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1880年以来重大突破！Science再发东大新成果！

3月29日，最新一期《科学（Science）》以长文（research article）形式发表题为“Biodegradable ferroelectric molecular crystal with large piezoelectric response（具有大压电响应的可生物降解铁电分子晶体）”的文章，该成果由东南大学生物科学与医学工程学院青年教师张含悦与化学化工学院熊仁根教授等合作，团队首次将铁电化学与生物电子学有机结合，创新性地开发了一例压电响应直追无机陶瓷钛酸钡（BTO）的可生物降解有机铁电晶体2,2,3,3,4,4-六氟-1,5-戊二醇（HFPD），其压电响应d33为138 pC/N（Science 2024, 383, 1492–1498）。这是自1880年居里兄弟发现压电效应以来的一个里程碑式的重大突破。张含悦为文章共同第一作者（排名第一）兼共同通讯作者，东南大学为第一通讯单位。

随着我国科学技术的不断发展，人们对医疗健康的需求不断增加。植入式压电生物医学器件的研究日渐兴盛，这有望极大地改善人们的生活质量。压电材料是一类可以实现机械应力和电信号相互转换的功能材料。目前，无机压电陶瓷和压电聚合物占据了应用的主流，但它们是不可生物降解的，故这些传统压电材料制成的植入式电子器件应用于人体将面临二次手术移除的风险。因此，基于可生物降解材料的植入式瞬态电子器件有望为医学领域带来重要变革。这些电子器件能够在可控的时间内工作，完成工作后自行溶解在体内，且不产生有毒有害的物质。其中，天然压电生物材料在这一方面显示出许多优势。但它们的压电性能不佳，压电系数d33大多低于10 pC/N，这极大地限制了它们在生物医学中的应用。而分子铁电材料具有合成简单、易于加工、轻量、生物相容性好和物理性能可调等独特优势，有望成为植入式瞬态电子器件的理想候选材料。因此，亟待开发具有高压电性的可生物降解分子铁电材料。

东南大学熊仁根教授是铁电化学领域的创立者。在过去十余年间，他带领团队聚焦于分子铁电材料的化学设计与研究。今年，基于铁电化学的氢/氟取代策略和晶体工程，团队效仿b 相的PVDF结构，利用有限的奇数个（n = 3）–CF2–基团，结合氢键相互作用（类似纽带）形成了无限长的链状结构，开发了一例有机小分子铁电体。团队将PVDF的结构单元从上千减少到了3，实现了小分子压电性能四倍的提升（其压电响应d33为138 pC/N），起到了四两拨千斤的作用（图1A）。

这一发现使得可植入式压电材料的压电性能达到新的高度。通过压电力显微镜（PFM）技术和电滞回线测试系统性地表征了该化合物的铁电性（图1C和D）。其相邻分子间通过O–H···O氢键相互作用形成了二维氢键网络，这一特性使得HFPD晶体易溶于多种溶剂（尤其是体液），这有助于化合物在生物体内的降解（图1B）。该化合物兼具良好的生物安全性、生物相容性和生物降解性。考虑到晶体的脆性和刚性，该团队通过溶液蒸发法制备了d33为34.3 pC/N的HFPD-聚乙烯醇（PVA）柔性压电复合薄膜。基于该压电复合薄膜，团队还组装一个可控的瞬态机电器件，并证实具有良好的生物传感性能（图1E和F）。这一研究为可降解植入式电子医疗器件提供了有前途的候选材料，也为分子压电材料提供了与人体健康密切相关的重要应用。

图1.（A）设计思路示意图；（B）结构堆积图；（C）电滞回线；（D）“回”字形铁电畴极化翻转；（E）降解前后的压电电压输出与图像；（F）PLA封装的HFPD-PVA器件在SD大鼠体内的压电性能测量示意图和该装置在大鼠膝关节区域的压电电压输出。

Science审稿人对于该工作给予了高度评价，认为它是瞬态可植入压电材料领域里程碑式的关键突破（a key milestone for transient implantable piezoelectric materials）。该工作还被《Science》以Perspectives的形式进行重点评述（Science 2024, 383, 1416），指出在铁电分子晶体中实现如此优异的压电性能是压电材料发展的一个里程碑(a milestone in piezoelectric material development)。

在国家自然科学基金和“东南大学十大科学与技术问题”启动培育基金的资助下，张含悦博士研究方向为分子铁电体的化学设计及其生物医学应用，并专注于有机硅铁电体的研究。她致力于围绕生物医学问题，展开铁电化学与生物医学应用的交叉研究。自独立工作以来，相关成果在Science、J. Am. Chem. Soc.、Phys. Rev. Lett.、Angew. Chem. Int. Ed.等国内外主流期刊上发表。

张含悦（右三）及其团队部分研究人员

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj1946

上海交通大学Nature：超高质量石墨烯纳米带助力碳基纳米电子学

近日，上海交通大学物理与天文学院史志文教授团队与合作者在Nature上发表题为“Graphene nanoribbons grown in hBN stacks for high-performance electronics”的研究论文。该研究开发了一种生长石墨烯纳米带的全新方法，成功实现了超高质量石墨烯纳米带在氮化硼层间的嵌入式生长，形成“原位封装”的石墨烯纳米带结构，并演示了所生长的石墨烯纳米带可用于构建高性能场效应晶体管器件。

石墨烯是一种由单层碳原子以蜂窝状排列而成的二维晶体，具有独特的电子结构和优异的性质，自2004年首次实验发现以来，就一直是科学研究的前沿和热点，并被期待用于未来高性能电子器件。然而，尽管石墨烯具有超高的载流子迁移率，但是本征石墨烯没有能隙，难以直接用来制作晶体管器件。相比之下，准一维的石墨烯纳米条带则因量子限域效应而打开能隙，且能隙大小可通过纳米带宽度和边缘结构来调控，有望成为未来高性能电子器件与芯片的理想候选材料，受到学术界和产业界的共同关注。

有鉴于此，科研人员投入了大量精力研究石墨烯纳米带的制备，尽管目前已经发展了多种制备石墨烯纳米带的方法，但在可用于半导体器件的高质量石墨烯纳米带的制备问题一直没有解决。特别地，已制备出的石墨烯纳米带的载流子迁移率均远低于理论值。此差异一方面来自于石墨烯纳米带的结构缺陷，另一方面来自于纳米带周围环境的无序。由于石墨烯纳米带的低维属性，其电子输运行为对周围环境非常敏感。为了提高低维材料器件性能，人们尝试了多种方法来减少环境无序效应。迄今为止最成功的方法是六方氮化硼（hBN）封装法。hBN是一种原子级平整的宽带隙二维层状绝缘体。多项研究表明被封装的低维材料器件性能显著提升。然而，已有的机械封装法效率很低，目前仅能用于科研领域，难以满足未来先进微电子产业发展的需要。

针对以上挑战，上海交通大学史志文教授团队开发出一种全新的制备方法，实现了石墨烯纳米带在hBN层间的嵌入式生长，形成“原位封装”的石墨烯纳米带。研究发现，该纳米带具有多种优异的结构特征，包括统一的手性结构，小于5纳米的宽度，以及亚毫米量级的长度。这些结构特征主要来源于hBN层间的超润滑特性（近零摩擦损耗）。由于这种高质量石墨烯纳米带在生长的同时就被氮化硼“原位封装”，其结构和性质可以免受外界环境因素和微纳加工的影响，纳米带场效应晶体管展现出优异的性能：载流子迁移率达4,600 cm2V–1s–1，开关比可达106。

图一 石墨烯纳米带层间嵌入式生长的示意图和电子显微镜表征

层间石墨烯纳米带的生长是通过一种纳米颗粒催化的化学气相沉积（CVD）实现的。实验中，催化剂纳米颗粒会在高温作用下运动并附着在hBN的边缘和台阶处。在这里，甲烷分子会在催化剂表面裂解出碳原子，随后这些碳原子会溶解到纳米颗粒中。当纳米颗粒中的碳含量过饱合后，纳米带会在颗粒表面形核同时嵌入hBN的层间。这些一维纳米带结构可以直接通过扫描电子显微镜（SEM）观察到。扫描透射电子显微镜（STEM）截面图像表明，镶嵌在hBN层间的纳米带宽度为3-5纳米，对应的能隙大小约为0.2~0.6 eV。

图二 手性统一的超长石墨烯纳米带

在层间生长的石墨烯纳米带长度可达亚毫米量级，远大于以往报道的结果。结合其亚5纳米的宽度，层间纳米带的长宽比达到了105，比以往的结果大至少两个数量级。更重要的是，层间纳米带的具有统一的zigzag手性结构。统计结果表明，zigzag 纳米带的纯度随长度上升，且长度在20微米以上的纳米带全部为zigzag手性。理论上zigzag纳米带边缘存在自旋极化拓扑边缘态，对自旋电子学和自旋量子计算器件具有潜在的应用前景。

图三 氮化硼层间石墨烯纳米带嵌入式生长机理

为了揭示六方氮化硼层间超长zigzag 石墨烯纳米带的生长机理，史志文教授团队与武汉大学欧阳稳根教授团队、特拉维夫大学Michael Urbakh教授团队、深圳先进技术研究院丁峰教授团队的密切合作，发现层间超长zigzag 纳米带的形成是hBN层间超润滑特性（近零摩擦损耗）的结果。在生长过程中，石墨烯纳米带会在生长驱动力的作用下不断嵌入到hBN层间，必然涉及纳米带与hBN之间的相对滑移。研究人员通过进行分子动力学模拟和理论模拟发现，由于hBN特殊的晶体结构，纳米带在hBN层间的摩擦力显著小于在其表面的摩擦力。这解释了hBN层间生长的纳米带长度远超以往在hBN表面生长结果的反直觉现象。此外，相对于其他手性的纳米带，zigzag 纳米带可以在层间进行近乎无摩擦的滑动，最终导致了石墨烯纳米带的手性选择性生长。

图四 基于原位封装石墨烯纳米带的高性能场效应晶体管

由于所生长的石墨烯纳米带被绝缘hBN“原位封装”，免受器件加工过程中吸附、氧化、环境污染和光刻胶接触的影响，所以理论上可获得极高性能纳米带电子器件。研究人员基于层间生长的纳米带制备了场效应晶体管（FET）器件，测量结果表明，石墨烯纳米带FETs都表现出典型的半导体器件的电学输运特性，室温下的开关比可达106。更值得关注的是，器件的载流子迁移率高达4,600 cm2V–1s–1，超越以往报道的结果。这些出色的性能表明层间石墨烯纳米带有望在未来的高性能碳基纳米电子器件中扮演重要的角色。本研究向微电子领域先进封装架构的原子制造迈出了关键一步，预计将对碳基纳米电子学领域产生重要影响。

图五 该成果上海交大团队主要成员：
（从左至右）陈佳俊、沈沛约、娄硕、吕博赛、史志文

论文共同第一作者为上海交通大学物理与天文学院吕博赛、陈佳俊、娄硕、沈沛约、谢京旭、武汉大学王森和韩国蔚山国立科学技术学院的邱璐和Izaac Mitchell。共同通讯作者为史志文教授、特拉维夫大学Michael Urbakh教授、深圳先进技术研究院丁峰教授和武汉大学欧阳稳根教授。论文的合作者还包括上海交通大学王世勇教授、李听昕教授、陈国瑞教授、王孝群教授、贾金锋教授、梁齐教授、李灿博士、胡成博士、周先亮，以及特拉维夫大学Oded Hod教授，日本国立材料研究所Kenji Watanabe教授和Takashi Taniguchi教授。本工作所涉及TEM表征在上海交通大学分析测试中心完成，器件加工在上海交大物理与天文学院微纳加工平台完成，计算模拟主要在武汉大学超算中心和国家天河超算中心完成，本工作得到科技部、自然科学基金委的资助，在此深表感谢。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07243-0

全球首次发现！Nature发表南大团队突破性成果

近日，南京大学物理学院杜灵杰教授团队在量子物理研究方面取得重大进展。他们利用极端条件下的偏振光散射技术在砷化镓量子阱中对分数量子霍尔效应的集体激发进行了测量，世界上首次观察到引力子激发（引力子模）——引力子在凝聚态物质中的新奇准粒子。北京时间2024年3月28日，国际顶级学术期刊Nature在线发表了杜灵杰教授及其合作者的论文“Evidence for chiral graviton modes in fractional quantum Hall liquids”。

全球关于引力子的研究，一直是物理学界的终极问题之一；如证实引力子的存在，将是颠覆当代物理学乃至整个科学领域的巨大突破。南京大学的这项工作中首次观察到的引力子模是引力子在凝聚态系统中的投影（存在）。这一重大发现，也对理解全新的关联量子物理以及实现拓扑量子计算机的运行有至关重要的意义。

广义相对论，指出引力是一种几何效应。广义相对论的爱因斯坦场方程，解释了宇宙中绝大多数的宏观现象，预言了引力波作为时空度规的扰动并被实验观察到。但是，广义相对论却很难像量子力学那样去描述微观世界。而早在广义相对论诞生之初，爱因斯坦就想过将这一理论与量子力学统一起来，从而开启了量子引力的研究。1939年，Fierz和Pauli提出了早期的量子引力理论，即Fierz-Pauli场方程，预言了引力子（可理解为时空度规扰动的量子化）是一种自旋2的粒子，而引力子后来也在11维超膜理论（M理论）里占据着核心地位。引力子包括有质量和无质量两类，有质量的引力子被认为与暗物质有关。很显然，引力子的研究是物理学的终极问题之一，是实现大统一理论之关键步骤。事实上，天文学领域一直在寻找引力子可能的实验证据，如果证实，将会是改变物理学乃至整个科学领域的巨大突破。

对于宇宙中的基本粒子，凝聚态系统中那些满足其类似行为规律的集体激发可被视作基本粒子投射在这些系统上的影子，是准粒子。近年来，理论物理学家Haldane（2016年诺贝尔物理学奖得主）提出分数量子霍尔效应中可能存在着引力子激发，也被称为分数量子霍尔效应引力子。分数量子霍尔效应，作为一种强关联拓扑效应，是当代凝聚态物理的最重要研究前沿之一，其发现获得了1998年诺贝尔物理学奖。其中主要的分数量子霍尔态在图像上可被理解为复合粒子（一个电子绑上两个磁通量子）在执行回旋轨道运动。而Haldane对分数量子霍尔效应给出了新的量子几何解释，认为存在着一种长期被忽视的量子度规，这一度规可描述运动轨道的形状（图1左）。该度规扰动的量子化即引力子激发，表现为轨道形变产生的最低能量长波集体激发（图1右），理论预测该集体激发是自旋2的手性激发，其自旋只能为+2或-2。Bergshoeff和Townsend等人（这两位是M理论的主要提出者之一）进一步指出，引力子激发可以被非相对论极限下的2+1维、有质量的Fierz-Pauli场方程所描述，同时也可被零简化的3+1维线性爱因斯坦场方程所描述，揭示了这类神秘粒子的引力子特征。作为分数量子霍尔效应新几何理论的关键结论，引力子激发对凝聚态物理本身也具有极其重要的意义。此前，分数量子霍尔效应被认为可以通过陈-西蒙斯拓扑量子场论来描述。然而，Haldane提出的这一几何理论超越了该领域传统拓扑量子场论的框架，带来了一种新的“陈-西蒙斯+量子几何”理论，从而可以为关联物态的研究打开新的方向。而引力子激发的存在，如果证实，将为这一新的关联物理提供重要的实验支持。此外，引力子激发可以用来分辨一些分数量子霍尔态所具有的非阿贝尔基态波函数，对于实现拓扑量子计算有着关键的意义。遗憾的是，寻找分数量子霍尔效应引力子，一直是悬而未决的问题，至今未能突破。

图1：（左）量子度规描述运行轨道的形状。（右）轨道形变产生最低能量长波激发。

图2：圆偏振光测量引力子激发

2019年，杜灵杰团队在分数量子霍尔效应中发现了一种新的集体激发，这一结果随即被理论物理学家们认为可能是分数量子霍尔效应引力子并提出了检测该引力子的关键自旋测量方案。这触发了杜灵杰率领实验团队在分数量子霍尔效应中去探寻并最终发现这类神秘粒子的存在。分数量子霍尔效应引力子是四极激发，需要双光子过程的非弹性光散射。至关重要的是，需要通过入射和散射圆偏振光的光子自旋（图2），来确定该引力子激发的标志性特征：自旋2。而在当时，国内外尚无满足要求的测量设备可以进行这一实验。不同于普通的非弹性（拉曼）光散射，该实验对设备要求极高而且看似矛盾，一直极富挑战性。一方面，实验测量要求极低的温度（约50mK，零下273.1度）和强磁场（约10特斯拉，地球平均磁场的10万倍以上），需要通过稀释制冷机实现；另一方面，实验中的可见光以及制冷机透光窗户的辐射却容易将温度升至100mK以上，且实验测量对制冷机脉冲管等带来的振动也极为敏感；难上加难的是，因为引力子激发能量极低（在该工作中最低约为70GHz），所以需要实现微波波段的共振非弹性光散射测量，而这种测量即使在室温都很困难。不仅如此，实验还需要利用光的圆偏振性进行自旋测量。因此这一实验一度被人认为是不可能完成的。

对于该实验测量，无论是从实验技术，还是从基础物理创新角度，都意味着是0到1的突破。杜灵杰带领团队，花费数年时间，通过精妙的设计将看似矛盾的测量要求一一实现，在南京大学自主设计、集成组装了一台根植于He3-He4稀释制冷技术的极低温强磁场共振非弹性偏振光散射系统（图3a）。这一特殊的“望远镜”有两层楼高，可以在零下273.1度下捕捉到最低达10GHz的微弱激发并判断其自旋。测试表明，这一技术的相关测量参数达到国际领先水平，为引力子激发的测量奠定了实验基础。依靠这一利器，实验团队在砷化镓半导体量子阱中成功观测到分数量子霍尔效应引力子，取得重要突破。团队通过共振非弹性光散射测量到了最低能量长波集体激发，并通过改变入射和散射光的自旋，观察到该激发具有自旋2的特性且是手性的（图3b）。并且测量到的极小激发峰宽符合动量守恒下引力子激发的长波特性（图3c），而测到的能量在m/n分数态正比于Ec/n（Ec为库伦能），符合其能量特性（图3d）。这些结果从自旋，动量和能量角度充分提供了引力子激发的实验证据。

图3：（a）极低温强磁场共振非弹性偏振光散射测量平台。（b）引力子激发的手性自旋2特性。（c）引力子激发峰峰宽揭示其长波特性。（d）引力子激发能量符合其能量特性。

这一工作是自引力子这一概念被提出以来，首次在实验上发现具有引力子特征的准粒子。该实验工作从凝聚态角度揭示了度规扰动的量子化是自旋2的激发，这一概念来自于1930年代的量子引力理论但此前从未有实验支持。该实验结果为在凝聚态系统中研究量子引力相关物理开辟了新的视野。另一方面，在这一工作中观察到的引力子激发揭示了拓扑序中的量子度规，为分数量子霍尔效应的新几何理论提供了关键实验证据。该研究为拓扑量子计算的分数态波函数验证奠定了实验基础，开辟了拓扑关联物态几何效应实验研究的新方向。

这一极具挑战性研究成果的发表，意味着南京大学杜灵杰教授团队在这一前沿领域迈出了重要一步。该工作在南京大学完成，南京大学为论文的第一单位。南京大学物理学院杜灵杰教授为通讯作者，负责该实验项目。南京大学博士生梁杰辉和哥伦比亚大学博士生刘子煜为共同第一作者。普林斯顿大学为该工作提供了高质量的样品。该工作得到了南京大学物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心的大力支持，以及国家海外高层次人才青年项目、国家自然科学基金委、科技部科技创新2030、江苏省双创人才以及南京大学人才启动项目等经费的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07201-w

来源：上海交通大学、南京大学