日前，電子科技大學、浙江大學和中國科學技術大學各添一篇Nature。
電子科技大學
有機電化學電晶體(OECTs)和基於OECT的電路由於其極低的驅動電壓(<1 V)、低功耗(<1µW)、高跨導(>10 mS)和生物兼容性，在生物電子學、可穿戴電子器件和人工神經形態電子器件方面具有巨大潛力。然而，關鍵互補邏輯OECT的成功實現目前受到時間和/或操作不穩定性、緩慢的氧化還原過程和/或切換、與高密度單片集成的不兼容以及較差的n型OECT性能的限制。
2023年1月18日，電子科技大學程玉華、黃偉、美國西北大學Tobin J. Mark、Antonio Facchetti及Zheng Ding共同通訊在Nature 在線發表題為「Vertical organic electrochemical transistors for complementary circuits」的研究論文，該研究展示了具有平衡和超高性能的p型和n型垂直OECTs，通過將氧化還原活性半導體聚合物與氧化還原活性光固化和/或可光固化聚合物混合，形成離子滲透半導體通道，實現在一個簡單的、可伸縮的垂直結構中，該結構具有密集的、不透水的頂部接觸。
該研究是第一個垂直堆疊互補垂直OECT邏輯電路實現了在小於±0.7 V時超過1kA cm⁻²的足跡電流密度、0.2-0.4 S的跨導、小於1ms的短瞬態時間和超穩定的開關(>50,000次循環)。這種架構為有機半導體氧化還原化學和物理的基礎研究提供了許多可能性，在納米尺度的密閉空間中，沒有宏觀電解質接觸，以及可穿戴和可植入設備的應用。
有機電化學電晶體(OECTs)由於其驅動電壓低、功耗低、跨導率高以及在機械柔性平台上易於集成等優點，在生物電子學、可穿戴電子學和神經形態電子學領域具有廣泛的應用前景。
然而，OECT的進一步進展面臨挑戰。
(1)儘管取得了進展，但與空穴傳輸(p型)相比，較差的電子傳輸(n型)OECT性能(大約低1000倍的跨導和/或電流密度)，阻礙了生物傳感器開發中對體內相關分析物陽離子(例如，Na⁺， K⁺， Ca²⁺， Fe³⁺和Zn²⁺)的互補邏輯和敏感性的發展。
(2)時間和/或操作的不穩定性阻礙了所有可能的應用。
(3) p型和n型OECT性能的不平衡阻礙了集成到互補電路中。
(4)緩慢的氧化還原過程導致開關緩慢。
(5)最先進的傳統OECTs (cOECTs)具有平面源漏電極結構，需要最多10µm的小通道長度(L)，以及精確的半導體層和無源材料電極塗層，以實現高跨導(gₘ)和快速開關(大約在毫秒範圍內)，需要複雜的製造方法。
請注意，傳統光刻只能可靠地實現大於1µm的特徵，儘管印刷和雷射切割提供了簡化的cOECT製造，但這是以犧牲性能為代價的。此外，為了增加gₘ, OECT通常使用較厚的半導體薄膜，這不可避免地影響了開關速度，因為高gₘ值需要電解質和大塊半導體之間進行有效的離子交換。因此，如果材料設計沒有進展，特別是對於n型半導體，以及新器件架構的實現，OECT應用的範圍將仍然有限。
該研究展示了具有平衡和超高性能的p型和n型垂直OECTs，通過將氧化還原活性半導體聚合物與氧化還原活性光固化和/或可光固化聚合物混合，形成離子滲透半導體通道，實現在一個簡單的、可伸縮的垂直結構中，該結構具有密集的、不透水的頂部接觸。
該研究是第一個垂直堆疊互補垂直OECT邏輯電路實現了在小於±0.7 V時超過1kA cm⁻²的足跡電流密度、0.2-0.4 S的跨導、小於1ms的短瞬態時間和超穩定的開關(>50,000次循環)。這種架構為有機半導體氧化還原化學和物理的基礎研究提供了許多可能性，在納米尺度的密閉空間中，沒有宏觀電解質接觸，以及可穿戴和可植入設備的應用。
中國科學技術大學
具有自旋角動量的光子具有固有的手性，它是非線性光學、量子光學、拓撲光子學和手性等許多現象的基礎。固有手性在自然材料中很弱，最近的理論建議旨在通過支持連續介質中束縛態的共振超表面來擴大圓二色性，這大大增強了手性光-物質相互作用。這些富有洞察力的研究訴諸於三維複雜的幾何圖形，這對於光學頻率來說太具有挑戰性了。因此，大多數顯示強圓二色性的實驗嘗試都依賴於斜入射或結構各向異性的假/外在手性。
2023年1月18日，新加坡國立大學仇成偉及哈爾濱工業大學（深圳）肖淑敏共同通訊（中國科學技術大學為第一單位）在Nature 在線發表題為「Observation of intrinsic chiral bound states in the continuum」的研究論文，該研究報告了真實/內在手性響應與共振超表面的實驗實現，其中工程傾斜幾何破壞面內和面外對稱。
該研究結果標誌著在連續統中首次觀測到固有手性束縛態，其近單位圓二色度為0.93，可見頻率的高質量因子超過2663。總之，該研究的手性超表面可能會在手性光源和探測器、手性傳感、電子學和不對稱光催化等領域得到廣泛應用。
手性是自然界的一個基本特徵，指的是缺乏鏡面反射對稱性的物體的幾何屬性。為了評價一個物體的手性，通常採用以圓二色性（circular dichroism，CD）為表現形式的電磁手性，基於物體與不同手性的電磁場之間的微分相互作用。然而，研究發現，具有面外鏡對稱的平面結構(不被認為是手性的)仍然可以通過引入結構各向異性或斜入射表現出強烈的CD信號。
在這些情況下，CD的振幅不能測量物體的「真手性」或「固有手性」，但它起源於各向異性誘導的極化轉換或實驗設置的手性構型，這些通常被稱為「假手性」或「外在手性」。雖然假手性可以產生與真手性相似的CD信號，但其在手性發射和偏振光探測等一系列重要領域的應用明顯受到限制。
除了固有的手性外，提高手性光-物質相互作用強度的另一個關鍵參數是相關共振的質量(Q)因子。具有大固有手性的高Q共振在手性發射、手性傳感和對映體分離等方面具有潛在的應用價值，是人們長期以來所追求但尚未探索的問題。手性超材料和超表面可以產生強烈的手性響應，但由於具有較大的輻射和非輻射損失，它們實現的Q因子仍然很低，通常小於200。
近年來，連續介質中束縛態的物理學已被應用於光子學中，以實現和設計高Q共振。當BIC獲得內在手性時，所得到的手性BIC可以在不涉及外在手性的情況下同時產生高Q因子和強CDs。正如之前的理論工作所指出的那樣，實現手性BIC的關鍵是打破結構的所有鏡像對稱，這阻礙了其實驗實現。許多打破面內或面外鏡像對稱的方法，但剩餘的對稱面仍然阻止了固有手性BIC的生成。測量到的高Q CD共振不可避免地歸因於斜入射或極化轉換的假手性。
該研究報告了真實/內在手性響應與共振超表面的實驗實現，其中工程傾斜幾何破壞面內和面外對稱。該研究結果標誌著在連續統中首次觀測到固有手性束縛態，其近單位圓二色度為0.93，可見頻率的高質量因子超過2663。總之，該研究的手性超表面可能會在手性光源和探測器、手性傳感、電子學和不對稱光催化等領域得到廣泛應用。
浙江大學
疇壁納米電子學被認為是非易失性存儲器和邏輯技術的一種新範式，在這種技術中，疇壁而不是域作為有源元件。特別有趣的是鐵電結構中的帶電疇壁，它具有亞納米厚度，並表現出非平凡的電子和輸運特性，這對於各種納電子學應用非常有用。確定性地創建和操作帶電疇壁的能力是實現其在電子器件中的功能特性所必需的。
2023年1月18日，浙江大學田鶴教授、張澤院士、新加坡國立大學陳景升教授以及美國內布拉斯加大學林肯分校Evgeny Y. Tsymbal教授合作在Nature雜誌在線發表題為「In-plane charged domain walls with memristive behaviour in a ferroelectric film」的研究論文，該研究報告了在幾納米厚的BiFeO₃鐵電薄膜中可控地創建和操縱平面內帶電疇壁的策略。
鐵電性是指材料表現出自發的電極化，該極化可被外加電場轉換，這使其成為各種技術應用的有用特性。就在二十年前，鐵電性通常被認為是一種宏觀現象，因此，鐵電材料被納米科學的繁榮邊緣化。在此期間，該領域出現了非凡的轉機。鐵電體在納米尺度下的新應用已被證明，將該領域的焦點轉向低維幾何。最近的發展進一步推動了限制，旨在確定性地控制納米疇和亞納米厚的疇壁，使在原子尺度上操縱鐵電開關成為可能。通過設計所需的疇壁特性，新的發現表明了使用單個疇壁作為電子器件的可能性。
鐵電疇壁是將具有不同極化方向的均勻極化疇分開的區域。疇壁表現出維數降低和不同於主材料的對稱性，從而產生了在周圍均勻極化疇中不存在的物理性質。例如，在BiFeO₃(BFO) ErMnO₃等鐵電薄膜中發現了疇壁導電性以及疇壁的非常規磁性和光學性質。
疇壁可以是中性的，也可以是帶電的。中性區壁面不攜帶淨束縛電荷，即偏振的法向分量是連續的。相反，在帶電疇壁中，由於偏振法向分量的不連續，束縛電荷出現在疇壁處。疇壁也可以是面外或面內的，這取決於它們是垂直於薄膜表面還是平行於薄膜表面。在具有面外電極化的鐵電薄膜中，通常會出現電中性的面外疇壁，這使得疇壁能量密度和疇壁面積都很低。平面內帶電疇壁在這種鐵電薄膜中非常罕見，這是由於與極化電荷相關的大靜電能以及不受薄膜厚度限制的大疇壁面積。儘管這樣的域壁並不常見，但它們提供了平面外域壁所不提供的新功能。一個著名的例子是鐵電隧道結(FTJ)，它利用超薄鐵電勢壘的可切換極化來控制隧道電導，其中面內疇壁產生量子限制，導致共振隧道效應和疇壁隧道電阻效應。
在這項研究中，研究人員報導了一種在幾納米厚的BiFeO₃鐵電薄膜中可控地生成和操縱面內帶電疇壁的方法。通過在掃描透射電子顯微鏡中使用原位偏壓技術，檢測到一種非常規的逐層切換機制，其中鐵電疇生長發生在平行於外加電場的方向上。
進一步基於原子分辨電子能量損失譜、在線電子全息圖的原位電荷映射和理論計算，研究人員證明了在帶電疇壁積聚的氧空位是疇壁穩定和運動的原因。
BiFeO₃薄膜平面內疇壁位置的電壓控制產生了多個非揮發性電阻狀態，從而證明了作為幾個單位單元厚的憶阻器的關鍵功能特性。
總的來說，這些結果促進了對鐵電開關行為的更好理解，並為製造單位電池級器件提供了新的策略。
論文連結：
[1] https://www.nature.com/articles/s41586-022-05592-2
[2] https://www.nature.com/articles/s41586-022-05467-6
[3] https://www.nature.com/articles/s41586-022-05503-5
--iNature