3所中国高校,连发Nature、Science!

近日,清华大学、上海海洋大学、北京大学分别在全球顶级学术期刊 Nature、Science发表最新研究成果。

清华大学

近日,清华大学集成电路学院任天令教授团队在小尺寸晶体管研究方面取得重大突破,首次实现了具有亚1纳米栅极长度的晶体管,并具有良好的电学性能。
相关成果以“具有亚1纳米栅极长度的垂直硫化钼晶体管”(Vertical MoS2 transistors with sub-1-nm gate lengths)为题,于3月9日在线发表在国际顶级学术期刊Nature上。论文通讯作者为清华大学集成电路学院任天令教授和田禾副教授,清华大学集成电路学院2018级博士生吴凡、田禾副教授、2019级博士生沈阳为共同第一作者。

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近年来,随着晶体管的物理尺寸进入纳米尺度,造成电子迁移率降低、漏电流增大、静态功耗增大等短沟道效应越来越严重,这使得新结构和新材料的开发迫在眉睫。为进一步突破1纳米以下栅长晶体管的瓶颈,该研究团队巧妙利用石墨烯薄膜超薄的单原子层厚度和优异的导电性能作为栅极,通过石墨烯侧向电场来控制垂直的MoS2沟道的开关,从而实现等效的物理栅长为0.34nm。通过在石墨烯表面沉积金属铝并自然氧化的方式,完成了对石墨烯垂直方向电场的屏蔽。再使用原子层沉积的二氧化铪作为栅极介质、化学气相沉积的单层二维二硫化钼薄膜作为沟道。
研究发现,由于单层二维二硫化钼薄膜相较于体硅材料具有更大的有效电子质量和更低的介电常数,在超窄亚1纳米物理栅长控制下,晶体管能有效的开启、关闭,其关态电流在pA量级,开关比可达105,亚阈值摆幅约117mV/dec。大量、多组实验测试数据结果也验证了该结构下的大规模应用潜力。基于工艺计算机辅助设计(TCAD)的仿真结果进一步表明了石墨烯边缘电场对垂直二硫化钼沟道的有效调控,预测了在同时缩短沟道长度条件下,晶体管的电学性能情况。这项工作推动了摩尔定律进一步发展到亚1纳米级别,同时为二维薄膜在未来集成电路的应用提供了参考依据。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-021-04323-3

上海海洋大学

水产品和水产养殖在保障全球粮食安全、为人类提供必不可少的营养支持以及在减少全球食品生产的温室气体排放等方面做出的巨大贡献,使得其成为当前国际学术界的研究热点。目前全球一半的水产品来自水产养殖,水产养殖又分为海水养殖和淡水养殖。在当前的研究当中,海水养殖吸引了全球大多数学者的目光,而淡水养殖在很大程度被忽视了。针对这一现象,上海海洋大学张文博博士联合多位全球顶级科学家进行了系统研究。研究表明,在全球水产品供应中淡水养殖的重要性远大于海水养殖。

3月9日,Nature在线发表了这一研究成果。文章由上海海洋大学领衔,英国斯特灵大学、美国密西根州立大学、世界渔业中心、亚洲理工学院、瑞典皇家科学院以及斯德哥尔摩应变中心等单位合作完成,题目为“水产养殖将继续依赖于陆地而不是海洋(Aquaculture will continue to depend more on land than sea)”。

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研究认为,海水养殖在全球水产养殖政策议程中受到了过度的关注,而淡水养殖的重要性和潜力却被国际主流学术界忽视了。一个主要表现就是海水养殖领域论文发表量数倍于淡水养殖。

国际学术界通常认为,淡水养殖的发展会受到淡水、土地等资源限制,而海水养殖扩展空间几乎没有限制。本研究提出了不同意见,根据近年来的生命周期评价研究发现,不论是淡水养殖还是海水养殖,都需要在饲料生产等环节投入超过养殖环节直接消耗的淡水和土地资源。因此,张文博与研究伙伴们认为,依赖饵料投喂的海水养殖和淡水养殖都存在类似的淡水、土地等资源的限制。同时水产养殖造成的环境影响主要源于饲料生产环节,依赖饵料投喂的海水养殖和淡水养殖在气候变化、生物多样性和生态系统服务等方面的环境影响没有明显区别。淡水养殖仍可进一步挖掘现有养殖面积的生产潜力,逐渐增加集约化水平,从而生产更多的水产品。
研究提出,淡水养殖对全球粮食安全贡献更大,因为它与海水养殖相比,在大规模生产投入少、可负担的水产品方面具有比较优势。原因在于,主要淡水养殖鱼类多为低营养级的滤食性和杂食性鱼类,其人工繁殖难度低,对低溶解氧和富营养化水体适应能力强,仅需要简单的技术和设备便可开展养殖生产。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-021-04331-3

北京大学

3月10日,北京大学吴凯教授、周雄副研究员通过扫描隧道显微镜在渗碳铁单晶表面上报告了乙烯聚合的原位可视化。观察到乙烯聚合在两个碳化物域之间的边界处的特定三角形铁位点上进行。没有活化剂,一种中间体,归因于表面锚定的亚乙基(CHCH3),作为链引发剂(自引发),随后通过乙烯插入生长。该发现为分子水平的乙烯聚合途径提供了直接的实验证据。相关研究成果“Visualization of on-surface ethylene polymerization through ethylene insertion”发表在最新一期Science上。

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该文报告了乙烯在部分渗碳的Fe表面上的无活化剂聚合的原位STM可视化。乙烯分子吸附在碳化物表面并在位于两个相邻碳化物域边界的特定三角形集合位点上重新排列成中间体,可能是亚乙基。聚合在边界集合位点上开始,并通过将附近的活化乙烯分子插入到Fe-CH-R物种中来传播。在每次乙烯插入过程中,氢应该在形成的碳链之间转移,以保持金属-CH-R构型,从而使PE链不断增长。

论文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi4407

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