综述 ● 开放获取阅读更多

1. 文章导读

随着摩尔定律的失效，新材料体系的研发对于过渡到后摩尔时代至关重要。半个多世纪以来，广泛的基础研究和工程应用探索，不断丰富硅基材料体系，并提升了芯片综合性能，硅等传统半导体材料也成为了现代信息技术的基石，并不断开发出性能更好的硅基器件和系统。与此同时，在原子层的后摩尔时代，过渡金属二硫属化物（TMD）等原子层半导体材料因其独特的电子和光电特性而引起了广泛的研究兴趣，有望为下一代电子学的新时代提供动力。然而，近年来即使在器件结构、传统半导体材料系统、先进工艺和系统工程方面进行了广泛创新和前瞻探索，传统摩尔定律的扩展也在物理、工艺和成本上遇到极大的瓶颈。作为替代方案，原子层半导体和传统半导体之间的异构集成提供了将原子层半导体的独特性能与成熟的传统半导体材料系统相结合的宝贵机会。近期，清华大学材料学院王琛副教授、NEXT团队与李正操教授等在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表《原子层半导体和传统半导体比较一致性分析及异构集成的机遇》的综述，系统介绍了原子层半导体和传统半导体之间比较一致性的研究背景、最新进展及未来展望。

亮点：

● 后摩尔时代技术和经济上更加可行的战略方向；

● 原子层半导体-传统半导体异质集成的独特优势；

● 范德华异质结作为异质集成的重要组成部分；

● 更灵活的材料设计能力和更高的器件综合性能。

2. 研究背景

自从1965年摩尔定律问世以来，半导体行业一直遵循经典摩尔定律，随着器件尺寸的缩小和晶体管密度的增加，已经发展了数十年。然而，即使在器件结构、传统半导体材料系统、先进工艺和系统工程方面进行了广泛创新，有效摩尔定律的扩展也遇到了当代制造和物理挑战。阻碍晶体管尺寸缩小的最重要的物理障碍是几十纳米沟道长度的短沟道效应（SCE）和亚10纳米沟道长度的量子隧道效应。在过去的二十年中，重点是开发几代专门设计的材料系统和设备结构，以克服与这些问题相关的挑战。这些进步包括高K金属栅极MOSFET、目前商业化生产的鳍式场效应晶体管（FinFET）以及最先进的环栅（GAA）MOSFET。然而，器件尺寸的进一步缩小仍然受到传统半导体固有的3D性质的限制。随着器件尺寸缩小到纳米尺度，传统半导体的性能发生巨大变化，由于物理、技术和经济的限制，最终可能会阻止基于传统半导体的器件的进一步缩小。

单层MoS₂首次演示以来，许多单层TMD已经被开发出来，为基于TMD的器件提供了无限的可能性。此外，还开发了各种技术来调节TMD的特性，包括相工程、缺陷工程和掺杂。这些进步证明了基于TMD的器件在将摩尔定律扩展到亚1纳米尺度方面的巨大潜力。此外，单层TMD的直接带隙性质引起了人们对其光电应用的广泛兴趣。此外，TMD还表现出超导性、自旋轨道耦合、铁电性和铁磁性等新颖特性，这可能会开启基于创新原理的原子层材料系统器件的新时代。由于原子层材料系统的二维性质，基于原子层材料的横向或垂直异质结带来了更多机会。异质结可以在原子层材料之间形成，可以通过化学键横向形成，也可以通过范德华相互作用垂直形成，从而实现基于原子层材料的异质结器件。

在本文中，王琛副教授等人介绍了原子层半导体和传统半导体之间的比较一致性，并探讨了原子层半导体和传统半导体的异构集成为高性能功能异质结器件和集成电路带来的独特机会。

3.最新进展

TMD是一大类原子层材料，具有各种电气和光电特性。这种多样化的材料和特性使得下一代电子和光电器件的探索成为可能。具有干净范德华界面的原子级薄TMD为代表的原子层半导体表现出优异的可控性以及与其他原子层材料的异质集成潜力。此外，以TMD 为代表的原子层半导体在未来电子和光电器件中显示出巨大的潜力。原子层半导体与传统半导体之间的异质集成，结合两种材料体系的技术和经济优势，为后摩尔时代第一阶段提供了一条实用的中间路线。

原子层半导体与范德华异质结 TMD是一系列具有 “MX₂” 标准化学结构的材料，其中 “M” 代表过渡金属元素，“X”代表硫族元素（即S、Se和Te），如图1（a）所示。不同的单层堆叠模式形成不同的多层相结构，如图1（b）所示。具有不同化学成分的TMD 在室温下具有不同的热力学稳定相。不同相的TMD 表现出不同的特性。例如，2H MoS₂表现出半导体的特性，而1T MoS₂由于其零带隙性质而表现出类似金属的行为，如图1（c）所示。据报道，3R双层中存在垂直于原子平面的铁电极化，如图1（d）或铁电相关的光伏效应所示。因此，TMD的相工程用于调节其特性并创建异相结。2H相和1T相之间的相变机制可以通过原子平面滑移模型来描述。硫族化物平面的滑动导致2H单层转变为1T单层。或者，2H单层的对称性随着金属平面的滑动而反转，如图1（e）所示。Liu等人发现，吸收的钾原子可以稳定1T′相，如图1（f）所示。使用碱金属处理工艺可以引发图案化的2H-1T' 相变。图1（g）说明了使用图案化n-BuLi处理来制造具有2H沟道和1T接触的晶体管，从而实现良好的欧姆接触行为。使用类似的技术，可以制造具有亚10nm 2H和1T'沟道长度的MoS₂晶体管，如图1（h）和（i）所示。

图1（a）元素周期表中实验证明的二元层 TMD 的成分。金属元素上的橙色、黄色和绿色标记分别表示该金属元素存在原子层二硫化物、二硒化物或二碲化物。（b）TMD 的不同单层结构和堆叠模式。（c）半导2H-MoS₂和半金属1T'-MoS₂的能带结构。经许可转载，版权所有（2016）美国化学会。（d）3R堆叠TMD双层中的铁电极化。经许可转载，版权所有 （2022）美国化学会。（e）2H-1T相变和2H-2H' 对称转变的原子平面滑动机制。经许可转载，转载自Springer Nature。（f）具有钾稳定作用的1T'-MoS₂的直接合成。下图中的形成能-K浓度图显示形成能随着K浓度的增加而降低。经许可转载，转载自Springer Nature。（g）MoS₂ 2H-1T相变 FET 的传输特性曲线。插图是2H-1T异质结的光学图像。经许可转载，转载自Springer Nature。（h）具有亚10nm 沟道的图案化MoS₂ 2H-1T' 相变晶体管的图示。（i）用n-BuLi对MoS₂进行图案化2H-1T' 相变处理。经许可转载，版权所有 （2016）美国化学会。

本征或掺杂原子层TMD中存在多种缺陷。图2（a）显示了TMD中出现的各种点缺陷，包括空位和空位簇、反位点、分裂间隙原子、吸附原子、层间间隙原子和替代原子。此外，在单层TMD中也可以观察到线缺陷，包括晶界或边缘。图2（b）举例说明了单层MoS₂中由位错阵列组成的一维晶界。此外，在TMD 中观察到纳米相。例如，图2（c）显示了2H MoS₂ 中与空位相关的铁磁1T纳米相。通过控制合成条件可以在原位引入缺陷。例如，通过在载气中添加H₂，可以在不破坏晶体结构的情况下引入浓度可控的缺陷，如图2（d）所示。此外，人们对缺陷的生长方法产生兴趣。例如，通过热退火或化学机械处理可以轻松地引入缺陷。使用电子束、激光、等离子体、化学或电化学处理的技术为图案化缺陷工程提供了选择。电化学空位产生的机理如图2（e）所示。TMD晶格中的缺陷通常会带电以保持电中性，从而产生掺杂效应，例如由硫族空位引起的n掺杂。图2（f）显示，通过Ar等离子体处理的触点，WSe₂晶体管表现出改进的n 型行为以及与电极更好地接触。含有不同官能团的硫醇分子可以用来改变含VS的MoS₂的性能，如图2（g）所示。缺陷的化学敏感性也可以用于化学传感。硫属空位也可以通过化学方法在生长后消除或钝化。图2（h）显示了化学空位消除的吸附原子机制。

此外，当原子层材料减薄至纳米尺度时，它们可以保持其结构，因为层表面没有悬挂键。图2（i）显示了 MoS₂随厚度变化的带隙结构。当MoS₂减薄至单层时，带隙变宽和间接带隙到直接带隙的转变可以被清楚地识别。

类似地，作为用于增强迁移率的硅基应变工程，与TMD中的应变相关晶格参数的变化也可引起带隙调制，从而提供了通过施加外部应力来调节TMD的电性能的可能性。拉伸应变会导致某些单层TMD中直接带隙转变为间接带隙或减小带隙。另一方面，压应力会增加带隙并降低迁移率，如图2（j）所示，其中可以通过将TMD转移到柔性基板上来引入均匀的单轴应变。

图2（a）TMD 中点缺陷的类型。经许可转载，版权所有 （2015）美国化学会。（b）TMD 中包含位错的晶界。经许可转载，版权所有 （2013）美国化学会。（c）2H-MoS₂ 中与缺陷相关的铁磁1T纳米相。经许可转载，版权所有 （2015）美国化学会。（d）用H₂生长期间的原位缺陷控制。经许可转载，转载自Springer Nature。（e）通过电化学方法产生的生长后缺陷。经许可转载，转载自Springer Nature。（f）在等离子体处理的富含缺陷的WSe₂中进行N型掺杂，从而降低接触势垒并改善开关行为。John Wiley & Sons © 2021Wiley-VCH GmbH。（g）用含有不同官能团的硫醇分子进行缺陷功能化，其中给电子基团（例如氨基）导致n掺杂，吸电子基团（例如氟取代）导致p掺杂。经许可转载， 版权所有 （2015）美国化学会。（h）用H₂S化学消除缺陷，用吸附原子机制阐明。经许可转载，转载自Springer Nature。（i）MoS₂的带隙随着层数的减少而演变，当层数减少到单层时，可以识别出间接-直接带隙跃迁。（j）单层MoS₂中应变引起的带隙变化。经许可转载。版权所有 （2012）美国化学会。

原则上，原子层半导体的电特性，包括带隙结构和态密度，相应的电导率和载流子密度可以通过掺杂来调节。图3（a）总结了TMD中广泛使用的掺杂策略。本征掺杂是通过缺陷调整或替代掺杂来实现的。与块体材料的情况相比，由于量子限制，掺杂剂态对掺杂剂浓度的响应较弱，因此原子层半导体需要高掺杂浓度。通过在天然n掺杂的MoS₂中足够高浓度的Nb替代，可以实现简并p型掺杂，如图3（b）所示。如图3（c）所示，当取代原子嵌入TMD晶格中时，取代掺杂变得化学稳定。随着取代浓度的增加，取代元素可以占据成分的相当大的比例，从而形成合金。合金形成允许在具有共同晶格结构的两个TMD之间进行连续的性能控制。连续能带结构调制可以通过金属合金化（如图3（d）和（e）所示）或硫属合金化（如图3（f）和（g）所示）来实现。半导体TMD和金属TMD之间的合金，例如WS₂和NbS₂，允许连续带隙调制到零带隙状态，如图3（h）所示。

掺杂可以通过外部电场实现：即静电掺杂。图3（i）显示了光辅助类浮栅非易失性静电掺杂方法的机理。静电掺杂允许动态控制掺杂浓度，但代价是额外的能量消耗和器件结构复杂性的增加。

表面电荷转移是另一种外部掺杂方法。图3（j）和 （k）显示了具有自对准生长氧化物掺杂剂层的器件。图3（l）显示了引入相工程接触和有机表面电荷转移掺杂沟道混合调制的晶体管。大多数表面电荷转移方法很容易形成图案，而有些则存在化学不稳定的问题。

图3（a）TMD的掺杂策略。（b）MoS₂中的Nb替代掺杂导致简并p掺杂。经许可转载， 版权所有（2014）美国化学会。（c）MoS₂晶格中Re替代掺杂的HRTEM图像。John Wiley &Sons. © 2021Authors。《先进科学》由Wiley-VCH GmbH出版。（d）MoxW₁−xS₂合金的HRTEM图像，可以识别Mo和W原子的均匀混合。（e）MoxW₁−xS₂合金的PL 光谱表明连续带隙随成分调制。经许可转载。版权所有 （2021）美国化学会。（f）WS_2xSe_2−2x合金的PL光谱随成分变化。箭头表示从WSe₂到WS₂的成分变化。（g）WS_2xSe_2−2x合金中掺杂效应随成分变化的转变。箭头表示从WSe₂到WS₂的成分变化。经许可转载，版权所有 （2016）美国化学会。（h）随着成分变化，WxNb₁−xSe₂ 合金中的带隙连续变化，直到0带隙。经许可转载，转载自Springer Nature。（i）机制非易失性浮动栅的如光辅助静电掺杂，其中n型掺杂作为示例示出，而p型掺杂可类似地阐明。经美国科学促进会 （AAAS）许可转载。（j）WSe₂通道上带有自对准氧化层的图案化表面电荷转移掺杂。（k）在 WSe₂ 沟道上的自对准氧化物层上的图案化表面电荷转移掺杂。经许可转载，版权所有 （2021）美国化学会。（l）在 2H-MoSe₂ 晶体管中相位工程和表面电荷转移掺杂的杂交示意图。经许可转载，版权所有 （2021）美国化学会。

TMD的合成方法：热CVD是最基本、最常见的TMD 生长方法，可以通过多种方式进行控制。通过改变温度和气体流量，可以将原子层TMD材料的厚度减小到所需的规格（图4（a））。TMO 适中的熔点和在CVD工艺中实现热蒸发的相对较高的可行性是导致原位预沉积生长的有用特性。如果需要进一步降低TMO的熔点，可以采用NaCl或KI等盐作为促进剂，并有助于形成多种类型的单层TMD，例如MoS₂、MoSe₂、WS₂、WSe₂、NbS₂和 NbSe₂（图4（b））。与升华固体前驱体相比，溶液相前驱体，例如（NH₄）2MoO₄，可用于合成大而均匀的MoSe2 单层。这种固溶相法也可用于形成大的均匀单层 Nb_1−x W_x Se₂合金，如图4（c）所示。与传统的热CVD相比，MOCVD在更好控制的生长条件下可产生更高质量的最终产品。使用该工艺可以实现非常理想的均匀掺杂MoS₂和WS₂的晶圆级生产（图4（d））。除了控制反应本身之外，人们还开发了多种材料作为TMD定向或高反应性生长的CVD基材。例如，C面蓝宝石晶圆本身就在衬底上沿<10-10>形成平坦平台，有利于 MoS₂域的单向生长（图4（e））。

异质结的形成对于实现许多具有各种功能的器件是必要的。TMD之间可以形成横向和垂直连接。通过逐步生长演示了WS₂-WSe₂和MoS₂-MoSe₂横向异质结的合成（图 4（f））。任意原子层材料之间的垂直异质结可以使用转移堆叠方法形成。通过剥离、转移和堆叠工艺的结合，创建了灵活的工艺流程，使得任意TMD之间形成范德华结，控制层间扭转角度（如图4（g）所示），以及人工不对称结构的创建。然而，此类方法复杂、低效，且与传统半导体制造工艺兼容性差。因此，采用两步生长方法或外延生长方法在原子层材料之间形成异质结可以在不影响与传统半导体工艺的兼容性的情况下形成异质结。值得注意的是，当WSe₂在大气中反应形成WO₃和气相Se时，第一层生长的MoS₂转化为MoSe₂，导致MoS₂中的S被Se取代，如图4（h）所示。逐步生长方法与传统的半导体制造工艺更加兼容，但生长步骤之间不可避免地会出现层间污染。Fu等人使用图4（i）所示的一锅生长方法实现了MoS₂/NbS₂垂直异质结。NbS₂的成核有利于MoS₂层的角落，因为那里的缺陷浓度较高，有助于成核过程。第二层NbS₂的覆盖范围取决于所经过的生长时间，因此当生长时间不够长时，第二层NbS₂的覆盖范围可能不完全。Seok等人采用H₂S等离子体硫化的PECVD技术有望解决这一缺陷。W和Mo金属依次沉积在晶圆上，并使用H₂S等离子体对预沉积物进行硫化，同时形成WS₂和MoS₂，如图4（j）所示。

图4（a）CVD WSe₂的形态随生长条件而变化。比例尺是 20。经许可转载，版权所有（2015）美国化学会。（b）使用NaCl或KI促进剂生长的一些典型的CVD TMD的形貌。经许可转载，转载自Springer Nature。（c）使用旋涂液相前体的CVD方法。经许可转载，转载自Springer Nature。（d）MoS₂ MOCVD装置示意图。经许可转载，转载自Springer Nature。（e）具有匹配晶格参数的蓝宝石上的MoS₂范德华外延。经许可转载，转载自Springer Nature。（f）横向外延 WS₂/WSe₂异质结。经许可转载，转载自Springer Nature。（g）水辅助转移方法，可以精确控制扭转角度。经许可转载，转载自Springer Nature。（h）两步CVD在石墨烯上形成MoS₂/WSe₂或WSe₂/MoSe₂外延vdWH。经许可转载，转载自Springer Nature。（i）通过反应控制的一锅法生长的 NbS₂-MoS₂ vdWH。比例尺为10。经许可转载，版权所有 （2018）美国化学会。（j）使用PECVD 方法形成的MoS₂-WS₂垂直异质结。经许可转载，版权所有 （2021）美国化学会。（a）CVD WSe₂的形态随生长条件而变化。比例尺是 20。经许可转载，版权所有 （2015）美国化学会。（b）使用NaCl或KI促进剂生长的一些典型的CVD TMD的形貌。经许可转载，转载自Springer Nature。（c）使用旋涂液相前体的CVD方法。经许可转载，转载自Springer Nature。（d）MoS₂ MOCVD装置示意图。经许可转载，转载自Springer Nature。（e）具有匹配晶格参数的蓝宝石上的MoS₂范德华外延。经许可转载，转载自Springer Nature。（f）横向外延 WS₂/WSe₂异质结。经许可转载，转载自Springer Nature。（g）水辅助转移方法，可以精确控制扭转角度。经许可转载，转载自Springer Nature。（h）两步CVD在石墨烯上形成MoS₂/WSe₂或WSe₂/MoSe₂外延vdWH。经许可转载，转载自Springer Nature。（i）通过反应控制的一锅法生长的NbS₂-MoS₂ vdWH。比例尺为10。经许可转载，版权所有 （2018）美国化学会。（j）使用PECVD方法形成的MoS₂-WS₂垂直异质结。经许可转载，版权所有 （2021）美国化学会。

基于TMD的电子学和光电子学：场效应晶体管 （FET）是当今工业化集成电路最基本的元件。MoS₂晶体管采用30 nm H_fO₂薄膜作为高顶栅电介质和迁移率增强器制造，表现出超过200 cm²·V⁻¹·s⁻¹ 的迁移率和室温下电流开/关达到108，如图5（a）所示。与块状材料不同，原子层半导体很容易耗尽，并且受SCE影响较小，因此可以实现更短的栅极长度。最近也制造出了物理栅极长度低于1 nm的基于MoS₂的FET，如图5（b）所示。由于其高度模块化，原子层半导体可以适应各种新颖的晶体管结构，例如与离子栅极介质集成以构造突触晶体管。在扩散有Na+的 S_iO₂层上基于MoS₂的移动离子门控突触晶体管，如图5（c）所示。

具有原子级清洁、悬空键表面的TMD适用于功能器件制造中的范德华集成，例如二极管、肖特基结和 TFET。通过集成金属性1T′-MoTe₂和半导体单层 MoS₂，基于全二维肖特基结的近理想整流器得以展示（图5（d）），其中vdW界面有效地解决了导致传统金属肖特基结的肖特基势垒高度增加的严重费米能级钉效应。据报道，由p型BP和n型单层MoS₂组成的范德华p–n结显示出高达418mA·W⁻¹的光电检测响应度和0.3%的EQE，如图5（e）。这种栅极可调p-n 二极管结构充分利用了少层BP的小带隙和高迁移率。异质界面质量，例如能带排列和形成异质界面的能力，已被证明是生产n-MoS₂通道异质结TFET的关键因素。具有足够高掺杂水平的Nb掺杂p+-MoS₂晶体（而不是p⁺-WSe₂）可以作为替代源形成更稳定的 III型能带排列，使得极低的SS成为可能，如图5（f）。此外，隧道二极管和RTD可以表现出负微分电阻（NDR）行为，也在TMD-vdWH中得到了证明。据报道，基于BP/ReS₂异质结且具有III型断隙能带排列的NDR器件可用于实现多值逻辑应用，如图5（g）和（h）所示。

基于TMD异质结的光电二极管是另一个研究热点。通过堆叠p型WSe₂和n型少层MoS₂构建具有原子级薄几何结构和原子级尖锐界面的二极管，如图5（i）和（j）所示。此外，使用范德华同质结构建的基于p-n 结的光伏器件表现出更高的开路电压（VOC）。例如，p-MoS₂:Nb/n-MoS₂:Fe范德华同质结是通过垂直堆叠替代掺杂的MoS₂制成的，如图5（k）和（l）所示。当TMD-金属接触处的光活性肖特基二极管受到遮蔽时，在4 W·cm⁻²的宽带照明下测量到1.02 V 的VOC，这表明有利的能带对准和欧姆金属-半导体接触的重要性。

图5（a）具有低SS的单层MoS₂晶体管。经许可转载，转载自Springer Nature。（b）栅极长度低于1 nm的垂直沟道 MoS₂晶体管。经许可转载，转载自Springer Nature。（c）带有离子门的MoS₂突触晶体管。经许可转载，版权所有 （2021）美国化学会。（d）范德华肖特基结与普通金属 /TMD肖特基结相比。与TMD与传统金属形成肖特基结相比，形成范德华肖特基结对半导体TMD结构的破坏较小，从而削弱了费米能级钉扎，使肖特基界面更加理想。经许可转载，转载自Springer Nature。（e）插入整流比的BP/MoS2二极管的特性曲线。经许可转载，版权所有（2014）美国化学会。（f）全二维n-MoS₂/p+-WSe₂ TFET显示低于60 mV·dec⁻¹ SS。经许可转载，版权所有（2020）美国化学会。（g）具有负微分电阻（NDR）的BP/ReS₂Esaki二极管。（h）下图中所示的能带结构随偏置电压的演变阐明了Esaki二极管中 NDR的带间隧道（BTBT）机制。经许可转载，转载自Springer Nature。（i）MoS₂/WSe₂光电二极管的示意图。（j）MoS₂/WSe₂光二极管的荧光。经许可转载，版权所有 （2014）美国化学会。（k）基于掺杂MoS₂同质结的高开路电压太阳能电池。（l）掺杂MoS₂同质结的能带结构。经许可转载，版权所有（2021）Elsevier。

原子层半导体与传统半导体的异质集成：以TMDs为代表的原子层半导体在未来电子和光电器件中显示出巨大的潜力。然而，尽管它们具有非凡的性能和新颖的应用，但由于原子层半导体精细合成和器件工程面临的挑战，它们的应用受到了阻碍。例如，原子层半导体中的简并掺杂仍然具有挑战性，并且用原子层材料形成复杂的3D结构也很困难。结果，完全由原子层半导体组成的器件的应用受到很大阻碍。相比之下，几代传统半导体已经发展成熟。原子层半导体与传统半导体之间的异质集成，结合两种材料体系的技术和经济优势，为后摩尔时代第一阶段提供了一条实用的中间路线。

原子层半导体与传统半导体之间异质结的制造：转移和堆叠是制造原子层传统异质结最常用的物理方法之一。然而，这种方法存在许多缺点，例如产量低、转移过程中的污染以及与传统半导体制造技术的兼容性差。溅射是另一种用于合成异质结的常用方法。Wang等人通过磁控溅射将垂直放置的MoS₂薄膜沉积到具有预定SiO₂窗口的p-Si基板上。50 nm Ag电极用作MoS₂上的顶部接触，50 nm Au电极用作p-Si的背面接触，如图6（a）所示。横截面透射电子显微镜（TEM）研究表明，通过溅射沉积的MoS₂薄膜具有约150 nm的均匀厚度。此外，物理化学方法，如后硫属化法，是对纯物理方法的改进，也被广泛用于合成异质结。由于其能够创造高质量的产品并且易于在大规模生产环境中实施，后硫属化已与硅一起用于生长混合异质结。利用Si衬底上原位预沉积PtSe₂层的热辅助转化，实现了大尺寸均匀多层PtSe₂/Si垂直杂化异质结的原位构建，如图6（b）所示。Liang等人报道了另一种通过对n型轻掺杂硅片进行碱蚀制备金字塔形Si来控制的方法，以制造多层PdSe₂/pyramid硅器件，如图6（c）所示，展示了制造包含原子层半导体的可能性。结构复杂的异质结。此外，还开发了基于非金属预沉积的物理化学生长方法。图6（d）显示了通过 (NH₄)₂ MoS₄热解法在p-Si上合成MoS₂的过程。与使用SiO₂/Si作为基底的情况相比，非氧化物晶片表面的疏水性使得不可能直接形成 (NH₄)₂ MoS₄ 涂层。

在原始硅片上直接CVD生长TMD也是另一种生长方法。例如，Kim等人开发了一种常压PECVD技术，可以在<200℃的温度下直接在4英寸 Si 基板上生长 MoS₂ 和 WS₂ 多层膜，如图6（e）所示。另一种方法是 MOCVD，它在原子层传统异质结的制造中得到了广泛研究。Zhang等人展示了通过MOCVD在 GaN 衬底上大规模合成MoS₂和WSe₂。他们阐明了原子层传统异质结的结构，如图6（f）所示。

与硅基半导体一样，在制备高质量晶格匹配原子层传统异质结时，外延方法至关重要。Ruzmetov等人研究了蓝宝石（c 面）衬底上的MoS₂/GaN 混合结构，并证明了跨界面的垂直导电，如图6（g）所示。此外，MBE是最有效、应用最广泛的外延方法之一。Seredyski等人在几乎完全晶格匹配的GaAs（111）衬底上实现了NiTe2的MBE生长，如图 6（h）所示。

具有六方面内晶格排列和弱结合层的原子层材料可以很容易地转移到柔性基板上。Kim等人深入研究了影响外延质量的因素。他们揭示了基底材料、石墨烯材料、基底-石墨烯界面和外延材料在这些材料的静电耦合中各自的作用和影响，静电耦合控制着内聚有序性并可以导致上覆薄膜中的单晶外延，如图6（i）所示。

图6（a）溅射形成的垂直n-MoS₂/p-Si异质结。John Wiley &Sons. ©2015WILEY-VCH Verlag GmbH&Co.KGaA, Weinheim.（b）在Si上生长的后硫族化物PtSe₂。经许可转载，转载自英国皇家化学学会。（c）硫属化后在Si上生长的具有金字塔结构的PdSe₂。John Wiley&Sons. ©2019 WILEY-VCH Verlag GmbH&Co. KGaA, Weinheim.（d）使用MoO₃-（NH4）2MoS4前体在p-Si上原位MoS₂生长。经许可转载，转载自Springer Nature。（e）AP-PECVD Si 上的MoS₂。经许可转载, 版权所有（2018）美国化学会。（f）具有受控层数的MOCVD MoS₂/p-GaN和WSe₂/n-GaN 结构。经许可转载，转载自英国皇家化学学会。（g）在GaN 上外延生长MoS₂。经许可转载，版权所有（2016）美国化学会。（h）在GaAs上的MBE NiTe2。经许可转载，版权所有 （2021）美国化学会。（i）通过石墨烯远程外延GaAs和 GaN。经许可转载，版权所有（2021）美国化学会。

原子层传统异质结适用于制造性能优化的肖特基器件。据报道，原子层狄拉克半金属石墨烯是石墨烯/硅光电探测器中的有效载流子收集器。基于石墨烯/硅的器件表现出出色的肖特基二极管特性，势垒高度为0.76 eV，如图7（a）所示。势垒电阻是一种类似晶体管的肖特基器件，具有可变势垒，适用于逆变器等器件应用。Yang等人于2012年首次报道了势垒电阻，其在石墨烯和氢化硅之间具有原子级尖锐的界面，如图7（b）所示。

具有金属基底的HET的性能受到载流子散射和自偏压拥挤的限制。在较薄的金属基器件中，前者会减少，但后者会随着电阻的增加而加剧。目前已经实现了具有超过104的电流开/关比的石墨烯基垂直HET，其中石墨烯基的费米能被调制来控制器件状态，如图7（c）所示。最近，以MoS₂和H_fO₂作为滤光势垒界面、以ITO等非晶半导体作为集电极的HET在室温下表现出前所未有的共基极电流增益增加（达到 ∼0.95），如图7（d）和（e）所示。

与传统的p-n结构相比，具有隧道传输机制的半导体-绝缘体-半导体（SIS）二极管能够实现更高的电流和阈值电压。可以使用转移策略创建由单层MoS₂、h-BN和外延p-GaN组成的SIS异质结二极管。与传统p-n结相比，更高的电流和阈值电压表明隧道传输占主导地位，如图7（f）和（g）所示。通过顶栅控制，可以构建基于单层到几层n-MoS₂与简并掺杂p⁺⁺-Si和 p⁺⁺-GaN之间形成的p-n结的垂FET（VFET）。此类器件表现出可调费米能级对接口质量的高容差以及高整流比和开/关比，如图7（h）和（i）所示。与基于 TMD-vdWH的器件类似，利用原子层半导体和传统半导体之间原子级尖锐的范德华界面，基于原子层传统异质结的隧道器件已经得到了很好的发展。将多层 Nb掺杂p+MoS₂转移到重掺杂n+ GaN形成的无隔离绝缘层的隧道二极管表现出446 A·cm^-2的峰值电流、1.2的峰谷比和最小的磁滞，如图7（j）和（k）所示。基于具有突变开关行为的分层传统异质结的 TFET也显示出在不损失功率的情况下进一步扩展的巨大潜力。例如，展示了使用高掺杂Ge作为源极和原子级薄膜MoS₂作为沟道的TFET，如图7（l）和（m）所示。有趣的是，p-TMD/n-Ga₂O₃原子层传统异质结具有超薄TMO层，而不是分隔两种不同半导体的范德华界面，表现出类似于双极沟道结FET （JFET）的独特功能，如图7（n）和（o）。

图7（a）石墨烯/硅肖特基二极管的电特性曲线。经许可转载，转载自英国皇家化学学会。（b）石墨烯/硅势垒电阻的载流子隧穿机制，其中左图显示正向偏压的情况，右图显示反向偏压的情况。经美国科学促进会（AAAS）许可转载。（c）石墨烯/硅热电子晶体管（HET）的载流子隧道机制。经许可转载，版权所有（2013）美国化学会。（d）MoS₂/Si HET 的结构。（e）MoS₂/Si HET的载流子隧道机制。经许可转载，版权所有（2015）美国化学会。（f）具有p-n异质结结构的MoS₂/p-GaN二极管的I-V曲线。左上插图为装置结构示意图。右下图显示了具有SIS结构的MoS₂/p-GaN二极管的负偏压能带图（左）和正偏压能带图（右）（g）I-V曲线。左上插图为装置结构示意图。右上图显示负偏压能带图（上）和正偏压能带图（下）。经许可转载，版权所有（2015）美国化学会。（h）具有高整流比和开/关比的MoS₂/p⁺⁺-Si垂直FET的示意图。（i）MoS₂/p⁺⁺-Si垂直FET在不同VGS下的 IDS-VDS曲线。经许可转载，版权所有（2020）美国化学会。（j）具有NDR和高电流的p⁺-MoS₂/n⁺-GaN隧道二极管的图示。（k）在具有NDR和高电流的p⁺-MoS₂/n⁺-GaN隧道二极管的正向和反向扫描之间测量的最小磁滞。经许可转载，转载自AIP Publishing。（l）MoS2/p-Ge TFET示意图。（m）具有低于60 mV·dec^-1 SS的MoS₂/p-Ge TFET的传输特性曲线。经许可转载，转载自Springer Nature。（n）MoTe₂/β-Ga₂O₃ JFET示意图。（o）MoTe₂/β-Ga₂O₃ JFET的传输特性曲线。John Wiley & Sons © 2021 Wiley-VCH GmbH。

基于原子层传统异质结的光电器件：基于传统半导体或TMD vdWHs光电子学，可以通过原子层半导体和传统半导体之间形成的p-n结来实现光电子学。图8（a）显示了基于转移的n-MoS2/p-Si异质结的光电探测器。图8（b）显示了最近报道的具有超快光响应的 p-WSe2/n-Ge光电探测器，在638 nm照明下表现出约3μs的快速上升和下降，在1550 nm红外照明下表现出约3μs的上升和5μs的下降。

肖特基光电二极管是另一种典型的已报道的基于原子层传统异质结的光电探测器。范德华肖特基界面可以在传统半导体和金属或半金属原子层材料（包括石墨烯和金属TMD）之间形成。图8（c）和（d）显示了金属1T-PtSe2和n-Si之间形成的肖特基光电二极管，其中图8（d）显示了反向偏压下光电流产生的机制。PdSe₂是一种非典型金属TMD，具有独特的低对称性晶体结构，如图8（e）所示。这种独特的晶体结构使其适用于高灵敏度偏振检测，这在二色性比为 4.5 的 PdSe₂/GaN 肖特基光电二极管中实现。图 8（f）显示了 PdSe₂/GaN 肖特基光电二极管的归一化光电流与入射光偏振的函数关系。在用 PLD 形成的 p-SnS/n-Si 异质结中，横向和垂直排列的原子层 SnS 的共存（图 8（g））导致光散射和吸收增强。Si 上滴铸 Ag-WS₂ 纳米复合材料的形态也显示出增强的吸收和光电探测能力。由于量子力学限制，单层 TMD 中的带隙是直接的，导致与光的强烈相互作用，可用于构建基于分层传统异质结的 LED。基于n型单层MoS₂和p型Si组成的垂直异质结的发光二极管如图8（i）和（j）肖特基光电二极管是另一种典型的已报道的基于原子层传统异质结的光电探测器。范德华肖特基界面可以在传统半导体和金属或半金属原子层材料（包括石墨烯和金属TMD）之间形成。图8（c）和（d）显示了金属1T-PtSe2和n-Si之间形成的肖特基光电二极管，其中图8（d）显示了反向偏压下光电流产生的机制。PdSe2是一种非典型金属TMD，具有独特的低对称性晶体结构，如图8（e）所示。这种独特的晶体结构使其适用于高灵敏度偏振检测，这在二色性比为4.5的 PdSe2/GaN肖特基光电二极管中实现。图8（f）显示了PdSe2/GaN肖特基光电二极管的归一化光电流与入射光偏振的函数关系。在用PLD形成的p-SnS/n-Si异质结中，横向和垂直排列的原子层SnS的共存（图8（g））导致光散射和吸收增强。Si上滴铸Ag-WS2 纳米复合材料的形态也显示出增强的吸收和光电探测能力。由于量子力学限制，单层TMD中的带隙是直接的，导致与光的强烈相互作用，可用于构建基于分层传统异质结的LED。基于n型单层MoS₂和p型Si组成的垂直异质结的发光二极管如图8（i）和（j）所示。

值得注意的是，间接带隙多层膜也可用于制造LED。Li等人报道了多层MoS₂中电场诱导的强电致发光；他们表明，可以通过整流行为创建GaN-Al₂O₃-MoS₂ 垂直异质结，如图8（k）所示。绝缘Al2O3层可以部分阻挡电子从n-MoS₂注入到p-GaN，同时由于独特的能带排列而允许空穴有效地从p-GaN注入到n-MoS₂（见图8（l）中的能带图））。

许多基于p-n结或肖特基结的光电器件已被证明具有光伏效应。与此同时，大多数这些节点的效率对于能量转换的应用来说还不够高。Lin等人展示了一种结合多种策略优化的MoS₂/GaAs太阳能电池，包括引入 h-BN绝缘层、MoS₂层的化学掺杂和电选通，器件结构，如图8（m）所示，PCE为9.03%。石墨烯/硅异质结的电光调制已有报道。Liu等人通过实验证明了一种具有宽带调制行为的石墨烯/硅基光调制器，如图8（n）和（o）所示。

除了在电子领域的应用之外，原子层传统异质结还具有能源和化学反应的有趣催化特性。进一步研究了光催化的原理。Wang等人利用第一性原理计算，通过在ZnO上堆叠MoS₂设计了基于MoS₂的异质结，如图8（p）所示。典型的II型异质结与大的内置电场和优异的光吸收相结合，使MoS₂/ZnO vdWH成为光伏和光催化器件应用的巨大潜力候选者。

图8（a）n-MoS₂/p-Si p-n结光电探测器中反向偏压下光电流产生的机制。经许可转载，转载自Springer Nature。（b）具有超快响应的p-WSe₂/n-Ge光电探测器。John Wiley & Sons © 2021Wiley-VCH GmbH。（c）PtSe₂/Si肖特基光电探测器示意图。（d）反向偏压下光电流产生的机制。经许可转载，版权所有（2016）美国化学会。（e）低对称性 PdSe2晶体结构。（f）基于PdSe₂/GaN异质结的极性敏感光电检测。经许可转载，版权所有（2022）美国化学会。（g）通过PLD形成的多晶结构增强了光吸收率（SnS/Si）。经许可转载，版权所有（2018）美国化学会。（h）Ag-WS₂（纳米粒子复合材料）/Si结构，用于具有光吸收增强的光电检测。经许可转载，版权所有（2021）Elsevier。（i）n-MoS₂/p-Si LED器件的光学显微镜图像。（j）n-MoS₂/p-Si LED 器件示意图。经许可转载，版权所有（2014）美国化学会。（k）具有Al2O3绝缘层和GaN空穴注入区域的 MoS₂/GaN LED示意图。（l）具有Al₂O₃绝缘层和GaN空穴注入区的MoS₂/GaN LED的能带结构。经许可转载，转载自Springer Nature。（m）MoS₂/h-BN/GaAs太阳能电池涉及高PCE的多重协同调制。经许可转载，转载自Springer Nature。（n）石墨烯/硅光调制器的图示。（o）石墨烯/硅光调制器的宽带调制行为。经许可转载，转载自Springer Nature。（p）MoS₂/ZnO水分解光催化剂。经许可转载，转载自英国皇家化学学会。

4. 未来展望

在2020年代，基于TMD的晶圆级器件的制造工艺已达到成熟阶段，这主要归功于基于CVD的合成工艺的工业兼容性。TMD中vdWH的制造可以通过转移方法或连续生长方法（例如两步生长或一锅生长技术）来完成。这些卓越的材料特性和器件特性赋予TMD与传统半导体工艺技术集成的独特且令人兴奋的机会。对于基于TMDs的电子器件和光电器件来说，毫无疑问将摩尔定律扩展到亚1纳米尺度。此外，任意TMD之间形成的范德华界面提供了具有自然可调范德华间隙的原子锐界面，允许创建基于量子隧道的器件设计中首选的高质量隧道界面，例如肖特基二极管、隧道二极管和具有突变开关行为的TFET。此外，单层TMD 的直接带隙性质有利于高性能TMD光电器件的探索和开发，包括光电探测器和太阳能电池。尽管原子层半导体及其异质结带来了巨大的机遇，但对物理尺寸、化学成分、相对取向、界面特性和器件性能的精确控制仍然是一个挑战，需要进一步研究。原子层传统异构集成器件的商业化尚未实现，但在本征物理、材料性能、器件结构和集成策略方面已经取得了实质性进展，预示着未来的广阔前景。

综述 ● 开放获取阅读更多

1. 文章导读

拉胀材料是一类具有负泊松比效应的机械超材料，其在轴向拉伸时横向发生膨胀变形。拉胀材料具有优异的断裂韧性、高抗冲击吸能、以及弯曲变形双曲率特征等独特的力学性能和变形特性，在航空航天、生物医学、电子设备，以及生活用品等领域具有广泛的应用前景。传统的拉胀机械超材料通常表现出相对较低的轴向刚度和强度，展示出柔性材料的力学属性。近年来，研究人员开始关注新型轻质高强拉胀机械超材料的力学设计、制备方法及工业应用。近期，南京理工大学李响副教授与上海交通大学吴文旺副教授、哈尔滨工业大学熊健教授以及香港大学陆洋教授合作在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表《化柔为刚：拉胀超构材料新设计方法》的综述，系统介绍了柔性以及刚性拉胀超材料的力学设计方法及其应用。柔性拉胀机械超材料可采用柔性基材、层级设计、纺织设计、以曲代直等力学设计方法；刚性拉胀机械超材料可采用刚性基材、层级设计、复合结构设计以及复合胞壁等设计方法。基于其力学特性，柔性拉胀材料可用于服饰、生物医学设备、智能脚手架、可拉伸电子产品、隔音材料和智能执行器。相比之下，刚性拉胀材料可以用于具有刚性性能的医疗植入设备、防弹、防爆材料、航空航天和军事装备中的高性能多功能复合结构中。文章分别对柔性和刚性拉胀机械超材料的多功能应用进行阐述。图1展示了柔性、刚性拉胀机械超材料的力学设计方法及其工程典型应用。

亮点：

● 分类总结了柔性和刚性拉胀机械超材料的力学设计方法。

● 分类总结了柔性和刚性拉胀机械超材料的工业应用。

● 分析了柔性和刚性拉胀机械超材料未来的研究方向，制造和应用方面面临的挑战。

图1 柔性、刚性拉胀机械超材料的力学设计方法及工程应用。

2. 研究背景

近年来，拉胀机械超材料逐渐成为机械超材料领域的研究热点。经过众多学者近几十年的努力，拉胀机械超材料的结构设计、理论分析以及实验制备技术和工艺等都取得极大进步。拉胀机械超材料亦凭借其优异的力学性能，在航空航天、生物医学、电子设备，以及日常生活等领域有着广阔的应用前景。天然的拉胀材料既有柔性大变形皮肤生物材料，也有高刚性α-方石英矿物晶体材料。人工设计的拉胀材料的刚度和变形能力，亦可以在更大的值范围内分布，进而突破刚度和变形能力之间的典型性能矛盾。据此，南京理工大学李响副教授等人分别对柔性和刚性拉胀机械超材料的力学设计方法和典型工业应用进行归纳总结，比较了几种常用的力学设计方法的优点和物理原理，并分析了拉胀机械超材料未来研究方向和发展趋势，为柔性以及刚性拉胀机械超材料的力学设计和工业应用提供了理论支撑。

3.最新进展

拉胀机械超材料的力学性能很大程度上取决于其拓扑结构特征和变形机制。常见的拉胀机械超材料的拓扑构型主要分为内凹、刚性（半刚性）旋转及其手性三种典型构型，并展示出不同的拉胀变形机制。

（1）柔性拉胀机械超材料力学设计方法 可以分别采用柔性母材、层级设计、纺织设计以及非直线异型结构组元4种简单高效的柔性拉胀机械超材料力学设计方法。

橡胶、PDMS等软材料本身具有较大的柔性，利用这些柔性母材制备的拉胀机械超材料通常可以实现可定制、可编程的柔性变形力学性能（图2a）。层级设计可以扩展超材料的力学性能调控范围，拉胀结构通过层级设计不仅可以实现倍增的变形能力，还可以提升超材料的负泊松比特性调控范围，甚至可以通过结构相变等机制实现正泊松比和负泊松比特征的定制化切换（图2b）。大多数柔性层级拉胀机械超材料是基于刚性（半刚性）旋转结构组元构建的，显著提升了基本拉胀机械超材料的结构变形能力。人们穿的衣物大都是利用放置技术制备的，且具有较高的柔性变形行为。图2c展示的是基于横机编织工艺制造的二维柔性拉胀织物，可见纺织设计也是制造柔性拉胀材料的有效方法之一。另一种较为有效的柔性拉胀机械超材料设计方法为以曲代直，将经典直线型结构组元替换为弯曲结构组元可提升其变形能力和力学性能可设计性（图2d）。

图2 柔性拉胀机械超材料的典型力学设计方法。

（2）刚性拉胀机械超材料力学设计方法 可以分别采用刚性母材、层级设计、复合结构设计以及复合胞壁等四种典型的刚性拉胀机械超材料力学设计方法。

使用刚性母材构建的拉胀机械超材料将产生更高的刚度和强度。图3a展示了由AlSi10Mg制备的拉胀机械超材料，其杨氏模量高达2 GPa。拉胀机械超材料的层级设计也可以显著提升原有结构的比模量和比强度。通常，具有刚性行为的多级拉胀机械超材料是基于内凹胞元构型实现的（图3b）。一方面，这种内凹负泊松比结构的层级设计增加了结构中的连接节点，降低了自由度；另一方面，子级结构改变了拉胀超材料整体结构的应力分布状态，使整体拉胀超材料表现出更高的刚度。通常情况下，拉胀复合机械超材料的增强相和基体相中至少有一种是负泊松比超材料，另一种是普通正泊松比超材料或者也是负泊松比超材料。两者结合后两种性能互补的机械超材料的变形机制相互协同促进，使得机械超材料整体内部应力重新分配，从而提高其刚度、强度、能量吸收等力学性能（图3c）。研究人员通过在拉胀机械超材料中构筑复合胞壁，设计出系列新型刚性拉胀机械超材料（图3d）。通过在拉胀机械超材料中添加额外杆件结构组元，不仅能够提高拉胀机械超材料的比刚度和比强度，还增强其能量吸收能力，并保持原有的多孔和轻质特性。

图3 刚性拉胀超材料设计方法。

（3）柔性和刚性拉胀机械超材料的工业应用 柔性拉胀材料表现的低模量、大变形等力学性能使其在服装、生物医疗、电子设备等领域均有较好的应用前景，例如，图4a基于柔性拉胀材料的鞋子可与脚部更加贴合，穿起来更加舒适。由曲杆组成的柔性拉胀材料可表现出非线性力学性能，在拉伸载荷条件下可产生J形应力-应变曲线。其泊松比和应力-应变曲线可与人类皮肤完全吻合，可用于皮肤电生理传感器（图4b）。

刚性拉胀材料具有较高的刚度和强度性能，且可保持多孔、轻质等多功能特性，为工程实际中高性能多功能轻质多孔材料的需求提供了可选材料。例如，图4c所示的拉胀接骨螺钉，与传统螺钉相比其钉入后更加难以拔出，具有更好的链接效果。图4d所示的拉胀材料与传统材料相结合的植入物，在保持良好的力学性能的同时兼顾变形特性，可更好的贴合变形和承载的需求。除此之外，刚性拉胀材料还可用于航空航天以及军事等方面，比如拉胀子弹可在射出时减少子弹与管壁的摩擦，且击中目标后更容易穿透目标等特性。

图4 柔性及刚性拉胀超材料应用。

4. 未来展望

拉胀材料的优异力学性能和可设计性，使其可以满足未来工程苛刻的、多功能的要求，因此，对拉胀材料仍需进行更多的研究工作。首先是柔性或刚性拉胀材料的实际应用方面。许多具备优秀力学性能的拉胀材料未能够应用于实际工程。而且，断裂韧性和疲劳是实际应用中重要的力学性能，未来的研究应更多集中在拉胀材料的断裂韧性和疲劳上。其次是设计具有极端或多功能性的2D和3D拉胀材料。研究具备多功能（如声学、热学、电子等特性）的拉胀材料，能够更好的满足未来工程材料性能的需求。最后，对制造技术的研究也应该得到更多的重视，例如，开发高精度和低成本的多尺度快速3D技术可为复杂超材料的制备提供坚实有力的技术支撑。

综述 ● 开放获取阅读更多

1. 文章导读

自然界中生物功能的多样化与其复杂的异质结构和成分高度相关。作为一门跨学科生物技术，生物制造将活细胞引入制造过程，使得体外构建复杂生物组织及生命系统成为可能。常用的生物制造方法是对生物材料进行一体式（bulk）成型制造，但是该方法较难实现微观细节和组分的可控分布。基于模块化组装的生物制造方法基于离散-组装的制造思想，使用细胞、生物材料及其结合体作为构建单元来组装所需的图案或结构，能够实现复杂的异质结构制造。近年来随着技术的发展，实现具有单细胞分辨率特征的组织结构的制造已成为可能，大大提高了体外生理/病理组织模型构建的精度和仿生性。近期，清华大学机械工程系的欧阳礼亮团队在《极端制造》期刊（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表《单细胞分辨率生物制造策略》的综述，系统介绍具有单细胞分辨率的生物制造策略的研究背景、最新进展及未来展望。第一作者为博士生周德志，其他作者包括研究生窦博瀚、Florian Kroh和王楚芊。图1展示了按构建单元维度分类的具有单细胞特征的生物制造技术，其中包括分别对应“点、线、面”三种维度的0D单细胞液滴/微球、1D单细胞纤维和2D单细胞片。

亮点：

● 全面综述了具有不同维度单细胞特征的生物制造方法及其最新进展；

● 强调了单细胞分辨率的生物制造作为基于细胞群生物制造的补充策略的优势；

● 讨论了跨尺度构建单元的模块化组装策略在大尺寸、单细胞特征的高阶复杂异质结构制造的挑战和应用前景。

图1  单细胞分辨率构建单元的分类及其代表性生物制造技术。

2. 研究背景

通过在细胞尺度上观察人体组织/器官结构，可以发现这些结构表现出具有低至单细胞水平的精细特征结构（图2）。例如，胰岛由至少五种类型的细胞组成，这些细胞在几个细胞尺寸的维度内形成局部空间连接，这些紧密有序的结构允许细胞间相互作用来维持血糖稳态；骨骼肌是一种典型的各向异性组织，由肌纤维组成的肌束（单细胞精度级别）在神经支配下通过松弛和收缩之间的转换表现出正常的肌肉功能；肺泡具有单细胞特征的气-液界面，为保证气体的交换效率提供了充足的面积（100-140平方米）。这些具有单细胞特征的异质结构对天然组织中的功能至关重要。然而，当使用细胞群作为构建单元时，很难在体外还原这些精细特征。在这些工程化细胞微环境中，细胞自组装的过程进一步增加了精确还原天然微环境异质结构的难度。另一方面，由于同一细胞群内存在异质性，也需要开发具有单细胞分辨率的高通量平台来促进单细胞分析的探索。因此，开发具有单细胞分辨率的生物制造策略对于促进体内和体外组织工程的应用具有重要意义。在本文中，作者对单细胞分辨率生物制造策略的最新进展进行了系统和详细介绍。

图2  人体内具有单细胞特征的代表性组织/器官。

3.最新进展

单细胞分辨率生物制造是指可以制造具有单个细胞特征的工程化生物学产品的技术。例如，通过单细胞捕获或单细胞打印，可以实现对单细胞分离和沉积的精确可控，构建单细胞模型进行单细胞分析和细胞行为研究。单细胞纤维的组装也可用于肌肉和神经等各向异性组织的精确制造，而单层细胞片的组装可用于多层组织制造。这些单细胞特征的构建块可被视为基本单元，通过有序组装以构建高阶异质结构。因此，根据最小构建单元的维度，我们将具有单细胞分辨率的生物制造策略分为三种类型，即0D（单细胞液滴/微球），1D（单细胞纤维）和2D（单细胞片）。图3展示了基于细胞群和单细胞两种分辨率的构建单元。同维度下，单细胞结构单元的分辨率更好，但通常情况下，细胞群构建单元的稳定性更强。

图3  展示对应“点、线、面”三种维度下，基于细胞群和单细胞两种分辨率的构建单元。

单细胞0D构建单元 从细胞群中分离单个细胞是获得0D构建单元的第一步。目前实现单细胞分离常用的技术可以分为界面屏障捕获和无约束捕获两种，其中前者在捕获细胞的同时完成了单细胞的图案化，且无法改变单细胞的位置从而变化图案形状；后者因不受界面屏障的约束，因此可以在捕获细胞后再次改变细胞的位置以实现图案/结构形状的变化。由于高精度和高通量的特点，喷射式打印技术已被应用于实现单细胞液滴的打印。微流控技术的引入可提高细胞液滴的可控性，通过反馈筛选系统实现包含单个或数个细胞的液滴生成。液滴式微流控技术与喷射式打印技术集成进一步提高了基于0D单细胞生物制造的能力。

图4  0D构建单元技术:（a）模板法或表面改性法进行细胞选择性捕获；（b）基于不同力类型的细胞捕获/组装技术；（c）基于喷射式的单细胞液滴打印技术；（d）微流控技术生产和分选单细胞液滴。

单细胞1D构建单元 定向性拓扑结构已被证明可以引导细胞伸展，因此精准构建具有单细胞分辨率的细胞纤维结构对各向异性组织工程化制造尤为重要。目前铸模法和挤出法是常用于制造1D构建单元的办法。其中铸模法可通过改变微通道的图案获得相应的结构，但模具的精细结构不利于流动性差的溶液（如高细胞密度或高粘度材料）填充成型，且该方法在制造三维复杂结构上具有挑战性。 挤出法包括挤出式打印技术、静电纺丝/近场直写技术和湿法/微流体技术等。挤出式打印技术需要限制喷嘴的直径来实现单细胞通过以获得单细胞1D构建单元，但生物墨水的粘度提高会降低细胞的活性；静电纺丝/近场直写技术和湿法/微流体技术是通过施加外力来减少细胞纤维的直径，因此对喷嘴的直径限制较小。值得一提的是，按模块组装的策略，1D构建单元也可以通过沿同一方向连续排列组装0D构建单元实现。

图5  1D构建单元技术:（a）铸模法依赖于具有单细胞特征的预制模具来限制细胞以形成细胞纤维；（b）挤出生物打印通过使用单细胞尺寸特征的微小喷嘴来生成单细胞纤维；（c）静电纺丝/近场直写通过电场拉伸生物墨水以产生单细胞纤维；（d）湿法/微流体纺丝通过引入转子或同轴流以减小细胞纤维的直径。

单细胞2D构建单元 DLP光固化3D打印是通过动态掩膜逐层交联光敏材料实现三维复杂结构制造的技术。目前该技术在Z轴上可以实现5μm分辨率的无细胞打印，但引入细胞后，分辨率约为50μm。生物墨水中的细胞会引起散射降低分辨率，因此未来需要对该技术进行更多地研究如优化光路来生成具有Z方向单细胞特征的3D结构。细胞片技术利于细胞自发形成紧密连接的单细胞层的现象，预先将细胞种植在热敏、光敏等修饰基底表面或将磁化的细胞锚定在磁场中，待单细胞层形成后，通过变化温度、加载光照或去除磁场等手段将单细胞层从基底表面剥离，从而得到单细胞片。该技术为生物制造提供了一种无支架2D构建单元制造策略。得到的单细胞片允许通过叠加、选择和折叠等组装方式形成高阶结构。

图6  2D构建单元技术:（a）DLP光固化生物打印技术，通过逐层光固化墨水叠加形成结构；（b） 细胞片技术的代表性技术及其细胞汇合和细胞片分离步骤；（c）通过组装工艺制造高阶细胞结构。

4. 未来展望

单细胞分辨率生物制造的应用 具有单细胞分辨率的构建单元组装是一种具有巨大潜力的策略，其可以工程化重建具有单细胞特征的生命系统。尽管早期的单细胞分离、操作技术主要用于细胞高通量筛选和单细胞分析，但最近研究显示了单细胞构建单元空间组装在细胞体外模型和再生医学应用中的优势。如在单细胞分辨率模型和细胞群模型之间发现了细胞行为的差异，这可能与细胞的固有特性和生物物理线索（例如拓扑结构和细胞外基质成分）有关。在再生医学应用中，这些单细胞生物制造技术也可以通过组装用于组织/器官修复的1D和2D单细胞构建单元来制造无支架和高密度细胞结构。不同类型的单细胞可作为0D单细胞构建单元用于直接组装类器官，形成具有成熟功能或大尺寸的高阶类器官，减少干细胞自组装形成类器官的不可预测行为。配合如单细胞分析、筛选和机器学习技术，有望可以选择性组装细胞形成类器官，这可能是提高其可控性，可重复性的替代方法。

跨尺寸构建单元的共组装 力学性能是单细胞生物制造技术的主要挑战。通常，单细胞生物制造获得的生物结构由于结构精细、没有足够的材料支撑，而无法满足植入要求。虽然细胞片已被证明可作为植入物，但这些工程植入物仍难以在体内维持结构。因此，跨尺寸构建单元的共组装是制造符合力学需求的异质结构的替代方案，该组装策略使用细胞群或生物材料构建单元组成力学支撑结构，而单细胞构建单元用于制造具有单细胞特征的精细结构。在模块化组织的生物制造策略中，制造速度与组装单元的尺寸和维度高度相关。因此，考虑分辨率和制造效率之间的平衡，为特定用途选择合适的构建单元对提高制造效率是有帮助的。简而言之，单细胞、细胞群、生物材料的构建单元的共组装策略有望提高大尺寸生命系统的分辨率和制造效率。

综述 ● 开放获取阅读更多

1. 文章导读

人工智能（AI）和物联网（IoTs）技术对芯片算力、大数据可访问性和算法训练模型优化的需求激增。由于冯·诺依曼架构的限制，传统计算机面临着高能耗和低计算效率的挑战。类脑计算以脉冲神经网络为主要计算范式，模拟生物神经元系统，是打破冯·诺依曼瓶颈、获得高效并行计算技术、实现下一代人工智能技术的重要途径之一。模拟生物突触功能的突触器件和集成是作为未来类脑计算发展的重要硬件支持。石墨烯作为一种二维晶体材料，不仅具有优异的光电特性，还具备良好的可加工性、稳定性和生物相容性，是发展未来生物相容的神经形态系统的重要材料。此外，光通讯具有大的光学带宽、高抗干扰性、最小化信号延迟和功率损耗的独特优势。因此，引入光子电路构建光电神经形态计算架构，能有效实现系统的互连性、操作线性和多样性。近期，深圳大学高等研究院的周晔团队在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表《石墨烯人工突触制造实现光电类脑计算应用》的综述，文章主要内容如图1所示，系统介绍了石墨烯器件制备技术、石墨烯人工突触及其光电类脑应用的最新进展，最后展望其在未来神经形态系统中的研究方向。

亮点：

● 介绍并讨论石墨烯器件的制备技术，包括合成、转移和图案化
● 归纳总结石墨烯在人工突触器件（忆阻器和突触晶体管）中的作用
● 综述石墨烯突触器件的光电应用研究进展
● 概述石墨烯突触器件在光电神经形态应用中的挑战和未来前景

图1  石墨烯人工突触制造实现光电类脑计算应用的图文概述，石墨烯器件制备技术、石墨烯人工突触及其光电类脑应用的最新进展。

2. 研究背景

随着新型存储机制和器件架构的发现，基于各种材料的人工突触器件被相继开发，例如基于氧化还原活性、相变或铁电材料的双端忆阻器，以及具有三端晶体管结构的器件。尽管成熟的互补金属氧化物半导体（CMOS）处理技术允许构建大规模的人工突触集成电路，但基于金属布线的电路设计限制了集成电路的互连规模，同时大规模的金属布线会带来信号衰减和散热问题。光通讯具有大的光学带宽、高抗干扰性、最小化信号延迟和功率损耗的独特优势，引入光子电路来构建光电神经形态计算架构，可以实现人工神经网络的高度互连性、操作线性和功能多样性，尤其在模拟生物视觉感知系统方面具有巨大潜力。值得注意的是，光电突触器件的实现依赖于独特的光−物质相互作用，需要理想的功能材料和合理的器件结构。石墨烯作为一种二维晶体材料，不仅具有优异的光电特性，还具备良好的可加工性、稳定性和生物相容性，是发展未来生物相容的神经形态系统的重要材料。以石墨烯突触器件构建人工神经网络对未来光电类脑计算发展有着重要促进作用。在本文中，周奎博士等人对石墨烯突触器件的最新进展进行了详细介绍。

3.最新进展

石墨烯突触器件的最新进展主要分为三个部分：制备工艺、器件结构和光电类脑计算应用。首先，石墨烯突触器件的制备工艺主要包括石墨烯材料合成、转移和图案化三方面。另外，突触器件结构主要分为两种，即两端忆阻器和三端突触晶体管。最后，光电类脑计算应用涉及到，例如光逻辑计算、神经视觉系统和联想学习等。

石墨烯制备工艺包括石墨烯合成、转移和图案化。如图2所示，合成主要分为自上而下的剥离法和自下而上的化学气相沉积法；转移步骤主要包括在石墨烯表面沉积支撑膜，然后将石墨烯从生长基底剥离，最后对准转移到目标基底上；石墨烯图案化主要包括光刻图案化法和激光直写法。

图2  石墨烯器件制备工艺示意图：（a）合成、（b）转移和（c）图案。

石墨烯突触器件结构 石墨烯突触器件从结构上可分为：两端忆阻器和三端突触晶体管。如图3所示，在两端忆阻器中，石墨烯可以作阻变活性层、超薄电极和离子迁移调制层。而在三端突触晶体管中，石墨烯可以作为半导体层，构建界面捕获型晶体管、浮栅晶体管和电解质栅晶体管，其中石墨烯由于优良的电荷捕获性能，还能作为浮栅晶体管中的浮栅层。

图3  石墨烯突触器件结构。（a）两端忆阻器中石墨烯可以作活性层、电极和功能调制层。（b）三端突触晶体管中石墨烯器件可以为界面捕获型晶体管、浮栅晶体管和电解质栅晶体管（ii-viii）经许可转载。（ii）版权所有（2008）The American Chemical Society，（iii）版权所有（2015）Nature Publishing Group，（iv）版权所有（2016）The American Chemical Society。（v）版权所有（2020）Nature Publishing Group，（vi）版权所有（2015）The Royal Society of Chemistry， （vii）版权所有（2021）Springer nature。（viii）版权所有（2022）Springer nature。

光电类脑计算应用 在石墨烯光电突触器件中，光信号刺激能提供独特的无接触方式来模拟生物突触功能，促进了多功能和高智能神经形态系统的发展。首先，石墨烯具有原子薄的结构、高稳定性、可大规模制备特性，有利于器件的大规模集成。然后，石墨烯还具有独特的光电特性，例如高双极场效应迁移率，这有助于高速电信号通信和神经形态计算的可调功能；高的光学损伤阈值使其在光子学和光电子的应用中具有可靠性；独特的电子结构使其性质易受外部光刺激，这表明基于石墨烯光电突触器件中存在强烈的光诱导调制。最后，石墨烯与各种材料高度兼容，形成了石墨烯基异质结构，这赋予了石墨烯前所未有的可设计光电特性，以应对光电神经形态应用中的各种要求。图4展示了石墨烯突触器件的光电应用，包括逻辑运算、神经形态视觉系统和联想学习。

图4  石墨烯突触器件光电类脑应用：（a）逻辑计算；（b）人工视觉系统；（c）联想学习。（a）经许可转载。版权所有（2020）WILEY-VCH。（b）经许可转载。版权所有（2021）美国化学会。（c）经许可转载。版权所有（2022）WILEY-VCH。

4. 未来展望

石墨烯是一种具备良好的可加工性、稳定性和生物相容性的优异的二维光电晶体材料，势必在未来生物相容的神经形态系统领域发挥重要作用。其前景主要包括以下几个方面：为了实现石墨烯突触器件的功能多样性，基于石墨烯的异质结构的制备方法需要进行深入研究；石墨烯衍生材料的性质及器件应用需要进一步开发；全面了解界面物理/化学机制有利于指导石墨烯基突触器件的合理界面设计，提高功能化器件的制备效率；未来研究需要逐步从石墨烯突触器件、集成向神经形态系统发展，开发独特的石墨烯基光电神经形态系统应用，如生物智能传感器系统、智能脑机接口和人工智能皮肤等。

综述 ● 开放获取阅读更多

1. 文章导读

3D打印，作为增材制造技术之一，由于其出色的制造灵活性、几何可设计性、低成本和环保性，被广泛应用于开发纳米尺度到宏观尺度各种电化学能量存储设备（EESD）（例如，电池、超级电容器）。现有研究报告了3D打印关键材料在EESD中的使用。由于离子/电子传输能力和快速动力学得到改善，这些材料表现出卓越的电化学性能，包括高能量密度和倍率能力。然而3D打印关键材料在EESD中的结构设计和应用，尤其是可充电电池领域的最新综述报道非常有限。对于新兴的各类储能装置与设备而言，结合和发展新技术、新材料对于推动各类EESD快速应用至关重要。近期，南方科技大学机械与能源工程系、碳中和能源研究院赵天寿院士和曾林副教授在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表《3D打印可充电电池的关键材料：从材料、设计和优化策略到应用》的综述，该综述密切关注了新兴电池3D打印关键材料的最新进展。首先概述了制造EESD过程中主要3D打印方法的典型特征，包括设计原则、材料选择性和优化策略。然后，总结了目前在二次电池中（包括传统的锂离子（钠离子（SIBs）、钾离子（KIBs））电池、锂/钠/钾/锌金属电池、锌空气电池和镍铁电池等）使用的3D打印关键材料（负极、正极、电解质、隔膜和集流体）的进展。其中还讨论了3D打印前驱体的部分、3D结构的设计原则以及电极的工作机制。最后，作者讨论了开发可充电电池的3D打印关键材料所面临的主要挑战和潜在应用。

亮点：

● 提供了利用3D打印技术制造各种可充电电池的最新进展；

● 概述了制造电化学能量存储设备（EESD）过程中主要3D打印方法的典型特征，包括设计原则、材料选择性和优化策略；

● 总结和讨论了可充电电池的3D打印关键材料，包括负极、正极、电解质、隔膜和3D集流体；

● 展望了开发可充电电池的3D打印关键材料所面临的挑战和未来研究方向。

图1  3D打印技术与电化学能量存储设备中的关键组件，经许可转载，版权所有 [26-32]

图2 (a)3D打印技术、结构和EESD材料的时间线：(b) 2013年至2022年3D打印和3D打印电池的出版物和趋势（来自Web of Science）

2. 研究背景

可再生燃料（如风能、太阳能和水力发电）在当前的生态友好型能源格局中至关重要。因为能源需求不断增加，化石燃料的消耗逐渐减少。作为电化学能量存储设备（EESD）的示例，许多电池和多种类型的超级电容器显示出可观的能量和功率密度、出色的倍率性能和长时间的循环寿命。由于可储存和供应电能在各种形式、容量和功率密度下具备较大的发展空间，可充电电池受到了广泛关注并得到了进一步的研究。为了提高电池的电化学性能、降低成本并扩展其用途，人们已经进行了大量研究，以开发新的可打印材料、电解质、电池架构和独特的生产技术。然而，电化学活性物质在通常的电池生产过程中可以被涂覆在二维（2D）电流收集器上，例如锂离子电池（LIBs）的传统平面电极。这种策略可能会产生较长的离子传输通道和较小的界面表面活性区域，从而可能对电化学性能产生负面影响。特别是制造较厚的电极以显著增加材料的负载，同时保持快速的离子扩散，以实现高能量密度和面积容量。再者，还需要一体化电池（包括阳极、阴极和电解质），而目前的电池构造过程无法实现这一目标。此外，制备具有增大表面积的3D多孔结构可以加速电极反应速率和离子传输，同时，在紧凑型电池系统中有效利用有限空间可以导致较短的离子扩散路径、较低的界面电阻和电荷传输电阻。因此，通过控制和可制造的技术创建具有不同孔径大小3D结构的不同类型电极极为重要且仍然是一个重大挑战。增材制造（AM）是一种工业制造过程，通过从预先设计的计算机绘图和程序直接堆叠活性材料来制造3D结构。这种技术通常称为3D打印（3DP），是一种独特的制造方法，可以以比传统加工技术更低的成本构建复杂的结构。与传统的电池方法相比，3DP具有许多显著的优势：首先，可以实现任何所需的形状以构建复杂的3D结构；其次，电极的形状和厚度可以被特别调节以获得可观的面积和体积密度；第三，可以通过直接打印聚合物或复合打印墨水来合成具有高结构稳定性和安全操作的固态电解质（SSE）；更低的制造成本和环保性使其应用更加广泛和普遍。此外，3DP可以大幅减少不必要的材料浪费，由于制造过程较为简单，可能会提高效率。总的来说，3DP为具有独特结构和出色性能的3D结构电池原型制造打开了新的大门。因此，本文中曾林副教授等人对3D打印可充电二次电池的关键材料和新设计的最新进展进行了综述（图1）。

3.最新进展

综合3D打印技术与新型储能技术，作者全面综述了关于3D打印可充电二次电池关键材料和新设计的最新进展；深入研究了可充电电池中的多种3D打印关键材料，包括阴极、阳极、电解质/隔膜和3D集流体。同时，作者对3D打印技术在电极材料、结构设计和反应机制中的应用进行了详细的探讨。最后，作者总结3D打印在可充电二次电池领域的挑战和未来前景。

3D打印技术在制造电化学能量存储设备方面展示了显著的潜力。通过分析“Web of Science”数据库中的出版物以及3D打印技术在电池中的应用情况，可以看出3D打印技术的日益普及，特别是在新兴电池类型中。可充电二次电池，包括镍镉电池、铅酸电池、镍金属氢化物电池、锂离子电池和液流电池，由于能够进行反复的充放电循环而占据了电池市场的主导地位。设计和制造3D架构用于关键组件，包括电极（正极和负极）、隔膜/电解质和集流体，已经成为优化结构和提高电池性能的有效方法。已经证明，在可充电电池中利用3D打印方法可以增强这些关键组件的基本能力，进而决定电池的整体性能，如能量密度、功率密度、循环寿命和安全性。因此，作者从3D打印技术的分类、二次电池的细分领域、3D打印正极材料、3D打印负极材料、3D打印电解质、3D打印集流体以及3D打印微机电系统等方面展开综述，旨在提供一个系统、全面的体系，以推动3D打印制造技术在新能源二次电池方向实用化。

3D打印技术丰富多样，是增材制造技术中重要的分支，将3D打印技术与新能源器件结合是丰富和发展新能源的契机，通过对多样化的打印技术的深入了解和掌握，才能实现新能源器件与性能的巨大提升。

图3 3D打印技术的分类包括：(a) 粘结喷射，(b) 光聚合，(c) 板材层压，(d) 粉床熔融，(e) 定向能量沉积，(f) 材料挤出，和 (g) 材料喷射。

3D打印所获得结构丰富多样，常见的几种结构包含网格结构、交错结构、蛇形结构、纤维结构和分层八面体结构。

图4典型的电极3D打印架构示意图如下：(a) 网格结构，已获得许可：2023年，Elsevier； (b) 交错结构，已获得许可：2016年，John Wiley and Sons； (c) 蛇形结构，已获得许可：2023年，Elsevier； (d) 纤维结构，已获得许可：2017年，John Wiley and Sons； (e) 分层八面体结构，已获得许可：2018年，Royal Society of Chemistry。

本文重点围绕3D打印关键材料的可打印组件部件，包括阴极、阳极和电解质，并用于先进的可充电电池。

图5 关键材料的示意图和可打印组件列表，包括阴极、阳极和电解质，用于先进的可充电电池。

高面容量正极一直都是研究的重点，设计和制备3D LTO（锂钛酸锂）、LFP（磷酸铁锂）等正极在提升电池容量、改善倍率性能方面极为重要，通过特殊的结构设计与快速高效的制备工艺，协同提升电池正极整体性能。

图6 (a) 制备3D LTO（钛酸锂）和LFP（磷酸铁锂）复合阴极的示意图。(b-e) 电极的数字和扫描电子显微镜（SEM）图像、半电池电压和LTO-LFP电极的面积容量。(f) 利用3D打印电极制备电池的示意图。已获得许可：2023年，John Wiley and Sons。

3D打印技术在新兴的水系电池方向也崭露头角，通过优化3D打印构筑非平面型Mn-基正极、V-基正极以及3D锌负极，一方面提升了锌电池结构的多变性，同时结合各项应力分析得出3D锌基关键材料更加优异的结构稳定性，为柔性器件体系提升提供思路。

图7 (a) 3D打印电池的示意图以及CNT@MnO2的SEM图像。 (b) 多喷嘴打印系统的照片。(c) 利用非平面3D打印制造符合形状的ZIBs的示意图。 (d) 不同3D基板上非平面3D打印的阴极的照片。已获得许可：2023年，John Wiley and Sons。

3D打印全电池是制造与能源结合的重要目标，当下的众多打印技术只能实现电池关键构建的部件之一的打印，因此实现全电池一体化打印对于降低打印成本、提升电池制造效率和优化全电池性能十分关键。

图8 (a) 不同3D打印电极的示意图和模型； (b) 3D电池的结构设计； (c) 整体视图。(d) 制备rGO-AgNWs-LTO电池的示意图； (e) 机理分析。已获得许可：2023年，Royal Society of Chemistry和Elsevier。

固态电池是解决液态电池体系中枝晶问题、腐蚀问题的重要策略之一，通过3D打印技术可以获得不同类型的电解质，包含无机陶瓷电解质、聚合物电解质以及复合型电解质，对优化电池界面和提升电池寿命有利。

图9 3D打印技术在混合电解质中的应用。 (a) 典型的DIW过程， (b) 获得的不同电解质（多孔PVDF、块状和多孔Al2O3/PVDF混合电解质），和 (c) 相应的电池性能。(d) SLA过程和 (e) 不同的打印混合微结构，包括立方体、gyroidal、菱形和自旋结构。已获得许可：2023年，John Wiley and Sons和Royal Society of Chemistry。

3D集流体较商业二维集流体展示出高粗糙度、高比表，高孔隙度，对于正负极材料均能实现较高的面容量以及倍率性能，尤其是在金属电池负极方面，3D集流体可以调控金属沉积局部电流密度，均匀化电场分布，从而实现更加稳定的沉积/剥离效果。

图10 通过DLP制备的3D集流体。 (a) 用于打印格子结构的典型DLP过程，和 (b) 相应的循环性能。(c) 用于打印3D柱状宿主和3D管状宿主的DLP过程。 (d) 在不同宿主配置上的模拟电化学沉积，和 (e) 实验性电池性能。已获得许可：2023年，John Wiley and Sons和Elsevier。

微机电系统，也称为微系统或微型机器，是一种可以以毫米或更小的单位测量的先进设备。其内部结构通常大小从微米到纳米不等，使其成为独立的智能系统。通过3D打印技术制备高精密部件是3D打印技术的高精尖应用之一。

图 11 (a) 结合3D打印和挑选-放置功能来制造3D微机电系统（MEMS）器件。(b) 3D打印MEMS开关的概念和打印过程。(c) 3D微型电池的示意图和图像，以及 (d) 3D打印结构的SEM和光学图像。已获得许可：2023年，John Wiley and Sons和Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America。

4. 未来展望

先进的3D打印技术在电化学能量存储设备（EESD）方面提供了显著的潜力，特别是在设计和打印3D电极、柔性电极和可充电二次电池的全电池方面。如作者所述，使用3D打印来构建各种类型的电池（锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池、锌离子电池、金属电池）具有高能量和功率密度，代表了一项大胆而有前景的创新。然而，尽管3D打印在EESD中具有众多优点和巨大潜力，但仍需要解决一些障碍和挑战，以进一步发展3D打印技术并促进其实际应用。首先，商业化的3D打印机目前仅限于单个单元使用，只能生产单个或少数电池组件，导致制造过程时间较长。为了提高整体电池性能，需要集成多种功能材料，而不是单个组件。因此，分解3D打印设备的功能，改进每个子系统（成型室系统、三轴运动系统、材料输送系统、数控系统），并开发集成的打印平台至关重要。其次，仅有少量可打印的活性材料，特别是用于EESD的，适用于可充电电池的墨水。传统的惰性材料广泛用于3D打印，但为了实现最佳电化学性能，必须开发新型的电化学活性材料。此外，墨水通常需要各种添加剂来微调3D打印电极的流变性，因此需要进一步研究用于3D打印可充电电池的多功能添加剂。第三，纳米级打印精度以及在低湿度、低氧环境中运行的打印技术和设备的发展对于电化学能量存储和转化系统/设备至关重要。第四，了解3D设计结构与离子传输机制之间的关系对于提高打印电池性能至关重要。在3D多孔结构中电解质的润湿性以及在厚电极中的离子传输速率等因素可以进一步优化，以在极端工作条件下提高功率密度。此外，选择最佳的制造方法、工艺参数和结构参数对电池的容量和功率产生显著影响。因此，有必要全面了解电化学性能与结构设计之间的相互作用。最后，为了推进商业应用，必须考虑实际生产因素，如制造成本、产品的一致性（包括结构和性能的稳定性）以及潜在的应用场景和市场规模。3D打印设备和可打印材料的成本是商业可行性的关键因素，而设施和人员等方面的考虑也不容忽视。此外，必须显著提高动力电池产品的安全性能，以展示具有吸引力的技术优势和商业价值，特别是在能量密度较高且制造成本较低的应用中。尽管存在开发3D打印可充电电池所面临的挑战和缺点，但我们坚信，通过不断推进高效、低成本、高性能和多样化的3D打印技术，3D打印将成为未来制造业不可或缺的一部分，弥合产业和基础研究之间的差距。

综述 ● 开放获取阅读更多

1. 文章导读

神经形态计算是一种受大脑启发的计算范式，旨在通过模拟生物神经系统的信息处理机制来构建高效、低功耗、自适应的计算系统。神经形态计算的核心是通过模拟生物神经系统的信息处理模式，构建相应的计算理论、器件结构、芯片架构以及应用模型和算法。目前，基于多种物理机制已经提出了各种类型的神经形态器件，这些器件展示了一系列神经形态功能，如动态滤波、多态存储和尖峰时序依赖性可塑性等。为了适应后摩尔时代的发展要求，神经形态器件的制造应尽可能与现有主流CMOS集成电路技术兼容，这将有助于开发更先进、更智能的人工智能系统。近期，南京大学万青与万昌锦团队在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表《CMOS-compatible neuromorphic devices for neuromorphic perception and computing: a review》的综述。该综述关注了与CMOS制造技术兼容的神经形态器件及其应用的最新进展，讨论了多种器件在突触和神经元功能上的模拟以及在神经形态感知和计算方面的应用，并展望了开发CMOS兼容的神经形态器件和系统所面临的机遇与挑战。

亮点：

● 综述了与CMOS制造工艺兼容的神经形态器件。

● 讨论了各种器件在神经元功能、感知和计算方面的应用。

● 总结了这些器件的优缺点。

● 讨论了需要面对的各种机遇和挑战。

图1 CMOS工艺兼容的神经形态器件的应用场景。

2. 研究背景

近年来，集成电路行业面临巨大挑战。随着大数据、人工智能和5G等领域的迅速崛起，对大规模数据处理的需求不断增长。传统计算技术面临数据传输时间和能源浪费，以及摩尔定律逼近极限的问题。随着集成电路技术正进入后摩尔时代，解决这些挑战刻不容缓。目前，各种技术路径正在被提出以延续其发展，如将多种功能集成到单一芯片中的片上系统技术，显著改进经济效益的chiplet技术，第三代半导体器件，光子芯片和非冯·诺伊曼计算范式。神经形态计算被认为是一种前景广阔的非冯计算范式，其核心思想是模仿生物神经系统的信息处理方式。为了推动神经形态计算的发展，研究人员已经开发出各种新型器件，包括可编程电阻切换器件和神经形态晶体管。这些器件成功地模拟了神经元和突触的行为，并已在人工神经网络的硬件加速器以及生物感知功能方面取得了广泛应用。为适应后摩尔时代的发展需求。神经形态器件的制造应尽量与现有主流CMOS集成电路技术保持兼容。这将有助于保留神经形态计算的关键特性，同时促进更高级别和智能的人工智能系统的发展。在本文中，朱一新博士等人对CMOS技术兼容的神经形态器件的最新进展进行了综述。

3.最新进展

作者综述了与CMOS制造技术兼容的神经形态器件及其应用的最新进展，如图1所示。作者介绍了使用不同类型的器件来模拟各种形式的生物突触可塑性以及神经元生物学功能。随后讨论了这些器件在人工感知和神经形态计算的应用。最后，对所讨论的主题进行了总结和展望。

图2 基于可编程阻变开关器件的可塑性模拟。 (a) 生物突触和电路模型示意图。 (b) 纳米尺度交叉阵列的扫描电子显微镜照片。 (c) 脉冲频率依赖可塑性学习规则。 (d) 脉冲时间依赖可塑性学习规则。(e) 双向可调的导电特性。(f) 模拟类脑系统的器件架构。 (g) n-Si/HfO₂/WO₃/Ag 结构的示意图。 (h) 双向可调的导电特性。(i) Ag/原子厚度的 SiOx/p++-Si器件的示意图。

图3 基于神经形态晶体管的可塑性模拟。 (a) 器件结构示意图。 (b) 器件的传输特性。 (c) 电导增强和减弱特性。(d) 器件结构示意图。 (e) 典型的EPSC响应。 (f) 铁电场效应晶体管的示意图。(g) 铁电NAND的光学图像。 (h) 3D铁电NAND的示意图。 (i) 电导增强和减弱特性。

生物体的各种生命功能由复杂的突触和神经元网络控制。生物突触是一种接触结构，其中一个神经元的冲动可以被转移到另一个神经元。突触是信息传递的重要组成部分，生物突触的信号整合功能可以通过改变神经元之间的连接强度（即突触权重）来调节，这一过程被称为突触可塑性。短期可塑性（STP）和长期可塑性（LTP）是突触可塑性的两种不同形式。目前，CMOS工艺兼容的各种神经形态器件已经广泛地模拟了各种突触的可塑性，如图2和图3所示。

图4 基于阻变器件的人工神经元模拟。(a) 基于Nb₂O₅的TS器件的H-H模型电路图。(b) 器件的电流-电压曲线。(c) H-H模型的全有或全无响应。 (d) 人工神经的积分-放电电路示意图。(e) 电容和电阻对LIF行为的影响。 (f) 集成忆阻神经网络的光学显微图。 (g) 忆阻系统的示意图。

图5 基于神经形态晶体管的人工神经元模拟。(a) 反铁电材料的典型双回滞特性。 (b) 反铁电晶体管的典型传输曲线。 (c) 生物神经元的IF特性。 (d) 反铁电晶体管神经元的连续放电。(e) 器件结构示意图。(f) 随时间变化的畴壁位置、有效赫兹和电流序列。 (g) 模拟LIF过程的动态畴壁运动。(h) 畴壁LIFT特性。 (i) 人工树突的非线性电流响应。(j) 关和开状态下的电流响应。(k) 等效电路。(l) 人工树突的光学图像。

神经元是生物信息处理的基本单位，由细胞体、轴突和树突三个主要组成部分构成。神经元将外部刺激编码为脉冲信号，并沿着树突传播到细胞体，并与其他神经元的输入进行整合。如果脉冲电位超过一定阈值，细胞体会产生一个冲动电位并通过轴突发送。人工神经元的目标是模拟生物神经元的整合和冲动功能。然而，传统的CMOS器件缺乏神经元的动态特性，需要包含数十个晶体管的复杂电路来模拟。目前已经开发了各种神经元模型来描述人工神经元如何在电路中模拟动作电位的产生，如生物物理模型和现象学模型。生物物理模型使用可变电阻器来模拟离子通道的变化和神经元膜的电生理状态，例如Hodgkin-Huxley（H-H）模型。现象学模型使用简单的数学抽象来模拟生物神经元的输入-输出行为，如Leaky integrity and Fire（LIF）模型。图4和图5分别介绍了基于两端忆阻器件和三端晶体管器件对人工神经元的模拟。

图6 人工感知系统。(a)器件的透射电子显微镜图像。(b) 对痛觉和过敏的演示。(c) 触觉感知的示意图。(d) MFSN的示意电路图。 (e)器件的结构示意图。 (f) 双眼定位系统的示意图。(g) 声音定位系统的示意图。

图6介绍了基于CMOS兼容的神经形态器件的人工感知系统。人类的感知系统是一种高效的并行计算系统，能够同时接收和处理来自多个源的数据，并具有低功耗、高兼容性和高可塑性等优势。人工感知系统是一个新兴领域，汇集了多个工程和科学学科的专业知识。神经形态感知系统与传统计算系统的区别在于，它们使用混合的模拟/数字组件，而不是布尔逻辑和时钟操作。传统感知系统采用各种器件来感知、转换和传输来自外部环境的信号。然而，随着生成数据量的指数级增长，这些系统越来越面临高功耗等问题的挑战。为了解决这些问题，研究人员正在开发基于新兴突触器件的人工感知系统，这些系统能够执行并行分布式计算，减少数据冗余和传输。这可以节省能源和带宽，降低功耗和延迟，提高与生物系统的兼容性和适应性。此外，人工感知系统还可以融合和处理多模信息，这对于改善环境感知和理解、提高安全性和效率至关重要。此外，将人工感知系统与CMOS技术集成还可以带来额外的优势，如降低成本、增加密度和提高可靠性。

图7 神经形态计算芯片。(a) 晶体管阵列的光学图像。 (b) 电导增强和减弱特性。 (c) 忆阻器交叉阵列。(d) 系统架构示意图。(e) 集成PCB子系统的照片。(f) 电导状态和分布。(g) 基于忆阻器的五层CNN系统。(h) NeuRRAM芯片的可重构架构。(i) 存内计算的结构图。(j) 三维电路的示意图。

图8 神经形态计算芯片。(a) 三维垂直RRAM。(b) 三维电阻式内存结构的存储模式。(c)与CMOS工艺兼容的晶体管的结构示意图。(d) ECRAM单元阵列的光学图像。(e) 混合2D/CMOS的忆阻芯片。(f) 使用CMOS/h-BN基础的1T1M单元实现SNN。

神经形态计算涉及使用模拟、数字或混合电路和软件算法来模拟生物神经网络。这种方法旨在模仿人脑的结构和功能，以实现更高效和有效的计算。作为人工智能领域的核心技术，神经网络在图像识别和自然语言处理等领域得到了广泛的应用。一些流行且有效的神经网络架构包括卷积神经网络（CNNs）、深度神经网络（DNNs）和脉冲神经网络（SNNs）。这些架构在结构和算法上有所不同，各自在特定应用场景中具有优势和局限性。例如，CNNs主要用于图像识别和处理任务，它们采用具有多层卷积滤波器的分层结构从输入数据中提取特征。SNNs更接近于人脑神经元的运作方式，它们使用脉冲在神经元之间传输信息，并可以通过突触强度的变化来学习。这些架构各有优点和局限性，是一个需要克服许多挑战的活跃研究领域。图7和图8分别介绍了神经形态器件在神经形态计算方面的研究和应用。

4. 未来展望

这些与CMOS制造工艺兼容的器件具有巨大的发展潜力，未来有望对类脑芯片的设计和开发产生重大影响和创新。这些神经形态器件或系统会在机器人技术、物联网、生物医学、安全和教育等各个领域表现出潜在的应用前景。例如，在机器人技术中，它们可以实现更自然的人机交互、更灵活的动作控制以及更智能的环境感知和决策。在物联网中，它们可以实现更高效的数据处理和传输、更节能的设备管理，以及更安全的信息加密和认证。在生物医学领域，它们可以实现更准确的生理信号检测和分析、更便捷的健康监测和诊断。毫无疑问，与此相关的科学和工程挑战是巨大的。从生物学的角度来看，我们对大脑神经网络的当前理解仍然很基础。发展神经形态器件仍需要在多个自然科学领域取得突破，包括神经科学、数学模拟以及化学和物理学。要实现这些突破，需要深度整合包括材料科学、化学工程、医学、计算机科学和工程学等在内的多个学科。从工程学的角度来看，挑战主要存在于器件层面。目前，器件特性在时间尺度、动态特性以及技术成熟度方面表现出显著的差异，这增加了器件的选择、优化和迭代的难度。选择适当的器件用于神经形态计算取决于应用场景和PPA指标之间的权衡。目前，基于软件模拟的神经形态计算也是一种低成本的解决方案，因为它不需要硬件设计、制造和测试，可能在某些情况下更合适。当然，软件模拟也有缺点。软件模拟的速度严重依赖于计算机的处理能力和资源，难以实现大规模的并行计算，限制了整个系统的性能。尽管基于硬件的模拟存在开发和部署成本高以及灵活性有限等缺点，但这些电路和架构经过高度优化，能够实现高度并行化和高效的计算。硬件系统所表现出的低功耗对于移动设备、嵌入式系统或能源受限环境中的应用特别有益。此外，基于硬件的实现可以提供实时响应和处理能力，这在这方面超越了软件模拟。因此，在选择具体方案时，有必要全面考虑应用要求、资源限制和实施成本。尽管在科学和工程方面存在重大挑战，但基于CMOS技术的神经形态器件和系统的发展仍然是推动人工智能和脑科学进展的有望方向。与CMOS技术兼容的神经形态器件的发展将为神经形态计算的推进提供诸多优势。必须充分评估这些器件的实际性能、稳定性和可靠性，以及它们与其他计算技术的集成，选择最合适的技术路径。

研究论文 ● 开放获取阅读更多

1. 文章导读

微纳激光器凭借其高紧凑性和高发射效率引发了广大研究人员的广泛关注，并有望在芯片光源、光通信等多个领域得到实质性应用。为了实现高性能的微纳激光器，尤其是激光器阵列，必须借助高增益材料来补偿光学损耗，并依赖高质量的谐振腔阵列以实现有效的光放大。铅卤钙钛矿，凭借其卓越的光学性质，已被认定为制备微纳激光器的理想候选材料。至今，研究者们已经开发出两种钙钛矿微纳激光器的制备方法：自下而上（天然生长）和自上而下的方法。在这两种方法中，通过天然生长制备的钙钛矿材料具有丰富的微纳结构，这些结构能作为天然的光学谐振腔实现光放大。然而，尽管基于这些分散微纳结构的钙钛矿微纳激光器展现出优异的性能，但只有将单个分散的微纳激光器发展为可控且模式均一的激光器阵列，才能真正实现其更大的实际应用价值。基于自上而下工艺的后加工钙钛矿微纳激光器在一定程度上解决了上述问题，然而，由于钙钛矿材料的化学不稳定性，目前常用的微纳加工工艺在钙钛矿微腔加工方面存在一些局限性。鉴于这些挑战，中科院上海光学精密机械研究所张龙研究员、董红星研究员团队提出采用激光加工直写技术，对大尺寸单晶薄膜进行高精度加工，以制造出用于单模激光显示的单晶薄膜基钙钛矿微盘阵列的方案。该方案为大规模、可重复制备微纳激光器阵列提供了一个潜在的平台，也有望推动基于钙钛矿材料的高集成化应用的发展。相关论文《Laser patterning of large-scale perovskite single-crystal-based arrays for single-mode laser displays》发表在《International Journal of Extreme Manufacturing》期刊上。中科院上海光学精密机械研究所张龙研究员、董红星研究员为论文通讯作者，冒王琪博士为一作。

亮点：

●飞秒激光实现钙钛矿微纳结构的高精度、化学清洁和可重复加工。
● 大尺寸单晶薄膜提升微腔质量。
● 实现了低阈值、窄线宽的钙钛矿激光器阵列。
● 制备了以单模微纳激光器为像素点的激光阵列显示器。

图1 钙钛矿微纳结构的飞秒激光加工示意图及其激射特性。

2. 研究背景

"自上而下"的制造技术作为一种成熟的大规模制造电子器件的工艺，具有高度的重复性和可控性，这使其相较于"自下而上"的方法更具优势。目前，已经有研究尝试将此技术应用于钙钛矿材料系统中。然而，铅卤钙钛矿材料的高化学反应活性和相对较差的热稳定性，限制了其能够采用成熟的半导体制造工艺进行加工。近年来，研究者利用聚焦离子束（FIB）技术实现了高精度的加工和对微腔形状与尺寸的精细控制，并成功制造出多种钙钛矿微纳激光器。但高强度的离子注入可能会损害钙钛矿材料的固有结晶质量，从而导致一定的光学损耗，影响微纳激光器的性能。此外，纳米压印光刻（NIL）技术作为一种高通量、低成本的光刻技术，目前已经有研究在有机-无机杂化钙钛矿的多晶薄膜上直接用热纳米压印法进行图案化。但对于具备高热稳定性的纯无机钙钛矿（如CsPbBr₃），这种方法的适用性仍待进一步研究。相比之下，飞秒激光加工技术作为一种新的加工手段，具有高精度、良好的重复性、无需掩膜加工、灵活性、热影响区小以及能够加工多种材料的特性。因此，采用飞秒激光加工技术对钙钛矿材料图案化，不仅可以提高加工效率，而且对钙钛矿材料的表面损伤和污染也较小。当然，值得注意的是，在实际的实验过程中，飞秒激光加工微腔结构过程中仍存在一些技术问题，如加工过程中产生的表面杂质和加工精度受衍射极限影响等问题。在本文中，张龙研究员团队进一步发展飞秒激光加工技术，成功实现了钙钛矿微纳激光器阵列可控且可重复的高质量制备。

3. 最新进展

高质量铅卤钙钛矿单晶薄膜的生长 利用化学气相沉积法在云母衬底上制备了大尺寸钙钛矿单晶薄膜。研究不同生长条件，如反应温度、压强和反应时间，对薄膜的生长过程的影响，发现无表面悬挂键的云母衬底结合高温低压的生长环境，有利于实现大面积钙钛矿薄膜的生长。所得薄膜具备较高的结晶质量，其表面平整光滑，不存在晶粒结构和晶界，平均表面粗糙度仅为0.443 nm。此外，优越的光学性质也证实了该单晶薄膜的低缺陷密度。该气相生长的铅卤钙钛矿超薄单晶薄膜展现出了出色的结晶质量和光学性质，为后续构建高性能的钙钛矿微纳激光器提供了坚实的材料基础。

图2 高质量铅卤钙钛矿单晶薄膜。（a）生长示意图；（b-e）形貌表征；（c）光学性能表征。

钙钛矿微纳结构的飞秒激光加工 针对传统微纳加工工艺在钙钛矿微纳结构加工方面的局限性，通过激光加工直写技术，对大尺寸单晶薄膜进行高精度加工，以制造出用于单晶薄膜基钙钛矿微盘阵列。采用飞秒激光多周期、低功率的方式直接烧蚀大尺寸的钙钛矿单晶薄膜，最小加工线宽接近300 nm，可实现钙钛矿微盘阵列的高精度、化学清洁和可重复加工。制备的微盘结构阵列平均直径为6 μm，尺寸误差仅为0.1μm（其中还包括测量误差），展现了优异的加工重复性。优良的圆形微腔结构和平滑无损的表面，也为实现低阈值激光器提供了很好的微腔基础。

图3 钙钛矿微纳结构的飞秒激光加工。（a）加工示意图；（b）加工参数优化；（c-e）微盘腔结构形貌表征；（f）微盘尺寸统计分布。

单晶薄膜基钙钛矿微盘腔激射特性 通过减小微盘腔的尺寸（6 μm-3 μm），可以增大模式间隔，减少增益区间内谐振模式数量，实现对激光模式数的调控。采集了直径为3um的微盘的光致发光光谱，发射强度和半峰宽随激发功率变化呈S型曲线，表明自发辐射到受激辐射再到饱和吸收的转变，证明了激射的产生，获得了低阈值（5.1 μJ/cm²）、窄半峰宽（0.09 nm）和高品质因子（Q~5981）的单模激光出射。此外，得益于飞秒激光加工的灵活性和可控图案化，实现了不同波段单模激射以及作为像素点用于激光阵列显示。

图4 单晶薄膜基钙钛矿微盘腔激射特性。（a）不同尺寸微盘激射谱；（b-c）单模激射特征分析；（e-f）不同波段单模激射以及作为像素点用于激光阵列显示。

4. 未来展望

目前，基于自上而下加工工艺制备的光学微腔结构主要集中在二维平面结构。具有更高品质因子的真三维结构，需要进行复杂的步骤，例如叠层和键合，难以直接制备。飞秒激光直写技术作为一种高精度、无需掩膜、具备三维加工能力的微纳加工技术，已在光波导集成芯片、超表面结构色等领域得到了广泛应用。然而，受激光散焦和材料非线性吸收等因素的影响，研究三维光学微腔结构仍然进展缓慢。在未来，研究团队将继续探索和优化加工工艺，以期实现三维光学微腔结构的制备，进一步基于钙钛矿材料的高度集成应用的发展。

研究论文 ● 开放获取阅读更多

1. 文章导读

低温环境中，冰霜在器件表面的不断积累给人们的生产生活带来诸多不便、造成巨大的经济损失、甚至威胁生命财产安全。为了有效除冰除霜且降低此过程的能耗，行之有效的办法是对器件进行表面处理，包括使用疏水涂层、类液层或润滑层等，但这些办法大多仍需要使用加热设备来辅助除冰除霜。近年来，光热涂层能利用地球上丰富的太阳能，使之转换成热能促进冰霜融化，极大地降低了整个过程的能耗，从而引起了广泛关注。然而，前人研究中的光热涂层要么由于热导率有限引起表面局部受热，要么由于强的水/基底相互作用导致融水去除率不尽人意。近期，大连理工大学化工学院、辽宁省化工资源清洁利用重点实验室马学虎教授课题组在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表了题为《光热超疏水铜纳米线：制备及除冰/霜应用》的研究论文。该团队利用简单的电化学沉积法，便可制备形貌丰富、尺寸和机构可控的铜纳米线组装体，能同时实现吸光、导热和超疏水性能。其优异的吸光性和横向热传导性使基底表面温度迅速升高，促进基底表面覆盖冰层和霜层的快速融化，并由于表面的超疏水性，融水能有效滑离或者飞离表面，融水移除率接近100%。本文为高效、低能耗除冰除霜策略的实际应用提供了新思路。

关键词：纳米线；光热；超疏水；除冰；除霜

亮点：

● 提出了一种简单的电化学方法，以制备具有形状、尺寸可控的铜纳米线组装体。
● 纳米线组装体实现了同时具有吸光、导热和超疏水性能，这三种性能的协同设计在以往研究中未被报道。
● 在三种性能的协同作用下，纳米线组装体能促进冰霜的快速融化和有效移除，且除霜效率超越了前人研究。

图1 铜纳米线组装体高效除冰除霜的工作原理示意图

2. 研究背景

相比需要人工介入的主动除冰除霜方法（机械法、化学法等），被动法具有能耗低、环境友好、设备维护需求低等优点。被动法通常需借助表面处理技术，如引入超疏水表面、超滑表面、相变/磁性材料表面、低界面韧性涂层表面。其中，超疏水表面具有较低的水/基底或者冰/基底界面之间的相互作用力，既能够降低冰霜在基底表面上的粘附力，也能在基底受热冰霜融化后促进融水脱离，从而引起了广泛关注。然而，前人研究显示，超疏水表面通常无法在寒冷环境下自发去除附着的冰或霜，除非有足够的外界能量输入（通常是热能）引起冰/霜融化，从而促进融水滑离或弹离表面。为了降低能耗需求，利用具有光-热转换效应的光热表面来捕获太阳光是一种行之有效的办法。由此可见，在表面设计中结合光热和超疏水特性将既能显著降低能耗，又能有效移除融水，在除冰除霜领域具有极大的潜力。但之前的研究中，受限于超疏水光热涂层较差的导热性，大多数表面仅在吸光区引起升温，而无法将热量有效传播至整个表面（尤其是被冰霜遮蔽的区域），这严重影响了除冰除霜的速度和效率。为了能解决这个难题，本文制备了能同时具有光热、导热和超疏水性能的涂层，实现了快速高效的除冰除霜。通过简单的电化学方法，制备了多孔氧化铝模板（AAO），并通过调整模板尺寸和电沉积时间，获得具有形貌丰富、尺寸和高度可控的铜纳米线组装体。在此基础上，发现了与仅具有超疏水性、光热效应或两者结合的其他纳米结构表面相比，具有特殊小微槽尺寸的直立形态铜纳米线组装体表现出了优异的除冰除霜性能。

3. 最新进展

文章首先通过阳极氧化法实现了AAO的制备，如图2所示，通过控制阳极氧化过程中电解液的配比及其所对应的阳极氧化电压，可以改变得到的AAO的孔间距和孔径。然后，再利用所制备的AAO作为模板，采用简单的电化学沉积的方法，可以直接在器件表面生长规整有序的铜纳米线。控制电化学沉积的时间，可以调控纳米线的高度。结合对模板参数的合理调控，便可得到具有不同几何形状、不同固相分率的铜纳米线。微观上，铜纳米线组装体呈现多根铜线团聚形成规整团簇形貌，团簇之间形成上宽下窄的微米级沟槽结构。不同固相分率的铜纳米线形貌差异较大，同时造成了润湿性的差异。

图2 纳米线组装体的形貌控制。（a）尺寸为8 cm × 8 cm × 50 mm的AAO。（b）孔隙均匀的AAO片的正面及侧面SEM图像。（c）在草酸或磷酸中，孔径随扩孔时间的变化。黑色虚线表示拟合线。（d）不同形状参数纳米线的示意图及SEM图。（e）疏水处理后，所选择的三个纳米线组装体接触角与理论值一致。（f）纳米线组装体的高度h随电镀时间t的变化。（g）平均微槽宽度w随h的变化。

将纳米线组装体置于太阳光模拟器下，采用热电偶记录其在低温环境中的表面温升情况，考虑到多云天气、下午或中午的实际太阳强度，研究了三种太阳光照强度下的温度变化。如图3所示，由于纳米线组装体的太阳反射率低（也即吸收率高），在受到阳光照射时，能将近红外光转化为热能，提升了表面温度，加速冰霜融化。同时，由于纳米线材质为高导热的金属铜，且材料的固体分率较高，因此纳米线涂层的整体热导率较高，有利于热能在整个表面的快速传播。经计算，纳米线组装体整体热导率比其他三种纳米结构表面高至少1个数量级。因此，纳米线组装体的最高温升是由优异的光热效应和热导率共同作用的结果。

图3 光热特性的表征。（a）用于对比实验的三种纳米结构表面的SEM图像。（b）试样的接触角和滚动角。（c） Nanowire-1表面在1个太阳强度下的红外相机图像。（d）不同纳米结构的光谱反射率。（e）通过热电偶进行温度测量的示意图。（f-h）在T_s = -10 °C时，在0.5、1、1.5太阳强度下通过热电偶测量的表面温度增量，RH = （20 ±3）%，T_air = （-10 ± 1）°C.

如图4所示，在优异的吸光性和热传导性的共同作用下，纳米线组装体能起到光热吸收器和热传导器的作用，导致整个表面快速有效的热传输，并促进冷冻液滴的融化。实验证实，在不同低温环境中，纳米线组装体所需启动和完成冰融化的时间最短。除了基底水平放置的情况，文章还进一步研究了基底轻微倾斜时的除冰行为。尽管所有表面都经过疏水化处理，表面接触角大于150°，接触角滞后小于10°，但只有超疏水纳米线组装体具有致密有序的结构和更高的高度，能有效防止融化的液滴所蒸发形成的水分子穿透内部结构，从而抑制融化液滴与基底的直接接触形成液桥（图5）。最终融化液滴在表面上呈Cassie态，能从超疏水表面轻松滑落。

图4 纳米线组装体的光热除冰性能。（a）阳光照射下的水平纳米线组装体上的冷冻液滴示意图。（b）液滴在-15、-20和-25 °C下冻结后，在四个水平放置的表面上触发和完成液滴融化所需的时间。（c）在-5 °C下冻结并接受光照后，液滴在倾斜表面的融化脱离行为。

图5 纳米线组装体的去钉扎效应。（a）纳米线组装体结冰前和除冰后的形貌，表面无液膜形成。（b）光照后液滴在纳米线组装体表面去钉扎并滚动的示意图。（c）其他三种纳米结构在结冰前和除冰后的形态。如纳米颗粒表面所示，除冰后表面存在水膜。（d）光照后液滴在三个纳米结构表面上的钉扎示意图

除了优异的除冰性能，纳米线组装体也展现出快速、高效的除霜效果。如图6所示，由于纳米线组装体上融水与基底相互作用力弱，霜在融化过程中在表面会快速卷曲并整体脱落。表面几乎融水残留，除霜效率接近100%。定量化的结果也表明，相比其他三种纳米结构，纳米线组装体始终显示出最短的触发融霜和完全融霜所需时间。

图6 纳米线组装体的光热除霜性能。（a）光学图像显示了在T_s = -10 C的一个阳光强度照射下冷冻1小时后霜融化的过程T_air =（-10 ±1）C（b）融化过程中作用在霜浆上的力示意图。（c）霜融化的延迟和（d）在一个阳光强度照射下表面冻结0.5、1和1.5小时后完成除霜过程所需的时间。（e）文章的工作和以前的工作中除霜效率的比较，SHS是超疏水表面的缩写。

4. 未来展望

本研究提出的铜纳米线组装体具有制备简单、超疏水、吸光性好、热导率高等优点，在自发并迅速除冰霜方面展现出显著优势。特别是，与之前的研究相比，文章的设计证明了最高的除霜效率。但面向复杂工况的应用场景时，该涂层在耐久性方面仍存在局限。未来的研究中可借鉴于本工作的设计理念，并拓展基地材料的种类、提升表面的机械稳定性和化学稳定性，以实现更为持久、高效、低能耗的除冰除霜效果。此外，为了进一步拓宽材料基底的制备规模以满足工业化应用，仍需要进一步开发更简易的、具有更高适用性的微纳材料加工方法，比如机械加工、纳米压印、连续沉积、柔性印刷，来提高制造效率和制备规模。

研究论文 ● 开放获取阅读更多

文章简介

呼吸系统与外界环境直接相通，空气中的病原体或者细菌极易引起疾病，并且在大规模范围内传播。现有肺部研究多通过动物模型，但是，由于物种差异，人类肺部疾病难以在动物模型中模拟。因此，迫切需要具有人体生理结构和功能的肺器官芯片，产生可转化为人体所用的数据。

构建体外肺泡器官芯片主要有以下几个难点：

● 控制不同区域应变，模拟肺泡多种多样的变形结构

● 气体-液体交换界面，模拟气体/养分交换过程

● 三维仿生结构，模拟肺泡基底膜多细胞结构

● 合适的生物材料，模拟细胞生长环境

● 机械刺激，模拟肺泡呼吸过程

如何选择合适的材料，通过新颖的结构设计及组装是解决上述难点的关键。

浙江大学机械工程学院贺永教授团队从剪纸艺术中得到灵感，在平面设计制造网格结构，通过网格结构控制三维应变。构建具有局部力学调控能力，模拟基底膜重要结构和功能的仿生肺泡器官芯片。相关论文 “A bionic controllable strain membrane for cell stretching at air-liquid interface inspired by papercutting” 发表在 《International Journal of Extreme Manufacturing》 期刊上。浙江大学机械工程学院贺永教授为论文通讯作者，李元戎博士为一作。

图1 仿生肺单元的构建。

剪纸拉花灵感设计仿生基底膜

仿生基底膜由PCL网格和涂敷的水凝胶组成，受“剪纸拉花”过程启发，设计了一系列结构调控局部应变。PCL网格由不同半径的同心圆和向外发散的曲线构成，在形变时圆环基本不发生改变，而不同弧度的曲线控制附近水凝胶的形变程度，通过改变曲线弧度实现模拟多种肺泡变形的能力。

图2 结构调控局部应变。

重力与表面张力平衡构建气液界面

利用水凝胶多孔结构实现了“透而不漏”的特性，表现为细胞无法穿透水凝胶，但是气体/营养物质可以穿透水凝胶，液体的重力与表面张力在仿生基底膜上相平衡。仿生肺泡模型由液体（血液）腔室，气体（肺泡）腔室，带有血管细胞和肺部细胞的仿生基底膜构建完整气血屏障结构。

图3 气液屏障构建。

GelMA 具有很好的细胞粘附性和机械性能，能够穿透4-500kDa的物质。通过材料工艺优化得到最贴近肺泡基底膜硬度，厚度，渗透率的参数。

图4 仿生基底膜材料优化。

正负压强交替实现仿生呼吸

在液体腔室和气体腔室分别正压和负压交替，驱动仿生基底膜鼓起下降，模拟肺泡呼吸过程。

图5 肺器官芯片机械刺激。

构建完整气血屏障的机械通气模型，进行药物评估

机械通气是借助呼吸机建立气道口与肺泡间的压力差，给呼吸功能不全的病人以呼吸支持。但在很多情况下，肺的病变是不均一的，在机械通气过程中，过度膨胀的肺组织与正常肺组织之间、反复开闭的肺组织与正常肺组织之间以及扩张程度不同的肺组织之间，都会产生较大的剪切力，造成肺损伤。

图6 构建气血屏障用于药物评估。

通过肺器官模型，在36%面形变率条件下构建机械肺损伤病理模型。随后，模拟口服/注射方式通过血液（液体腔室）给洛匹那韦/利托那韦药物治疗疾病。结果表明洛匹那韦/利托那韦可降低过拉伸状态下Lamin A的表达，有效预防机械通气所致肺损伤。

研究论文 ● 开放获取阅读更多

1. 文章导读

通过成像分析物体特性是科学研究与工程应用中的基本策略。二维成像能够在平面上呈现物体两个维度的信息，但无法包含真实的立体构造。为提升二维成像的立体特性，通过利用透视原理，将物体投影到画布或图像上，从而营造出三维立体感。但无论对图像进行任何处理，这种立体感是虚拟的，观察者无法在图像中感知物体的真实空间结构和内部细节。当观察的对象从稳态物体转变为超快过程时，现有二维成像方法更面临极大挑战。发生在超短时间尺度的如光束传播、化学反应、物理形变等过程具有鲜明的三维特性，即每个维度上的特征都在极短时间内发生变化。二维成像方法直接缺失一个维度，导致在描述超快三维过程的几何形态、空间关系及物质本征特性时失真。

鉴于此，北京理工大学姜澜教授团队在《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表《Ultrafast quasi-three-dimensional imaging》的文章，首次提出并实现了超快准三维成像。该方法在超快二维成像中引入第二个成像视角，重建了准三维图像。真实地还原了超快过程的空间各向异性形态、固有光学属性等在二维成像中无法体现的信息。并以激光诱导的等离子体为例，验证了超快准三维成像的解析能力，展示出广阔的应用前景。

亮点：

● 提出了超快过程的多视角同时成像方法及准三维图像重构策略，观测能力从二维提升到准三维
● 采用正交偏振的探测光分别用于反射-透射视角成像，得到高信噪比的图像信号，解析了多层非热-热相变过程
● 基于二值化图像轮廓提取结合欧拉角旋转相乘重建了准三维图像，从而能够观察到空间各向异性

图1 超快准三维成像示意图。(a)顶端成像和(b)侧面成像组合在一起，实现如图(c)所示的多视角同时成像，底部为图像处理步骤，包括(d)识别、(e)提取、(f)旋转相乘和(g)取交集。

2. 研究背景

激光激发产生的超快过程具有极端非线性、非平衡特性，包含复杂的物理化学过程，涉及激光与材料相互作用的诸多全新机理。捕获飞秒激光强场诱导的材料动态演化过程是揭示这些新机理中最关键和最具挑战的部分之一，能够推动基础物理、化学、光学新现象的发现及应用，从而促进激光在航空航天、信息电子、传感与检测、生物医学和新能源等多个领域的应用。在本文中，姜澜教授团队介绍了一种超快准三维成像方法，并以等离子体动力学为例探讨了该方法的应用。

3. 最新进展

反射视角：在图2（a）中，90 J·cm-2的激光照射引起的反射性变化被详细描述。开始时，中央区域的反射率增加。随着时间推移，由于激光束内的能量分布变化，明亮区域扩展，边缘出现明暗区域。图2（b）展示了不同激励下的超快反射响应，其中蓝宝石在大约3 ps时表现出最快的晶格破裂。图2（c）按三个阶段划分了中心反射率，描述了材料的相变过程。但这些观察结果主要代表了反射视图的焦平面附近的投影，限制了等离子体性质的全面解析。

图2 不同激光通量激发后正面反射视角的等离子体动力学。(a)在影响为45 J·cm^-2和90 J·cm^-2的辐照下，延迟时间为0.15 ps至1200 ps的瞬态反射率二维图。(b) 45 J·cm^-2和90 J·cm^-2焦点区域直径轴提取的空间反射率分布。(c)从二维映射图提取的时间分辨中心反射率。

透射视角：图3从侧面展示了激光辐照过程中的超快等离子体演化动态。在两种不同通量下，研究者均观察到随时间向外扩展的亮和暗区域。亮区代表低密度等离子体，由库仑爆炸形成，暗区是相爆炸产生的液态。外层等离子体受空气阻力的影响，其径向扩展速度加快，促进了暗区之中液态的膨胀。这些研究为深入理解等离子体动态及其相关物理现象提供了实验依据。

图3 不同激光通量辐照下侧面透射视角的等离子体动力学。(a)蓝宝石在45 J·cm^-2和90 J·cm^-2激发下的瞬态相对透射率演变ΔT/T。（b）蚀羽流前缘相对透射率随时间演化过程。(c)烧蚀边界处冲击波宽度随时间演化过程。

识别与提取：二值化实现两个视角轮廓的识别，信号区域内取值为1，区域外取值为0。并基于所识别的轮廓，构建后续重构所需的矩阵。

图4 对图像进行边界分割。二值化得到的(a)反射和(b)透射两个角度的边界分割图像，(c)和(d)分别为(a)和(b)对应的识别图像，蓝点表示识别轮廓。

图像重构：本图描述了通过欧拉角旋转相乘的方法，重建90 J·cm-2辐照下200 ps延迟图像中的准三维等离子体图像。首先，从顶部和侧面视图获取灰度图像，通过二值化和颜色反转生成两个矩阵Matrix-Top和Matrix-Side。为确保两矩阵尺寸一致，进行尺寸计算和调整。接着，通过逆转换技术创建旋转矩阵，并获取三维坐标点。最后，构建36个旋转矩阵，旋转3D图像，并生成一个完整的3D图形的图像。

图5 图像重建(a)包括从18个不同角度匹配和重建三维等高线图像。(b) 3D图的底部、顶部和侧面视图。

示例：从不同位置的横截面图像得出，等离子体的早期爆发不对称。进一步比较二维和准三维成像，准三维成像蕴含了更多的等离子体演化规律，尤其在空间不对称性和等离子体特性上。此外，与二维成像相比，准三维成像所具有空间特征不受到信息缺失的影响。

图6 从重构图像中提取截面图像。(a)垂直于x轴方向提取的横断面视图图像。横截面图像显示为三维形状。黄色代表低透光率，白色代表高透光率。垂直于(b) x轴和(c) y轴方向的横切面。横截面图像显示为二维图像。黑色代表低透过率，白色代表高透过率。(d)延迟100 ps和200 ps的部分横断面图像对比。

4. 未来展望

利用超快成像方法观测微尺度物质演化和运动规律，是发现超快新现象、揭示超快新机制、推动超快新应用的根本。超快准三维成像能够突破平面二维成像的局限，使观测能力从超快二维提升至超快准三维。能够更好的满足前沿科学与工程应用领域的观测需求，也为超快技术创新和应用发展提供了新的思路。