光子石墨烯中赝磁场作用下的谷霍尔效应

将石墨烯中赝磁场的产生机理运用于光子石墨烯,通过在光子石墨烯中引入晶格有规律单轴形变的方式,理论分析得到了谷依赖的均匀赝磁场,并通过数值模拟的方法观察到明显的谷霍尔效应.这种谷霍尔效应的显著程度随晶格形变度的增加而加强.在具有一定损耗的电介质材料构成的形变光子石墨烯中仍可观察到明显的谷霍尔效应.随着电介质材料损耗的增加,谷霍尔效应导致的波束转弯效果依然能够保持,只是强度逐渐变弱.类似于自旋电子学中的自旋霍尔效应,这种光子石墨烯中等效赝磁场作用下的谷霍尔效应在未来谷极化器件的设计和应用中具有重要意义.     

石墨烯中选择性增强Kane-Mele型自旋-轨道相互作用

增强石墨烯中的自旋-轨道相互作用可能实现无耗散的量子自旋霍尔器件,这需要在石墨烯样品中引入独特的Kane-Mele型自旋-轨道相互作用,并保持较高的迁移率.然而,对石墨烯的外在修饰往往会引入“外禀型”Rashba自旋-轨道相互作用,会破坏可能存在的拓扑态,并带来一定程度的杂质散射,降低样品迁移率.在石墨烯表面修饰EDTA-Dy分子后,载流子迁移率得到了提高,并且可以看到显著的量子霍尔电导平台.其弱局域化效应相比被修饰之前得到了抑制,这意味石墨烯中可能引入了内禀的Kane-Mele型自旋-轨道相互作用,增强了Elliot-Yafet型电子自旋弛豫机制.进一步通过矢量磁体磁阻测量,发现该分子覆盖在石墨烯上后造成了石墨烯微弱的涟漪,这种涟漪引起的弯曲声子效应模拟了Kane-Mele型自旋-轨道相互作用.     

硅基底石墨烯器件的现状及发展趋势

石墨烯是一种由单层碳原子紧密排列而形成的具有蜂窝状结构的二维晶体材料,特殊的结构赋予了其优异的性能,如高载流子迁移率、电导率、热导率、力学强度以及量子反常霍尔效应.由于石墨烯优异的特性,迅速激起了人们对石墨烯研究以及应用的热情.石墨烯沉积或转移到硅片后,其器件构建与集成和传统硅基半导体工艺兼容.基于石墨烯的硅基器件与硅基器件的有机结合,可以大幅度提高半导体器件的综合性能.随着石墨烯制备工艺和转移技术的优化,硅基底石墨烯器件将呈现出潜在的、巨大的实际应用价值.随着器件尺寸的纳米化,器件的发热、能耗等问题成为硅基器件与集成发展面临的瓶颈问题,石墨烯的出现为解决这些问题提供了一种可能的解决方案.本文综述了石墨烯作为场效应晶体管研究的进展,为解决石墨烯带隙为零、影响器件开关比的问题,采用了量子限域法、化学掺杂法、外加电场调节法和引入应力法.在光电器件研究方面,石墨烯可以均匀吸收所有频率的光,其光电性能也受到了广泛的关注,如光电探测器、光电调制器、太阳能电池等.同时,石墨烯作为典型的二维材料,其优越的电学性能以及超高的比表面积,使其作为高灵敏度传感器的研究成为纳米科学研究的前沿和热点领域.     

二维材料中贝里曲率诱导的磁性响应

二维材料中由贝里曲率诱导的新型磁学响应是近年来的新兴领域.这些二维材料所表现出的磁学特性及量子输运与贝里曲率直接相关,而贝里曲率又与晶体的对称性、电子的轨道磁性、自旋轨道耦合以及磁电效应等息息相关.研究这些新型磁性响应一方面有益于研究不同量子效应间的耦合作用,另一方面可探索量子效应在电子与信息器件领域的应用.本文介绍了近几年来二维材料中新型磁响应的实验研究进展,特别介绍了二硫化钼和石墨烯等材料中的谷霍尔和磁电效应、低对称性的二碲化钨等材料中的量子非线性霍尔以及转角石墨烯中的反常霍尔和量子反常霍尔效应.本文结合二维材料的晶体结构以及电子结构,介绍了这些新奇现象的现有物理解释、回顾了相关研究的最新发展、讨论了其中尚未理解的现象,并作出展望.     

室温下石墨烯的霍尔效应实验研究

对用化学气相沉积法(CVD)研制的长、宽均为1.23 cm,厚度为3个原子层尺寸的石墨烯样品,进行了室温下的霍尔效应相关研究。实验中电极与石墨烯之间有良好的欧姆接触。通过范德堡法测量了样品在磁场强度为0.353 T,不同电流强度下的霍尔电压,并对结果进行处理分析,得到石墨烯的霍尔系数RH=7.00×10-7m3/C、载流子浓度n=10.52×1024/m3、霍尔元件乘积灵敏度KH=6.87×102m2/C。     

霍尔效应实验数据的新应用——提取副效应与螺线管参数

基于霍尔效应测量通电螺线管内部磁场的实验数据,提出了评估霍尔元件副效应的方法,包括霍尔元件的不等势电压降以及能斯托效应和里纪-勒杜克效应引起的附加电势,并详细讨论了它们对结果的影响.进一步,借助Origin软件,利用通电螺线管磁场分布的理论公式拟合相应的实验数据,非常准确地估测了螺线管的基本参数,包括螺线管总匝数、长度及平均半径等.     

铁磁石墨烯体系的CT不变量子自旋霍尔效应

文章作者在垂直磁场作用下的铁磁石墨烯体系里预言了一种新类型的量子自旋霍尔效应.这量子自旋霍尔效应与自旋轨道耦合无关,体系也不具有时间反演不变性;但是有CT不变(C为电子-空穴变换、T为时间反演变换).由于量子自旋霍尔效应,体系的纵向电阻和自旋霍尔阻出现量子化平台.特别是,自旋霍尔阻的量子化平台有很强的抗杂质干扰能力.     

关于霍尔效应实验的误差分析

霍尔效应实验是一个受系统误差影响较大的实验,特别是在霍尔效应产生的同时,伴随产生的其他效应引起的附加电场对实验影响较大.本文简单介绍该实验的原理和实验误差的来源,使用Origin 6.0软件处理实验数据,分析附加电场对霍尔电压和电流线性关系的影响,以及对霍尔系数测量值的影响.结果表明:附加电场的存在不会影响所测霍尔电压和电流U-Is的线性关系,但对霍尔系数的测量有较大影响.     

光自旋霍尔效应的研究性实验教学

光自旋霍尔效应是由于光子的自旋-轨道相互作用导致自旋相反的光子相互分离的光学效应,极大地丰富了光学研究内涵,成为现代光学的研究前沿和热点.由于光自旋霍尔效应实验与由偏振片、望远镜、显微镜等器件组装的实验相通,因此可以把光自旋霍尔效应的研究成果进行整理,设计制作出适合于本科实验教学的仪器.本文对光自旋霍尔效应的研究进展进行了综述,并介绍了利用所开发的光自旋霍尔效应实验仪可开展的实验类型和进行研究性教学的情况.     

演示小位移传感器的装置制作

本文介绍了半导体材料的霍尔效应及磁阻效应,讨论了霍尔磁阻元件的特性,提出位移传感器的工作原理、结构设计,并详细说明安装和调试过程.演示装置结构简单、物理概念清晰、易于操作.它将磁场的变化无接触转化为材料的电阻变化,从而把与磁场变化相联的位移形式转化为电信号输出,形成位移传感器.由实验数据和图示曲线表明:测量桥路输出电压随磁钢和霍尔片之间的距离变化而变化;另外,测量桥路的测量灵敏度随工作电流IC增加而提高.通过本装置可以对霍尔磁阻效应、一种小位移测量传感器原理和方法进行演示和探究.在课堂教学、课程设计等场合,直观显示霍尔元件的各种效应和技术应用,有着良好的教学效果.     

基于霍尔效应的土沉降监测方法及装置

针对我国目前土沉降监测的自动化程度及仪器可靠性低、监测数据不及时、测量精度不高等问题,提出了一种新型基于霍尔效应的科学监测方法;这种方法采用多个霍尔器件组成阵列,将沉降磁环分布在土中,土的沉降会带动沉降磁环的跟随沉降,于是便会引起霍尔器件周围磁场强度发生相应的变化;利用霍尔效应监测霍尔器件周围磁场强弱并转化为相应的电信号,采用RS485总线通讯方式将采集到的数据实时上传至实验主机,主机对实验数据进行科学建模处理找到沉降磁环沉降位移与电信号的关系,并设计监测管理平台以实现对土沉降实时在线监测;通过实验验证这种监测方法监测精度高最大误差在0.4 mm、稳定性好,可以对多点实时在线监测,从而实现对土沉降的智能化高精度监测;在设计中可结合当前远程传输控制技术实现数据远程共享,具有更加广泛的应用前景。     

变温霍尔效应简易测量方法

变温霍尔效应实验重点在于半导体载流子输运特性分析,但是磁场和样品电流手动换向影响了测量准确性.利用原有设备测控功能并增加继电器实施磁场换向,实现由计算机测控的变温霍尔效应简易测量方法.在手动测量理解实验技术原理的基础上,通过自动化测量使教学实验从定性观测提升到半定量测量分析层次.实验教学方案优化不仅拓展数据处理方法,还丰富了实验教学内容和物性分析结果.     

调制磁场交流霍尔电压测量技术

霍尔效应测量伴随着多种副效应,直流换向法在变温测量中存在难以克服的技术缺点.采用调制磁场与交流样品电流测量技术,并选择后者频率为前者的整数倍.当数据采样历遍调制磁场完整周期时,实验结果等效于磁场和样品电流换向测量.利用数字锁相放大器对被测信号谐波分量离散傅里叶分析原理,实现调制磁场交流霍尔电压实时测量.实验说明调制磁场交流霍尔测量技术方案的合理性,进而由变温霍尔测量结果表明该方法的科学性.     

一种数据非易失性、多功能和可编程的自旋逻辑研究进展

自旋(磁)逻辑器件具有数据非易失性、CMOS电路兼容性、操作速度快等优点,是开发计算存储相融合的非冯·诺依曼计算机架构的理想候选方案之一.本文进一步演示基于自旋霍尔效应的自旋逻辑方案.利用自旋霍尔效应不仅能够实现基本的布尔逻辑功能和数据存储功能,还可以利用自旋轨道力矩磁矩翻转的对称性要求、偏置磁场要求等,进一步实现自旋逻辑器件的可编程和多功能特性.利用这些特点,同一自旋霍尔逻辑器件可以实现"与"、"或"、"非"、"与非"、"或非"等功能.因为这些特性,基于自旋霍尔效应的自旋逻辑单元有望成为后续自旋逻辑器件和电路的核心器件,推动后者的持续开发与广泛应用.     

光自旋霍尔效应中的交叉偏振特性研究

从光束角谱理论出发建立了描述光自旋霍尔效应的傍轴传输模型, 利用这一模型分析了光自旋霍尔效应中的交叉偏振特性. 通过分析交叉偏振效应强度和入射角变化的规律, 发现交叉偏振效应越强, 光自旋霍尔效应中的自旋分裂越大. 为便于实验观察, 将入射角选在光自旋霍尔效应较强的布儒斯特角附近, 观测到了强的交叉偏振效应. 增大交叉偏振分量的同时减小初始偏振分量, 可显著增强光自旋霍尔效应. 这一调控方法为研制基于光自旋霍尔效应的新型光子器件提供了理论基础.     

量子反常霍尔效应研究进展

在没有外加磁场的作用下就能表现出量子化霍尔电导的量子反常霍尔效应已经成为霍尔家族中的重要一员, 其物理起源是体能带反转结构和铁磁性相互作用. 量子反常霍尔效应最重要的表现是在边缘态处具有无耗散运动的手性电流, 这种性质拥有可以改变未来量子电子学的潜力, 极大推动器件小型化、 低损耗、 高速率发展. 近年来,基于理论指导, 人们在实验上已多次观察到量子反常霍尔效应. 在本文中, 从实验层面上重点回顾了量子反常霍尔效应在铬(Cr) 、钒(V) 掺杂的(Bi,Sb)2Te3 体系的研究进展, 以及目前量子反常霍尔效应在其它体系中的研究现状, 深入理解量子反常霍尔效应的起源和机理, 最后对量子反常霍尔效应进行总结和展望     

锗单晶体变温霍尔效应实验数据的处理

采用微机控制和数字式数据采集系统,在变温环境下(77~420 K)对长为6.0 mm、宽为4.0 mm、厚为0.6 mm的锗样品薄片进行霍尔效应相关数据测量;通过对测量的霍尔电压作数据处理得到锗的霍尔系数RH(T)、电导率σ(T)和霍尔迁移率μH(T)与温度的依赖关系.该实验结果对学生理解半导体物理中的相关知识有重要意义.     

光自旋霍尔效应及面内光自旋分离

当宽度有限的实际光束反射和折射时,左旋光和右旋光成分会发生垂直于入射面的空间分离,这一新奇的光自旋霍尔效应近来引起了人们的广泛关注.文章介绍了光自旋霍尔效应的研究进展,特别关注了纳米量级分离的测量方面进展.作者还发现在入射面内也会出现光自旋分离现象,并对这一新现象进行了理论分析和实验研究,实验测量数据和理论计算结果非常符合.     

B/N掺杂类直三角石墨烯纳米带器件引起的整流效应

基于密度泛函理论结合非平衡格林函数的方法, 研究了硼(氮)非对称掺杂类直三角石墨烯纳米带器件的电子输运性能. 计算结果表明: 单个硼或氮原子取代类直三角石墨烯纳米带顶点的碳原子后, 增强了体系的电导能力, 并且出现了新颖的整流效应. 分析表明: 这是由于硼氮掺杂类直三角石墨烯纳米带器件在正负偏压下分子能级的移动方向和前线分子轨道空间分布的不对称而产生的. 最重要的是, 当左右类直三角石墨烯纳米带的顶端原子同时被硼和氮掺杂后, 体系的整流效应显著增强, 而且出现负微分电阻效应.     

二维莫尔超晶格中的非线性霍尔效应

1879年发现的霍尔效应是凝聚态物理学中最古老也是最重要的领域之一.最近发现的非线性霍尔效应是霍尔效应家族的新成员.与大部分需要打破时间反演对称的霍尔效应不同,非线性霍尔效应存在于少数空间反演破缺但仍具有时间反演对称的系统中,并且因其高频特性和不需额外施加磁场而在诸多领域具有令人期待的应用前景.然而,除空间反演破缺以外,非线性霍尔效应对材料对称性的要求十分苛刻,只在极少数材料中观测到了由贝里曲率偶极矩产生的非线性霍尔效应.近年来快速发展的范德瓦耳斯堆叠技术为剪裁和调控晶体的对称性,制备具有特殊物理性质的人工二维莫尔晶体提供了一个崭新的途径.本文主要围绕二维莫尔超晶格结构在实现非线性霍尔效应方面的特性,介绍了近年来理论和实验上石墨烯超晶格以及过渡金属硫族化合物超晶格中非线性霍尔效应的研究进展,并展望了未来基于二维莫尔超晶格材料的非线性霍尔效应的研究方向和应用前景.