效应是一个研究热点。最近，中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室的朱礼军团队在单晶CoFe (001)薄膜器件中观测到各向异性的平面能斯特效应（Planar Nernst Effect），其强度随 (001) 晶面的晶格方向强烈变化并呈现面内双轴各向异性（见图1）。当磁矩在外磁场驱动下在薄膜材料平面内旋转时，电流产生的温度梯度导致的平面能斯特电压表现为一个sin2φ依赖的二次谐波横向电压信号（φ为磁矩相对电流的夹角）。这种有趣的各向异性平面能斯特效应被认为主要起源于内禀的能带交叠效应，可能对谐波霍尔电压、自旋扭矩铁磁共振、自旋塞贝克等自旋电子学实验的分析产生重要影响（见图2），有望应用于能量收集电池和温度传感器等。然而，这种平面能斯特效应的各项异性并没有导致任何极化方向的非平衡自旋流（Spin Current）或自旋轨道矩（Spin-Orbit Torque）的产生。该工作以“Absence of Spin-Orbit Torque and Discovery of Anisotropic Planar Nernst Effect in CoFe Single Crystal”为题发表在期刊Advanced Science上 [链接:https://doi.org/10.1002/advs.202301409]。朱礼军研究员为通讯作者，博士后刘前标为第一作者，博士生林鑫作为合作者完成了有限元分析并参与了器件的加工测量。该工作的完成离不开中国科学院半导体研究所赵建华研究员（单晶CoFe样品生长）、周旭亮副研究员（光刻工艺）、北京师范大学熊昌民副教授（PPMS测试）、袁喆教授（能带理论讨论）的支持和帮助。相关工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委面上项目和中国科学院战略先导专项的资助。图1. （a）双十字霍尔器件中的平面能斯特效应；（b）CoFe (001)平面能斯特电压的各向异性。图2. 各向异性平面能斯特效应对（a）谐波霍尔电压、（b）自旋塞贝克、（c）自旋扭矩-铁磁共振等自旋电子实验的广泛影响及其在（d）热电器件方面的应用案例。