单层地磅

01背景介绍自石墨烯被发现以来，二维(two-dimensional, 2D)材料因其奇妙的特性吸引了大量的研究兴趣。特别是二维形式的材料由于更大的面体积比可以更有效的性能调节，通常表现出比块体材料更好的性能。迄今为止，已有许多具有优异性能的二维材料被报道和研究，如硅烯、磷烯、MoS2等，它们在电子、光电子、催化、热电等方面显示出应用潜力。在微电子革命中，宽带隙半导体占有关键地位。例如，2014年诺贝尔物理学奖材料氮化镓(GaN)已被广泛应用于大功率电子设备和蓝光LED中。此外，氧化锌(ZnO)也是一种广泛应用于透明电子领域的n型半导体，其直接宽频带隙可达3.4 eV。在透明电子的潜在应用中，n型半导体的有效质量通常较小，而p型半导体的有效质量通常较大。然而，人们发现立方纤锌矿(γ-CuI)中的块状碘化铜是一种有效质量小的p型半导体，具有较高的载流子迁移率，在与n型半导体耦合的应用中很有用。例如，γ-CuI由于其较大的Seebeck系数，在热电中具有潜在的应用。二维材料与块体材料相比，一般具有额外的突出性能，因此预期单层CuI可能比γ-CuI具有更好的性能。作为一种非层状I-VII族化合物，CuI存在α、β和γ三个不同的相。温度的变化会导致CuI的相变，即在温度超过643 K时，从立方的γ-相转变为六方的β-相，在温度超过673 K时，β-相进一步转变为立方的α-相。因此，不同的条件下，CuI的结构是很丰富的。超薄的二维γ-CuI纳米片已于2018年在实验上成功合成 [npj 2D Mater. Appl., 2018, 2, 1–7.]。然而，合成的CuI纳米片是非层状γ-CuI的膜状结构，由于尺寸的限制，单层CuI的结构可能与γ-CuI薄膜中的单层结构不同。因此，需要对单层CuI的结构和稳定性进行全面研究。在这项研究中，我们预测了单层CuI的稳定结构，并系统地开展电子、光学和热性质的研究。与γ-CuI相比，单层CuI中发现直接带隙较大，可实现超高的光传输。此外，预测了单层CuI的超低热导率，比大多数半导体低1 ~ 2个数量级。直接宽频带隙和超低热导率的单层CuI使其在透明和可穿戴电子产品方面有潜在应用。02成果掠影近日，湖南大学的徐金园（第一作者）、陈艾伶（第二作者）、余林凤（第三作者）、魏东海（第四作者）、秦光照（通讯作者），和郑州大学的秦真真、田骐琨（第五作者）、湘潭大学的王慧敏开展合作研究，基于第一性原理计算，预测了p型宽带隙半导体γ-CuI(碘化亚铜)的单层对应物的稳定结构，并结合声子玻尔兹曼方程研究了其传热特性。单层CuI的热导率仅为0.116 W m-1K-1，甚至能与空气的热导率(0.023 W m-1K-1)相当，大大低于γ-CuI (0.997 W m-1K-1)和其他典型半导体。此外，单层CuI具有3.57 eV的超宽直接带隙，比γ-CuI (2.95-3.1 eV)更大，具有更好的光学性能，在纳米/光电子领域有广阔的应用前景。单层CuI在电子、光学和热输运性能方面具有多功能优势，本研究报道的单层CuI极低的热导率和宽直接带隙将在透明电子和可穿戴电子领域有潜在的应用前景。研究成果以“The record low thermal conductivity of monolayer Cuprous Iodide (CuI) with direct wide bandgap”为题发表于《Nanoscale》期刊。03图文导读图1. 声子色散证实了CuI单层结构的稳定性。单层CuI(记为ML-CuI)几种可能的结构:(a)类石墨烯结构，(b)稳定的四原子层结构，(c)夹层结构。(d)稳定的γ相快体结构(记为γ-CuI)。(e-h)声子色散曲线对应于(a-d)所示的结构。给出了部分状态密度(pDOS)。通过测试二维材料的所有可能的结构模式，发现除了如图1(b)所示的弯曲夹层结构外，单层CuI都存在虚频。平面六边形蜂窝结构中的单层CuI，类似于石墨烯和三明治夹层结构，如图1(a,c)所示作为对比示例，其中声子色散中的虚频揭示了其结构的不稳定性[图1(e,f)]。因此，通过考察单层CuI在不同二维结构模式下的稳定性，成功发现单层CuI具有两个弯曲子层的稳定结构，表现出与硅烯相似的特征。优化后的单层CuI晶格常数为a꞊b꞊4.18 Å，与实验结果(4.19 Å)吻合较好。而在空间群为F3m的闪锌矿结构中，得到的优化晶格常数a=b=c=6.08 Å与文献的结果(5.99-6.03 Å)吻合较好。此外，LDA泛函优化得到的单层CuI和γ-CuI的晶格常数分别为4.01和5.87 Å，为此后续计算都基于更准确的PBE泛函。通过观察晶格振动的投影态密度，发现Cu和I原子在不同频率下的贡献几乎相等。此外，光学声子分支之间存在带隙[图1(g)]，这可能导致先前报道的光学声子模式散射减弱。相反，在γ-CuI中不存在声子频率带隙[图1(h)]。图2. 热导率及相关参数的收敛性测试。(a)原子间相互作用随原子距离的变化。(b)热导率对截断距离的收敛性。彩色椭圆标记收敛值。(c)热导率相对于Q点的收敛性。(d)单层CuI和γ-CuI的热导率随温度的函数关系。在稳定结构的基础上，比较研究了单层CuI和γ-CuI的热输运性质。基于原子间相互作用的分析验证了热导率的收敛性[图2(a)]。如图2(b)所示，热导率随着截止距离的增加而降低，其中出现了几个阶段。热导率的下降是由于更多的原子间相互作用和更多的声子-声子散射。注意，当截止距离大于6 Å时，热导率仍呈下降趋势，说明CuI单层中长程相互作用的影响显著。这种长程的相互作用通常存在于具有共振键的材料中，如磷烯和PbTe。通过收敛性测试，预测单层CuI在300 K时的热导率为0.116 W m-1K-1[图2(c)]，这是接近空气热导率的极低值。单层CuI的超低热导率远远低于大多数已知的半导体。此外，计算得到的γ-CuI的热导率为0.997 W m-1K-1，与Yang等的实验结果~0.55 W m-1K-1基本吻合，值得注意的是Yang等人的实验结果测量了多晶态γ-CuI。此外，单层CuI和γ-CuI的热导率随温度的变化完全符合1/T递减关系[图2(d)]。考虑到温度对热输运的影响，今后研究声子水动力效应对单层CuI热输运特性的影响，特别是在低温条件下，可能是很有意义的。图3. 单层CuI和γ-CuI在300 K的热输运特性。(a)群速度，(b)相空间，(c)声子弛豫时间，(d) Grüneisen参数，(e)尺寸相关热导率的模态分析。(f)平面外方向(ZA)、横向(TA)和纵向(LA)声子和光学声子分支对热导率的贡献百分比。超低导热率的潜在机制可能与重原子Cu和I有关，也可能与单层CuI的屈曲结构有关。声子群速度[图3(a)]和弛豫时间[图3(c)]都较小，而散射相空间[图3(b)]较大。总的来说，单层CuI (1.6055)的Grüneisen参数的绝对总值显著大于γ-CuI (0.4828)。即使在低频下Grüneisen参数没有显著差异[图3(d)]，单层CuI和γ-CuI的声子散射相空间却相差近一个数量级，如图3(b)所示。因此，低频声子弛豫时间的显著差异[图3(c)]在于不同的散射相空间。此外，单层CuI的声子平均自由程(MFP)低于γ-CuI，如图3(e)所示。因此，在单层CuI中产生了超低的热导率，这将有利于电源在可穿戴设备或物联网的应用，具有良好的热电性能。此外，详细分析发现，光学声子模式在单层CuI[图3(f)]中的较大贡献是由于相应频率处相空间相对较小，这是由图1(g)所示的光学声子分支之间的带隙造成的。图4. 单层CuI的电子结构。(a)单层CuI和(h)γ-CuI的电子能带结构，其中电子局部化函数(ELF)以插图形式表示。(b-d)单层CuI和(i)γ-CuI的轨道投影态密度(pDOS)。(e)透射系数，(f)吸收系数，(g)反射系数。在验证了CuI单层结构稳定的情况后，进一步研究其电子结构，如图4(a)所示。利用PBE泛函，预测了单层CuI的直接带隙，导带最小值(CBM)和价带最大值(VBM)都位于Gamma点。PBE预测其带隙为2.07 eV。我们利用HSE06进行了高精度计算，得到带隙为3.57 eV。如图4 (h)所示，单层CuI的带隙(3.57 eV)大于体γ-CuI的带隙(2.95 eV)，这与Mustonen, K.等报道的3.17 eV非常吻合，使单层CuI成为一种很有前景的直接宽频带隙半导体。此外，VBM主要由Cu-d轨道贡献，如图4(b-d)的pDOS所示。能带结构、pDOS和ELF揭示的电子特性的不同行为是单层CuI和γ-CuI不同热输运性质的原因。电子结构对光学性质也有重要影响。如图4(e-g)所示，在0 - 7ev的能量范围内，单层CuI的吸收系数[图4(f)]和折射系数[图4(g)]不断增大，说明单层CuI在该区域的吸收和折射能力增强。相应的，随着透射系数的减小，单层CuI的光子传输能力[图4(e)]也变弱。当光子能量大于7 eV时，CuI的吸收和折射系数开始显著减弱，最终在8 eV的能量阈值处达到一个平台。值得注意的是，与声子的吸收和传输能力相比，单层CuI对光子的反射效率较低，最高不超过2%。对于光子吸收，单层CuI的工作区域在5.0 - 7.5 eV的能量范围内，而可见光的光子能量在1.62 - 3.11 eV之间。显然，CuI的主要吸收光是紫外光，高达20%。

供稿| 洪艺伦编辑| Norah、孙平校阅| Lucy、Joanna以石墨烯为代表的二维范德华层状材料具有独特的电学、光学、力学、热学等性质，在电子、光电子、能源、环境、航空航天等领域具有广阔的应用前景。目前理论预测得到的层状母体材料已经超过5,600种，包括1800多种可以较容易地或潜在地通过剥落层状母体材料得到的二维层状化合物[1]，像是石墨烯、氮化硼、过渡金属硫族化合物、黑磷烯等均存在已知的三维母体材料。在目前已知的所有三维材料中，块体层状化合物的数量毕竟不是多数。因此，直接生长自然界中尚未发现相应块状母体材料的二维层状材料，成为突破和扩展二维层状材料范围的新“希望”。它们有望为新物理化学特性的发现和潜在的应用前景提供巨大机会，具有重要的科学意义和实用价值。过渡金属碳化物和氮化物(TMCs和TMNs)就是这类材料。然而，由于表面能量的限制，这些非层状材料倾向于岛状生长而非层状生长，往往只能得到几纳米厚度的、横向尺寸约100微米的非均匀二维晶体，这就使得大面积均匀厚度的合成依然困难。那么，如何解决呢？近日，中科院金属所沈阳材料科学国家研究中心任文才研究员团队，提出一种新方案——采用钝化非层状材料的高表面能的位点来促进层状生长，最终制备出一种不存在已知母体材料的全新二维范德华层状材料——MoSi2N4，并获得了厘米级单层薄膜。本次“前沿用户报道”专栏就将为大家介绍这一研究。图1 二维层状MoSi2N4晶体的原子结构：三层（左）的MoSi2N4原子模型和单层的详细横截面晶体结构； 01“平平无奇”Si，实现材料新生长关于二维层状材料的研究，任文才团队多有建树，他们早在2015年就发明了双金属基底化学气相沉积（CVD）方法，并利用该方法制备出多种不同结构的非层状二维过渡金属碳化物晶体材料。但正如上文提到的，这些材料由于表面能限制，使得该富含表面悬键的非层状材料倾向于岛状生长，难以得到厚度均一的单层材料。令人惊喜的是，团队成员在一次实验中打开了新思路。他们在研究如何消除表面悬键对非层状材料生长模式的影响时，想到了从电子饱和的角度出发，发现硅元素可以和非层状氮化钼表面的氮原子成键使其电子达到饱和状态，而硅元素正好是制备体系中使用到的石英管中的主要元素。因此，他们决定从制备体系中的石英管中的Si元素入手，研究Si元素的加入对非层状材料生长的影响。团队成员惊喜地发现， Si元素可以参与到生长中去，成为促进材料生长的绝佳“帮手”。这一意外的发现开启了探索的新方向，他们反复试验，最终确认Si的引入的确可以改变材料的生长模式。他们在CVD生长非层状二维氮化钼的过程中，引入硅元素来钝化其表面悬键，改变其岛状生长模式，最终制备出新型层状二维材料材料——MoSi2N4。图2 (A)单层MoSi2N4薄膜的CVD生长（B）用CVD法生长30min、2h和3.5h的MoSi2N4光学图像，说明了单层薄膜的形成过程（C）CVD生长的15mm×15mm MoSi2N4薄膜转移到SiO2/Si衬底上的照片；（D）一个MoSi2N4薄膜典型的AFM图像，显示厚度~1.17nm；（E）MoSi2N4结构的横截面HAADF-STEM图像，显示层状结构，层间距~1.07nm02Si钝化效果显著，MoSi2N4成功制备任教授团队还对比了加Si与不加Si之间的区别，发现采用Si来进行钝化的方式效果显著，帮助他们获得了一种全新的不存在已知母体材料的二维范德华层状材料——MoSi2N4，并最终可获得厘米级的均匀单层多晶膜。从下图3就可看出，下图为Cu/Mo双金属叠片为基底，NH3为氮源制备的单层和多层材料。通过对比试验发现：在不添加Si的情况下，仅能获得横向尺寸为微米级的非层状超薄 Mo2N晶体，厚度约10 nm且不均匀；而当引入元素Si时，生长明显发生改变：初期形成均匀厚度的三角形区域，且随着生长时间的延长三角形逐渐扩展，同时又有新的三角形样品出现并长大，最后得到均匀的单层多晶膜。利用类似制备方法，他们还制备出了单层WSi2N4。图3 经过高分辨透射电镜的系统表征，发现层状MoSi2N4晶体的每一层中包含N-Si-N-Mo-N-Si-N共7个原子层，可以看成是由两个Si-N层夹持一个N-Mo-N层构成（A）单层MoSi2N4晶体的原子级平面HAADF-STEM原子像；（B）多层MoSi2N4晶体的横截面原子级HAADF-STEM图像03高强度和出色稳定性，后续研发令人期待厘米级单层薄膜已经制备，其性能如何呢？该团队成员继续展开了论证。他们与国家研究中心陈星秋研究组和孙东明研究组合作，最终发现单层MoSi2N4具有半导体性质（带隙约1.94eV）和优于单层MoS2的理论载流子迁移率，同时还表现出优于MoS2等单层半导体材料的力学强度和稳定性。另外，通过使用HORIBA LabRAM HR800拉曼光谱仪进行拉曼光谱测试，获得了显著的拉曼信号，这为后续材料的快速表征提供了有力的证据。这些物理性能的提升，无疑为MoSi2N4进入实际应用奠定了基础，后续这一材料将在电子器件、光电子器件、高透光薄膜和分离膜等领域做更深入的应用探索。不仅如此，团队成员通过理论计算预测出了十多种与单层MoSi2N4具有相同结构的二维层状材料，包含不同带隙的间接带隙半导体、直接带隙半导体和磁性半金属等（图4），这一研究结果也进一步拓宽了二维层状材料的范围，尤其壮大了单层二维层状材料的大家族，具有重要意义。该工作得到了国家自然科学基金委杰出青年科学基金、重大项目、中国科学院从0到1原始创新项目、先导项目以及国家重点研发计划等的资助。图4 理论预测的类MoSi2N4材料家族及相关电子能带结构该研究成果不仅开拓了全新的二维层状MoSi2N4材料家族，拓展了二维材料的物性和应用，而且开辟了制备全新二维范德华层状材料的研究方向，为获得更多新型二维材料提供了新思路。04文章作者&论文原文任文才，中国科学院金属研究所研究员，国家杰出青年科学基金获得者。主要从事石墨烯等二维材料研究，在其制备科学和技术、物性研究及光电、膜技术、储能等应用方面取得了系统性创新成果。在Science、Nature Materials等期刊发表主要论文160多篇，被SCI他引24,000多次。连续入选科睿唯安公布的全球高被引科学家。获授权发明专利60多项（含5项国际专利），多项已产业化，成立两家高新技术企业。获国家自然科学二等奖2次、何梁何利基金科学与技术创新奖、辽宁省自然科学一等奖、中国青年科技奖等。文章标题：Chemical vapor deposition of layered two-dimensional MoSi2N4 materials. Science 369 (6504), 670-674.DOI: 10.1126/science.abb7023引用文献：[1] N. Mounet et al. Two-dimensional materials from high-throughput computational exfoliation of experimentally known compounds. Nat. Nanotechnol. 13, 246-252 (2018).免责说明HORIBA Scientific公众号所发布内容（含图片）来源于文章原创作者或互联网转载，目的在于传递更多信息用于分享，供读者自行参考及评述。文章版权、数据及所述观点归原作者或原出处所有，本平台未对文章进行任何编辑修改，不负有任何法律审查注意义务，亦不承担任何法律责任。若有任何问题，请联系原创作者或出处。

近日，华南师范大学物理与电信工程学院/广东省量子调控工程与材料重点实验室副研究员朱起忠与香港大学博士翟大伟、教授姚望合作，在单层过渡金属硫化物的激子特性方面取得重要研究进展。他们在理论上提出了基于层内激子产生偏振与轨道角动量锁定的单光子源及其阵列的方案。相关研究发表于国际权威学术期刊Nano Letters。　　单光子源在量子信息和量子通讯中具有重要的应用价值。近些年来，研究人员发现单层过渡金属硫化物（TMD）中的激子可以作为很好的单光子源，具有高度的可集成性和可调控性，并且莫尔周期外势中的激子普遍被认为可以实现单光子源阵列。这引起了研究人员的广泛兴趣和大量研究。　　然而，目前研究的基于TMD的单光子源发出的光子只有偏振自由度，而我们知道光子除了偏振自由度外还有轨道角动量自由度。能否利用TMD中的激子来产生携带轨道角动量以及偏振和轨道角动量纠缠的光子呢？如果可以做到，这将在充分利用TMD中单光子源的优势的基础上提供一个新的产生内部自由度纠缠的单光子源，预期将在领域内引起广泛的兴趣。　　最新研究中，研究人员在考虑TMD层内激子的能谷轨道耦合的基础上，发现通过利用将TMD铺在各项同性的纳米泡上产生的各向同性的应力束缚势，应力外势中的激子本征态具有能谷和轨道角动量纠缠的特性。利用光与激子的耦合理论，他们进一步证明了这样得到的能谷和轨道角动量纠缠的激子可以被携带轨道角动量的光子激发，也可以通过激子复合发出偏振和轨道角动量纠缠的单光子。　　研究组又进一步提出，基于转角氮化硼衬底产生的大周期莫尔外势，TMD中的带电激子在此基础上可以形成发出偏振和轨道角动量纠缠的单光子源的阵列。　　该研究工作提出了基于TMD中的激子产生偏振和轨道角动量纠缠的单光子源及其阵列的一种新方案，对基于TMD的单光子源研究起到了推动作用，具有潜在的应用前景。　　上述研究得到了国家自然科学基金和广东省自然科学基金的支持。华南师范大学硕士研究生张迪为该论文第一作者，朱起忠为通讯作者，华南师范大学为第一单位。

武汉大学医学物理团队针对目前的肿瘤放射治疗手段——闪疗（FLASH），首次在国际上提出了一种应用于质子闪疗技术的快速单层单次扫描技术（基于自主设计的静态和动态的脊形滤波器），可大幅缩短质子笔型束扫描时间。该方法能够满足FLASH所要求的高剂量率的同时，提供与标准的调强质子治疗可比的剂量分布，同时大幅缩短常规笔行束扫描时间，有望推进质子闪疗的临床转发步伐。相关研究成果以“基于脊形滤波器的质子闪疗”为题，近日发表在放射治疗的权威期刊《医学物理》。论文第一作者为武汉大学医学物理专业博士生张国梁，通讯作者为武汉大学教授彭浩。该项目由武汉大学、解放军总医院第五医学中心和无锡新瑞阳光粒子医疗装备公司共同参与。目前全球质子治疗中心和治疗患者数目的年增长速度超过15%，近年来在中国也进入了一个高速的发展阶段，多家肿瘤治疗机构都在筹建质子中心。质子闪疗有望在未来肿瘤治疗中扮演重要的角色，也为国产质子治疗相关技术赶超世界领先水平提供了机遇。据彭浩介绍，闪疗是一种在超高剂量率下进行的超快速放疗手段。和传统剂量率照射相比，闪疗可以在不改变肿瘤控制效果的同时，减少辐射对正常组织和器官的损伤。闪疗效应的一种可能解释是高剂量率导致组织中的氧气耗竭，使正常组织产生辐射抵抗，其他解释包括活性氧化物质和免疫反应。质子放疗由于其先天的剂量率和布拉格峰的优势，是FLASH临床应用的首选。在国际上，质子设备厂商（如IBA，VARIAN等）和诸多质子中心都在开展相关研究，如瑞典的IBA公司给出了基于Hedgehog的解决方案，美国的Varian公司也提出了类似光子放疗中多叶光栅的动态束流调制方案，其目的均为实现快速的束流调制。针对此问题，武汉大学医学物理团队与国产质子设备商新瑞阳光合作，首次提出了一种新型用于质子FLASH的扫描方案。质子笔型束扫描时间长的原因在于，多层能量切换时间（秒级），难以满足闪疗所需的瞬时高剂量率的要求。研究团队设计了一种单能量单层束流扫描技术，通过自主开发设计的脊形滤波器，可以一次照射完成束流调制和适形实现瞬时高剂量率的质子闪疗。相比IBA和Varian两家国外厂商的方案，研究团队的方法真正做到了基于Dose而非Fluence的调强，能在保证高剂量率的同时做到治疗靶区内的剂量适形，也能大幅的缩短治疗时间。以头颈部和肺部肿瘤为例，相比于传统的质子调强治疗，扫描时间可缩短5—10倍左右。相关论文信息： https://doi.org/10.1002/mp.15717

柔性电子是新兴技术，在信息、能源、生物医疗等领域具有广阔的应用前景。其中，柔性集成电路可用于便携式、可穿戴、可植入式的电子产品中，对器件的低功耗提出了极高的技术需求。相对于传统半导体材料，单层二硫化钼二维半导体具有原子级厚度、合适的带隙且兼具刚性（面内）和柔性（面外），是备受瞩目的柔性集成电路沟道材料。然而，推动二维半导体柔性集成电路走向实际应用并形成竞争力，降低器件功耗、同时保持器件性能是关键技术挑战之一。 中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心研究员张广宇课题组器件研究方向近年来聚焦于二维半导体，在高质量二维半导体晶圆制备、柔性薄膜晶体管器件和集成电路等方向取得了重要进展。近年来的代表性工作包括实现百微米以上大晶畴及高定向的单层二硫化钼4英寸晶圆，进而利用逐层外延实现了层数控制的多层二硫化钼4英寸晶圆；率先实现单层二硫化钼柔性晶体管和逻辑门电路的大面积集成；展示单层二硫化钼柔性环振电路的人工视网膜应用，模拟人眼感光后电脉冲信号产生、传导和处理的功能。 近期，该课题组博士研究生汤建、田金朋等发展了一种金属埋栅结合超薄栅介质层沉积工艺（图1），将高介电常数HfO2栅介质层厚度缩减至5 nm，对应等效氧化物厚度（EOT）降低至1 nm。所制备的硬衬底上的场效应晶体管器件操作电压可以等比例缩放至3 V以内，亚阈值摆幅达到75 mV/dec，接近室温极限60 mV/dec。同时，研究通过优化金属沉积工艺，使得金属电极与二硫化钼之间无损伤接触，避免费米能级钉扎，使接触电阻降低至Rc600 Ωμm，有效地将沟道长度为50 nm的场效应器件的电流密度提升至0.936 mA/μm @Vds=1.5 V。在此基础上，科研人员将该工艺应用于柔性器件的制作。四英寸晶圆尺度下柔性二硫化钼场效应晶体管阵列及集成电路表现出优异的均匀性以及器件性能保持性（图2）。该工作对随机选取500个场效应器件进行测试发现，器件兼具高良率（ 96%）、高性能（平均迁移率~70 cm2 V-1 s-1）以及均匀的阈值电压分布（0.96 ± 0.4 V）。当操作电压在降低到0.5 V以下时，反相器依然具备大噪音容限和高增益、器件单元功耗低至10.3 pWμm-1；各种逻辑门电路也能够保持正确的布尔运算和稳定的输出（图3）；11阶环振电路可以稳定地输出正弦信号，一直到操作电压降低到0.3 V以下（图4）。 该工作展示了单层二硫化钼柔性集成电路可以兼具高性能和低功耗，为二维半导体基集成电路的发展走向实际应用提供了技术铺垫。相关结果近期以Low power flexible monolayer MoS2 integrated circuits为题，发表在《自然-通讯》（Nature Communications 2023 14, 3633）上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国科学院战略性先导科技专项（B类）等的支持。该研究由物理所与松山湖材料实验室联合完成。

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室研究团队，在利用强场激光驱动单层MoS2的偶次谐波频移方面取得进展。相关研究成果以Frequency shift of even-order high harmonic generation in monolayer MoS2为题，发表在《光学快报》(Optics Express)上。固体材料中的高次谐波辐射是重要的探测物质基本性质的光谱学技术，已被用于重建晶体能带结构、探测Berry曲率和检测拓扑相变等方面的研究。近年来，二维层状材料备受关注，为进一步研究高次谐波产生带来新的契机。由于材料仅有单个或少数个原子层厚度，其空间尺度远小于驱动激光的波长，可有效避免非线性传输的影响，因而成为探讨激光场驱动超快动力学的理想材料。其中，单层二硫化钼(MoS2)因非中心对称结构和显著的非线性引起了科学家的广泛关注。此前，该团队在MoS2的HHG光谱中，观察到偶次谐波表现出异常增强，并将其归因于贝里联络控制不同半周期间的光谱干涉 。此外，量子轨迹分析表明跃迁偶极矩相位和贝里联络会调制释放光子的能量和动量，但目前尚无实验观察证实。 　　研究团队利用实验室自建的中红外激光光源激发单层MoS2产生高次谐波光谱发现，当驱动激光偏振沿扶手方向时，偶次谐波中心频率会产生显著移动，且频移的谐波能量与单层MoS2带隙能量相接近。此外，研究还发现相邻级次的偶次谐波频移方向相反，即6次谐波红移，而8次谐波蓝移的现象。该团队基于半导体布洛赫方程和电子轨道鞍点计算，揭示了频移产生的微观物理机制，证实了偶次谐波的频移现象主要来自带间极化过程。理论分析进一步表明，跃迁偶极矩相位和贝利联络共同调制电子-空穴对复合的时刻和动量，导致相邻半周期释放光子的频率变化，进而改变不同谐波级次的中心频率，最终引起MoS2光谱六次红移和八次蓝移。该研究揭示了跃迁偶极矩相位和Berry联络在非中心对称材料强场光学响应方面具有重要作用，有助于从根本上剖析非中心对称材料中的超快载流子动力学。图1. 模拟的高次谐波光谱再现了实验观测。图2. (a)带间光谱不同级次的频移，(b)谐波频移随晶体方位角的依赖关系。

近年来，转角石墨烯受到国内的关注。转角石墨烯所具有的大周期莫尔晶格（Moiré pattern）及其所带来的能带折叠效应可以诱导出丰富、新奇的电子结构。尤其是在一些特殊的小角度上，电子结构中所出现的平带会衍生出较多不寻常的现象，如超导、强关联、自发铁磁性等。       目前，多数研究采用机械剥离和逐层转移的物理方法对转角石墨烯样品进行制备，而该方法存在条件苛刻、产出率低、界面污染等问题。为发展更加高效的制备技术，科学家通过对化学气相沉积法中衬底的设计，陆续突破了几种类型的转角石墨烯的规模化制备难题。然而，关于多层石墨烯的转角周期的可控制备方面，尚无比较普适的解决办法。       近日，中国科学院深圳先进技术研究院、上海科技大学、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、中国人民大学和德国慕尼黑工业大学，寻找到一种石墨烯的折纸方法，可实现高层间周期的转角石墨烯的可控制备。研究发现，铂金表面生长的石墨烯会形成一定的褶皱，褶皱长大后向两旁倒下，并在一些位置撕裂形成一个四重的螺旋位错中心。褶皱倒下时会折叠其一侧的石墨烯，带来与褶皱的“手性”角（也就是褶皱的方向与石墨烯晶向的夹角）具有两倍关系的单层转角。科学家称之为“一维手性到二维转角的转化关系”，并利用折纸模型对该现象进行了形象的演示。该研究进一步探讨了所形成的螺旋位错再生长带来的新奇现象，并发现各层石墨烯会随着再生长形成具有周期性的四层转角结构，其中第1、3层与原始石墨烯的晶向相同，而2、4层的晶向由褶皱手性角所决定。因此研究提出了一种新的周期转角多层石墨烯的制备方法，即通过控制石墨烯褶皱形成的方向，制备具有特殊层间转角周期的多层石墨烯。该方法可用于多种可以形成褶皱的其他二维材料。      相关研究成果以《通过石墨烯螺旋的一维到二维的生长将手性转化为转角》（Conversion of Chirality to Twisting via 1D-to-2D Growth of Graphene Spirals）为题，发表在《自然-材料》（Nature Materials）上。研究工作得到国家自然科学基金、中国科学院和国家重点研发计划等的支持。图1. 石墨烯折纸现象的记录与演示。（a-d）原位ESEM实验所记录的褶皱形成、倒下和再生长的过程；（e-h）相应过程的示意图；（i-l）利用折纸模型演示褶皱的形成、倒下和再生长。图2. 螺旋位错附近的再生长过程。（a-d）原位SEM实验所记录的多个反向螺旋位错附近的再生长过程；（e-h）动力学蒙特卡洛对该过程的模拟演示；（i）原子尺度分辨率STM所表征的石墨烯褶皱“手性”角；（j-l）利用折纸模型演示褶皱倒下时形成的螺旋位错及下层石墨烯出现的转角；（m-t）螺旋位错再生长所带来的四层周期转角结构示意图。图3. 石墨烯螺旋的再生长和合并。（a-f）原位ESEM实验所记录的褶皱出现到最终生长成多层转角石墨烯的全过程；（g）TEM表征下的多层转角石墨烯；（h）原子分辨率的多层转角石墨烯表征图；（i-k）动力学蒙特卡洛对该过程的模拟。      图4. 多层螺旋石墨烯和多层堆垛石墨输运性质的区别。（a）原子力显微镜观察到的螺旋位错中心；（b-d）输运性质检测时的实验设置；（e-g）多层螺旋石墨烯和多层堆垛石墨的电阻和磁阻随温度变化的关系。

如何沉积纳米粒子——纳米粒子单层膜沉积实用指南 纳米颗粒的二维致密单层膜沉积是多种技术和科学研究的基础。例如，纳米粒子单层膜可以作为传感器上的功能层，也可以用来生产用于纳米球光刻的胶体掩模。但是，怎样才能高效、可靠地得到具有三维自由度的纳米颗粒溶液，并将这些颗粒限制在横跨大基底的(二维)单层中呢?传统的纳米颗粒沉积技术纳米颗粒沉积技术种类繁多。一些相对简单和快速的方法包括溶剂蒸发、浸渍镀膜和旋涂镀膜。然而，这些技术可能会浪费大量的纳米颗粒，并且无法有效控制纳米颗粒的密度和配位结构。溶剂蒸发溶剂蒸发容易产生所谓的咖啡渍圈环效应，这种效应是由马朗戈尼流动引起的。这将导致不均匀沉积，中心的纳米粒子沉积稀疏，而边缘则形成多层纳米粒子沉积。 浸渍镀膜另一方面，如果只是用纳米粒子覆盖基底，浸渍镀膜将是一种很好的技术。然而，使用这种方法沉积纳米颗粒单分子层是非常具有挑战性的。同时，浸渍镀膜需要大量的纳米颗粒，这在处理昂贵纳米颗粒材料时将成为一个大的限制因素。 旋涂镀膜旋涂镀膜也是一种很有吸引力的方法，因为它易于规模化放大，而且在半导体工业中是一种众所周知的技术。然而，使用这种方法，薄膜的质量和多个工艺参数紧密相关，如：自旋加速度、速度、纳米颗粒的大小、基材的润湿性和所用溶剂。这使得对薄膜属性的精确控制变得非常困难。而且，一般旋涂镀膜需要大量的纳米颗粒溶液。 气液界面的单层镀膜在这里，气液界面沉积纳米颗粒单层提供了一种高度可控的沉积方法，可以将其沉积在几乎任何基底上。纳米颗粒被限制在气液界面，界面面积逐渐减小，使得纳米颗粒更加紧密地聚集在一起，从而可以实现控制沉积密度的目的，因为单位区域面积沉积的纳米颗粒的数量很容易计算，这样对纳米颗粒的需求量就会大大降低。 单层薄膜形成后，可以通过简单的上下提拉基底即可将界面上的薄膜转移到基底上。 在线网络研讨会报名如果您对如何制备纳米颗粒单分子膜感兴趣，想获取更多这方面的知识，请报名参加由伦敦大学学院的Alaric Taylor博士举办的题为“纳米颗粒单分子层薄膜沉积实用指南”的网络研讨会。报告人Alaric Taylor简介：Alaric Taylor博士是伦敦大学学院工程和物理科学研究委员会（EPSRC）研究员，他在纳米光子材料的制造，尤其是通过在气-液界面开发胶体单层自组装方面有很高的造诣。 报告内容：? 详细讲解纳米颗粒沉积的具体操作? 指出需要注意的事情? 讲述纳米颗粒沉积的技巧 报告时间：2018年9月13日下午3:00（北京时间）报名联系：如需参会，请填好下列表格中的信息发送至，邮箱：lauren.li@biolinscientific.com；姓名单位邮箱电话特别提醒：因为可能会涉及电脑、系统、耳机等调试问题，建议大家提前5-10分钟进入链接。

【科学背景】二维半导体是当今研究的热点，因为它们具有潜在的在下一代电子和光电子器件中发挥重要作用的特性。然而，尽管已经取得了一定进展，但已知的二维半导体普遍存在着热导率较低的问题，这限制了它们在高性能器件中的应用。为了解决这一挑战，科学家们开始寻找具有高热导率的二维半导体。在这种背景下，MoSi2N4作为一种新兴的二维半导体受到了关注。相较于已知的二维半导体，MoSi2N4具有更高的电子和空穴迁移率，光学透射率以及断裂强度和杨氏模量等方面的性能。然而，尽管其结构更加复杂，MoSi2N4被预测具有异常高的热导率。为验证这一预测，中国科学院金属研究所沈阳国家材料科学实验室、中国科学技术大学材料科学与工程学院Wencai Ren教授等人进行了实验测量，并发现悬浮单层MoSi2N4的热导率高达173 Wm–1K–1，远高于已知的二维半导体。通过第一性原理计算，他们发现这种异常高的热导率得益于MoSi2N4的高德拜温度和低格林尼森参数，这两者都与其高杨氏模量相关。这项研究不仅为下一代电子和光电子器件提供了有望实现高性能的新材料，而且为设计具有高效热传导的二维材料提供了重要参考。【科学亮点】（1）实验首次利用非接触的光热拉曼技术，对悬浮单层MoSi2N4的热导率进行了实验测量。（2）通过该实验，我们在室温下测量到了约为173 Wm–1K–1的高热导率，这一结果远高于已知的二维半导体如MoS2、WS2、MoSe2、WSe2和黑磷。（3）这一结果证明了MoSi2N4具有异常高的热导率，为其作为下一代电子和光电子器件的候选材料奠定了基础。（4）第一性原理计算揭示了MoSi2N4的热导率高的原因，主要归因于其高德拜温度和低格林尼森参数，这两者又强烈依赖于材料的高杨氏模量，后者是由最外层Si-N双层引起的。【科学图文】图1：化学气相沉积生长的MoSi2N4晶体的表征。图2. SiO2/Si衬底上单层MoSi2N4晶体的拉曼表征。图3：利用光热拉曼技术对悬浮单层MoSi2N4晶体的热导率测量。图4：单层MoSi2N4晶体的异常高热导率。图5：对单层MoSi2N4异常高热导率的理论分析。【科学结论】在单层MoSi2N4中发现异常高的热导率，不仅确立了该材料具有同时高载流子迁移率的基准二维半导体，可用于下一代电子和光电子器件，还为设计具有高效热传导性能的二维材料提供了新的见解。然而，本研究中测得的单层MoSi2N4的热导率低于理论计算结果，这可以归因于以下两个事实。首先，MoSi2N4晶体具有一定浓度的热力学平衡点缺陷，如通过iDPC-STEM成像观察到的N空位。与其他二维材料中的缺陷类似，随着N空位密度的增加，Si-N双层的热导率显著下降。此外，N2空位在高频声子散射中起主要作用，而N1空位影响较小。其次，MoSi2N4中的褶皱，作为一种形式的平面外扭曲变形，会导致强烈的声子局部化和增强的声子散射，从而类似于其他二维材料，降低了热导率。在未来，制备具有高质量的硅片尺度单晶单层MoSi2N4是利用其高热导率和载流子迁移率用于下一代电子和光电子器件的关键。原文详情：He, C., Xu, C., Chen, C. et al. Unusually high thermal conductivity in suspended monolayer MoSi2N4. Nat Commun 15, 4832 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-48888-9

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室与国科大杭州高等研究院和中国科学院空天信息研究院合作，在二维WSe2-Si的混合维度异质结中瞬态电流太赫兹发射动力学以及谷自由度探测方面取得研究进展。相关研究成果以 “Ultrafast Drift Current Terahertz Emission Amplification in the Monolayer WSe2/Si Heterostructure”为题发表于The Journal of Physical Chemistry Letters上。基于单层过渡金属硫族化合物（TMDs）的范德瓦尔斯异质结作为同时具有强的自旋动量锁定效应与能带可调等丰富的光电性质的二维半导体,在片上集成光源、新型光电探测和谷电子学技术中具有重要的应用潜力。图1 (a)太赫兹发射光谱系统示意图；(b) 太赫兹脉冲时域波形；(c) 异质结中耗尽电流辐射太赫兹示意图。本工作首次利用非接触的超快太赫兹发射光谱技术探测了TMDs-Si异质结中耗尽场放大的瞬态光电流，并利用其探测了其中单层二维材料放大的谷自由度并实现了全光操控。本工作为基于二维-三维混合维度异质结的谷电子学探索提供了新思路。在这项工作中，研究人员使用时间分辨太赫兹发射光谱系统，研究了单层WSe2-Si异质结经飞秒激光泵浦后的超快太赫兹发射动力学过程。通过对太赫兹发射机理的分析，发现并验证了WSe2-Si异质结中增强的耗尽电场加速载流子迁移，从而导致更大的瞬态电流与对应10倍增强的太赫兹辐射的作用过程。图2 (a) 光学选择定则示意图；(b) 单层WSe2与异质结中的泵浦光手性依赖现象。同时，利用时间分辨太赫兹发射光谱系统可在无需特殊环境（低温、磁场、应力）的室温条件下探测到单层WSe2与WSe2-Si异质结中泵浦光手性依赖的谷光电流，证实了二维-三维异质结中自旋动量锁定效应的存在，同时也发现单层WSe2材料的谷-动量锁定的光电流手性在异质结中得到了保留。由此利用谷光电流偏振依赖特性，也可以实现对半导体材料发射太赫兹的有效调控。硅基二维-三维材料异质结中实现太赫兹辐射放大的方法拓展了基于超快光学方法的太赫兹辐射源提升效率方式，对于新型片上可集成的太赫兹芯片研究具有重要的意义。此外，超快太赫兹发射光谱在室温条件下对于TMDs材料中谷光电流的无接触探测拓宽了探测自旋动量锁定效应的方法路径，为基于此类异质结的谷电子学的研究提供了新的思路。

对称性是影响物理系统各项性质的一个基础因子。由于维度的降低，原子层厚度的范德华材料是研究对称性调控量子现象的天然平台。二维层状磁体材料中，磁序是对称性调控的一个额外自由度。有鉴于此，近期，美国华盛顿大学的许晓栋教授课题组在《自然-物理》杂志上发表了低温强磁场拉曼光谱研究单层与双层CrI3晶体材料磁振子的工作，验证了对称性在二维材料体系中对磁振子的实际影响。单层CrI3材料中存在两种自旋波（见图1），一种是面内声学模式，另一种是面外的光学模式。之前文章中理论预计该自旋波隙大约是0.3-0.4 meV（2.4-3.2 cm-1）, 原则上可被拉曼光谱探测到。图1. (a-b)单层CrI3材料的两种自旋波，a)面内声学模式，(b)面外光学模式；(c) 单层CrI3的反射磁圆二色性成像图（内置图左，单层CrI3的光学照片）； (d-f)单层CrI3的低温强磁场拉曼光谱数据，磁场分别为0T, -4T, 4T。图1d数据显示在无磁场时候，由于瑞利光的存在，拉曼光谱无法测到信号，而当施加强磁场时，低波数拉曼可以明显观测到拉曼信号（见图1e,1f）。并且通过分析，证实了测量得到的斯托克斯与反斯托克斯低波数拉曼信号完全符合光学选择定则。通过分析拉曼峰随磁场变化的数据（图2a-b），研究者发现拉曼峰位与磁场强度成线性关系，分析表明拉曼信号反应的是二维材料CrI3的磁振子信息。计算得到单层CrI3在无磁场时的自旋波隙是2.4cm-1 (0.3meV)，与理论预测完全吻合。而拉曼信号随温度升高（见图2c），信号强度越来越弱。图2. (a-b): 单层CrI3拉曼信号随磁场强度关系图。(c): 拉曼信号随温度变化图，磁场为-7T。(d): 单层CrI3中的光学选择定则示意图。图3. (a) 双层CrI3在6T下的拉曼光谱，(b): 双层CrI3拉曼信号随磁场强度关系图。(c): 双层CrI3拉曼光谱随磁场变化数据，在0.7T左右磁场有反铁磁与铁磁转变。双层CrI3与单层CrI3不同，双层CrI3中同时存在反铁磁与铁磁态。图3a是双层CrI3在6T磁场下的拉曼数据。双层CrI3在强磁场下表现类似铁磁态的单层CrI3，拉曼信号与磁场强度成线性关系（见图3b）。通过分析拉曼信号（见图3c）与磁圆二色性 (RMCD）信号，表明双层CrI3在在0.7T左右磁场有反铁磁与铁磁转变。文章中，作者使用了德国attocube公司的attoDRY2100低温恒温器来实现器件在低温度1.65K下通过磁场调控的低温拉曼光学实验。文章实验结果表明CrI3晶体是研究磁振子物理和对称性调控磁性器件的理想候选材料。图4：低振动无液氦磁体与恒温器—attoDRY系列，超低振动是提供高分辨率与长时间稳定光谱的关键因素。https://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C377018.htm attoDRY2100+CFM I主要技术特点：+ 应用范围广泛: PL/EL/ Raman等光谱测量+ 变温范围：1.8K - 300K+ 空间分辨率： 1 μm+ 无液氦闭环恒温器+ 工作磁场范围：0...9T (12T, 9T-3T，9T-1T-1T矢量磁体可选)+ 低温消色差物镜NA=0.82+ 精细定位范围： 5mm X 5mm X 5mm @ 4K+ 精细扫描范围：30 μm X 30 μm@4K+ 可进行电学测量，配备标准chip carrier+ 可升到AFM/MFM、PFM、ct-AFM、KPFM、SHPM等功能 参考文献：[1] Xiaodong XU et al, Direct observation of two-dimensional magnons in atomically thin CrI3, Nature Physics, (2020)

中国科学技术大学教授曾长淦、副研究员李林研究团队与北京大学教授冯济课题组合作，通过构筑氮化硼绝缘层间隔的多种石墨烯基电双层结构，首次揭示了在层间拖拽这一复杂的多粒子输运过程中存在显著的量子干涉效应。相关研究成果日前在线发表于《自然-通讯》。量子干涉效应是量子力学中波粒二象性的直接体现。在固体材料中，弱局域化、普适电导涨落和Aharonov-Bohm效应等独特量子输运现象，都源于载流子扩散路径之间的量子干涉。然而这些量子干涉行为均发生在单一导体内的载流子输运过程，可以在非相互作用的单粒子框架下很好地解释。与之相比，诸如层间拖拽效应这种路径更为复杂的多粒子耦合输运中是否会展现出类似的量子力学行为，是一个重要的基础科学问题。所谓拖拽效应，是指对于两个空间相近但彼此绝缘的导电层构成的电双层结构，在其中一层（主动层）施加驱动电流，层间载流子之间的动量/能量转移会诱导另一层（被动层）载流子移动，从而在被动层产生一个开路电压或闭路电流。此前，拖拽效应被广泛用于研究载流子长程耦合特性，发现如间接激子波色爱因斯坦凝聚等层间关联量子态。然而，对这一独特输运过程本身的外场响应特性及可能的量子效应研究还十分缺乏。石墨烯基二维电双层结构为在二维极限下深入相关研究提供了很好的平台，作为天然且理想的二维电子气，石墨烯本身载流子类型和浓度均高度可调，且利用氮化硼作为绝缘层，两层石墨烯之间的间距可以低至数纳米，从而使得在更广阔参数空间内表征层间拖拽特性成为可能。此次研究中，研究团队构筑了双层石墨烯/氮化硼/双层石墨烯（以下称双层/双层）、单层/单层以及单层/双层等多个石墨烯基电双层结构。通过系统的外磁场下拖拽响应特性测试，研究团队发现在很大的温度/载流子浓度范围内，低磁场区间内拖拽磁电阻均会明显偏离经典库伦拖拽行为，并且这种偏离的符号直接取决于石墨烯层的能带拓扑性。如对于双层/双层和单层/单层体系，拖拽电阻在电子-电子区间的修正均表现为低场的电阻峰，而对于双层/单层体系，则为电阻谷。通过对拖拽输运过程的系统性分析，研究团队发现观察到的低场修正可以很好地归因于由时间反演和镜面对称联系起来的两个层间拖拽过程之间的量子干涉，而其干涉路径则由空间分隔的两个石墨烯层层内载流子扩散路径共同组成。这种层间量子干涉的产生依赖于两层石墨烯中空间重叠的扩散路径的形成，其中中间绝缘层的杂质势散射起到至关重要的作用。研究人员认为，这一新型量子干涉效应的发现，将固体材料中的量子干涉行为，从单一导体内单一粒子输运行为，拓展到多个导体间多粒子耦合输运过程，进一步丰富了量子干涉的物理内涵。此外，相比于传统层内量子干涉导致的磁阻修正，层间量子干涉导致的拖拽磁电阻的修正显著增大，从而有望为发展新原理存储器件提供新的思路。

p据外媒报道，宾夕法尼亚州立大学研究团队表示，想要开发可靠、快速充电、适宜在寒冷天气下工作的汽车电池，自组装薄层电化学活性分子或将成为解决方案。/ppbr//ppimg style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202009/uepic/70cad0b3-66f1-47a4-989c-f6ad1caabc2a.jpg" title="202009011201548733.jpg" alt="202009011201548733.jpg"//pp style="text-align: center "锂图片来源：PSU官网/ppbr//pp金属电池是继锂离子电池之后的下一代电池，宾夕法尼亚州立大学机械工程教授、电池和储能技术中心的主要研究人员Donghai Wang说，“这种电池使用的是锂负极，能量密度更高，但存在枝晶生长、效率低和循环寿命短等问题。”研究人员表示，具有电化学活性的自组装单层，可以分解成合适的构成部分，保护锂负极表面，从而解决这些问题。/ppbr//pp这类电池由锂负极、锂金属氧化物正极和电解质构成，其电解质中含有锂离子导电材料和保护性薄膜层。在快速充电或在寒冷的条件下，如果没有保护层，电池中可能逐渐长出锂枝晶，最终会导致电池短路，大大降低电池的实用性和循环寿命。Wang表示：“关键在于调整分子化学，使其能够在表面自我组装。”在充电时，这种单层可以提供良好的固态电解质界面，从而保护锂负极。/ppbr//pp研究人员将这种单层膜沉积在薄铜层上。在电池充电时，锂撞击单层并分解形成稳定的界面层。部分锂与剩余的层体一起沉积在铜上，原层分解的部分在锂上面进行重组，从而保护锂，防止生成锂枝晶。/ppbr//pp据研究人员介绍，利用这项技术，可以提升电池的存储容量，增加充电次数。Wang说：“这项技术的关键在于能够在需要的时候及时形成一层膜。这种膜可以分解并自动转化，然后留在铜上并覆盖锂表面。这种技术可以应用于无人机、汽车或一些水下低温应用的小型电池中。”/p

p style="text-indent: 2em "近日，日本科学家研制出两种新材料，它们都是三层石墨烯结构，但由于堆叠方式不同，却各具独特的电学性能，这项研究对于光传感器等新型电子器件的发展具有重要意义。/pp style="text-indent: 2em "自从2004年，两位科学家首次利用清洁石墨晶体的透明胶带分离出了单层碳原子，石墨烯就因其迷人的特质吸引了无数研究者蜂拥而至。它的强度是钢的200倍，不仅非常柔韧，而且是一种极为优良的电导体。/pp style="text-indent: 2em "石墨烯的碳原子呈六边形排列，构成了蜂窝状晶格。在单层石墨烯上再堆叠另一单层石墨烯，就可以形成双层石墨烯结构。有两种堆叠方法：让每层石墨烯结构的碳六边形中心彼此正对在一起，就构成了AA堆叠结构；而将其中一层向前移位，使得其碳原子六边形中心位于另一层石墨烯的碳原子之上，就构成了AB堆叠。AB堆叠的双层石墨烯材料在施加外部电场时，具有半导体的性质。/pp style="text-indent: 2em "刻意堆叠三层石墨烯结构是非常困难的，但是这样做却可以帮助科学家们研究三层材料的物理性质是怎样随层与层间堆叠方式的不同而变化的，并从而对新型电学仪器设备的发展具有促进作用。现在，日本东京大学和名古屋大学的研究者已成功研制出两种具有不同电学性能的三层石墨烯结构。/pp style="text-indent: 2em "他们采用了两种不同的方式加热碳化硅，一种是在加压氩气环境下将碳化硅加热到1510摄氏度，另一种是在高真空环境将碳化硅加热至1300摄氏度。随后用共价键已被破坏成单个氢原子的氢气喷涂两种材料，两种不同的三层石墨烯结构就大功告成了。在加压氩气下加热的碳化硅形成了ABA堆叠结构的三层石墨烯，其顶部和底层的碳原子六边形精确对齐，中间层稍有移位。高真空环境下加热的碳化硅则形成了ABC堆叠结构的三层石墨烯，每一层碳原子六边形都比其下面一层稍稍向前移位。/pp style="text-indent: 0em text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/fda047f2-d0aa-4cca-894b-6475b2f605a5.jpg" title="同是三层石墨烯结构 电学性质因何大相径庭？.jpg"//pp/pp style="text-indent: 2em text-align: center "span style="color: rgb(127, 127, 127) font-size: 14px "ABA堆叠状三层石墨烯（图a）与ABC堆叠状三层石墨烯（图b）的晶体结构示意图/span/pp style="text-indent: 2em "科学家们检测了这两种三层石墨烯结构的物理性质，发现他们电学性能差异显著。ABA型石墨烯与单层石墨烯类似，是十分优良的电导体，而ABC型石墨烯却更像AB型双层石墨烯结构，具有半导体的性质。/pp style="text-indent: 2em "“ABA型和ABC型两种不同三层石墨烯结构的成功制备，将从堆叠层数和堆叠序列的角度，拓宽石墨烯基纳米电子器件的研发可行性。” 相关研究人员在NPG Asia Materials杂志上发表的论文中这样总结道。/p

什么是原子层沉积技术原子层沉积技术（ALD）是一种一层一层原子级生长的薄膜制备技术。理想的 ALD 生长过程，通过选择性交替，把不同的前驱体暴露于基片的表面，在表面化学吸附并反应形成沉积薄膜。 20 世纪 60 年代，前苏联的科学家对多层 ALD 涂层工艺之前的技术（与单原子层或双原子层的气相生长和分析相关）进行了研究。后来，芬兰科学家独立开发出一种多循环涂层技术（1974年，由 Tuomo Suntola 教授申请专利）。在俄罗斯，它过去和现在都被称为分子层沉积，而在芬兰，它被称为原子层外延。后来更名为更通用的术语“原子层沉积”，而术语“原子层外延”现在保留用于（高温）外延 ALD。 Part 01.原子层沉积技术基本原理 一个完整的 ALD 生长循环可以分为四个步骤： 1.脉冲第一种前驱体暴露于基片表面，同时在基片表面对第一种前驱体进行化学吸附2.惰性载气吹走剩余的没有反应的前驱体3.脉冲第二种前驱体在表面进行化学反应，得到需要的薄膜材料4.惰性载气吹走剩余的前驱体与反应副产物 原子层沉积（ ALD ）原理图示 涂层的层数（厚度）可以简单地通过设置连续脉冲的数量来确定。蒸气不会在表面上凝结，因为多余的蒸气在前驱体脉冲之间使用氮气吹扫被排出。这意味着每次脉冲后的涂层会自我限制为一个单层，并且允许其以原子精度涂覆复杂的形状。如果是多孔材料，内部的涂层厚度将与其表面相同！因此，ALD 有着越来越广泛的应用。 Part 02. 原子层沉积技术案例展示 原子层沉积通常涉及 4 个步骤的循环，根据需要重复多次以达到所需的涂层厚度。在生长过程中，表面交替暴露于两种互补的化学前驱体。在这种情况下，将每种前驱体单独送入反应器中。 下文以包覆 Al2O3 为例，使用第一前驱体 Al(CH3)3（三甲基铝，TMA）和第二前驱体 H2O 或氧等离子体进行原子层沉积，详细过程如下：反应过程图示 在每个周期中，执行以下步骤： 01 第一前驱体 TMA 的流动，其吸附在表面上的 OH 基团上并与其反应。通过正确选择前驱体和参数，该反应是自限性的。 Al(CH3)3 + OH = O-Al-(CH3)2 + CH4 02使用 N2 吹扫去除剩余的 Al(CH3)3 和 CH4 03第二前驱体（水或氧气）的流动。H2O（热 ALD）或氧等离子体自由基（等离子体 ALD）的反应会氧化表面并去除表面配体。这种反应也是自限性的。 O-Al-(CH3)2 + H2O = O-Al-OH(2) + (O)2-Al-CH3 + CH4 04使用 N2 吹扫去除剩余的 H2O 和 CH4，继续步骤 1。 由于每个曝光步骤，表面位点饱和为一个单层。一旦表面饱和，由于前驱体化学和工艺条件，就不会发生进一步的反应。 为了防止前驱体在表面以外的任何地方发生反应，从而导致化学气相沉积（CVD），必须通过氮气吹扫将各个步骤分开。 Part 03. 原子层沉积技术的优点 由于原子层沉积技术，与表面形成共价键，有时甚至渗透（聚合物），因此具有出色的附着力，具有低缺陷密度，增强了安全性，易于操作且可扩展，无需超高真空等特点，具有以下优点： 厚度可控且均匀通过控制沉积循环次数，可以实现亚纳米级精度的薄膜厚度控制，具有优异的重复性。大面积厚度均匀，甚至超过米尺寸。 涂层表面光滑完美的 3D 共形性和 100% 阶梯覆盖：在平坦、内部多孔和颗粒周围样品上形成均匀光滑的涂层，涂层的粗糙度非常低，并且完全遵循基材的曲率。该涂层甚至可以生长在基材上的灰尘颗粒下方，从而防止出现针孔。 ALD 涂层的完美台阶覆盖性 适用多类型材料所有类型的物体都可以进行涂层：晶圆、3D 零件、薄膜卷、多孔材料，甚至是从纳米到米尺寸的粉末。且适用于敏感基材的温和沉积工艺，通常不需要等离子体。 可定制材料特性适用于氧化物、氮化物、金属、半导体等的标准且易于复制的配方，可以通过三明治、异质结构、纳米层压材料、混合氧化物、梯度层和掺杂的数字控制来定制材料特性。 宽工艺窗口，且可批量生产对温度或前驱体剂量变化不敏感，易于批量扩展，可以一次性堆叠和涂覆许多基材，并具有完美的涂层厚度均匀性。

• James Keerfot• Vladimir V Korolkov原子力显微镜（AFM）是一种测量探针和样品之间作用力的技术，它不仅可用于测量纳米级分辨率的表面形貌，还可用于绘制和操作可使用纳米级探针处理的一系列性能。在这里，我们只谈到了最先进的AFM在层状材料研究中的一些能力。我们希望探索的第一个例子是如何使用AFM来研究垂直异质结构中的层的注册表，这会产生许多有趣的现象[1，2]。根据层间和层内的结合、晶格周期和两个重叠薄片角度的对称性和失配，可以观察到单层石墨烯（SLG）和六方氮化硼（hBN）[3]之间的莫尔图案或扭曲控制的双层二硫化钼（2L-MoS2（0°））[4]中的原子重建等特征。在图1中，我们展示了我们的FX40自动AFM如何使用导电AFM（C-AFM）和侧向力显微镜（LFM）来测量这些特征。这两种技术都源于接触模式AFM，其中悬臂由于排斥力而产生的偏转用于通过反馈回路跟踪表面形貌。LFM测量探针在垂直于悬臂梁的方向上扫描时的横向偏转，而C-AFM绘制尖端样品结处恒定电压和力下的电流图。除了传统的形貌通道外，AFM还使用这些模式，为研究垂直异质结构中层间扭曲和应变影响的研究人员提供了“莫尔测量”。图1:Park Systems的FX40自动AFM（a）用于使用LFM（c）和c-AFM（d）测量hBN和单层石墨烯（b）之间的莫尔图案。对于具有边缘扭曲角和有利的层间结合的样品，可以测量原子重建，这是石墨上平行堆叠的双层MoS2的情况（e）。与莫尔图案一样，在这种情况下，由于重建，可以使用LFM（f）和C-AFM（g）测量不同配准的区域。除了探索层状材料的形态和注册，原子力显微镜还具有一系列功能模式，可以用纳米尺度的分辨率测量诸如功函数、压电性、铁电性和纳米机械性能等性能。在图2中，我们展示了如何使用单程边带开尔文探针力显微镜（SB-KPFM）[5]来同时绘制尖端和具有不同层厚度的MoS2薄片之间的形态和接触电势差（CPD）。MoS2薄片从聚二甲基硅氧烷（PDMS）转移到Si上，在MoS2和Si之间留下截留的界面污染气泡。通过比较形貌（见图2b）和CPD（见图2c），我们看到由于MoS2层厚度和截留的界面污染物气泡的大小，CPD发生了变化。通过从地形数据中提取相对应变的估计值，该估计值基于尖端水泡相对于平坦基底的行进距离，可以直接将CPD和一系列层厚度的应变关联起来[6]。图2:KPFM是用Multi75E探针和5V的电驱动（VAC）和5kHz的频率（fAC）在硅（天然氧化物）上的MoS2上进行的（a）。对于多层MoS2薄片，同时绘制了形貌图（b）和CPD（c），揭示了由于层厚度和捕获污染物的气泡的存在而导致的CPD对比度。通过从地形图像中提取相对应变的估计值，我们绘制了各种泡罩尺寸和MoS2厚度的相关应变和CPD（d），如图图例所示。在我们的最后一个例子中，我们将研究如何使用原子力显微镜来决定性地操纵层状材料。在图3 a-c中，我们比较了90 nm SiO2/Si中2-3层（L）石墨烯薄片在使用阳极氧化切割之前（见图3b）和之后（见图3c）的横向力显微镜图像，其中尖端使用接触模式保持接触，同时施加40 kHz的10 V AC偏压[7]。除了阳极氧化，原子力显微镜还能够对层状材料进行机械改性。图3d-f中给出了一个这样的例子，其中使用Olympus AC160探针（刚度~26N/m）将聚苯乙烯上的3L-MoS2薄片缩进不同的深度。如图3f的插图所示，压痕深度（使用非接触模式监测）与压痕力密切相关。以这种方式修改局部应变已被证明可以决定性地产生表现出单光子发射的位点[8]。图3：在接触模式（a）下，通过向探针施加AC偏压，对少层石墨烯进行阳极氧化。通过比较（b）之前和（c）之后的LFM图像来证明薄片的确定性切割。也可以在聚苯乙烯上进行几层MoS2的压痕，证明了机械操作（d）。通过非接触模式AFM监测的压痕深度显示，压痕力范围高达~7.2µN。总之，我们已经展示了AFM如何能够提供比表面形貌多得多的信息，并且可以执行的一套功能测量和样品操作过程为关联测量提供了新的机会。易于使用的功能以及使用最佳探针自动重新配置硬件进行功能测量的能力，使Park的FX40特别适合此类调查。References[1] R. Ribeiro-Palau et al. Science 361, 6403, 690 (2018).[2]Y. Cao et al. Nature 556, 80 (2018).[3] C. Woods et al. Nature Phys. 10, 451 (2014).[4]A. Weston et al. Nat. Nanotechnol. 15, 592 (2020).[5] A. Axt et al. Beilstein J. Nanotechnol. 9, 1809–1819 (2018)[6] E. Alexeev et al. ACS Nano 14, 9, 11110 (2020)[7] H. Li et al. Nano Lett., 18, 12, 8011 (2018)[8] M. R. Rosenberger et al. ACS Nano, 13, 1, 904–912 (2019)原文：Atomic force microscopy for layered materials，Wiley Analytical Science作者简介• 詹姆斯基尔福（James Keerfot）Park Systems UK Ltd, MediCity Nottingham, Nottingham, UK.弗拉基米尔科罗尔科夫（Vladimir V. Korolkov）Park Systems UK Ltd., MediCity Nottingham, UK.弗拉基米尔于2008年获得莫斯科大学化学博士学位。随后，他进入海德堡大学，专攻薄膜的X射线光电子能谱学，随后在诺丁汉大学任职，在那里他发现了自己对扫描探针显微镜（SPM）的热情，并成为SPM技术的坚定拥护者，以揭示纳米级的结构和性能。他率先使用标准悬臂的更高本征模来常规实现分辨率，而以前人们认为分辨率仅限于STM和UHV-STM。弗拉基米尔目前发表了40多篇科学论文，其中包括几篇在《自然》杂志上发表的论文。尽管截至2018年，他的专业知识为SPM技术的产业发展做出了贡献，但他的工作仍在激励和影响该领域的学术冒险。

近日，国家标准计划《纳米技术 拉曼光谱法测量二硫化钼薄片的层数》进入公开征求意见阶段，反馈日期截止到2023年12月5日，如有任何建议或意见，请有关单位和专家填写征求意见表（详见附件）并反馈至邮箱：shaoyue @graphene-center.org 。本文件由TC279（全国纳米技术标准化技术委员会）归口，主管部门为中国科学院，起草单位为中国科学院半导体研究所、河北大学和泰州巨纳新能源有限公司。本文件规定了使用拉曼光谱法测量二硫化钼薄片的层数的方法。本文件适用于利用机械剥离法制备的、横向尺寸不小于 2 µm的 2H堆垛的二硫化钼薄片的层数测量。化学气相沉积法制备的 2H堆垛的二硫化钼薄片可参照本方法执行。二硫化钼薄片具有优异的电学、光学、力学、热学等性能，在学术届和工业届都引起了广泛的关注，已成为新一代高性能纳米光电子器件国际前沿研究的核心材料之一。二硫化钼薄片作为二维层状材料的代表，其层数或者厚度显著影响其光学和电学等性能。例如，单层二硫化钼薄片为直接带隙半导体，多层二硫化钼薄片为间接带隙半导体，且带隙随层数增加而逐渐降低，但场效应迁移率和电流密度会随之提高，进而通过调控二硫化钼薄片的层数实现与其相关的光电探测器、光电二极管、太阳能电池和电致发光器件的可控性能。所以，快速准确地表征二硫化钼薄片的层数对于其生产制备和相关产品开发具有重要的指导意义，也是深入研究二硫化钼薄片的物理和化学性质的基础和其开发应用的核心。拉曼光谱作为一种快速、无损和高灵敏度的光谱表征方法，已被广泛地应用于二硫化钼薄片的层数测量。比如，单层和多层二硫化钼薄片的拉曼光谱中，高频拉曼振动模——E12g 和A1g的峰位差值随二硫化钼薄片的层数而递增，两层及以上的二硫化钼薄片中低频拉曼振动模——呼吸（LB）模和剪切（S）模的峰位与二硫化钼薄片的层数具有确定的对应关系。同时，对于制备在氧化硅衬底上的二硫化钼薄片，二硫化钼下方硅衬底的拉曼峰的强度也与其上二硫化钼薄片的层数呈现单调变化的关系。因此，利用上述拉曼光谱参数特征，就可以准确地测量二硫化钼薄片的层数。由于不同方法制备的二硫化钼薄片在结晶性和微观结构上存在较大差异，现有任何一种表征方法均不是具有确定意义的通用手段。在实际应用中需要根据二硫化钼薄片的结晶性和微观结构特点来选择一种或多种合适的表征方法对其层数进行综合分析。附件：纳米技术 拉曼光谱法测量二硫化钼薄片的层数（征求意见稿） -- 征求意见表.doc纳米技术 拉曼光谱法测量二硫化钼薄片的层数（征求意见稿）.pdf

单层石墨烯(SLG)因为其近弹道输运和高迁移率等独特性质以及在纳米电子和光电子器件方面所具有的潜在应用而受到了广泛的研究和关注。每个SLG样品都存在边界，且SLG与边界相关的物理性质强烈地依赖于其边界的取向。在本征SLG边界的拉曼光谱中能观察到一阶声子模-D模，而在远离边界的位置却观察不到。研究发现边界对D模的贡献存在一临界距离hc，约为3.5纳米。但D模的倍频模-2D模在本征SLG边界和远离边界处都能被观察到。因此，D模成为研究SLG的晶畴边界、边界取向和双共振拉曼散射过程的有力光谱手段。　　SLG具有两种基本的边界取向：&ldquo 扶手椅&rdquo 型和&ldquo 之&rdquo 字型。与SLG不同，多层石墨烯(MLG)中每一石墨烯层都具有各自的边界以及相应的边界取向。对于实际的MLG样品，其相邻两石墨烯层的边界都存在一个对齐距离h。h可以长到数微米以上，也可短到只有几个纳米的尺度。当MLG的所有相邻两石墨烯层的h等于0时，我们称之为MLG的完美边界情况。MLG边界复杂的堆垛方式以及存在不同h和取向可显著影响其边界的输运性质、纳米带的电子结构和边界局域态的自旋极化等性质。尽管SLG边界的拉曼光谱已经被系统地研究，但由于MLG边界复杂的堆垛方式，学界对其拉曼光谱的研究还非常少。　　最近，中国科学院半导体研究所博士生张昕、厉巧巧和研究员谭平恒等人，对MLG边界的拉曼散射进行了系统研究。他们首先对MLG边界进行了归类，发现N层石墨烯(NLG)的基本边界类型为NLGjE，即具有完美边界的jLG置于(N-j) LG上。因此，双层石墨烯(BLG)的边界情况可分为BLG1E+SLG1E和BLG2E两种情况。研究发现：(1)NLG1E边界与具有缺陷结构的NLG的D模峰形相似，其2D模则为NLG和(N-1)LG的2D模的叠加。(2)在激光斑所覆盖区域的多层石墨烯边界附近，相应层数石墨烯的2D模强度与其面积成正比，而相应的D模强度则与在临界距离内的对齐距离(如果hhc)以及边界长度有关。（3）对于BLG1E附近的2D模，随着h从亚微米尺度逐步减少到0时，来自SLG部分的强度从极大值逐步减小至0，而来自BLG部分的强度则保持不变。对于BLG1E附近的D模，随着h从亚微米尺度逐步减少到0时，来自SLG部分的强度先从0增加到极大值，一旦hhc时，该强度再逐渐减小到0，而来自BLG1E部分的强度先保持常数不变，一旦hhc时，再逐渐增加到该常数的2倍。（4）通过BLG边界处2D模的线型和强度，在双层石墨烯边界中成功地鉴别出h为48nm的情况；通过BLG边界处D模的线型和强度，甚至能鉴别出h小于3.5nm的情况。这些尺寸已经远超出了激光斑点的衍射极限，是一般表征手段无法达到的。该系列研究工作近期发表于Nanoscale 6, 7519-7525(2014)和Carbon 85, 221-224(2015)。　　这些重要发现为多层石墨烯边界的进一步系统研究奠定了基础，同时为其他二维材料的边界研究提供了参考。该工作得到了国家自然科学基金的支持。　　文章链接：1 2　　双层石墨烯(BLG)边界的对齐距离从亚微米逐步减少到0的拉曼光谱

多层石墨烯及其堆垛顺序具有特的物理特性及全新的工程应用，可以将材料从金属调控为半导体甚至具有超导特性。石墨烯薄膜的性质相对于层数及其晶体堆垛顺序有很大变化。例如，单层石墨烯表现出高的载流子迁移率，对于超高速晶体管尤为重要。相比之下，AB堆垛的双层或菱面体堆垛的多层石墨烯在横向电场中显示出可调的带隙，从而产生了高效的电子和光子学器件。此外，有趣的量子霍尔效应现象也主要取决于其层数和堆垛顺序。因此，对于大面积制备而言，能够控制石墨烯的层数以及晶体堆垛顺序是非常重要的。 近日，韩国基础科学研究所（IBS）Young Hee Lee教授和釜山国立大学Se-Young Jeong教授在期刊《Nature Nanotechnology》以“Layer-controlled single-crystalline graphene film with stacking order via Cu-Si alloy formation” 为题报道了采用化学气相沉积的方法来实现大面积层数及堆垛方式可控的石墨烯薄膜的突破性工作。为石墨烯和其他2D材料层数的可控生长迈出了非常重要的一步。 文章提出了一种基于扩散至升华（DTS）的生长理论，实现层数可控生长的关键是在铜箔基底上先可控生长SiC合金，具体来讲（如图1所示），先在CVD石英腔室内原位形成Cu-Si合金，之后将CH4气体引入反应室并催化成C自由基，形成SiC，随后温度升高至1075℃以分解Si-C键，由于蒸气压使Si原子升华。因此，C原子被留下来形成多层石墨烯晶种，在升华过程中，这些晶种横向扩展到岛中（步骤III），并扩展致边缘。在给定的Si含量下注入不同浓度稀释的CH4气体，可以控制Si-Cu合金中石墨烯的层数。图1e显示了在步骤II中引入不同稀释浓度CH4气体时C含量的SIMS曲线，在较高CH4气体浓度下，C原子更深地扩散到Cu-Si薄膜中，形成较厚的SiC层，然后生长较厚的石墨烯薄膜。由此实现可控的调节超低限CH4浓度引入C原子以形成SiC层，在Si升华后以晶圆尺寸生长1-4层石墨烯晶体。 　　图1. 不同生长过程中的光学显微镜结果，生长示意图及XPS能谱和不同生长步骤中Si和C含量的二次离子质谱SIMS曲线 随后，为了可视化堆垛顺序并揭示晶体取向的特电子结构，进行了nano-ARPES光谱表征，系统研究了单层，双层，三层和四层石墨烯的能带结构（图2a-d），随着石墨烯层数增加，上移的费米能逐渐下移。另外，分别根据G和2D峰之间的IG/I2D强度比和拉曼光谱二维模式的线形来确定石墨烯薄膜的层数和堆垛顺序。IG/I2D随着层数增加而增加（从0.25到1.5），并且2D峰发生红移（从2676 cm-1到2699 cm-1）。后，双层、三层和四层石墨烯的堆垛顺序通过双栅器件的电学测量得到了确认（图2i-k）。在双层石墨烯（图2i）中，沟道电阻（在电荷中性点处）在高位移场下达到大值，从而允许使用垂直偶电场实现带隙可调性。在三层器件上进行了类似的测量（图2j），与AB堆垛的双层相反，由于导带和价带之间的重叠，沟道电阻随着位移增加而减小，这可以通过改变电场来控制，从而确认了无带隙的ABA-三层石墨烯。在四层器件中也观察到了类似的带隙调制（图2k），确认了ABCA堆垛顺序。 图2. 不同层数的石墨烯样品的nano-ARPES,拉曼及电学输运表征 本文通过在Cu衬底表面上使用SiC合金实现了可控的多层石墨烯，其厚度达到了四层，并具有确定的晶体堆垛顺序。略显遗憾的是本文并没有对制备的不同层数的石墨烯样品进行电导率，载流子浓度及载流子迁移率的标准测试。值得指出的是，近期，西班牙Das-Nano公司基于THz-TDS技术研发推出了一款可以实现大面积（8英寸wafer）石墨烯和其他二维材料100%全区域无损非接触快速电学测量系统-ONYX。ONYX采用一体化的反射式太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）弥补了传统接触测量方法（如四探针法- Four-probe Method，范德堡法-Van Der Pauw和电阻层析成像法-Electrical Resistance Tomography）及显微方法（原子力显微镜-AFM, 共聚焦拉曼-Raman，扫描电子显微镜-SEM以及透射电子显微镜-TEM）之间的不足和空白。ONYX可以快速测量从0.5 mm2到~m2的石墨烯及其他二维材料的电学特性，为科研和工业化提供了一种颠覆性的检测手段。ONYX主要功能：→ 直流电导率（σDC）→ 载流子迁移率, μdrift→ 直流电阻率, RDC→ 载流子浓度, Ns→ 载流子散射时间，τsc→ 表面均匀性ONYX应用方向：石墨烯光伏薄膜材料半导体薄膜电子器件PEDOT钨纳米线GaN颗粒Ag 纳米线

高熵合金通常被定义为含有5个以上主元素的固溶体，并且每个元素的摩尔比为5~35%，具有优异的力学、耐高温、耐磨、耐蚀、抗辐照等性能，在较多领域展现出发展潜力。中国科学院兰州化学物理研究所环境材料与生态化学研究发展中心副研究员高祥虎、研究员刘刚带领的科研团队，通过组分调控、构型熵优化和结构设计，制备出系列高熵合金基高温太阳能光谱选择性吸收涂层。　　前期，研究人员设计出一种由红外反射层铝、高熵合金氮化物、高熵合金氮氧化物和二氧化硅组成的彩色太阳能光谱选择性吸收涂层，其吸收率可达93.5%，发射率低于10%。研究人员发现，单层高熵合金氮化物陶瓷具有良好的本征吸收特性，因此制备出结构简单的涂层。以高熵合金氮化物作为吸收层，SiO2或Si3N4作为减反射层得到的涂层吸收率可达92.8%，发射率低于7%，并可在650°C的真空条件下稳定300小时。　　近期，为进一步提升涂层吸收能力，研究人员选用不锈钢作为基底，低氮含量高熵合金薄膜作为主吸收层，高氮含量高熵合金薄膜作为消光干涉层，SiO2、Si3N4、Al2O3作为减反射层，形成了从基底到表面光学常数逐渐递减的结构（图1）。研究通过光学设计软件（CODE）进行优化，利用反应磁控溅射的方法制备，提高了制备效率。涂层吸收率可达96%，热发射率被抑制到低于10%。研究人员通过时域有限差分法（FDTD）研究了涂层光吸收机制。长期热稳定性研究表明，高熵合金氮化物吸收涂层在600°C真空条件下，退火168小时后仍保持良好的光学性能；计算涂层在不同工作温度和聚光比的光热转化效率发现，当工作温度为550°C、聚光比为100时，涂层的光热转化效率可达90.1%。该图层显示出优异的光热转换效率和热稳定性（图2）。　　研究人员将吸收涂层沉积在不同基底材料上制备的涂层依然保持优异的光学性能，并在铝箔上实现了涂层的大规模制备。对不同入射角的吸收谱图研究发现，吸收涂层在入射光角度为0-60°的范围内具有良好的吸收率。研究人员模拟太阳光对吸收器表面进行照射，在太阳光照射下，涂层表面的温度超过100℃，表明该材料在界面水蒸发研究领域具有重要应用价值。　　相关研究成果发表在Journal of Materials Chemistry A、Solar RRL、Journal of Materiomics上。上述工作开发出兼具优异光学性能和耐高温性能的高温太阳能光谱选择性吸收涂层，拓展了高熵合金在新能源材料领域的功能应用。研究工作得到中科院青年创新促进会、中科院科技服务网络计划区域重点项目和甘肃省重大科技项目的支持。图1.光学模拟结合磁控溅射方法制备太阳能光谱选择性吸收涂层图2.光谱选择性吸收机制和热稳定性研究

透射电子显微镜（TEM）在物理、化学、结构生物学和材料科学等领域的微纳结构研究中发挥着重要作用。电子显微镜像差校正光学的进展极大地提高了成像系统的质量，将空间分辨率提高到了低于50pm的水平。然而，在实际样品中，只有在极端条件下才能达到这个分辨率极限，其中一个主要的障碍是，在比单层更厚的样品中，多电子散射是不可避免的（由于电子束与原子静电势之间的强库仑相互作用）。多次散射改变了样品内部的光束形状，并导致探测器平面上复杂的光强分布。当对厚度超过几十个原子的样品进行成像时，样品的对比度与厚度之间存在非线性甚至非单调的依赖关系，这阻碍了通过相位对比成像方式直接确定样品的结构。定量结构图像解释通常依赖于密集的图像模拟和建模。直接修正样品势需要解决多重散射的非线性反函数问题。尽管已经通过不同的方法对晶体样品的不同布拉格光束进行相位调整（其中大部分是基于布洛赫波理论），但对于具有大晶胞或非周期结构的一般样品来说，这些方法变得极其困难，因为需要确定大量未知的结构因子。Ptychography（叠层衍射成像）是另一种相位修正方法，可以追溯到20世纪60年代Hoppe的工作。现代成熟的装置使用多重强度测量——通常是通过小探针扫描广大的样品收集的一系列衍射图案。这种方法已广泛应用于可见光成像和X射线成像领域。直到最近，电子叠层衍射成像技术还受到样品厚度和电子显微镜中探测器性能的限制。二维（2D）材料和直接电子探测器的发展引起了更广泛的新兴趣。用于薄样品（如2D材料）的电子叠层衍射成像已达到透镜衍射极限的2.5倍的成像分辨率，降至39μm阿贝分辨率。然而，这种超分辨率方法只能可靠地应用于小于几纳米的样品，而较厚样品的分辨率与传统方法的分辨率没有实质性差异。对于许多大块材料来说，这样的薄样品实际上很难实现，这使得目前的应用局限于类2D系统（例如扭曲的双层）。对于比探针聚焦深度更厚的样品，多层叠层衍射成像方法提出了使用多个切片来表示样品的多层成像。所有切片的结构可以分别恢复。目前，利用可见光成像或X射线成像都成功地演示了多层叠层衍射成像。然而，由于实验上的挑战，只有少数的多层电子叠层衍射成像证据的报道，并且这些报道在分辨率或稳定性方面受到限制。透射电子显微镜使用波长为几皮米的电子，有可能以原子的固有尺寸最终确定的固体中的单个原子成像。然而，由于透镜像差和电子在样品中的多次散射，图像分辨率降低了3到10倍。康奈尔大学研究人员通过逆向解决多次散射问题，并利用电子叠层衍射成像技术克服电子探针像差，证明了厚样品中不到20皮米的仪器（图像）模糊以及线性相位响应；原子柱的测量宽度受到原子热涨落的限制，新的研究方法也能够在所有三维亚纳米尺度的精度从单一的投影测量定位嵌入原子的掺杂原子。相关研究工作以“Electron ptychography achieves atomic-resolution limits set by lattice vibrations”为题发表在《Science》上。图1 多层电子叠层衍射成像原理图2 PrScO3的多层电子叠层衍射重建图3 多层电子叠层衍射成像的空间分辨率和测量精度图4 多层电子叠层衍射的深度切片

x射线多层膜在静态和超快x射线衍射中的应用x射线光学组件类型根据x射线和物质作用的不同原理和机制，目前主流的x射线光学组件可以大致分为四类：以滤片、窗片、针孔光阑为代表的吸收型组件；基于反射，全反射原理的各种镜片以及毛细管、波导等反射型器件，还有基于折射原理的各种复折射镜。而本文的主题多层膜镜片，其底层原理和晶体、光栅、波带片一样，都是基于衍射原理。吸收型反射型折射型衍射型滤片窗口针孔/光阑镜片：kb、wolter、超环面镜… … 毛细管：玻璃毛细管、金属镀层毛细管复折射镜：抛物面crl、菲涅尔crl、马赛克crl、… … 晶体光栅多层膜波带片多层膜的原理和工艺一般来说，反射型镜片存在“掠射角小、反射率低”的问题。而多层膜镜片则是通过构建多个反射界面和周期，并使反射界面等周期重复排列，相邻界面上的反射线有相同的相位差，就会发生干涉，如果相位差刚好为2pi的整数倍，则会干涉相长，得到强反射线。从布拉格公式可以看出：多层膜就是通过对d值的控制，来实现波长选择的人工晶体。而在工艺实现方面，目前制备x射线多层膜镜的主要工艺有：磁控溅射、电子束蒸镀、离子束蒸镀。一般使用较多的是磁控溅射或离子束镀膜工艺，即在基板上交替沉积金属和非金属层，通过选择材料，控制镀膜的厚度及周期的选定，实现对硬x射线到真空紫外波段的光的调制。上图为来自德国incoatec的四靶材磁控溅射镀膜系统。可实现多种膜系组合的高精度镀膜。[la/b4c]40 多层膜b-kα（183ev）用多层膜，d：10nm单层膜厚：1-10nm0.x nm的镀膜精度tem: 完美的镀层界面frank hertlein, a.e.m. 2008上图为40层la-b4c多层膜的剖面透射电镜图像和选区电子衍射，弥散的衍射环说明膜层是非晶结构。同时可以明显看到：周期为10nm的膜层界面非常清晰和规则。这套镀膜系统可获得0.x nm的镀膜精度。多层膜的特点示例—单色和塑形多层膜最显著的特点和优势在于可以通过基底的面型控制和镀层的膜厚控制，将x光的塑形和单色统一起来。当然，这是以精度极高的镀膜工艺为前提。下图的数据展示了进行梯度渐变镀膜时，从镜片一端到另一端镀膜的周期设计数值 vs. 实际工艺水平。可以看到：长度为150mm的基底上，单层镀膜膜厚需要控制在3.8-5.7nm，公差需要在1%以内。相当于在1500公里的长度上，厚度起伏要控制mm水平。这是非常惊人的原子层级的工艺水平。frank hertlein, a.e.m. 2008通过面型控制来实线x射线的塑形；通过极高精度的膜厚控制实现2d值渐变—继而实现单色；0.x nm尺度的镀膜误差——需要具备原子层级的工艺水平！多层膜的特点示例—带宽和反射率除了可以通过曲面基底和梯度镀膜实现对x光的塑形和单色，还可通过对膜层材料、膜厚、镀膜层数等参数的设计和控制，来实现带宽和反射率的灵活调整。如窄带宽的高分辨多层膜，以及宽带宽的高积分反射率多层膜。要实现高分辨：首先要选择对比度较低的镀膜材料，如be、c、b4c、或al2o3；其次减小膜的厚度，多层膜的厚度降为10~20å；最后增加镀膜层数，几百甚至上千。from c. morawe, esrf多层膜的特点示例—和现有器件的高度兼容左侧: [ru/c]100, d = 4 nm r 80% for 10 e 22 kev中间: si111 δorientation0.01°右侧: [w/si]100, d = 3 nm r 80% for 22 e 45 kevdcmm at sls, switzerland, m. stampanoni精密、灵活的膜层设计和镀膜控制镀膜材料的组合搭配；d/2d值的设计和控制；带宽和反射率的灵活调整。和现有器件的高度兼容多层膜主流应用方向目前，多层膜的主流应用方向和场景主要有：粉末、x射线荧光、单晶衍射以及同步辐射的单色、衍射、散射装置搭建。粉末衍射x射线荧光单晶衍射同步辐射基于dac的原位高压静态x射线衍射典型的静高压研究中，常利用金刚石对顶砧来获得一些极端条件。在极端的高压、高温下，利用x射线来诊断新的物相及其演化过程是重要的研究手段。x-ray probe利用金刚石对顶砧可以获得极端条件(数百gpa, 几千°c) 利用x射线探针来诊断和发现新物相；由于对x光源、探测器以及实验技术等方面的苛刻要求，尤其是需要将微束的x光，精准的穿过样品而不打到封垫上。长期以来，基于dac的x射线高压衍射实验只能在同步辐射实现。但同步辐射有限的机时根本无法满足庞大的用户需求。不能在实验室进行基于dac的x射线高压衍射实验和样品筛选，一直是广大高压科研群高压衍射实验室体的一大痛点。以多层膜镀膜工艺为技术核心，将多层膜镜片与微焦点x光源耦合，我们可以为科研用户提供单能微焦斑x射线源，使得在实验室实现高压衍射成为可能。下图是利用mo靶（左）和ag靶（右）单能微焦斑x射线源获得的dac加载下的lab6样品的衍射图。曝光时间300s，探测器为ip板，样品和ip板距离为200mm。可以看到：300s曝光获得的衍射数据质量是可接受的。特别地，对于银靶，由于其能量更高，可以压缩倒易空间，在固定的2thelta角范围内，可以获得更多的衍射信息，这对于很多基于dac的静高压应用来说非常有吸引力。dac加载下的lab6样品的衍射数据：多层膜耦合mo靶（左）和ag靶（右）曝光时间300s，探测器为ip板，样品和ip板距离为200mmbernd hasse, proc. of spie vol. 7448, 2009 (doi: 10.1117/12.824855)基于激光驱动超快x射线衍射在利用激光驱动的x射线脉冲进行超快时间分辨研究中，泵浦探针是常用的技术手段。脉宽为几十飞秒的入射激光经分束后，一路用于激发超快x射线脉冲，也就是探针光；另一路经倍频晶体倍频作为泵浦光。通过延时台的调节，控制泵浦激光和x射线探针到达样品的时间间隔，可实现亚皮秒量级时间分辨的测量。而在基于激光驱动的超快x射线衍射实验中，如何提升样品端的光通量？如何获得低发散角的单色光束？如何抑制飞秒脉冲的时间展宽？如何同时兼顾以上的实验要求？都是需要考虑的问题。很多时候还需要兼顾多个技术指标，所以我们非常有必要对各类光学组件和x射线飞秒脉冲源的耦合效果和特点有一个比较清晰的认知。四种光学组件和激光驱动x射线源的耦合效果对比首先我们先对弯晶、多层膜镜、多毛细管和单毛细管四种组件的聚焦效果有个直观的了解。以下是将四种光学组件和激光驱动飞秒x射线源耦合，然后进行了对比。四种光学组件在聚焦和离焦位置的光斑：激光参数：800nm/1khz/5mj/45fs源尺寸：10um 打靶产额：4*109 photons/s/sr这是四种组件的理论放大倍率和实测聚焦光斑的对比。可以看到：弯晶和多层膜的工艺控制精度很高，实测光斑和理论值比较接近。而毛细管的大光斑并不是工艺精度的误差，而是反射型器件的色差导致的，不同能量的光都会对聚焦光斑有贡献，导致光斑较大。而各种组件的工艺误差，导致的强度不均匀分布，则是在离焦位置处的光斑中得到较为明显的体现。ge(444)双曲弯晶多层膜镜片单毛细管多毛细管放大倍率1270.7收集立体角 (sr)+---++反射率--+++-有效立体角 (sr)---+++1维会聚角 (deg)+---++耦合输出通量(ph/s)---+++聚焦尺寸 (μm)2332155105光谱纯度好好差差时间展宽 (fs)++++--激光参数：800nm/1khz/5mj/45fs打靶产额：4*109 photons/s/sr等级: ++ + - --利用针孔+sdd，在单光子条件下，测量有无光学组件时的强度和能谱，可以推演出相应的技术参数。这里我们直接给出了核心参数的总结对比。其中，大多数用户最为关注，同时也是对于实验最为重要的，主要是有效立体角、输出光通量、光谱纯度和时间展宽。可以看到：典型的有效收集立体角在-4、-5sr的水平，而在样品上的输出光通量在5-6次方每秒这样的水平。但是需要指出的是：毛细管并不具备单色的能力，虽然有效立体角大，但输出的是复色光。对于时间展宽的比较，很难通过实验手段获得测量精度在几十到百飞秒水平的结果，所以主要通过理论分析和计算来获得。对于同为衍射型组件的ge(444)双曲弯晶和多层膜镜片，光程差引入项主要是x光在组件内的贯穿深度。对于ge(444)，8kev对应的布拉格角约为70度，x光的衰减长度约为28um，对应的时间展宽约90fs。对于多层膜镜片，因为它属于掠入射型的衍射组件，x光的衰减长度在um量级，对应的时间展宽甚至可以到10fs水平，因此这里的数据相对比较保守的。而对于毛细管这种反射型器件，光程差引入项主要是毛细管的长度差。对于单毛细管，光程差在10fs水平，对于多毛细管，位于中心区域和边缘的子毛细管长度是有较大的差异的，光程差可达ps水平。小结1. 弯晶：单色性好、时间展宽较小、有效立体角小、输出通量低；2. 多层膜：单色性好、时间展宽较小、有效立体角大、kα输出通量高；3. 单毛细管：复色、时间展宽很小、有效立体角大、复色光通量高；4. 多毛细管：复色、时间展宽较大、有效立体角最大、复色光通量最高。每一种光学组件都有其适用的场景，对于非单色的超快应用，如超快荧光、吸收谱，毛细管可能更为合适，而对于追求单色的超快应用，如超快衍射，多层膜是比较好的选择，兼顾了单色性、时间展宽和有效立体角（输出通量）三个核心指标！如果您有任何问题，欢迎联系我们进行交流和探讨。北京众星联恒科技有限公司致力于为广大科研用户提供专业的x射线产品及解决方案服务！

p style="text-indent: 2em "strongspan style="text-indent: 2em "仪器信息网讯/span/strongspan style="text-indent: 2em " 2月25日，日立高新技术公司（TSE：8036）的全资子公司日立分析仪器（HitachiHigh-Tech Analytical Science）推出strongspan style="text-indent: 2em color: rgb(0, 112, 192) "新型FT160XRF光谱仪/span/strong，该分析仪提供三种基座配置选择方案用于纳米级镀层分析。日立分析仪器主要致力于分析和测量仪器的制造和销售。/span/pp style="text-align: center"img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 451px height: 301px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202002/uepic/c29354c7-1547-456d-ac6a-6c7087db5a33.jpg" title="日立新品.png" alt="日立新品.png" width="451" height="301" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: center "span style="color: rgb(0, 176, 240) text-indent: 0em "FT/spanspan style="color: rgb(0, 176, 240) text-indent: 0em "160 XRF镀层分析仪/span/pp style="text-indent: 2em "随着新型FT160系列在日本率先推出，日立分析仪器目前已在中国、北美、欧洲、中东和非洲销售FT160系列镀层分析仪并提供相关服务。/pp style="text-indent: 2em "span style="color: rgb(0, 112, 192) "日立推出的该款最新一代镀层分析仪旨在应对测量小型部件上的超薄镀层所带来的挑战。/spanFT160是一种台式EDXRF（能量色散x射线荧光）分析仪，配有强大的软件和硬件，能实现高样品处理量，且任何操作员均能获取高质量结果。由于FT160系列专为在生产质量控制中发挥关键作用而设计，span style="color: rgb(0, 112, 192) "因此其可在半导体、电路板和电子元件市场中被广泛应用/span。/pp style="text-indent: 2em "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong▋/strong/spanstrong测量纳米级的镀层/strong/pp style="text-indent: 2em "FT160配置高端部件，可以提供精细结构上的超薄镀层的元素分析。毛细管聚焦光学镜能聚焦直径小于30μm的X射线束，从而在样品上集中更大强度且其可测量的部件尺寸小于传统准直器可测量的部件尺寸。高灵敏度、高分辨率日立分析仪器硅漂移探测器（SDD）充分利用光学系统测量微电子和半导体上的纳米级镀层。高精度样品台和具备数字变焦功能的高清摄像头可快速定位样件，以提高样品处理量。/pp style="text-indent: 2em "span style="color: rgb(0, 112, 192) "日立分析仪器产品经理Matt Kreiner表示/span：“在之前产品的成功基础上所推出的FT160能提供重新设计的照明布置以提高零件的可视性并便于定位，且新的配置选择方案可确保特定应用的最佳性能并为繁忙的测试实验室提供新的紧凑型基座配置要素。该产品系列硬件和分析能力的不断发展使我们的客户更容易在快速发展的微电子领域控制生产。FT160是对我们镀层仪器综合系列的补充，这归功于日立45多年的XRF镀层分析仪的开发经验。”/pp style="text-indent: 2em "FT160系列现已允许订购。可通过点击文末a href="https://www.instrument.com.cn/netshow/SH104100/product.htm" target="_blank" style="color: rgb(0, 176, 240) text-decoration: underline "span style="color: rgb(0, 176, 240) "日立分析仪器厂商展位/span/a联系日立分析仪器。/pp style="text-align: left text-indent: 2em "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong▋/strong/spanstrong关于日立分析仪器/strong/pp style="text-align: left text-indent: 2em "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 354px height: 80px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202002/uepic/db00c146-e659-42ad-b762-773a6727b57f.jpg" title="00.png" alt="00.png" width="354" height="80" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: left text-indent: 2em "日立分析仪器是日立高新技术集团于2017年7月创立的全球性公司。其总部位于英国牛津，其在芬兰、德国和中国从事研发和装配业务并在全球多个国家开展销售和支持业务。其产品系列包括：/pp style="text-indent: 2em "span style="color: rgb(0, 112, 192) "□/span FT160、FT110和X-Strata微焦斑XRF光谱仪，能测量单层和多层镀层（包括合金层）的镀层厚度，可成为质量控制或过程控制程序以及研究实验室的专用分析仪。/pp style="text-indent: 2em "span style="color: rgb(0, 112, 192) "□/span EA1000、EA6000和HM1000 RoHS（有害物质限制指令）分析仪适用于RoHS 1和RoHS 2测试，使用便捷，能够很好适应限制指令的变化。/pp style="text-indent: 2em "span style="color: rgb(0, 112, 192) "□/span DSC7000X、DSC7020、NEXT STA、STA7000、TMA7100、TMA7300和DMA7100系列热分析仪已经过优化，可检测最小反应并使其可视化，同时具有坚固耐用、可靠且易于使用的特点。/pp style="text-indent: 2em "span style="color: rgb(0, 112, 192) "□/span EA8000 x射线颗粒污染物分析仪用于锂离子电池生产中快速有效的质量控制。/pp style="text-indent: 2em "span style="color: rgb(0, 112, 192) "□/span Lab-X5000和X-Supreme8000台式XRF光谱仪可为石油、木材处理、水泥、矿物、采矿和塑料等多种行业提供质量保证和过程控制服务。/pp style="text-indent: 2em "span style="color: rgb(0, 112, 192) "□/span OE750、PMI-MASTER、FOUNDRY-MASTER和TEST-MASTER系列分析仪被世界各地的行业用于进行快速和精确的金属分析。该仪器采用直读光谱分析技术，可测定所有重要元素，能提供低检测限和高精度，包括钢中的碳和几乎所有金属中所有技术相关的主要和痕量元素。/pp style="text-indent: 2em "span style="color: rgb(0, 112, 192) "□/span X-MET8000手持式光谱仪被成千上万的企业用于通过XRF精密技术进行简单、快速和无损的合金分析、废金属分拣和金属牌号筛选。/pp style="text-indent: 2em "span style="color: rgb(0, 112, 192) "□/span 采用LIBS激光技术的Vulcan手持式光谱仪只需一秒即可识别金属合金，是世界上分析速度最快的分析仪之一。这对需要处理大量金属的企业而言非常有利。/ppbr//p

日立分析仪器是日立高新技术公司（tse：8036）旗下一家从事分析和测量仪器的制造与销售业务的全资子公司。今日，日立分析仪器为台式光谱仪系列新增强大解决方案，以应对涂镀层行业的常见挑战。ft系列涂镀层测厚仪旨在对生产质量控制发挥关键作用，其在金属饰面处理和电子市场中的具有广泛应用。ft110a 和 ft150 系列为复杂形状的大型零件测量以及小型特征超薄涂层测量提供了新型解决方案。这两种仪器均属于台式 edxrf（能量色散x射线荧光）光谱仪，具有功能强大的软件和硬件，旨在提高样品分析量，任何操作员都可获得高质量的结果。ft110aft150轻松处理复杂样品ft110a 包含多个特征，用于测量通常难以处理的零件。可配置全封闭或开槽门的大型腔室，可装入汽车零部件和装饰五金件，与处理小型紧固件一样容易。自动对焦程序可以在离样品表面 80mm 的位置进行测量，非常适合测量凹陷区域或快速测量不同高度的多个零件。自动接近功能提供一键式定位功能，可将x射线组件设置在理想距离，以获得有复验性的结果。宽视角摄像头将呈现整个样品的图像，以便轻松定位所需的测量位置。只需点击图像中的特征，它将自动对准进行分析。测量纳米级的涂层ft150 配置高端组件，可以提供精细结构上的超薄涂层的元素分析。毛细聚焦管聚焦x射线束直径小于20μm，实现在样品上聚焦更大强度，并测量小于传统准直器可测量的特征。高灵敏度、高分辨率vortex硅漂移探测器（sdd）充分利用光学元件测量微电子设备和半导体上的纳米级涂层。高精度载物台和具备数字变焦功能的高清摄像头可快速定位样品特征，以提高样品分析量。日立分析仪器产品经理 matt kreiner 表示：“受到40年xrf镀层测厚仪研发经验启发，ft110a 和 ft150 使用的智能功能解决了涂镀层分析中最难的一些挑战。ft110a 的样品处理能力和 ft150 的微焦分析能力补全了我们全套涂镀层测厚仪系列，我们很高兴为客户提供这些新型解决方案。”关于日立高新技术公司日立高新技术公司总部位于日本东京，从事科学和医疗系统、电子设备系统、工业系统和先进工业产品等广泛领域的活动。公司2017财年的综合销售额约为6877亿日元（约合63亿美元）。关于日立分析仪器公司日立分析仪器是2017年7月成立并隶属于日立高新技术集团的全球性公司，总部位于英国牛津。其研发和生产运营部门位于芬兰、德国和中国，在全球许多国家可提供销售和支持服务。我们的产品系列包括：ft系列、x-strata 和 maxxi 微焦斑 xrf 分析设备可测量单层和多层合金涂层厚度，可应用于质检和过程控制和科研实验室。lab-x5000 和 x-supreme8000 台式 xrf 分析仪可为石油、木材处理、水泥、矿物、采矿和塑料等多种行业提供质量保证和过程控制。我们的 pmi-master、foundry-master 和 test-master 系列直读光谱仪被世界各行各业用来进行快速和精确的金属分析。这些仪器采用光学发射光谱技术可测定所有重要元素，其检测限低，精度高，包括钢中的碳和几乎所有金属中所有技术相关的主要元素和微量元素。x-met8000 手持分析设备，采用高精度 xrf 技术，可为很多行业提供简单、快速和无损的合金分析，包括废旧金属分拣和金属品级筛选。vulcan 手持分析设备，采用 libs 激光技术，可一秒检测金属合金，为检测量大的金属行业客户提供了最佳检测解决方案。

p　　科学家除改善电路中晶体管基本架构外，也积极寻找具有优异物理特性且能微缩至原子尺度( 1纳米)的晶体管材料。/pp　　芯科技消息，半导体技术蓬勃发展，但面对集成电路微缩化的3纳米制程极限，科学家除改善电路中晶体管基本架构外，也积极寻找具有优异物理特性且能微缩至原子尺度( 1纳米)的晶体管材料。/pp　　成功大学、台湾“科技部”、同步辐射研究中心合作研发出仅有单原子层厚度(0.7纳米)且具优异的逻辑开关特性的二硒化钨(WSesub2/sub)二极管，并在《自然通讯 Nature Communications》杂志上发表研究成果。/pp style="text-align: center "img width="447" height="500" title="1.jpg" style="width: 447px height: 500px " alt="1.jpg" src="https://img1.17img.cn/17img/images/201811/uepic/23354494-092f-4f45-a23e-f3f6ab8d514a.jpg" border="0" vspace="0"//pp　　根据研究团对介绍，二维单原子层二极管的诞生，更轻薄，效率更高，除了可超越摩尔定律进行后硅时代电子元件的开发，以追求元件成本/耗能/速度最佳化的产业价值外，还可满足未来人工智能芯片与机器学习所需大量计算效能的需求。/pp　　二维材料具有许多独特的物理与化学性质，科学家相信这些性质能为计算机和通信等多方领域带来革命性冲击。成大与同步辐射研究中心团队说明，其中与石墨烯(Graphene)同属二维材料的二硒化钨(WSe2)，是一种过渡金属二硫族化合物(Transition Metal Dichalcogenides, 简称TMDs)，能在单化合原子层的厚度(约0.7纳米)内展现绝佳的半导体传输特性，比以往传统硅半导体材料，除了厚度上已超越3纳米的制程极限外，可完全满足次世代集成电路所需更薄、更小、更快的需求。/pp　　研究团队利用同时兼具高亮度/高能量解析/高显微力的台湾“三高”同步辐射光源，成功观察到可以利用搭载二维材料的铁酸铋(BiFeO3)铁电氧化物基板，能有效地在纳米尺度下改变单原子层二硒化钨半导体不同区域电性。/pp　　指导该计划的成大教授吴忠霖表示，相较以往只能利用元素参杂或加电压电极等改变电性方式，最新发表的研究无需金属电极的加入，是极重大的突破。/pp　　该研究团队也解释，这项研究利用单层二硒化钨半导体与铁酸铋氧化物所组成的二维复合材料，展示调控二维材料电性无需金属电极的加入，就能打开和关闭电流以产生1和0的逻辑信号，这样能大幅降低电路制程与设计的复杂度，以避免短路、漏电、或互相干扰的情况产生。/pp　　由于二维材料极薄，能如同现今先进的晶圆3D堆栈技术一样，透过堆栈不同类型的二维材料展现不同的功能性。研究团对认为，未来若能将此微缩到极限的单原子层二极管组合成各种集成电路，由于负责运算的传输电子被限定在单原子层内，因此能大幅地降低干扰并能增加运算速度。/pp　　研究团对期望，若这项技术持续精进，预期可超过现今计算机的千倍、万倍，而且所需的能量极少，大量运算时也不会耗费太多能量达到节能的效果，其各项优点将对现今数字科技发展带来重大影响，团队也举例，或许未来手机充电一次就能连续使用1个月，以现阶段最火的自动驾驶汽车来说，如果所有的感测、运算速度都比现在快上千、万倍，视频中的未来汽车可能再也不是梦想。/pp /p

台式三维原子层沉积系统-ALD体积小巧，可放在实验桌上多片4，6，8 英寸样品同时沉积厚度均匀性高于99%适合复杂/ 掺杂薄膜沉积二维半导体表面沉积利器...... 随着现代半导体行业的发展，基于硅半导体的场效应晶体管（FET）的尺寸不断缩小，目前已经接近其物理极限。在新兴材料中，二维半导体可达到原子级厚度且保持高载流子迁移率，理论上可实现优异的栅极控制，因而被认为是用于下一代场效应晶体管的理想沟道材料。然而，由于二维半导体表面无悬挂键，很难在其表面集成高质量的介电层，这是目前该领域的重大难题。 为解决上述问题，华中科技大学翟天佑团队以无机分子晶体Sb2O3作为缓冲层，发明了一种在二维材料表面集成超薄高k介电层的普适性方法。利用该缓冲层法制备的HfO2/Sb2O3复合介电层可实现0.67 nm的等效氧化层厚度（EOT），是目前报道的二维晶体管介电层中zui低的。高质量的界面降低了界面态密度，由单层MoS2沟道和HfO2/Sb2O3复合介电层构成的FET在0.4 V的超低工作电压下即可获得超过106的开关比，其栅极控制效率优于目前报道的其他所有FET。该项成果以“Scalable integration of hybrid high-κ dielectric materials on two-dimensional semiconductors”为题发表于国际高水平期刊Nature Materials。 Sb2O3缓冲层的作用机理如下：一方面，Sb2O3可与二维半导体间形成高质量的范德华界面；另一方面，Sb2O3覆盖了二维材料原有的疏水表面，提供了高度亲水的表面，提升了与传统原子层沉积（ALD）工艺的相容性，便于集成超薄高k介电层。图1a展示了在MoS2二维半导体表面集成HfO2/Sb2O3复合介电层的过程。作者利用热蒸镀法制备了Sb2O3缓冲层，随后使用美国Arradiance公司的GEMStar系列台式原子层沉积(ALD)系统制备了致密均匀的HfO2层（图1b）。此外，作者还利用该台式ALD设备在MoS2/Sb2O3上生长了常见介电层Al2O3和ZrO2(图1c, 1d)，证明了该方法的普适性。图1. （a）在MoS2二维半导体表面集成HfO2/Sb2O3复合介电层的过程,(b)-(c)样品的AFM图像。 随后，作者用第一性原理计算研究了Sb2O3缓冲层对ALD过程的促进原理。如图2a-2b所示，H2O分子在MoS2表面的吸附距离为约3&angst ,在Sb2O3表面的吸附距离减小至约2&angst ，接近于水中氢键的长度。同时，H2O分子在Sb2O3表面的吸附能大幅高于在MoS2表面的吸附能（图2c）。上述结果表明Sb2O3缓冲层可促进ALD过程中的前驱体吸附，有助于介电层的生长。图2. H2O分子在(a)MoS2和（b）Sb2O3表面的吸附构型，（c）H2O分子在MoS2和Sb2O3表面的吸附能。 本文所使用的美国Arradiance公司的GEMStar系列台式原子层沉积系统如图3所示，在小巧的机身（78 * 56 * 28 cm）中集成了原子层沉积所需的所有功能，可容纳9片8英寸基片同时沉积。全系配备热壁，结合前驱体瓶加热，管路加热，横向喷头等设计，使温度均匀性高达99.9%，气流对温度影响减少到0.03%以下。高温度稳定度的设计不仅可在8英寸基体上实现厚度均匀的膜沉积（其厚度均匀性高于99%），而且适合对具有超高长径比孔径的3D结构进行均匀薄膜覆盖，在高达1500：1长径比微纳深孔内部也可均匀沉积。此外，该设备还具有节约前驱体原料，制备效率高，性价比高等优点。该设备已帮助国内外用户取得大量Nature、Science级别的研究成果。图3. 美国Arradiance公司生产的GEMStar系列台式三维原子层沉积系统参考文献：[1]. Scalable integration of hybrid high-κ dielectric materials on two-dimensional semiconductors. Nat. Mater., 2023, DOI:10.1038/s41563-023-01626-w

导读近年来，人们越来越关注健康防护类产品，比如，具有抗菌功能的高附加值纺织品等，越来越受到大众的青睐。最近小编在网上购物时发现，一些纺织品（如被子、衣服、口罩、手套等）宣称其面料中添加了石墨烯材料，自带抗菌功能。小编很是疑惑，经过一番查询，发现早在2010年，中国科学院上海应用物理研究所就报道了石墨烯材料的抗菌性能。石墨烯是一种片层的二维纳米粒子，不存在类似于高聚物的分子链，直接制备石墨烯存在一定的难度，因而在实际应用中多以氧化石墨烯为主。在氧化石墨烯的制备和研究中，其物理特性的精确表征技术和方法是关注的重点之一。不同氧化程度的氧化石墨烯的厚度不同，其性能也不同，因此厚度测量是表征氧化石墨烯的首要核心指标。石墨烯小科普石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、能源、生物医学等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革 命性的材料。石墨烯的抗菌机理之一是边缘切割理论，即石墨烯因片层结构而具有锋利的边缘，可对细菌进行物理切割，破坏细菌的细胞膜，降低膜电位或使电解质泄露从而抑制细菌生长。氧化石墨烯作为石墨烯的氧化物，其结构与石墨烯相似，都为单层原子层状结构。将活性含氧基团引入石墨烯上，经过处理后得到经过修饰的石墨烯薄片，这样可以增加活性反应位点，使得氧化石墨烯变得更容易进行表面改性，丰富了功能化的手段，可以有效提高改性氧化石墨烯与溶剂、聚合物的相容性，使其在有机以及无机复合材料领域有着更为广阔的应用。岛津SPM，助您从容应对科研难题目前，国内外对氧化石墨烯的厚度测量手段主要是原子力显微镜，将氧化石墨烯平铺在具有良好平整度的基底表面，借助原子力显微镜测量氧化石墨烯与基底间的高度差来确定氧化石墨烯的厚度。为了使氧化石墨烯的厚度测量方法规范化，国家标准化管理委员会发布了GB/T 40066-2021《纳米技术 氧化石墨烯厚度测量 原子力显微镜法》，这意味着氧化石墨烯厚度的主要测试手段——原子力显微镜开始逐步被标准化工作认可和接受。岛津扫描探针显微镜SPM具有快速响应的高速扫描器、独特的头部滑移结构以及丰富的测量模式，除了普通的形貌扫描，还可拓展电流、电势、磁力以及纳米力学测量等功能。氧化石墨烯厚度表征随机选取样品的两个区域，使用岛津扫描探针显微镜SPM-9700HT的动态模式对氧化石墨烯样品进行表面形貌扫描测试，获取了5 μm x 5 μm的两个区域的样品表面形貌，并在每个区域内随机选取3个样品进行剖面分析（见图1和图2），随机选取的剖面线分别为A-B、C-D和E-F。图1. 区域1内氧化石墨烯的表面形貌（左）和剖面分析（右）图2. 区域2内氧化石墨烯的表面形貌（左）和剖面分析（右）将获取的剖面线中的上、下台阶的各坐标进行线性拟合，得到两条拟合直线和对应的拟合参数：a1, b1, a2, b2。通过公式（1）计算上、下台阶的高度差H，即为上直线和下直线在xT点的距离（样品的厚度）。式中：H——样品厚度值，单位为纳米（nm）；xT——两条拟合直线相邻端点中心位置的x坐标；a1, b1——上台阶拟合直线对应的参数值；a2, b2——下台阶拟合直线对应的参数值。注：拟合的两条直线应具有相同的长度和点数，长度不小于14 nm，点数不少于20个点，且这两条直线的b1和b2斜率应小于0.1，否则弃用该轮廓线。将上述形貌图中的选取的剖面线数据导入Origin软件中进行分段线性拟合，获取的上、下台阶拟合直线参数。以区域1中的剖面线A-B为例，上、下台阶拟合直线参数见图3。两个区域内的氧化石墨烯样品的厚度值见表1。图3. 氧化石墨烯样品的剖面线拟合图表1. 剖面线拟合计算的厚度值结语氧化石墨烯作为石墨烯的一类重要衍生物，具有优异的光学、电学、力学以及良好的生物相容性，被广泛应用于材料学、生物医学以及药物传递等诸多领域。岛津SPM可简单、快速地表征氧化石墨烯的表面形貌，并准确获取氧化石墨烯的厚度值，这也体现了岛津SPM具有精确表征纳米级及以下样品厚度的能力。本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。

近日 ，美国麻省理工学院 Jeong Min Park、曹原等人在《自然》发文，报告三层扭转石墨烯能够表现出超导性。这个“三明治”比双层的“魔角” 石墨烯更加稳定，并且能够通过两种相互独立的方式进行调节。这样的结构或有助于理解实现高温超导需要的条件。图片来源：Pixabay当两片石墨烯 以 1.1° 的扭转角度交错排列，这个双层结构就会转变为非常规的超导体，从而使电流无阻通过，而不会浪费能量。这种“魔角”石墨烯结构及其超导效应由美国麻省理工学院 （MIT）物理学教授 Pablo Jarillo-Herrero 团队在 2018 年首次发现。这项研究也让中科大少年班毕业生、当时年仅 21 岁的曹原“一战成名”： 他以共同第一作者/共同通讯作者 的身份首次在同一天发表了两篇《自然》 （Nature ）论文，随后他 成为了 《自然》2018 年十大科学人物中最年轻的学者 。扭转电子学 （twistronics）领域从此兴起。此后，科学家一直在寻找其他可以经过扭转而表现出超导性质的材料。但是到目前为止，除了最初的双层“魔角”石墨烯以外，没有发现其他材料具备相似的特性。近日，已经成为博士后的曹原再次以共同第一作者身份 在《自然》发文报告，在三层石墨烯组成的“三明治”中观察到超导性。 在新的三层结构中，中间一层石墨烯相对于外层以新的角度扭转，其超导性比双层结构更稳定。该论文 2 月 1 日在《自然》发表， Jeong Min Park 和曹原为共同一作，此外曹原还与他的导师、Pablo Jarillo-Herrero 共同担任论文通讯作者。日本国立材料科学研究所（National Institute of Materials Science）的渡边贤司（Kenji Watanabe）和谷口尚（Takashi Taniguchi）也参与了这项研究。研究人员还可以通过施加和改变外部电场的强度来调节结构的超导性。而通过调节三层结构，研究人员能够产生超强耦合超导性，这是一种奇特的电学行为，在其他所有材料中很少见。Jarillo-Herrero 说：“目前尚不清楚魔角双层石墨烯是不是特例，但现在我们知道它并不孤单，它有一个三层表亲。这种超可调（hypertunable）超导体的发现将转角电子学领域扩展到了全新的方向，在量子信息和传感技术中具有潜在的应用。”打开新型超导体研究的大门在 Jarillo-Herrero 和同事们发现扭转双层石墨烯中可能产生超导性之后不久，理论物理学家提出，在三层或更多层石墨烯中也可能看到相同的现象。石墨烯就是厚度仅有一层原子的石墨，它完全由排列成蜂窝状晶格的碳原子组成，如同纤细却坚固的金属网格。理论物理学家提出，如果将三层石墨烯像三明治一样堆叠， 中间层相对于两个外层扭转 1.56 度，那么这种扭曲构型将产生一种对称性，从而促使材料中的电子配对，形成无阻力的电流，即超导的标志。Jarillo-Herrero 说：“我们就想，为什么不尝试检验一下这个想法？”为此，Park 和曹原设计了三层石墨烯结构。他们将单层石墨烯小心地切成三个部分，并将其按照理论预测的角度精确堆叠。他们制造了几个这样的三层结构，每个结构的尺寸仅有几微米，大约相当于人类头发的直径的 1/100，高度则为三个原子。Jarillo-Herrero 称之为 “纳米三明治”。接下来，研究小组将电极连接到结构的两端，并通过电流，同时测量材料中损失或耗散的能量。“我们没有观察到能量耗散，这意味着它是超导体。”Jarillo-Herrero 说，“我们必须肯定理论物理学家的贡献，他们算出了正确的夹角。”但他补充说， 这种结构具备超导性能的确切原因仍然有待确认，目前还不确定这是不是因为理论物理学家所提出的对称性。这也是他们计划在未来的实验中进行检验的内容。 他说：“目前我们只能确认相关性，而无法确认因果关系。但现在我们至少有了一条途径，可以根据这种对称性思想探索一大批新型超导体。”“ 最强大的耦合超导体”在探索新的三层石墨烯结构时，研究团队发现，可以通过两种方式控制其超导性。对于团队此前提出的双层石墨烯，可以通过施加外部 门电压来改变流过材料的电子数量，从而调节其超导性。研究团队上下调节门电压，同时测量材料停止耗散能量、转变为超导体时的临界温度。通过这种方式，团队能够像调节晶体管一样打开和关闭双层石墨烯的超导性。团队使用相同的方法来调节三层石墨烯，同时还发现了控制材料超导性的第二种方法，这在双层石墨烯和其他扭转角结构中是不可能的。这种方式就是使用附加电极对材料施加 电场，这能够改变三层结构之间的电子分布，同时不改变结构的整体电子密度。Park 说：“现在，这两个相互独立的‘旋钮’能为我们提供大量有关超导电性出现条件的信息，帮助我们理解这种不寻常的超导状态背后至关重要的物理学原理。”通过同时使用这两种方法调整三层结构，研究小组在一定条件下观察到了超导性，包括在相对较高的 3 开尔文临界温度下，即使此时材料的电子密度很低。相比之下，量子计算领域正在研究使用铝制作超导体，铝具有更高的电子密度，而它仅在约 1 开尔文的温度下才具备超导性。Jarillo-Herrero 说：“我们发现魔角三层石墨烯可以成为最强大的耦合超导体，这意味着在给定的电子数量很少的情况下，它也能在相对较高的温度下进行超导。它能带来最大的收益。”研究人员计划制造三层以上的转角石墨烯结构，以了解具有更高电子密度的此类构型是否可以在更高的温度下表现出超导性，甚至实现室温超导。“如果能够工业化大规模生产这些结构，那么我们就可以制造用于量子计算的超导比特，或者低温超导电子器件、光子探测器等。不过我们还不知道如何一次制造数十亿个这样的结构，”Jarillo-Herrrero 说。Park 说：“我们的主要目标是理解强耦合超导的基本性质。三层石墨烯不仅是有史以来最强大的强耦合超导体，它还具备最大的调节空间。借助这种可调谐性，我们能够真正实现在相空间的任何位置探索超导电性。”论文信息：Park, J.M., Cao, Y., Watanabe, K. et al. Tunable strongly coupled superconductivity in magic-angle twisted trilayer graphene. Nature (2021).

摘要：本文首先简单回顾了辉光放电光谱仪（Glow Discharge Optical Emission Spectrometry，GDOES）的发展历程及特性，然后通过实例介绍了GDOES在微米涂层以及纳米超薄膜层深度剖析中的应用，并简介了深度谱定量分析的混合-粗糙度-信息深度（MRI）模型，最后对GDOES深度剖析的发展方向作了展望。1 GDOES发展历程及特性辉光放电发射光谱仪应用于表面分析及深度剖析已经有近100年的历史。辉光放电装置以及相关的光谱仪最早出现在20世纪30年代，但直到六十年代才成为化学分析的研究重点。1967年Grimm引入了“空心阳极-平面阴极”的辉光放电源[1]，使得GDOES的商业化成为可能。随后射频（RF）电源的引入，GDOES的应用范围从导电材料拓展到了非导电材料，而毫秒或微秒级的脉冲辉光放电(Pulsed Glow Discharges，PGDs)模式的推出，不仅能有效地减弱轰击样品时的热效应，同时由于PGDs可以使用更高激发功率，使得激发或电离过程增强，大大提高了GDOES测量的灵敏程度，极大推动了GDOES技术的进步以及应用领域的拓展。GDOES被广泛应用于膜层结构的深度剖析，以获取元素成分随深度变化的关系。相较于其它传统的深度剖析技术，如俄歇电子能谱（AES）、X射线光电子能谱（XPS）和二次离子质谱（SIMS）或二次中性质谱（SNMS），GDOES具有如下的独特性[2]：（1）分析样品材料的种类广，可对导体/非导体/无机/有机…膜层材料进行深度剖析，并可探测所有的元素(包括氢)；（2）分析样品的厚度范围宽，既可对微米量级的涂层/镀层，也可对纳米量级薄膜进行深度剖析；（3）溅射速率高，可达到每分钟几微米；（4）基体效应小，由于溅射过程发生在样品表面，而激发过程在腔室的等离子体中，样品基体对被测物质的信号几乎不产生影响；（5）低能级激发，产生的谱线属原子或离子的线状光谱，因此谱线间的干扰较小；（6）低功率溅射，属层层剥离，深度分辨率高，可达亚纳米级；（7）因为采用限制式光源，样品激发时的等离子体小，所以自吸收效应小，校准曲线的线性范围较宽；（8）无高真空需求，保养与维护都非常方便。基于上述优势，GDOES被广泛应用于表征微米量级的材料表面涂层/镀层、有机膜层的涂布层、锂电池电极多层结构和用于其封装的铝塑膜层、以及纳米量级的功能多层膜中元素的成分分布[3-6]，下面举几个具体的应用实例。2 GDOES深度剖析应用实例2.1 涂层的深度剖析用于材料表面保护的涂层或镀层、食品与药品包装的柔性有机基材的涂布膜层、锂电池的多层膜电极，以及用于锂电池包装的铝塑膜等等的膜层厚度一般都是微米量级，有的膜层厚度甚至达到百微米。传统的深度剖析技术，如AES，XPS和SIMS显然无法对这些厚膜层进行深度剖析，而GDOES深度剖析技术非常适合这类微米量级厚膜的深度剖析。图1给出了利用Horiba-Profiler 2（一款脉冲—射频辉光放电发射光谱仪—Pulsed-RF GDOES，以下深度谱的实例均是用此设备测量），在Ar气压700Pa和功率55w条件下，测量的表面镀镍的铁箔GODES深度谱，其中的插图给出了从表面到Ni/Fe界面各元素的深度谱，测量时间与深度的转换是通过设备自带的激光干涉仪（DIP）对溅射坑进行原位测量获得。从全谱来看，GDOES测量信号强度稳定，未出现溅射诱导粗糙度或坑道效应（信号强度随溅射深度减小的现象，见下），这主要是因为铁箔具有较大的晶粒尺寸。同时还可以看到GDOES可连续测量到~120μm，溅射速率达到4.2μm/min（70nm/s）。从插图来看， Ni的镀层约为1μm，在表面有~100nm的氧化层，Ni/Fe界面分辨清晰。图1 表面镀镍铁箔的GODES深度谱，其中的插图给出了从表面到Ni/Fe界面的各元素的深度谱图2给出了在氩-氧（4 vol%）混合气气压750Pa、功率20w、脉冲频率3000Hz、占空比0.1875条件下，测量的用于锂电池包装铝塑膜（总厚度约为120μm）的GODES深度谱，其中的插图给出了铝塑膜的层结构示意图[7]。可以看出有机聚酰胺层主要包含碳、氮和氢等元素。在其之下碳、氮和氢元素信号的强度先降后升，表明在聚酰胺膜层下存在与其不同的有机涂层—粘胶剂，所含主要元素仍为碳、氮和氢。同时还可以看出在粘胶剂层下面的无机物（如Al，Cr和P）膜层，其中Cr和P源于为提高Al箔防腐性所做的钝化处理。很明显，图2测量的GDOES深度谱明确展现了锂电池包装铝塑膜的层结构。实验中在氩气中引入4 vol%氧气有助于快速溅射有机物的膜层结构，同时降低碳、氮信号的相对强度，提高了无机物如铬信号的相对强度，非常适合于无机-有机多层复合材料的结构分析，而在脉冲模式下，选用合适的频率和占空比，能够有效地散发溅射产生的热量，从而避免了低熔点有机物的碳化。图2一款锂电池包装铝塑膜的GDOES溅射深度谱，其中的插图给出了铝塑膜的层结构示意图[7]2.2 纳米膜层及表层的深度剖析纳米膜层，特别是纳米多层膜已被广泛应用于光电功能薄膜与半导体元器件等高科技领域。虽然传统的深度剖析技术AES，XPS和SIMS也常常应用于纳米膜层的表征，但对于纳米多层膜，传统的深度剖析技术很难对多层膜整体给予全面的深度剖析表征，而GDOES不仅可以给予纳米多层膜整体全面的深度剖析表征，而且选择合适的射频参数还可以获得如AES和SIMS深度剖析的表层元素深度谱。图3给出了在氩气气压750Pa、功率20w、脉冲频率1000Hz、占空比0.0625条件下，测量的一款柔性透明隔热膜（基材为PET）的GODES深度谱，如图3a所示，其中最具特色的就是清晰地表征了该款隔热膜最核心的三层Ag与AZO（Al+ZnO）共溅射的膜层结构，如图3b Ag膜层的GDOES深度谱所示。根据获得的溅射速率及Ag的深度谱拟合（见后），前两层Ag的厚度分别约为5.5nm与4.8nm[8]。很明显，第二层Ag信号较第一层有较大的展宽，相应的强度值也随之下降，这是源于GDOES对金属膜溅射过程中产生的溅射诱导粗糙度所致。图3（a）一款柔性透明隔热膜GDOES深度谱；（b）其中Ag膜层GDOES深度谱[8]图4给出了在氩气气压650Pa、功率20w、脉冲频率10000Hz、占空比0.5的同一条件下，测量的SiO2(300nm)/Si(111)标准样品和自然生长在Si(111)基片上SiO2样品的GODES深度谱[9]。如果取测量深度谱的半高宽为膜层的厚度，由此得到标准样品SiO2层的溅射速率为6.6nm/s（=300nm/45.5s），也就可以得到自然氧化的SiO2膜层厚度约为1nm（=6.6nm/s*0.15s）。所以，GDOES完全可以实现对一个纳米超薄层的深度剖析测量，这大大拓展了GDOES的应用领域，即从传统的钢铁镀层或块体材料的成分分析拓展到了对纳米薄膜深度剖析的表征。图4 （a）SiO2(300nm)/Si(111)标准样品与（b）自然生长在Si(111)基片上SiO2样品的GDOES深度谱[9]3 深度谱的定量分析3.1 深度分辨率对测量深度谱的优与劣进行评判时，深度分辨率Δz是一个非常重要的指标。传统Δz(16%-84%)的定义为[10]：对一个理想（原子尺度）的A/B界面进行溅射深度剖析时，当所测定的归一化强度从16%上升到84%或从84%下降到16%所对应的深度，如图5所示。Δz代表了测量得到的元素成分分布和原始的成分分布间的偏差程度，Δz越小表示测量结果越接近真实的元素成分分布，测量深度谱的质量就越高。但是随着科技的发展，应用的薄膜越来越薄，探测元素100%（或0%）的平台无法实现，就无法通过Δz(16%-84%)的定义确定深度分辨率，而只能通过对测量深度谱的定量分析获得（见下）。图5深度分辨率Δz的定义[10]3.2 深度谱定量分析—MRI模型溅射深度剖析的目的是获取薄膜样品元素的成分分布，但溅射会改变样品中元素的原始成分分布，产生溅射深度剖析中的失真。溅射深度剖析的定量分析就是要考虑溅射过程中，可能导致样品元素原始成分分布失真的各种因素，提出相应的深度分辨率函数，并通过它对测量的深度谱数据进行定量分析，最终获取被测样品元素在薄膜材料中的真实分布。对于任一溅射深度剖析实验，可能导致样品原始成分分布失真的三个主要因素源于：①粒子轰击产生的原子混合（atomic Mixing）；②样品表面和界面的粗糙度（Roughness）；③探测器所探测信号的信息深度（Information depth）。据此Hofmann提出了深度剖析定量分析著名的MRI深度分辨率函数[11]： 其中引入的三个MRI参数：原子混合长度w、粗糙度和信息深度λ具有明确的物理意义，其值可以通过实验测量得到，也可以通过理论计算得到。确定了分辨率函数，测量深度谱信号的归一化强度I/Io可表示为如下的卷积[12]： 其中z'是积分参量，X(z’)为原始的元素成分分布，g(z-z’)为深度分辨率函数，包含了深度剖析过程中所有引起原始成分分布失真的因素。MRI模型提出后，已被广泛应用于AES，XPS，SIMS和GDOES深度谱数据的定量分析。如果假设各失真因素对深度分辨率影响是相互独立的，相应的深度分辨率就可表示为[13]：其中r为择优溅射参数，是元素A与B溅射速率之比（）。3.3 MRI模型应用实例图6给出了在氩气气压550Pa、功率17w、脉冲频率5000Hz、占空比0.25条件下，测量的60 Mo (3 nm)/B4C (0.3 nm)/Si (3.7 nm) GDOES深度谱[14]，结果清晰地显示了Mo (3 nm)/B4C (0.3 nm)/Si (3.7 nm) 膜层结构，特别是分辨了仅0.3nm的B4C膜层， B和C元素的信号其峰谷和峰顶位置完全一致，可以认为B和C元素的溅射速率相同。为了更好地展现拟合测量的实验数据，选择溅射时间在15~35s范围内测量的深度剖析数据进行定量分析[15]。图6 60×Mo (3 nm)/B4C (0.3 nm)/Si (3.7 nm) GDOES深度谱[14]利用SRIM 软件[16]估算出原子混合长度w为0.6 nm，AFM测量了Mo/B4C/Si多层膜溅射至第30周期时溅射坑底部的粗糙度为0.7nm[14]，对于GDOES深度剖析，由于被测量信号源于样品最外层表面，信息深度λ取为0.01nm。利用（1）与（2）式，调节各元素的溅射速率，并在各层名义厚度值附近微调膜层的厚度，Mo、Si、B（C）元素同时被拟合的最佳结果分别如图7（a）、（b）和（c）中实线所示，对应Mo、Si、B(C)元素的溅射速率分别为8.53、8.95和4.3nm/s，拟合的误差分别为5.5%、6.7%和12.5%。很明显，Mo与Si元素的溅射速率相差不大，但是B4C溅射速率的两倍，这一明显的择优溅射效应是能分辨0.3nm-B4C膜层的原因。根据拟合得到的MRI参数值，由（3）式计算出深度分辨率为1.75 nm，拟合可以获得Mo/B4C/Si多层薄膜中各个层的准确厚度，与HR-TEM测定的单层厚度基本一致[15]。图7 测量的GDOES深度谱数据(空心圆)与MRI最佳拟合结果(实线)：(a) Mo层，(b) Si层，(c) B层；相应的MRI拟合参数列在图中[15]。4 总结与展望从以上深度谱测量实例可以清楚地看到，GDOES深度剖析的应用非常广泛，可测量从小于1nm的超薄薄膜到上百微米的厚膜；从元素H到Lv周期表中的所有元素；从表层到体层；从无机到有机；从导体到非导体等各种材料涂层与薄膜中元素成分随深度的分布，深度分辨率可以达到~1nm。通过对测量深度谱的定量分析，不仅可以获得膜层结构中原始的元素成分分布，而且还可以获得元素的溅射速率、膜层间的界面粗糙度等信息。虽然GDOES深度剖析技术日趋完善，但也存在着一些问题，比如在GDOES深度剖析中常见的溅射坑底部凸凹不平的“溅射坑道效应”（溅射诱导的粗糙度），特别是对多晶金属薄膜的深度剖析尤为明显，这一效应会大大降低GDOES深度谱的深度分辨率。消除溅射坑道效应影响一个有效的方法就是引入溅射过程样品旋转技术，使得各个方向的溅射均等。此外，缩小溅射（分析）面积也是提高溅射深度分辨率的一种方法，但需要考虑提高探测信号的强度，以免降低信号的灵敏度。另外，GDOES深度剖析的应用软件有进一步提升的空间，比如测量深度谱定量分析算法的植入，将信号强度转换为浓度以及溅射时间转换为溅射深度算法的进一步完善。作者简介汕头大学物理系教授 王江涌王江涌，博士，汕头大学物理系教授。现任广东省分析测试协会表面分析专业委员会副主任委员、中国机械工程学会高级会员、中国机械工程学会表面工程分会常务委员；《功能材料》、《材料科学研究与应用》与《表面技术》编委、评委。研究兴趣主要是薄膜材料中的扩散、偏析、相变及深度剖析定量分析。发表英文专著2部，专利十余件，论文150余篇，其中SCI论文110余篇。代表性成果在《Physical Review Letters》，《Nature Communications》，《Advanced Materials》，《Applied Physics Letters》等国际重要期刊上发表。主持国家自然基金、科技部政府间国际合作、广东省科技计划及横向合作项目十余项。获2021年广东省科技进步一等奖、2021年广东省高校科研成果转化路演赛“新材料”小组赛一等奖、2021年粤港澳高价值大湾区专利培育布局大赛优胜奖、2020年广东省高校科研成果转化路演赛“新材料”小组赛一等奖、总决赛一等奖。昆山书豪仪器科技有限公司总经理 徐荣网徐荣网，昆山书豪仪器科技有限公司总经理，昆山市第十六届政协委员；曾就职于美国艾默生电气任职Labview设计工程师、江苏天瑞仪器股份公司任职光谱产品经理。2012年3月，作为公司创始人于创立昆山书豪仪器科技有限公司，2019年购买工业用地，出资建造12300平方米集办公、研发、生产于一体的书豪产业化大楼，现已投入使用。曾获2020年朱良漪分析仪器创新奖青年创新入围奖；2019年昆山市实用产业化人才；2019年江苏省科技技术进步奖获提名；2017年《原子发射光谱仪》“中国苏州”大学生创新创业大赛二等奖；2014年度昆山市科学技术进步奖三等奖；2017年度昆山市科学技术进步奖三等奖；多次获得昆山市级人才津贴及各类奖励项目等。主持研发产品申请的已授权专利47项专利，其中发明专利 4 项，实用新型专利 25项，外观专利7项，计算机软件著作权 11项。论文2篇《空心阴极光谱光电法用于测定高温合金痕量杂质元素》，《Application of Adaptive Iteratively Reweighted Penalized Least Squares Baseline Correction in Oil Spectrometer 》第一编著人；主持编著的企业标准4篇；承担项目包括3项省级项目、1项苏州市级项目、4项昆山市级项目；其中：旋转盘电极油料光谱仪获江苏省工业与信息产业转型升级专项资金--重大攻关项目（现已成功验收，获政府补助660万元）、江苏省首台（套）重大装备认定、江苏省工业与信息产业转型升级专项资金项目、苏州市姑苏天使计划项目等；主持研发并总体设计的《HCD100空心阴极直读光谱仪》、《AES998火花直读光谱仪》、《FS500全谱直读光谱仪》《旋转盘电极油料光谱仪OIL8000、OIL8000H、PO100》均研发成功通过江苏省新产品新技术鉴定，实现了产业化。参考文献：[1] GRIMM, W. 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关于最小称量值的常见误解我们想指出行业中普遍存在的一个主要误解：许多企业错误地认为，是否可以加上去皮容器的重量以符合最小称量值的要求。换而言之，这些企业认为如果去皮容器的重量大于最小称量值，则可以添加任何重量的物质，而最小称量值要求也会自动满足。这将意味着，您甚至可以使用足够大的去皮容器在量程为 3 吨的工业地磅上称量一克的物质，并仍能够获得要求的过程准确度。由于称量示值的化整误差是仪器的最低不确定度限值，因此，显然无论在任何去皮容器中称量如此小的物质都不会获得满意的准确度结果。这个极端例子表明，这种普遍理解是错误的。同样，假如在一个去皮容器中称量不止一个样品（例如，作为配方过程的一部分），每一个样品均必须符合最小称量值要求。 修订版 USP 通则 中也阐述了这一误解： “在称量样品时，为了满足规定的称量允差，样品质量（即净重）必须等于或大于最小称量值。最小重量是指样品净重量，而不是皮重或毛重。” 最近，我们遇到的另一个误解是关于最小称量值约 100 千克磅秤的分装应用和所测量的最小称量值。该公司称，他们每次分装 20 千克的物质，然而为了遵照最小称量值要求，往往会在容器中留下超过 100 千克的物质。该公司不明白，为了符合自己的准确度度要求，他们需要称量至少 100 千克（而不是 20 千克）的物质。 简而言之，不论是称量前或称量后，在配方、分装和类似应用过程中，每一个组件都必须符合最小称量值要求。为了强调必须考虑样品净重，皮重与是否符合最小称量值标准无关，最小称量值通常指最小样品净重量。超微量天平的优势创新调整系统新的 2 点式调整系统确保非常高的测量精度，同时减少线性误差，在整个称重量程内保证可靠结果。首屈一指的测量精度*新 Tegra 系列处理器与专为根据环境条件调整筛选而设计的原创解决方案相结合，确保出众的工作条件可重复性和快速结果稳定性。新的数据管理体验可扩大至高达 32 GB 的内存能够记录复杂报告形式的测量数据，以及显示统计数据等信息的图表。可重复性，符合 USP非常好的称重精度和 sd ≤ 1d 的可重复性，加上符合 USP 要求（第 41 和 1251 条），为重量测量品质树立新的标准。符合人体工程学，操作安全终端和称重设备之间的无线通信支持在层流柜和通风橱中使用天平。通过移动设备操作Wi-Fi 功能支持将天平数据传输到使用 iOS 或 Android 系统的移动设备。数据安全性由于采用 ALIBI 内存自动执行测量结果记录，您的数据始终安全，并且可以在需要时随时使用。