原子制造：基础研究与前沿探索
“原子制造：基础研究与前沿探索”专题编者按
特邀编辑: 高鸿钧 中国科学院物理研究所
DOI: 10.7498/aps.70.020101
制造技术的不断迭代发展带来了器件性能的飞跃, 也推动着人类技术的进步. 伴随着器件特征尺寸的不断缩小, 制造技术先后经历了宏观制造、介观制造、微观制造和纳米制造等多个阶段, 当前最具代表性的半导体工艺, 已经从微米尺度走到最前沿的3 nm 左右, 并进一步向更小的尺度迈进.因此, 制造技术进入到原子尺度已不再是遥不可及的梦想, 而成为现在科技界研究前沿的现实对象.然而, 在原子尺度下, 常规制造技术在材料、结构和器件的制造过程中遇到了原理性和系统性的瓶颈和壁垒, 这种制造精度的提升将不再是线性微缩, 而是从经典行为到量子行为的跨越, 势必孕育出颠覆性的新材料、新器件和新原理. 例如, 有限原子数的小团簇会呈现与块体截然不同的结构和物理性质, 甚至产生类似高温超导的“能隙”; 超导基底上的铁磁原子线会形成马约拉纳费米子器件,是拓扑量子计算的载体; 二维原子晶体材料家族中, 石墨烯的费米速度比块材石墨高上千倍, 扭角石墨烯则可以形成奇特的莫特绝缘体态, 单层的二硫化钼具有比块材高10 万倍的二阶非线性光学系数; 原子精确操控的晶体管有可能形成相干的高质量量子点阵列, 也有可能成为具有选择性的极限单分子灵敏度的气体传感器, 等等. 因此, 单原子层次上的功能器件设计与制造—原子制造, 迅速成为当前科学、技术和产业界共同关注的前沿研究热点. 原子制造是采用“自下而上”的变革性技术路线, 在原子水平的高效制造工艺, 是精细制造技术发展的必然趋势, 也是物质科学的终极梦想之一. 我们希望从原子这一常规物质世界的底层, 通过对单原子的精细操控, 制备新型原子材料, 构筑新器件, 并制作出新系统, 为解决“未来制造”提供一条从基础研究出发的新路线.
正是在这种科学梦想的感召及各级部门的关心和鼎力支持下, 国内快速形成了一支有影响力的学术队伍, 出现了一批优秀的工作, 使得我们出版一个以原子制造为主题的专辑成为可能. 同时, 为了帮助读者系统了解原子制造—单原子层次上功能器件制造—的前沿研究与最新进展, 推动原子制造技术及相关研究的进一步发展, 本刊特邀请部分活跃在本领域前沿各研究方向的专家, 围绕原子制造主题, 从材料、物理、化学、力学、模拟、实验和理论等诸方面, 以不同的视角介绍最新进展、问题、现状和展望. 专题内容包括: 1) 原子尺度的制造与检测工艺; 2) 二维原子材料与器件的研究; 3) 其他原子水平的材料与器件研究.我相信并希望“原子制造: 基础研究与前沿探索”专辑能对相关研究提供有价值的参考, 推动该领域的发展, 为国家科技发展做出重要贡献.
2021, 70 (2): 023601.
doi: 10.7498/aps.70.20201351
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本文采用尺寸选择的负离子光电子能谱技术, 结合密度泛函理论, 对${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_n^{-/0} $ (n = 0—4)团簇电子结构、成键性质以及稳定性进行了研究. 实验测得${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_n^{-} $ (n = 0—4)团簇负离子基态结构的垂直脱附能分别为(1.16 ± 0.08), (1.35 ± 0.08), (1.51 ± 0.08), (1.30 ± 0.08)和(1.86 ± 0.08) eV. 中性Ta4Cn (n = 0—4)团簇的电子亲和能分别为(1.10 ± 0.08), (1.31 ± 0.08), (1.44 ± 0.08), (1.21 ± 0.08)和(1.80 ± 0.08) eV. 研究发现, ${\rm{Ta}}_4^{-/0} $团簇为四面体结构, ${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_1^{-/0} $团簇中碳原子覆盖在Ta4四面体的一个面上方, ${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_2^{-/0} $团簇则是两个碳原子分别覆盖在Ta4四面体中的两个面上方. ${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_3^{-/0} $团簇是一个缺角立方体结构. ${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_4^{-/0} $团簇则是近似立方体结构, 可以看成是α-TaC面心立方晶体的最小晶胞单元. 分子轨道分析结果显示${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_3^{-} $团簇的单电子最高占据轨道主要布居在单个钽原子周围, 导致${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_3^{-} $团簇的垂直脱附能明显低于其相邻团簇. 理论研究显示随着碳原子数目的增加, ${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_n^{-/0} $ (n = 0—4)团簇中的钽-钽金属键逐渐被钽-碳共价键取代, 单原子结合能逐渐增加且明显高于${\rm{Ta}}_{4+n}^{-/0} $(n = 0—4)团簇. 中性Ta4C4的单原子结合能高达7.13 eV, 这说明钽-碳共价键的形成有利于提高材料的熔点, 这与碳化钽作为高温陶瓷材料的特性密切相关.
2021, 70 (2): 020701.
doi: 10.7498/aps.70.20201501
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扫描隧道显微镜原子操纵技术是指利用扫描探针在特定材料表面以晶格为步长搬运单个原子或分子的技术.它是纳米尺度量子物理与器件研究领域一种独特而有力的研究手段. 利用这种手段, 人们能够以原子或分子为单元构筑某些常规生长或微加工方法难以制备的人工量子结构, 通过对格点原子、晶格尺寸、对称性、周期性的高度控制, 实现对局域电子态、自旋序、以及能带拓扑特性等量子效应的设计与调控. 原子操纵技术与超快测量及自动控制技术的结合, 使得人们能够进一步研究原子级精准的量子器件, 因而该技术成为探索未来器件新机理、新工艺的重要工具. 本文首先简介原子操纵方法的发展过程和技术要点, 然后分别介绍人工电子晶格、半导体表面人工量子点、磁性人工量子结构、人工结构中的信息存储与逻辑运算、单原子精度原型器件等方面的最新研究进展, 以及单原子刻蚀和自动原子操纵等方面的技术进展, 最后总结并展望原子操纵技术的应用前景和发展趋势.
2021, 70 (2): 028102.
doi: 10.7498/aps.70.20201430
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原子及近原子尺度制造是直接以原子为操纵对象, 构建具有特定功能的原子尺度结构, 并实现批量生产以满足所需要的前沿制造技术, 是国际学术研究的前沿热点问题. 本综述总结了核酸材料在精准原子制造中的应用及前景, 从核酸材料的基本结构与功能出发, 论述了DNA与金属原子相互作用的基本原理. 从天然核酸材料、人工碱基“分子元素”、核酸纳米结构等方面分类介绍了核酸材料介导的精准原子制造的发展历程与突破性进展. 最后, 对该领域存在的一些挑战与机遇进行了系统性总结, 并对其未来发展方向进行了展望.
2021, 70 (2): 027102.
doi: 10.7498/aps.70.20201434
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近年来, 在石墨烯研究热潮的推动下, 众多种类丰富、性能各异的二维化合物材料相继被发现, 其中一些二维材料具有多种同素异构体, 进而呈现出更丰富的性质. 层状Bi2Se3由于其独特的物理性质, 受到人们广泛的关注, 而它的同素异构体尚未有人研究. 本文采用基于密度泛函理论的结构搜索方法, 预测了一个稳定的β-Bi2Se3新相, 它具有良好的动力学和热力学稳定性, 并在低Bi2Se3源化学势条件下容易形成. 单层β-Bi2Se3是一个直接带隙为2.44 eV的二维半导体, 其电子载流子有效质量低至0.52m0, 在可见光范围内具有高达105 cm–1的光吸收系数, 并且能带边缘位置适中, 可用于光催化水分解制氢气. 此外, 由于β-Bi2Se3在垂直层面方向的镜面对称性破缺, 能够产生面外极化强度, 具有0.58 pm/V的面外压电系数. 鉴于其新颖的电子特性, 二维β-Bi2Se3在未来的电子器件中可能发挥重要的作用.
2021, 70 (2): 026201.
doi: 10.7498/aps.70.20201437
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框架核酸是核酸分子通过自组装形成的一维到三维的框架结构, 不仅能精准定位功能基元, 还可实现在纳米甚至原子级尺度上进行力学、光学和电学等物理性质, 以及单分子水平化学与生化反应的精准调控. 利用框架核酸对物质进行原子级的人工自组装, 可实现基本构筑单元的精准物理排布与功能化集成, 进而实现器件制造, 有望推动从原子到宏观的精确功能化的制备. 本文围绕框架核酸和原子制造两大前沿的交叉领域, 阐述框架核酸在原子级精准构筑方面的可行性和优势, 首先介绍了具有原子级精准性的框架核酸的构建, 以及利用框架核酸进行功能化组装的一般策略, 然后着重探讨框架核酸在器件构筑方面的研究进展, 最后就面向原子制造的未来发展方向进行了展望.
2021, 70 (2): 024202.
doi: 10.7498/aps.70.20201537
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蘸笔纳米刻印术(dip-pen nanolithography, DPN)作为一种独特的纳米加工手段, 具有在各类基底上书写精细图案的能力. 自20世纪末诞生以来, 研究者们对DPN中的墨水输运原理有了更深入的理解, 同时受惠于材料学的发展并结合复杂生化反应体系, 数种基于DPN衍生的纳米加工技术被开发出来. 与此同时, 依靠机械作用引发的一类化学反应, 即力化学(mechanochemistry), 在最近数十年来获得了越来越多的关注, 多种新颖的实验方法被引入. 本综述将介绍DPN及若干衍生技术的原理与应用, 以及力化学的机理与实现方法, 进而探讨结合这两者优势发展力化学打印的可能, 并揭示其在纳米技术及原子制造领域的应用前景.
2021, 70 (2): 027901.
doi: 10.7498/aps.70.20201419
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自石墨烯被发现以来, 二维材料因其优异的特性获得了持续且深入的探索与发展, 以石墨烯、六方氮化硼、过渡金属硫化物、黑磷等为代表的二维材料相关研究层出不穷. 随着二维新材料制备与应用探索的不断发展, 单一材料性能的不足逐渐凸显, 研究者们开始考虑采用平面拼接和层间堆垛所产生的协同效应来弥补单一材料的不足, 甚至获得一些新的性能. 利用二维材料晶格结构的匹配构建异质结, 实现特定的功能化, 或利用范德瓦耳斯力进行堆垛, 将不同二维材料排列组合, 从而在体系里引入新的自由度, 为二维材料的性质研究和实际应用打开了新的窗口. 本文从原子制造角度, 介绍了二维平面和范德瓦耳斯异质结材料的可控制备和光电应用. 首先简要介绍了应用于异质结制备的常见二维材料的分类及异质结的相关概念, 然后从原理上分类列举了常用的表征方法, 随后介绍了平面和垂直异质结的制备方法, 并对其光电性质及器件应用做了简要介绍. 最后, 对领域内存在的问题进行了讨论, 对未来发展方向做出了展望.
2021, 70 (2): 027802.
doi: 10.7498/aps.70.20201497
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黑磷是继石墨烯、过渡金属硫族化合物(TMDCs)之后又一个备受关注的二维材料. 黑磷从单层到块材都是直接带隙半导体, 且带隙从单层的1.7 eV一直随着层数的增加而减小, 到块材则变为0.3 eV, 涵盖了可见光到中红外波段, 恰好填补了石墨烯和过渡金属硫族化合物的带隙在该波段的空白. 同时, 黑磷还具有很高的载流子迁移率、良好的调控性、面内各向异性等优异特性, 很快便引起了人们广泛的研究兴趣. 本论文主要介绍了当前有关二维黑磷光学性质方面的研究进展, 包括黑磷的本征光学性质, 如带间跃迁吸收、激子、光致发光、光学性质的稳定性; 外界微扰, 如应变、电场等对黑磷光学性质的影响; 最后做了总结与展望. 希望本文对黑磷光学性质研究的综述, 能够引起对黑磷研究的更广泛兴趣.
2021, 70 (2): 023701.
doi: 10.7498/aps.70.20201561
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飞速发展的激光冷却、囚禁与操控中性原子的理论和实验技术不仅促进了人们对微观物质运动规律的认知, 而且在精密测量和量子信息领域催生了多项颠覆性的器件与应用. 不同于传统复杂庞大的原子光学实验装置, 原子芯片通过在硅等基底上制备的表面微纳结构或器件来精准控制磁场、电场或光场, 从而在小尺度、低功耗条件下实现对原子的强束缚与相干操控, 被认为是一种稳定、精确、功能及扩展性强大的原子及其量子态片上实验平台, 具有广泛且重大的应用价值. 本文首先简要回顾了原子芯片的发展历程, 然后介绍了基于载流导线的微势阱及微导引实现原子芯片的基本原理, 并着重讨论了基于载流导线的原子芯片制备技术、测试方法和集成的全链条关键实现技术. 随后, 本文综述了各国与原子芯片相关的研究计划布局和主要应用进展, 指出原子芯片走向实用面临的挑战性问题, 并对其未来发展进行了展望.
2021, 70 (2): 028201.
doi: 10.7498/aps.70.20201425
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二维材料及其异质结在电子学、光电子学等领域具有潜在应用, 是延续摩尔定律的候选电子材料. 二维材料的转移对于物性测量与器件构筑至关重要. 本文综述了一些具有代表性的转移方法, 详细介绍了各个方法的操作步骤, 并基于转移后样品表面清洁程度、转移所需时间以及操作难易等方面对各个转移方法进行了对比归纳. 经典干、湿法转移技术是进行物理堆叠制备原子级平整且界面清晰范德瓦耳斯异质结的常用手段, 结合惰性气体保护或在真空条件下操作还可以避免转移过程中二维材料破损和界面吸附. 高效、无损大面积转移方法为二维材料异质结构建和材料本征物理化学性质测量提供了强有力的技术保障. 转移技术的优化将进一步扩展二维材料在高温超导、拓扑绝缘体、低能耗器件、自旋谷极化、转角电子学和忆阻器等领域的研究.
2021, 70 (2): 027302.
doi: 10.7498/aps.70.20201415
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人为操控电子的内禀自由度是现代电子器件的核心和关键. 如今电子的电荷和自旋自由度已经被广泛地应用于逻辑计算与信息存储. 以二维过渡金属硫属化合物为代表的二维原子层材料由于其具有独特的谷自由度和优异的物理性质, 成为了新型谷电子学器件研究的优选材料体系. 本文介绍了能谷的基本概念、谷材料的基本物理性质、谷效应的调控和谷电子学器件的研究进展, 并对谷电子学材料和器件的研究进行了总结与展望.
2021, 70 (2): 028101.
doi: 10.7498/aps.70.20201436
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随着未来信息器件朝着更小尺寸、更低功耗和更高性能方向的发展, 构建器件的材料尺寸将进一步缩小. 传统的“自上而下”技术在信息器件发展到纳米量级时遇到瓶颈, 而气相沉积技术由于其能在原子尺度构筑纳米结构引起极大关注, 被认为是最有潜力突破现有制造极限进而在原子尺度构造、搭建物质形态的“自下而上”方法. 本文重点讨论适用于低维材料的原子尺度制造的分子束外延技术和原子层沉积/刻蚀技术. 简要介绍相关技术中蕴含的科学原理及其在纳米信息器件加工和制造领域的应用, 并探讨如何在原子尺度实现对低维功能材料厚度和微观形貌的精密控制.
2021, 70 (2): 026802.
doi: 10.7498/aps.70.20201398
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近年来, 二维层状材料由于其丰富的材料体系和独特的物理化学性质而受到人们的广泛关注. 后摩尔时代要求器件高度集成化, 大面积、高质量的二维材料可以保证器件中结构和电子性能的连续性. 要实现二维材料工业级别的规模化生产, 样品的可控制备是其前提. 化学气相沉积是满足上述要求的一种强有力的方法, 已广泛应用于二维材料及其复合结构的生长制备. 但是要实现多种二维材料大尺寸以至晶圆级的批量制备仍然是很困难的, 因此, 需要进一步建立对各种二维材料生长控制的系统认识. 本文基于材料生长机理分析了化学气相沉积反应中的物质运输、成核、产物生长过程对二维材料尺寸的影响, 以及如何通过调控这些过程实现二维材料大面积薄膜的可控制备. 通过对目前研究成果的总结分析, 讨论了如何进一步实现二维材料的高质量大面积制备.
2021, 70 (2): 026801.
doi: 10.7498/aps.70.20201406
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自从石墨烯问世以来, 具有各种新奇特性的二维材料在光电设备、自旋电子器件和谷电子器件等领域受到越来越多的关注. 其中, 使用各种分子基团对石墨烯进行不对称官能化时出现的优异性质, 引发了人们对其他具有不对称表面特性的Janus二维材料的研究. 作为二维材料的重要衍生物, Janus二维材料(尤其是Janus过渡金属硫化物)已成为近年来的研究热点. 实验和理论上均已证实这类材料由于具有镜面不对称性而拥有新颖的特性, 例如强的Rashba效应和平面外压电极化, 为其在传感器、制动器和其他机电设备中的应用提供了广阔的前景. 本文综述了新兴的Janus二维材料(包括Janus石墨烯, 各种Janus 二维材料以及Janus二维范德瓦耳斯异质结)的最新研究进展, 总结了Janus二维材料独特的电子性质和潜在的应用. 最后, 给出了对Janus二维材料进行下一步探索的结论和展望.
2021, 70 (2): 027301.
doi: 10.7498/aps.70.20201636
摘要 +
随着信息技术的不断进步, 核心元器件朝着运行速度更快、能耗更低、尺寸更小的方向快速发展. 尺寸不断减小导致的量子尺寸效应使得材料和器件呈现出许多与传统三维体系不同的新奇物性. 从原子结构出发, 预测低维材料物性、精准合成、表征、调控并制造性能良好的电子器件, 对未来电子器件的发展及相关应用具有至关重要的意义. 理论计算能在保持原子级准确度的情况下高效、低耗地预测材料结构、物性、界面效应等, 是原子制造技术中不可或缺的重要研究手段. 本综述从第一性原理计算角度出发, 回顾了近年来其在二维材料结构探索、物性研究和异质结构造等方面的应用及取得的重要进展, 并展望了在原子尺度制造背景下二维材料的发展前景.
2021, 70 (6): 060702.
doi: 10.7498/aps.70.20201870
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Rydberg原子在微波和太赫兹频段具有极大的电偶极矩, 利用量子干涉效应可实现对该频段电磁波场强的高灵敏探测, 理论上灵敏度可达到远高于现有探测技术的水平. 基于Rydberg原子量子效应的电磁场探测及精密测量技术在太赫兹的场强和功率计量、太赫兹通信和太赫兹成像等方面有着巨大的应用前景. 本文回顾了基于Rydberg原子量子干涉效应实现电磁波电场自校准和可溯源测量的基本理论和实验技术, 详细介绍了基于Rydberg原子的高灵敏太赫兹场强测量、太赫兹近场高速成像和太赫兹数字通信的基本原理和技术方案. 最后简单介绍了本研究团队正在开展的基于Rydberg原子的太赫兹探测工作.
2021, 70 (6): 063201.
doi: 10.7498/aps.70.20201401
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利用Rydberg原子作为微波传感器实现了微弱场的测量与通信. 在铯原子蒸气池中, 相向传输的探测光(852 nm)和耦合光(510 nm)与铯原子相互作用形成阶梯型三能级电磁感应透明光谱, 用于实现Rydberg原子的光学探测. 频率约为 2.19 GHz的强微波场作为本地场$ (E_{{\rm{L}}}) $ , 共振耦合相邻的两个Rydberg能级 $|68{\rm{D}}_{5/2}\rangle$ 和$|69{\rm{P}}_{3/2}\rangle$ , 与具有一定失谐$ {\text {δ}} f $ 的待测微弱信号场$(E_{{\rm{S}}})$ 同时作用于Rydberg原子. Rydberg原子作为微波混频器可直接读出两束微波的差频信号, 实现待测信号场的高灵敏探测, 对应的最小测量值为$E_{0} = 1.7\;$ μV/cm, 频率分辨率小于1 Hz. 在此基础上, 对微弱信号场进行编码, 实验上很好地还原了加载到微波弱场上的基带信号, 测量的传输带宽达200 MHz, 实现了微弱场条件下的通信.
2021, 70 (6): 068102.
doi: 10.7498/aps.70.20202014
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目前Si基半导体由于其自身材料特性的限制, 已经越来越难以满足高速发展的现代电力电子技术对半导体器件的性能要求. SiC作为新一代半导体材料具有显著的性能优势, 但由于其属于典型的难加工材料, 实现SiC晶圆的高质量与高效率加工成为了推动其产业化应用进程的关键. 本综述在回顾近年来SiC超精密加工技术研究进展的基础上, 重点介绍了一种基于等离子体氧化改性的SiC高效超精密抛光技术, 分析了该技术的材料去除机理、典型装置、改性过程及抛光效果. 分析结果表明, 该技术具有较高的去除效率, 能够获得原子级平坦表面, 并且不会产生亚表面损伤. 同时针对表面改性辅助抛光技术加工SiC表面过程中出现的台阶现象, 探讨了该台阶结构的产生机理及调控策略. 最后对等离子体辅助抛光技术的发展与挑战进行了展望.
2021, 70 (6): 060703.
doi: 10.7498/aps.70.20201924
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纳米级乃至更高精度的测量是原子及近原子尺度制造技术发展的基础和保障. 光学测量具有精度高、测量范围广、测量直观等优点, 其对单个成像光斑中心的定位可达远超衍射极限的精度. 但由于光本身散粒噪声、探测器暗电流噪声等随机性的存在, 光学测量存在精度极限. 本文基于克拉美罗下界理论发展了可适用于任意强度分布像斑的精度极限计算方法, 并以典型艾里斑为例, 分析了成像过程中反映信噪比、能量集中度、计算方式的参数对定位精度极限的影响规律并给出提高精度的建议和结论. 对实验所得像斑进行了精度极限计算, 验证了所得结论对类似艾里斑的像斑的适用性. 研究为原子及近原子尺度制造过程中光学测量的应用和优化提供了分析方法和理论指导.
2021, 70 (6): 064701.
doi: 10.7498/aps.70.20201613
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自石墨烯发现以来, 大量二维层状材料被相继发现. 二维材料中载流子被限制在界面1 nm空间内, 使其对化学掺杂非常敏感, 有望引起生物传感领域的技术变革. 生物传感过程无论基于何种传感机制, 都包含了检测物识别和信号转化过程. 检测物识别通常依靠传感界面的生物探针来完成, 信号转换依靠二维材料来实现信号输出. 在传感界面处对生物探针和二维材料进行原子级精准构筑, 则可精确调控传感过程中的物理化学过程, 优化器件的各项指标. 本文综述了二维生物传感界面构筑领域的研究进展, 重点介绍了目前几种常见的二维生物传感器的传感机制和不同类型的生物探针精准构筑方法, 探讨了未来生物传感界面研究的发展方向.
2021, 70 (6): 068201.
doi: 10.7498/aps.70.20201689
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原子及近原子尺度制造在近年来一直是物质科学领域被广泛探讨的前沿问题. 当制造和加工的尺度从微米、纳米逐渐走向原子级别时, 材料在常规尺度下所具备的性质已无法通过经典理论进行解释, 相反地, 会在这一尺度下展现出一系列新奇的特性. 因而对材料极限制造尺度和颠覆性物性的不断追求始终是科学界共同关注的重点领域. 作为一种在纳米尺度下对结构制造单元进行精细操控的先进手段, DNA纳米技术的开发和发展为纳米制造甚至原子制造提供了新的观点和思路, 而DNA折纸术作为DNA纳米技术的重要组成部分, 正在凭借其在结构制造过程当中的高度可编程性成为纳米尺度下进行各类物质精准制造的独特的解决方案, 并可能为不同物质不同材料更小尺度和任意形状的精准构筑带来机遇. 本文首先简单概述了DNA折纸术的基本原理和发展历程, 然后根据制造策略的不同对DNA折纸结构的纳米制造的相关代表性工作做了总结, 并在文末提出了对于DNA折纸结构在原子制造中的可行性的思考和未来发展方向的展望.
2021, 70 (6): 069801.
doi: 10.7498/aps.70.20201482
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六方氮化硼(h-BN)具有六角网状晶格结构和高化学机械稳定性, 可以用来封装气体并长期保持稳定, 适合用作新型信息器件及微纳机电器件的衬底材料, 具有巨大的应用前景. 近期, 科研人员发现氢原子可以无损穿透多层h-BN, 在层间形成气泡, 可用作微纳机电器件. 本文研究了氢等离子体处理时间对h-BN气泡尺寸的影响. 发现随着处理时间的延长, 气泡尺寸整体变大且分布密集程度会降低. 原子力显微镜的测量发现所制备的h-BN气泡具有相似的形貌特征, 该特征与h-BN的杨氏模量和层间范德瓦耳斯作用相关. 此外, 发现微米尺寸气泡的内部压强约为1—2 MPa, 纳米尺寸气泡的内部压强可达到GPa量级.
2021, 70 (6): 068101.
doi: 10.7498/aps.70.20201917
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原子级加工制造是实现半导体晶圆原子尺度超光滑表面的有效途径. 作为大尺寸高精密功能材料的原子级表面制造的重要加工手段之一, 化学机械抛光(chemical mechanical polishing, CMP)凭借化学腐蚀和机械磨削的耦合协同作用, 成为实现先进材料或器件超光滑无损伤表面平坦化加工的关键技术, 在航空、航天、微电子等众多领域得到了广泛应用. 然而, 为了实现原子层级超滑表面的制备, CMP工艺中常采用的化学腐蚀和机械磨削方法需要使用具有强烈腐蚀性和高毒性的危险化学品, 对生态系统产生了不可逆转的危害. 因此, 本文以绿色环保高性能抛光液作为对象, 对加工原子量级表面所采用的化学添加剂进行分类总结, 详尽分析在CMP过程中化学添加剂对材料表面性质调制的作用机理, 为在原子级尺度下改善表面性质提供可参考的依据. 最后, 提出了CMP抛光液在原子级加工研究中面临的挑战, 并对未来抛光液发展方向作出了展望, 这对原子尺度表面精度的进一步提升具有深远的现实意义.
2021, 70 (6): 068501.
doi: 10.7498/aps.70.20201848
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金刚石氮-空位色心结构因在量子精密测量领域的高灵敏度优势而备受关注. 本文引入耦合声子场对氮-空位色心原子自旋进行共振调控, 以提高氮-空位色心的自旋跃迁效率. 首先, 基于波函数和晶格的点阵位移矢量关系, 分析了声子与晶格能量交互作用, 研究了基于声子共振调控的氮-空位色心的自旋跃迁机理, 建立了基于应变诱导的能量转移声子-自旋交互耦合激发模型. 其次, 基于氮-空位色心晶格振动理论, 引入满足布洛赫定理的系数矩阵, 建立了不同轴向氮-空位色心第一布里渊区特征区域的声子谱模型. 同时, 基于德拜模型, 考虑热膨胀效应, 解析该声子共振系统的声子热平衡性质, 并对其比热模型进行研究. 最后, 基于分子动力学仿真软件CASTEP和密度泛函理论进行第一性原理研究, 构建了声子模式下不同轴向氮-空位色心的结构优化模型, 并分析了其结构特性、声子特性和热力学特性. 研究结果表明, 系统声子模式的演化依赖于氮-空位的占位, 声子模式强化伴随着热力学熵的降低. 含氮-空位色心金刚石的共价键较纯净无缺陷金刚石更弱, 热力学性质更不稳定. 含氮-空位色心金刚石的声子主共振频段处于THz量级, 次共振频率约为[800,1200] MHz. 根据次共振频段设计叉指宽度为1.5 μm的声表面波共振机构, 其中心频率约为930 MHz. 在该声子共振调控参数条件下, 声子共振调控方法可有效增大氮-空位色心的自旋跃迁概率, 实现氮-空位色心原子自旋操控效率的提高.
2021, 70 (6): 066801.
doi: 10.7498/aps.70.20202072
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原子表征与操控是实现原子制造必须突破的物理瓶颈之一. 像差校正电子显微学方法因其优异的空间分辨率, 为实现原子精细制造提供了有力的表征手段. 因此, 利用电子显微学手段, 在原子尺度对原子制造的材料及器件进行三维结构和性能的协同表征, 对于深入理解原子水平材料操控的物理机理具有非常重要的意义. 纳米团簇及纳米颗粒是原子制造材料与器件研究的主要对象之一, 具有丰富的物理化学性质和较高的可操纵性. 本文探讨纳米团簇/颗粒结构三维定量表征、使役条件下纳米团簇/颗粒结构演变定量表征、纳米颗粒/晶粒结构-成分-磁性协同定量表征等诸多方法与实例, 阐明了电子显微学表征手段的突破和发展为实现精细控制的原子制造材料提供了坚实基础.
2021, 70 (6): 068702.
doi: 10.7498/aps.70.20201438
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在后摩尔时代, 突破原有技术极限, 进行原子尺度的精准构筑, 是当前的重大科学问题. DNA作为具有原子级精准度的生物大分子, 能够进行程序性的分子识别, 构筑原子数量与位置均严格确定的自组装结构, 因此是进行原子制造的理想平台. 本文提出基于DNA自组装折纸结构的精准定位能力, 构筑铁原子阵列图案, 并应用于对信息的加密. 实验结果表明, 采用类似“信息预置”的方法, 铁原子成功实现在DNA折纸不同位置的高效定位, 此方法还极大降低了实验工作量, 非常有利于多种不同阵列图案的平行制备. 利用所构建的铁原子阵列, 本文发展了原子阵列DNA折纸加密技术, 将密文编码为二进制并用类似盲文斑点的形式在DNA折纸上以特定图案表示, 通过单分子成像手段对密文信息进行了读取, 而密钥长度可高达700位以上. 作为示例, 成功地对普通文本及唐诗《登鹳雀楼》进行了加密, 证明了此策略的通用性和实用性.
2021, 70 (13): 138202.
doi: 10.7498/aps.70.20210929
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可剥离至原子层厚度的层状材料被称为二维原子晶体, 是凝聚态物理研究的前沿材料体系之一. 与体材料相比, 二维原子晶体的原子完全暴露, 对外界环境极为敏感, 因此剥离、转移、旋转、堆叠、封装和器件加工技术对于其电子器件质量和电学输运性质研究尤为关键. 本文介绍了二维原子晶体转移工艺的重要发展, 尤其是对其二维电子气的输运性质有突破性提升的进展. 针对基于二维原子晶体的电子器件, 从二维电子气的无序、接触电阻、载流子迁移率、可观测的量子霍尔态等角度衡量器件质量, 并详细介绍了与之相对应的转移技术、器件结构与加工工艺.
2021, 70 (13): 134207.
doi: 10.7498/aps.70.20210731
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本文采用数值求解多能带半导体布洛赫方程组的方法开展强激光与双层MoS2材料相互作用产生高次谐波的理论研究. 模拟发现, T型堆栈双层MoS2产生的高次谐波在高能区域的转换效率比AA型堆栈双层MoS2高一个数量级. 理论分析表明, 由于原子级错位堆栈下晶体对称性被打破, 使原有的部分带间禁戒跃迁路径被打开, 带间跃迁激发通道增加, 大大增大了载流子跃迁概率, 从而增强了高次谐波转换效率. 此外, 对谐波产率的波长定标研究表明, 在较长波长的激光驱动下 (> 2000 nm), T型堆栈下所增强的高次谐波具有更高的波长依赖. 该工作为如何优化增强固体高次谐波的转换效率提供一种新思路.
2021, 70 (13): 138501.
doi: 10.7498/aps.70.20210498
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自旋电子学和谷电子学作为半导体物理的新方向, 旨在利用电子的自旋和谷自由度来实现新型的逻辑运算和信息处理. 圆偏振光伏效应是近年来研究自旋电子学和谷电子学的重要实验手段, 也是实现新型的自旋与谷存储器件的一个可能的方式, 为下一代的器件信息的处理方法提出了一种新的可能. 圆偏振光伏效应是一种二阶非线性光电响应, 是指材料在圆偏振光的激发下产生随偏振角度变化的光电流. 光电流的产生依赖于自旋、谷极化、对称性以及Berry曲率等诸多因素, 可以揭示出材料深层次的物理性质. 本篇综述主要讨论了在不同材料体系产生圆偏振光伏效应的主要机制, 包括在半导体异质结由对称性破缺导致的Rashba自旋轨道耦合引起的圆偏振光电流, 以及拓扑 Weyl半金属由Berry曲率以及泡利阻塞造成的电子动量选择, 以及二维层状过渡金属硫化物中圆偏振光产生的谷极化电流等. 在此基础上, 本文还简略介绍了一些新型二维材料中的圆偏振光伏效应的可能实现的方式, 以及一些潜在的应用.
2021, 70 (13): 136802.
doi: 10.7498/aps.70.20202129
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原子力显微术在原子级分辨表征、化学键识别、探测电荷密度分布等领域都有重要的应用. 本文在介绍原子力显微术基本工作原理的基础上, 着重介绍其在室温原子操纵、对原子/分子操纵过程的表征、以及绝缘基底上的电荷操纵三个方面的工作进展. 主要内容有: 1)原子力显微术的成像原理及其对典型分子的化学键分辨表征; 2)原子力显微术在室温下的力学操纵和原子识别能力; 3)用原子力显微术操纵分子表面异构或吸附构型变化并表征该过程中的相互作用力; 4)在绝缘基底上通过原子力显微术对单分子及多分子的电荷操纵. 原子力显微术操纵在这些领域内的工作拓展了扫描隧道显微镜在原子/分子操纵方面的工作范围, 为理解并精确控制操纵过程及构造纳米尺度器件提供了新的思路.
2021, 70 (13): 133101.
doi: 10.7498/aps.70.20210708
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二维冰是典型的原子制造技术获得的新型原子级材料, 其结构和成核生长在材料科学、摩擦学、生物学、大气科学和行星科学等众多领域具有至关重要的作用. 虽然二维冰的结构性质已被广泛研究, 但对其电学和光学性质知之甚少. 本文通过密度泛函理论和线性响应理论计算了二维冰相I在零温时的主要电学、光学、介电性质和红外光谱. 其次, 利用从头算分子动力学方法模拟得到了二维冰相I在有限温度下的声子振动态密度. 本文的结果揭示了原子级二维冰相I的电子结构, 同时展示了其独特的光吸收机理, 有助于二维冰相I的进一步实验表征和原子级操控. 由于表面上的二维冰可以促进或抑制三维冰的形成, 这对于设计和研发防结冰材料具有潜在的应用价值. 此外, 二维冰本身也可以作为一种特殊的二维材料, 为高温超导电性、深紫外探测、冷冻电镜成像等研究提供全新的标准材料.
2021, 70 (13): 138101.
doi: 10.7498/aps.70.20201808
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量子材料的拓扑物态的研究是当前凝聚态物理的重要前沿. 区别于局域对称性破缺对物质状态进行分类的传统方式, 量子物态可以用微观体系波函数的拓扑结构进行分类. 这些全新的拓扑物态有望颠覆传统的微电子学并进而推动拓扑电子学的迅猛发展. 当前大部分理论和实验研究集中于研究量子材料的平衡态性质. 周期性光场驱动下量子材料远离平衡态、而达到非平衡态时的拓扑物态近年来受到人们的广泛关注. 本文首先回顾周期场驱动下非平衡态的弗洛凯(Floquet)理论方法, 分别介绍无质量(如石墨烯)、有质量(如MoS2)等狄拉克费米子材料体系在远离平衡态下的拓扑物态, 利用光场与量子物态的相干耦合实现对量子材料非平衡物态的调控; 从原子制造角度出发, 光场诱导的相干声子态直接改变了量子材料中电子跃迁的大小, 进而调控量子材料的非平衡拓扑物态. 量子材料中丰富的声子态为非平衡拓扑物态的调控提供了更多的可能性. 最后, 文章展望了量子材料非平衡拓扑物态在超快相变以及瞬态物态调节等未来可能发展方向的应用.
