跟着顶刊学测试 | 这十篇Nature及子刊有何共同点？

4200A-SCS是一种集成系统，它不仅包括进行DC和超快速I‑V和C‑V测量使用的多种仪器，还包括控制软件、图形和数学分析功能。4200A-SCS特别适合执行各种测量，包括 DC和脉冲式电流-电压(I‑V)、电容-电压(C‑V)、电容-频率(C-f)、驱动级电容分析(DLCP)、四探头电阻率(ρ, σ)和霍尔电压(VH)测量 。

在二维转角异质结构中，莫尔量子材料Moiré quantum materials，基于增强的内部库仑相互作用，而呈现了奇异的电子现象。当融合原子级薄材料中异常高的静电控制时，莫尔异质结构，将使下一代电子器件具有前所未有的功能。然而，莫尔电子现象迄今仅限于不切实际的超低温，从而限制了莫尔量子材料在现实世界中的应用。美国西北大学、麻省理工学院、波士顿学院等合作，报道了基于非对称双层石墨烯/六方氮化硼叠栅异质结构，低功耗（20pW）莫尔突触晶体管的实验实现和室温工作。不对称莫尔电势产生了鲁棒的电子棘轮状态，从而实现了控制器件电导的电荷载流子滞后、非易失注入。在双栅莫尔异质结构中，非对称门控实现了多种生物现实神经形态功能，如可重构突触反应、基于时空的Tempotrons和Bienenstock–Cooper–Munro输入特异性适应。这种莫尔突触晶体管晶体管，实现了高效的内存计算设计，以及用于人工智能和机器学习的边缘硬件加速器。

连接不同的电子设备通常很简单，因为它们具有标准化接口，其形状和尺寸彼此匹配。然而，生物组织电子接口无法标准化，因为组织很柔软并且具有任意形状和尺寸。使用热收缩膜可以实现形状自适应包覆不规则尺寸和形状的物体，因为它们在加热时可以大幅且快速地收缩。然而，这些材料不适合生物应用，因为它们通常比组织硬得多，并且在高于 90℃ 的温度下有剧烈的收缩。因此，制备具有大而快速收缩的刺激响应薄膜是具有挑战性的，必须让其刺激和机械性能与脆弱组织和电子集成过程兼容。受蜘蛛丝的启发，本研究设计了由聚环氧乙烷和聚乙二醇-α-环糊精复合物组成的水响应性超收缩聚合物薄膜，该薄膜在环境条件下初始干燥、柔韧且稳定润湿后，在几秒钟内（约每秒 30%）收缩超过原始长度的 50%，然后成为柔软（约 100 kPa）和可拉伸（约 600%）的水凝胶薄膜。这种超收缩归因于薄膜排列的微孔分层结构，这也有利于电子集成。本研究使用这种薄膜来制造形状自适应电极阵列，通过超收缩简化植入程序，并在润湿时保形地包覆不同大小的神经、肌肉和心脏，用于体内神经刺激和电生理信号记录。本研究表明，这种水响应材料可以在塑造下一代组织电子界面以及拓宽形状自适应材料的生物医学应用方面发挥重要作用。

金属卤化物钙钛矿(MHPs)在太阳能电池、发光二极管和太阳能燃料的应用中已经成功地将光子转换为电荷，而这些应用都涉及到强光。这些材料非常多样化，组分和维度可调，显著地丰富了材料设计和选择的可能性。 本工作展示了自供电多晶钙钛矿光电探测器的光子计数可以与商业硅光电倍增管(SiPMs)相媲美。 钙钛矿光子计数探测器(PCDs)的光子计数能力主要由浅陷阱决定，尽管深陷阱也限制了电荷收集效率。在多晶甲基三碘化铅中发现了两个浅陷阱，其能量深度分别为5.8±0.8 毫电子伏(meV)和57.2±0.1 meV，主要停留在晶界和表面。本工作表明，这些浅陷阱可以通过晶粒尺寸增强和使用二苯硫醚进行表面钝化来减少。它在室温下将暗计数率(DCR)从每平方毫米>20000降低到2 ，比SiPMs对弱光有更好的响应。钙钛矿PCDs可以收集比SiPMs更好的能量分辨率的γ射线光谱，并在高达85°C的高温下保持性能。 这项研究为利用其独特缺陷性质的钙钛矿开启了光子计数的新应用。

在大数据时代的浪潮中，传统的电子硬件面临着尺寸、速度和能效等方面的挑战。为了应对这些挑战，工程师们在微芯片领域重新思考，并提出了一种有趣的解决方案——铁电场效应晶体管（FE-FETs）。它结合了铁电材料的非易失记忆性质和场效应特性，具有低功耗、高速度和高密度等优势。美国宾夕法尼亚大学的研究人员推出了一种新的FE-FET设计，展示了破纪录的性能，为大数据存储和计算带来了前所未有的潜力。他们将铁电绝缘体材料和二维半导体结合在一起，成功地制造出了一种对工业制造具有吸引力的晶体管。这种新型晶体管采用了铁电材料氮化铝钪（AlScN）和二硫化钼（MoS2）作为基础材料，充分利用了两者的特性，实现了高效、稳定的数据存储和计算。这种新型FE-FET设计具有前所未有的薄度，使得每个单独的设备都可以在最小的表面积上运行。此外，这些微型设备可以进行大规模阵列制造，具备可扩展到工业平台的潜力。研究人员表示，FE-FET能够携带更多的电流，从而实现更快的计算速度和存储器访问速度。同时，他们强调铁电材料AlScN在薄厚度下依然保持独特性能的特点，这一点对于器件小型化至关重要。

二维(2D)钙钛矿由于约束效应而具有许多三维(3D)钙钛矿所没有的有趣的物理性质，包括激子动力学、自旋动力学和电子-声子耦合。一般来说，二维钙钛矿被认为比三维钙钛矿更稳定，因为疏水性有机阳离子具有更好的抗湿性，更大的离子迁移能垒以及对结构应力的耐受性。因此，它们被广泛应用于钙钛矿太阳能电池（PSCs）中，并且以各种方式提高器件效率和稳定性。为了克服二维钙钛矿沿平面外方向载流子传输能力差的问题，可以通过连续沉积的方法在三维钙钛矿上堆叠一薄层二维钙钛矿，这样不仅能保护三维钙钛矿表面，还能使其钝化。它们还可以通过在前驱体溶液中加入大分子有机阳离子的方式，融入三维钙钛矿的晶界（GB）。这些有机阳离子的尺寸要大得多，因此会被三维晶格排斥到晶界中，从而使晶界变得稳定。此外，人们还开发了高层数 (n) 纯相准二维钙钛矿，既保留了三维钙钛矿的优点（如良好的电荷传输和载流子寿命），又保留了二维钙钛矿的优点（如良好的稳定性），但其效率和稳定性都没有达到其他多维钙钛矿的同等水平。本研究发现在高温光照射条件下，这些阳离子与含甲酰胺（FA+）的三维钙钛矿在一起是不稳定的。研究发现，PEA+ 和 BA+ 会去质子化为胺，然后与 FA+ 反应，分别生成（苯乙基氨基）甲亚胺（PEAMA+）和（丁基氨基）甲亚胺（BAMA+），严重限制了器件的高温光稳定性。去除这些阳离子可大大提高光稳定性，但会留下未完全钝化的表面和 GB，从而影响器件的效率。酸解离常数（pKa）较高的铵阳离子，包括 PEAMA+（pKa = 12.0）和 BAMA+（pKa = 12.0），可以取代 PEA+ 或 BA+ 进行钝化，并且由于它们能抵抗进一步的去质子化，因此在 FA 型钙钛矿中具有稳定性。使用 PEAMA+ 添加剂的 Pi-n 结构太阳能电池在开路和 90 ℃下经过 1,500 小时的光照射后，仍能保持 90% 以上的初始效率。

由于有效的钝化接触结构，硅异质结（SHJ）太阳能电池已经达到了很高的功率转换效率。这些相互接触的光电性能的改进促使器件效率更高，从而进一步巩固SHJ技术的商业潜力。本研究用改进的后触点组成的p型掺杂纳米晶硅和具有低片状电阻的透明导电氧化物，提高了后结SHJ太阳能电池的效率。本研究分析了选择性空穴触点的电学性能，并与p型掺杂的非晶硅触点进行比较。证实了电荷载流子传输的改善和低接触电阻率(<5 mΩ cm2）。最终，本研究得到了一系列经认证的功率转换效率高达26.81%、填充系数高达86.59%的工业级硅晶圆(274 cm2, M6尺寸)。

生物集成神经形态硬件有望用于记录/调节生物系统中信号的新协议。要使这种人工神经电路成功，需要最小的设备/电路复杂性和类似于生物学中发现的基于离子的操作机制。基于硅基互补金属氧化物半导体或负微分电阻器件电路的人工尖峰神经元可以模拟多种神经功能，但制造复杂，不具有生物相容性，并且缺乏基于离子/化学的调制功能。 瑞典林雪平大学Simone Fabiano等人 报告了一种基于生物真实电导的有机电化学神经元 (c-OECN)，它使用具有稳定离子可调反双极性的混合离子-电子导电梯型聚合物。后者用于模拟生物神经元钠通道的激活/失活和钾通道的延迟激活。这些 c-OECN 可以在接近 100Hz 的生物合理频率下发出脉冲，模拟最关键的生物神经特征，展示随机脉冲并启用基于神经递质/氨基酸/离子的脉冲调制，然后用于刺激体内生物神经。总之，研究人员基于聚苯并咪唑苯并菲咯啉的 OECT 中展示了基于高度可调、稳定和可逆的反双极行为的生物现实OECN。由 Na+ 和 K+ 离子调制的两个 OECT 类似于生物神经元中的电压门控离子通道，可实现各种神经特征以及与小鼠迷走神经的轻松感知和整合。类似的稳定阶梯状共轭聚合物被功能化以与特定生物分子相互作用，是实现基于事件的智能闭环内部传感和反馈神经形态生物医学系统和未来脑机接口的可能途径。

传统视觉架构包括空间上分离的传感器、存储器和计算单元，其中大量原始数据在整个信号链中的传输会导致高能耗和高时间延迟等问题。随着物联网和人工智能的发展，人们追求减少或消除传统架构中传感器、存储器和处理器之间的数据传输接口。随着忆阻材料的出现，将存储和计算模块结合在一起的存内计算技术得到了广泛的发展。近年来，受多功能图像传感器的启发，结合了传感功能和计算功能的感内计算技术也得到了广泛的探索。集合感知、存储和计算三个功能模块的感存算一体架构更具有吸引力，也更具有挑战性。

为了推动解决这个问题，研究人员利用铁电畴调控实现了一种可编程的低维光电二极管阵列，将灵敏的图像探测、权值存储和高级计算的功能集成到了传感器阵列中。利用低维半导体材料进行光电探测，铁电栅介质的不同铁电畴状态存储权重信息，以及不同光电响应权值器件构建的网络连接进行神经网络运算，实现了感存算一体架构。铁电畴调控的可重构光伏型传感器阵列具有低功耗、低时间延迟、硬件结构简单等特征，为构建感存算一体智能视觉系统提供了新的思路。

研究团队利用铁电场调控p-n结型光电探测器实现了感存算一体视觉系统。将p-n结结构在光电探测中的优势与铁电材料在存储中的优势相结合，利用光强线性依赖的光电流产生过程（乘法运算）和基尔霍夫电流定律（求和运算）来实现矩阵向量乘积运算。基于上述原理，光学图像信息可被铁电畴调控的感存算一体智能视觉芯片直接探测和识别，无需外部存储或处理单元，从而实现低延时和高能效。

在现代社会，心理健康逐渐成为人们关注的焦点，特别是在新冠疫情之后，压力相关的心理障碍如焦虑和抑郁的显著增加，使得对心理健康意识和有效评估方法的需求日益迫切。然而，尽管对此有着越来越多的认识，但如何有效应对这些心理健康挑战的资源和能力仍然不足。现代社会迫切需要创新方法来理解、监测和管理压力。

尽管精神压力在全球范围内普遍存在，但心理压力评估的方法大多局限于主观调查和临床问卷，这些传统方法虽然提供了洞察力，但耗时且需要大量后续随访，为医生和心理健康从业人员带来了重大负担。依赖自我报告的数据可能因个人感知和记忆偏差而导致不准确，且可能因个人的心理抵触而延误诊断。鉴于压力及其表现形式的高度个体化，迫切需要更客观、可靠和可扩展的方法来评估精神压力水平，以补充现有的基于问卷的评估方法。

加州理工学院医学工程系高伟教授与博士生许昌浩、博士后宋宇等人通过结合生理与生化数据的多模态电子皮肤，实现长时间连续监测与心理压力的精准评估。该皮肤非侵入性地监测人体汗液中的三个生命体征（脉搏波形、皮肤电反应和皮肤温度）和六个分子生物标志物（葡萄糖、乳酸、尿酸、钠离子、钾离子和铵）。作者开发了一种制备电化学传感器的通用方法，该方法依赖于类似的复合材料来稳定和保护传感器接口。由此产生的传感器提供超过 100 小时的长期汗液生物标志物分析，具有很高的稳定性。作者发现，电子皮肤可以在24小时和不同的日常活动中提供连续的多模式理化监测。在机器学习管道的帮助下，该平台可以以 98.0% 的准确率区分三个压力源，并以 98.7% 的置信度量化心理压力反应。

在铁电材料中，电介质可用来稳定负微分电容Negative differential capacitance，并克服电子设备中电容耦合的限制。然而，在按比例缩小的硅基结构（如先进的低功耗逻辑器件中使用的结构）中，利用负微分电容，仍然极具挑战。韩国 三星电子的研究人员报道了基于厚度低至1nm的铁电锆掺杂氧化铪zirconium-doped hafnia（Hf0.5Zr0.5O2）的金属氧化物半导体电容器中，因负微分电容，增强了器件的电性能。该器件表现出更优越的性能，相比于物理上更薄的、且不含铁电掺锆氧化铪的控制器件。S形极化-电场关系验证了负微分电容效应。该效应也在场效应晶体管中实现了，其中高介电常数κ的氧化铪，取代了铁电锆掺杂的氧化铪，从而使得导通电流增加、截止电流减小，以及负漏极引起的势垒降低。负微分电容，还表现出超过10E15个周期的耐久性，并且掺杂可以有效地调节界面电荷。

半导体参数分析仪4200A-SCS自动进行I‑V、C‑V、脉冲式I-V和电阻率测量，简化了测试，提供了图表和分析功能。在测量大于1A的电流时，吉时利提供了源表仪器，可以用于太阳能电池测试。与这些模块有关的信息及与进行太阳能电池测量有关的进一步信息，可点击阅读原文，了解更多！