一天狂发4篇Nature，这种半导体纳米材料究竟有什么魔力？

二维材料，无疑是当今科研界的至宝。不只是石墨烯，其他各种非石墨烯二维材料也都已经在催化、光学、电子器件等领域发挥越来越大的作用。3月5日凌晨，Nature杂志当天连续发表4篇论文（3篇为研究论文，1篇为展望文章），报道了二维材料的系列突破，可谓风光无两。

下面，我们对此做简要介绍，希望对相关领域研究人员有所启发。

1-2. Nature：二维材料让超快速图像识别传感器成为可能！
无论是在自动驾驶，还是人脸识别等新兴科技领域，超快速的视觉图像传感技术已经成为智能系统的关键组成部分。其问题在于，将光学图像超快速转换为电信号域仍然是本领域的瓶颈问题之一。通过模仿人眼结构的人工神经网络技术，在增强图像对比度，降噪或数据采集等方面具有巨大潜力，有望在该领域取得突破。

有鉴于此，维也纳科技大学Lukas Mennel和Thomas Mueller等人报道了基于二维材料实现超快速图像识别的最新成果。香港理工大学Yang Chai教授应邀在Nature发文对此作出点评，并进行了展望。

本文要点：
1）证明了图像传感器本身可以构成一个人工神经网络，同时感测和处理光学图像而不会产生延迟。
2）基于WSe2二维半导体作为光敏材料，构建了一个可重构的光电二极管阵列，表现出强的光-物质相互作用和出色的光电特性。
3）实现了有监督的学习和无监督的学习，并训练传感器对以光学方式投射到芯片上的图像进行分类和编码，处理能力为每秒2000万个bin。

参考文献：
1.Lukas Mennel et al. Ultrafast machine vision with 2D material neural networkimage sensors. Nature 2002.
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2038-x
2.Yang Chai et al. In-sensor computing for machine vision. Nature 2002.
https://www.nature.com/articles/d41586-020-00592-6

3. Nature：生长晶圆级单层六方氮化硼单晶新策略
在集成电路中，超薄二维半导体材料为扩展摩尔定律提供了巨大的潜力。其中一个关键问题在于，如何避免相邻的电介质之间形成电荷散射和陷阱位点。六方氮化硼（hBN）的绝缘范德华层，则提供了出色的界面电介质，有效地减少了电荷的散射。单晶六方氮化硼一般通过在熔融金表面或块状铜箔上生长。然而，熔融金的高成本，交叉污染以及过程控制和可扩展性的潜在问题，不受企业欢迎。铜箔可能适用于卷对卷工艺，但不太可能与晶圆上的先进微电子制造兼容。因此，如何可靠的在晶圆上直接生长单晶hBN，是半导体领域的关键技术之一。

同样是在2020年3月4日，中国台湾科学家Lain-Jong Li、Wen-Hao Chang以及美国科学家Boris I. Yakobson等人报道了一种在Cu（111）单晶表面生长晶圆级单层六方氮化硼单晶的新策略，为二维材料在电子器件领域的应用奠定了基础。

本文要点：
1）以两英寸c面蓝宝石晶片为衬底，在Cu（111）单晶薄膜通过外延生长，成功制备出单晶hBN单层。
2）第一性原理计算表明，通过hBN侧向对接Cu（111）步骤可增强外延生长，从而确保hBN单层的单向性。
3）将单晶hBN作为MoS2和HfO2之间的界面层，有效提高了晶体管的电学性能。

参考文献：
Tse-AnChen et al. Wafer-scale single-crystal hexagonal boron nitride monolayers on Cu(111). Nature 2020.
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2009-2

4. Nature：莫尔超晶格中可调谐的关联陈绝缘体和铁磁性
强磁场中的二维电子系统可实现量子霍尔效应——物质的一类拓扑态，该拓扑态具有有限陈数C（Chern number）和手性边缘态。Haldane随后推论，具有整数量子霍尔效应的陈绝缘体可能会出现在具有复杂跳跃参数的晶格模型中，即使是在零磁场的情况下。ABC-三层石墨烯/六方氮化硼（ABC-TLG/hBN）莫尔超晶格是探索陈绝缘体的理想平台，因为其具有近乎平坦的莫尔微带，且相应的陈数随能谷变化、可电调谐。

有鉴于此，劳伦斯伯克利国家实验室/加州大学伯克利分校王枫团队、复旦大学张远波团队、SLAC国家加速器实验室David Goldhaber-Gordon团队联合报道了ABC-TLG/hBN莫尔超晶格中关联陈绝缘体的实验观测。

本文要点：
1）磁输运测试发现，改变外加垂直电场的方向能使ABC-TLG/hBN的莫尔微带在零和非零有限陈数之间切换。
2）对于调谐为具有有限陈数的拓扑空穴微带，作者着重研究了其四分之一填充，即每个莫尔晶胞中一个空穴的情况。
3）磁场大于0.4T时，霍尔电阻具有h/2e2的量子化间隔，表明C=2。
4）关联拓扑绝缘体具有铁磁性，在零磁场下表现出极大的磁滞和反常霍尔信号。

总之，零磁场下C=2陈绝缘体的发现为探索新的关联拓扑态提供了机会。

参考文献：
Guorui Chen et al. Tunable correlated Chern insulator and ferromagnetism in a moiré superlattice. Nature, 2020.
DOI:10.1038/s41586-020-2049-7
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2049-7