太强了！北京大学「国家杰青」团队，一天连发Science、Nature Nanotechnology

2024-06-07

15:10:58

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刘开辉

刘开辉，北京大学博雅特聘教授，杰出青年科学基金获得者，凝聚态物理与材料物理研究所所长。刘开辉课题组长期从事低维材料生长机理与光谱学表征研究，擅长开发先进技术手段以解决前沿科学问题。团队自主设计米级单晶制造装备、搭建单个低维材料单元水平的纳米光谱学表征系统、开发二维材料复合光纤全光纤器件。近年来，在二维材料表界面生长调控、米级单晶薄膜通用制造技术、表界面耦合物理及器件方向取得了系列研究进展。近年来，发表（含接收）通讯作者论文包括Science、Nature 3篇、Nature子刊19篇、PRL 2篇，主编专著1部，申请国家发明专利60余项。目前担任国家工程重点项目首席科学家、国家重点研发计划项目首席科学家。研究成果入选2020年度中国重大技术进展、2020年中国半导体十大研究进展、2024年中关村论坛重大成果。

今日，刘开辉教授课题组的研究成果同时登上《Science》和《Nature Nanotechnology》，下面，就让小编带大家一起拜读一下刘开辉教授课题组的最新研究成果

《Science》：具有明确手性和相干极性的 WS2 带状阵列

全球向可持续能源过渡迫切需要高效光伏技术。体光伏效应（BPVE）能将太阳能直接转化为电流，作为传统p-n结光伏技术的补充，有潜力规避其固有限制。一维（1D）过渡金属二硫化物（TMD）因其低对称结构和强大吸光能力，非常适合BPVE应用。为提升TMD的BPVE电流，需要在一维结构中产生强光电流、一致极性和平行排列的阵列。尽管在TMD的方向和长宽比控制方面有所进展，但对其轴向手性和极性方向的微观控制仍是难题，需要精确的原子级晶格排列策略来解决。

在此，北京大学刘开辉教授联合中国人民大学刘灿副教授、中国科学院半导体研究所魏钟鸣研究员和中国科学院深圳先进技术研究院丁峰教授共同报告了通过原子制造策略合成具有确定手性和相干极性的单晶 WS2带状阵列的情况。WS2色带的手性是通过基底耦合成可调谐的扶手椅形、锯齿形和手性物质来定义的，而极性方向则是由色带-前驱体沿相干方向的界面能决定的。单条扶手椅带显示出很强的体光伏效应，进一步整合约 1000 条具有相干极性的排列带可实现光电流的放大。相关成果以“WS2 ribbon arrays with defined chirality and coherent polarity”为题发表在《Science》上，第一作者为薛国栋，周子琦，Quanlin Guo和Yonggang Zuo为共同一作。

WS2 带状阵列的预播种生长

WS2 带状阵列的生长由预置模板启动。通过蒸发一层很薄的 Na2WO4 薄膜，将 Na2WO4 颗粒沉积到 a 平面蓝宝石（a-Al2O3 ）基底上，然后将其作为 WS2 带生长的种子（图 1A）。硫原子通过分解上部定位的 ZnS 板，并刺激 WS2 带阵列沿在 930°C 的高温下生长，a-Al2O3 的方向发生了变化（图 1B）。

经过1小时生长，获得了长度约150 μm、宽度约300 nm的均匀WS2带状阵列（图1C）。拉曼光谱显示WS2晶格结构的形成（图1D）。带状末端偶尔出现颗粒，S和W元素均匀分布，证实了WS2 阵列的气液固（VLS）生长机制（图1E）。通过调节Na2WO4 溶液浓度，控制带状物的形态（图S3），当浓度从1到30 mg/mL增加时，带状物的长度和宽度也增加。在优化条件下，成功获得了宽度小于100纳米、长度达毫米级的带状物质。

图 1.制作排列整齐的 WS2 带状阵列

相干极性方向的确认

WS2碳带在整个阵列中显示出一致的极性。如图2A所示，HAADF-STEM图像显示了WS2晶带的完美六边形蜂窝晶格，SAED图显示两组共轭布拉格峰，表明WS2晶格的面内反转对称性被打破，其中W子晶格的一阶衍射点强度比S子晶格高约30%（图2B和2C）。相邻两条带在明视场和暗视场图像中保持一致对比度，揭示了它们一致的极性方向（图2D）。为了检查色带的极性相干性，作者使用高通量二次谐波发生（SHG）非线性光学光谱研究了组装阵列，开发了一种同时绘制色带极性方向图的方法。在极性相干阵列中，形成0°叠加区，增强SHG信号（图2E顶部）；而在极性不相干阵列中，0°和180°叠加区分别产生建设性和破坏性SHG响应（图2E底部）。实验中，重叠区域的SHG强度比裸带增加四倍，表明WS2带在整个阵列中具有相干性（图2F和2G）。这一结果具有高度重复性，283条带的极性一致性超过99%（图2H）。

手性定义带的原子制造

为了获得扶手椅带（AC-Rs），需要使用沿M轴有误切的沧桑c面蓝宝石（c/m Al2O3）作为模板进行WS2晶格外延。如图3A所示，扶手椅方向的WS2可以沿特定方向生长。此外，通过蓝宝石的误切口人工构建的对齐台阶可以有效引导带状轴线在特定方向上。这种协同效应导致了30°的手性角，从而形成了扶手椅带（图3B2- D2）。理论计算显示，S端之字形边缘与Na2WO4粒子的界面能比孪生构型低3.44 eV/nm，因此，这种带-前驱体界面在热力学上主导了扶手椅带的单极性生长方式。

图 3. WS2 带的轴向手性控制

手性相关且可积分的体光伏效应

一维WS2碳带中的BPVE具有手性依赖特性。扶手椅带因轴向反转对称性被打破，在光照下会产生自驱动BPVE光电流，而镜面对称的之字形色带不会。通过450纳米激光激发，检测到扶手椅带的短路电流（Isc）与通道长度相关，典型长度约30 μm时Isc约为20 pA。单个扶手椅带的自发光电流强度依赖于入射光的偏振和带宽，光电流在激光偏振与色带轴平行时达到最大值。此外，由五条扶手椅带组成的阵列在整个通道上产生一致的正向光电流，通过增加色带数量可提高集合光电流，十条扶手椅带组件可产生约100 pA的光电流。短路电流密度与激发功率密度呈线性关系，光强度增加时转为平方根关系。整合数百条色带并采用交错电极设计，可从约1000条色带中获得高达16 nA的集体光电流，显示了TMD色带在无结型BPVE太阳能电池阵列中的潜在可扩展性。

图 4. WS2 带的手性依赖性 BPVE 积分

小结

作者开发了一种制造策略，可控制具有确定手性和相干极性的 WS2 带状阵列的生长。由于可以灵活地制造确定性结构的带状阵列，因此能够系统地研究手性相关的 BPVE，并实现光伏器件阵列的稳健集成。作者的策略为按需定制和大规模集成一维材料提供了一种通用方法，这将促进自动驾驶片上电子学和光电子学的进步。

《Nature Nanotechnology》：利用相干堆垛氮化硼纳米管实现强手性光学非线性

手性非线性光学晶体是指同时缺少中心对称性和镜面对称性的晶体材料。这类晶体不仅能有效进行非线性频率转换，还能对左旋和右旋圆偏振光作出不同响应，具备独特的光偏振态调控功能。这使它们在光学加密、安全防护、非线性全息成像以及量子信息处理等领域具有重要应用。然而，传统非线性光学晶体的手性效应通常很弱，而由手性分子组装的人工晶体转换效率又很低。因此，开发高稳定、高非线性、高手性光学活性的晶体材料，是推动新一代手性光电子技术突破的关键。

在此,北京大学刘开辉教授和洪浩特聘副研究员发现一维多壁氮化硼纳米管是实现强手性非线性光学响应的理想材料。氮化硼纳米管具有高度稳定的物理化学性质，其激光损伤阈值与传统光学晶体相当，但非线性系数高出1-2个量级。研究表明，氮化硼纳米管具有独特的层间相干堆垛结构，不同管壁具有相同的手性、螺旋性和极性。这种结构确保每层管壁产生的参量光具有相同的光学相位，总信号随管壁层数非线性增加。单根氮化硼纳米管的二次谐波转换效率高达~0.01%，输出功率约为1.5 μW，输出光斑肉眼可见。此外，纳米管的手性结构为参量光增加了额外的非线性几何相位，实现了-0.7到+0.7连续可调的非线性圆二色性。这一研究为手性光电子学领域带来了全新的材料体系，有望推动小型化、高集成的手性非线性光源和探测器技术的突破。相关成果以“Strong chiroptical nonlinearity in coherently stacked boron nitride nanotubes”为题发表在《Nature Nanotechnology》上，第一作者为马超杰，刘畅，马辰俊、郭泉林为论文共同第一作者。