日前，电子科技大学、浙江大学和中国科学技术大学各添一篇Nature。

电子科技大学

有机电化学晶体管(OECTs)和基于OECT的电路由于其极低的驱动电压(<1 V)、低功耗(<1µW)、高跨导(>10 mS)和生物兼容性，在生物电子学、可穿戴电子器件和人工神经形态电子器件方面具有巨大潜力。然而，关键互补逻辑OECT的成功实现目前受到时间和/或操作不稳定性、缓慢的氧化还原过程和/或切换、与高密度单片集成的不兼容以及较差的n型OECT性能的限制。

2023年1月18日，电子科技大学程玉华、黄伟、美国西北大学Tobin J. Mark、Antonio Facchetti及Zheng Ding共同通讯在Nature 在线发表题为「Vertical organic electrochemical transistors for complementary circuits」的研究论文，该研究展示了具有平衡和超高性能的p型和n型垂直OECTs，通过将氧化还原活性半导体聚合物与氧化还原活性光固化和/或可光固化聚合物混合，形成离子渗透半导体通道，实现在一个简单的、可伸缩的垂直结构中，该结构具有密集的、不透水的顶部接触。

该研究是第一个垂直堆叠互补垂直OECT逻辑电路实现了在小于±0.7 V时超过1kA cm⁻²的足迹电流密度、0.2-0.4 S的跨导、小于1ms的短瞬态时间和超稳定的开关(>50,000次循环)。这种架构为有机半导体氧化还原化学和物理的基础研究提供了许多可能性，在纳米尺度的密闭空间中，没有宏观电解质接触，以及可穿戴和可植入设备的应用。

有机电化学晶体管(OECTs)由于其驱动电压低、功耗低、跨导率高以及在机械柔性平台上易于集成等优点，在生物电子学、可穿戴电子学和神经形态电子学领域具有广泛的应用前景。

然而，OECT的进一步进展面临挑战。

(1)尽管取得了进展，但与空穴传输(p型)相比，较差的电子传输(n型)OECT性能(大约低1000倍的跨导和/或电流密度)，阻碍了生物传感器开发中对体内相关分析物阳离子(例如，Na⁺， K⁺， Ca²⁺， Fe³⁺和Zn²⁺)的互补逻辑和敏感性的发展。

(2)时间和/或操作的不稳定性阻碍了所有可能的应用。

(3) p型和n型OECT性能的不平衡阻碍了集成到互补电路中。

(4)缓慢的氧化还原过程导致开关缓慢。

(5)最先进的传统OECTs (cOECTs)具有平面源漏电极结构，需要最多10µm的小通道长度(L)，以及精确的半导体层和无源材料电极涂层，以实现高跨导(gₘ)和快速开关(大约在毫秒范围内)，需要复杂的制造方法。

制作方案和使用的vOECT材料 | 图源：Nature

请注意，传统光刻只能可靠地实现大于1µm的特征，尽管印刷和激光切割提供了简化的cOECT制造，但这是以牺牲性能为代价的。此外，为了增加gₘ, OECT通常使用较厚的半导体薄膜，这不可避免地影响了开关速度，因为高gₘ值需要电解质和大块半导体之间进行有效的离子交换。因此，如果材料设计没有进展，特别是对于n型半导体，以及新器件架构的实现，OECT应用的范围将仍然有限。

该研究展示了具有平衡和超高性能的p型和n型垂直OECTs，通过将氧化还原活性半导体聚合物与氧化还原活性光固化和/或可光固化聚合物混合，形成离子渗透半导体通道，实现在一个简单的、可伸缩的垂直结构中，该结构具有密集的、不透水的顶部接触。

该研究是第一个垂直堆叠互补垂直OECT逻辑电路实现了在小于±0.7 V时超过1kA cm⁻²的足迹电流密度、0.2-0.4 S的跨导、小于1ms的短瞬态时间和超稳定的开关(>50,000次循环)。这种架构为有机半导体氧化还原化学和物理的基础研究提供了许多可能性，在纳米尺度的密闭空间中，没有宏观电解质接触，以及可穿戴和可植入设备的应用。

中国科学技术大学

具有自旋角动量的光子具有固有的手性，它是非线性光学、量子光学、拓扑光子学和手性等许多现象的基础。固有手性在自然材料中很弱，最近的理论建议旨在通过支持连续介质中束缚态的共振超表面来扩大圆二色性，这大大增强了手性光-物质相互作用。这些富有洞察力的研究诉诸于三维复杂的几何图形，这对于光学频率来说太具有挑战性了。因此，大多数显示强圆二色性的实验尝试都依赖于斜入射或结构各向异性的假/外在手性。

2023年1月18日，新加坡国立大学仇成伟及哈尔滨工业大学（深圳）肖淑敏共同通讯（中国科学技术大学为第一单位）在Nature 在线发表题为「Observation of intrinsic chiral bound states in the continuum」的研究论文，该研究报告了真实/内在手性响应与共振超表面的实验实现，其中工程倾斜几何破坏面内和面外对称。

该研究结果标志着在连续统中首次观测到固有手性束缚态，其近单位圆二色度为0.93，可见频率的高质量因子超过2663。总之，该研究的手性超表面可能会在手性光源和探测器、手性传感、电子学和不对称光催化等领域得到广泛应用。

手性是自然界的一个基本特征，指的是缺乏镜面反射对称性的物体的几何属性。为了评价一个物体的手性，通常采用以圆二色性（circular dichroism，CD）为表现形式的电磁手性，基于物体与不同手性的电磁场之间的微分相互作用。然而，研究发现，具有面外镜对称的平面结构(不被认为是手性的)仍然可以通过引入结构各向异性或斜入射表现出强烈的CD信号。

在这些情况下，CD的振幅不能测量物体的「真手性」或「固有手性」，但它起源于各向异性诱导的极化转换或实验设置的手性构型，这些通常被称为「假手性」或「外在手性」。虽然假手性可以产生与真手性相似的CD信号，但其在手性发射和偏振光探测等一系列重要领域的应用明显受到限制。

除了固有的手性外，提高手性光-物质相互作用强度的另一个关键参数是相关共振的质量(Q)因子。具有大固有手性的高Q共振在手性发射、手性传感和对映体分离等方面具有潜在的应用价值，是人们长期以来所追求但尚未探索的问题。手性超材料和超表面可以产生强烈的手性响应，但由于具有较大的辐射和非辐射损失，它们实现的Q因子仍然很低，通常小于200。

斜摄动诱发固有手性的起源 | 图源：Nature

近年来，连续介质中束缚态的物理学已被应用于光子学中，以实现和设计高Q共振。当BIC获得内在手性时，所得到的手性BIC可以在不涉及外在手性的情况下同时产生高Q因子和强CDs。正如之前的理论工作所指出的那样，实现手性BIC的关键是打破结构的所有镜像对称，这阻碍了其实验实现。许多打破面内或面外镜像对称的方法，但剩余的对称面仍然阻止了固有手性BIC的生成。测量到的高Q CD共振不可避免地归因于斜入射或极化转换的假手性。

该研究报告了真实/内在手性响应与共振超表面的实验实现，其中工程倾斜几何破坏面内和面外对称。该研究结果标志着在连续统中首次观测到固有手性束缚态，其近单位圆二色度为0.93，可见频率的高质量因子超过2663。总之，该研究的手性超表面可能会在手性光源和探测器、手性传感、电子学和不对称光催化等领域得到广泛应用。

浙江大学

畴壁纳米电子学被认为是非易失性存储器和逻辑技术的一种新范式，在这种技术中，畴壁而不是域作为有源元件。特别有趣的是铁电结构中的带电畴壁，它具有亚纳米厚度，并表现出非平凡的电子和输运特性，这对于各种纳电子学应用非常有用。确定性地创建和操作带电畴壁的能力是实现其在电子器件中的功能特性所必需的。

2023年1月18日，浙江大学田鹤教授、张泽院士、新加坡国立大学陈景升教授以及美国内布拉斯加大学林肯分校Evgeny Y. Tsymbal教授合作在Nature杂志在线发表题为「In-plane charged domain walls with memristive behaviour in a ferroelectric film」的研究论文，该研究报告了在几纳米厚的BiFeO₃铁电薄膜中可控地创建和操纵平面内带电畴壁的策略。

铁电性是指材料表现出自发的电极化，该极化可被外加电场转换，这使其成为各种技术应用的有用特性。就在二十年前，铁电性通常被认为是一种宏观现象，因此，铁电材料被纳米科学的繁荣边缘化。在此期间，该领域出现了非凡的转机。铁电体在纳米尺度下的新应用已被证明，将该领域的焦点转向低维几何。最近的发展进一步推动了限制，旨在确定性地控制纳米畴和亚纳米厚的畴壁，使在原子尺度上操纵铁电开关成为可能。通过设计所需的畴壁特性，新的发现表明了使用单个畴壁作为电子器件的可能性。

铁电畴壁是将具有不同极化方向的均匀极化畴分开的区域。畴壁表现出维数降低和不同于主材料的对称性，从而产生了在周围均匀极化畴中不存在的物理性质。例如，在BiFeO₃(BFO) ErMnO₃等铁电薄膜中发现了畴壁导电性以及畴壁的非常规磁性和光学性质。

畴壁可以是中性的，也可以是带电的。中性区壁面不携带净束缚电荷，即偏振的法向分量是连续的。相反，在带电畴壁中，由于偏振法向分量的不连续，束缚电荷出现在畴壁处。畴壁也可以是面外或面内的，这取决于它们是垂直于薄膜表面还是平行于薄膜表面。在具有面外电极化的铁电薄膜中，通常会出现电中性的面外畴壁，这使得畴壁能量密度和畴壁面积都很低。平面内带电畴壁在这种铁电薄膜中非常罕见，这是由于与极化电荷相关的大静电能以及不受薄膜厚度限制的大畴壁面积。尽管这样的域壁并不常见，但它们提供了平面外域壁所不提供的新功能。一个著名的例子是铁电隧道结(FTJ)，它利用超薄铁电势垒的可切换极化来控制隧道电导，其中面内畴壁产生量子限制，导致共振隧道效应和畴壁隧道电阻效应。

在这项研究中，研究人员报道了一种在几纳米厚的BiFeO₃铁电薄膜中可控地生成和操纵面内带电畴壁的方法。通过在扫描透射电子显微镜中使用原位偏压技术，检测到一种非常规的逐层切换机制，其中铁电畴生长发生在平行于外加电场的方向上。

具有多重阻力状态的层间畴壁迁移 | 图源：Nature

进一步基于原子分辨电子能量损失谱、在线电子全息图的原位电荷映射和理论计算，研究人员证明了在带电畴壁积聚的氧空位是畴壁稳定和运动的原因。

BiFeO₃薄膜平面内畴壁位置的电压控制产生了多个非挥发性电阻状态，从而证明了作为几个单位单元厚的忆阻器的关键功能特性。

总的来说，这些结果促进了对铁电开关行为的更好理解，并为制造单位电池级器件提供了新的策略。

论文链接：

[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

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