首次实现莫尔量子点阵列与微腔光子的强耦合

正"魔角"石墨烯在电子能态调控上不断给人们带来惊喜,开辟了凝聚态物理研究的新篇章。类似的,将两种单层过渡金属硫族化合物(TMDCs)叠加起来,也可以在面内形成纳米尺度的半导体超晶格结构,称为莫尔超晶格。莫尔超晶格可以调控激子的能级,并且晶格周期可由转角连续调控,提供了在纳米尺度内调控实物粒子量子态的平台。     

转角半导体过渡金属硫族化物莫尔超晶格中的新奇物态

通过转角或晶格失配构造莫尔人工超晶格,可以对二维材料的能带结构进行有效调控并产生平带,为研究量子多体物理提供了全新的平台.转角过渡金属硫族化物(TMDs)半导体莫尔超晶格中的平带存在于较大的转角范围,并且具有自旋-能谷互锁的能带结构以及优异的光学特性,受到了广泛的关注.本文聚焦于转角TMDs半导体,介绍了近年来实验上发现的多种新奇物态,包括莫特绝缘态、广义维格纳晶体、非平庸拓扑态、莫尔激子等;还进一步讨论了对这些新奇物态的调控及其机制,并展望了莫尔超晶格这一新兴领域未来的研究方向.     

二硫化钼的电子能带结构和低温输运实验进展

二硫化钼是一种层状的过渡金属硫族化合物半导体,它在二维自旋电子学、谷电子学及光电子学领域有很多的应用.本综述以二硫化钼为代表,系统介绍其单层、双层及转角双层的堆垛和能带结构;介绍了转角双层莫尔超晶格的制备方法、以及低温电学输运方面的实验进展,例如超导和强关联现象;分析了转角过渡金属硫化物莫尔超晶格在优化接触和样品质量等方面存在的一些挑战,并展望该领域未来的发展.     

二维范德瓦耳斯半导体莫尔超晶格实验研究进展

在二维范德瓦耳斯材料中,可以通过转角及晶格失配构造周期性的莫尔超晶格.自从实验上在“魔角”石墨烯系统中观察到关联绝缘体态和超导电性以来,利用各种二维范德瓦耳斯材料构造莫尔超晶格并研究其中的新奇量子物态成为了凝聚态物理研究的热点和前沿问题.本文主要综述了最近几年在二维半导体过渡金属硫族化合物莫尔超晶格系统中的相关实验进展.在该系统中实现电子“平带”不依赖于特定魔角,实验上,一系列的关联电子物态和拓扑电子物态被相继发现和证实.进一步的理论和实验研究有望在该系统中揭示更多的受电子关联作用和拓扑物理共同支配的新奇量子物态.     

莫尔晶格中的激子绝缘体

当载流子动能被抑制后,双层量子阱中的电子-空穴可以通过层间库仑相互作用形成激子绝缘体,而抑制动能的主要手段为施加外部磁场产生朗道能级.在二维莫尔晶格中通过能带折叠可以显著抑制载流子动能进而形成莫尔平带.本文主要介绍通过莫尔平带实现无外加磁场的激子绝缘体,着重介绍几个不同的实验思路,并展示如何利用差分反射谱、层间激子光致发光谱、2s激子探测谱、量子电容以及微波阻抗谱探测激子绝缘体信号.总的来说,莫尔晶格中形成的激子绝缘体为在固体环境中研究Bose-Hubbard模型提供了很好的平台,其研究内容可包括激子莫特绝缘体、激子超流以及它们之间的连续转变等.     

单层WSe2、MoSe2激子发光的压力诱导K-Λ交互转变

采用机械剥离法在金刚石对顶砧中制备了单层WSe₂和MoSe₂样品,利用高压微区荧光光谱测量技术,在氩传压介质环境下对其激子发光行为进行了高压调控研究。其中单层WSe₂的中性和负电激子演化趋势在2.43 GPa处出现拐点,单层MoSe₂中性激子发光在3.7 GPa处发生了劈裂。结合第一性原理计算分析,确认该不连续现象的产生机制为压力诱导的导带底K-Λ交互转变。该结果可以扩大至整个二维层状材料体系,为发展激子器件垫定基础。     

二维过渡金属硫族化合物中的缺陷和相关载流子动力学的研究进展

原子级厚度的单层或者少层二维过渡金属硫族化合物因其独特的物理特性而被寄希望成为下一代光电子器件的重要组成部分。然而,二维材料的缺陷在很大程度上影响着材料的性质。一方面,缺陷的存在降低了材料的荧光量子效率、载流子迁移率等重要参数,影响了器件的性能。另一方面,合理地调控和利用缺陷催生了单光子源等新的应用,因此,表征、理解、处理和调控二维材料中的缺陷至关重要。本文综述了二维过渡金属硫族化合物中的缺陷以及缺陷相关的载流子动力学研究进展,旨在梳理二维材料中的缺陷及其超快动力学与材料性能之间的关系,为二维过渡金属硫族化合物材料特性和高性能光电子器件的相关研究提供支持。     

WS_2与WSe_2单层膜中的A激子及其自旋动力学特性研究

单层过渡金属硫化物由于其特有的激子效应以及强自旋-谷耦合性质,在光电子学及谷电子学等方面有着很广阔的应用前景.利用超快时间分辨光谱,本文系统地比较了两类钨基单层硫化物(WS_2和WSe_2)的A-激子动力学和谷自旋弛豫特性.实验结果表明, WS_2单层膜的A-激子弛豫表现为双指数过程,而对于WSe_2,其A-激子衰减表现为三指数过程,且激子的寿命远长于前者. WS_2谷自旋极化弛豫表现为单指数衰减,其寿命约0.35 ps,主要由电子-空穴交换作用所主导.而对于WSe_2,谷自旋弛豫表现出双指数弛豫特性:一个寿命为0.5 ps的快过程和一个寿命为28 ps的慢过程.快过程的弛豫来源于电子-空穴交换作用,而慢过程则由于自旋晶格散射形成暗激子的过程.通过调谐抽运光波长,进一步证实WSe_2较WS_2更容易形成暗激子.     

二维材料/铁电异质结构的研究进展

二维材料是一类具有原子层厚度的层状材料,拥有独特的电学、磁学、光学和力学性能.以石墨烯和过渡金属硫族化合物为代表的二维材料展现出迁移率高、能带可调、可见光透过率高等特点,是近年来微纳科学领域的前沿热点.将二维材料与各种功能材料,如SiO_2绝缘体、半导体、金属、有机化合物等结合,可以深化和拓宽二维材料的基础研究和应用.其中,铁电材料因具有自发极化、高介电常数、高压电系数等优点吸引了众多研究者的目光.二维/铁电复合材料很好地兼顾了二者的优点,不仅包含了磁电耦合效应、铁电场效应、晶格应变效应、隧穿效应、光电效应、光致发光效应等丰富的物理现象,而且在多态存储器、隧穿晶体管、光电二极管、太阳能电池、超级电容器、热释电红外探测器等器件中有广阔的应用前景,引起了学术界的广泛关注.本文选取典型的二维/铁电复合材料,重点介绍了这类材料界面处的物理机制、材料的性能以及应用前景,并对二维/铁电复合材料的研究进行了展望.     

单层MoS2薄膜的NaCl双辅助生长方法

以单层二硫化钼(MoS₂)为代表的过渡金属硫族化合物半导体材料具有良好的光学、电学性质,近十年来引起了人们广泛的研究兴趣.合成高质量单层MoS₂薄膜是科学研究及工业应用的基础.最近科研人员提出了盐辅助化学气相沉积生长单层薄膜的方法,大大提高了单层MoS₂薄膜的生长速度及晶体质量.本文基于此方法,提出利用氯化钠(NaCl)的双辅助方法,成功制备了高质量的单层MoS₂薄膜.光致发光(PL)谱显示其发光强度比无NaCl辅助生长的样品有了明显的提高.本文提出的NaCl双辅助生长方法为二维材料的大规模生长提供了思路.     

CuPc/MoS2范德瓦耳斯异质结荧光特性

在众多二维材料中,过渡金属硫族化合物由于其具有独特的光电特性深受广大研究者喜爱.近年来,由二维过渡金属硫族化合物材料与有机半导体结合构建的范德瓦耳斯异质结受到极大的关注.这种异质结可以利用两者的优势对光电特性等性能进行调控,为许多基础物理和功能器件的构建提供了研究思路.本文构建了酞菁铜/二硫化钼(CuPc/MoS₂)范德瓦耳斯异质结,并对其荧光特性进行了表征和分析.与单层MoS₂相比较发现,引入有机半导体CuPc后,异质结当中发生了明显的荧光淬灭现象.通过荧光分析,该现象可以用引入CuPc后异质结中负三激子与中性激子之比增加来解释.此外,通过第一性原理计算分析发现,引入CuPc会在MoS₂的禁带中引入中间带隙态,使得CuPc与MoS₂之间产生非辐射复合,这同样会导致荧光淬灭的发生.CuPc/MoS₂异质结的荧光淬灭现象可以为同类型范德瓦耳斯异质结的光电特性调控研究提供参考和思路.     

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.     

单层二维量子自旋霍尔绝缘体1T'-WTe2研究进展

量子自旋霍尔效应通常存在于二维拓扑绝缘体中,其具有受拓扑保护的无耗散螺旋边界态. 2014年,理论预言单层1T’相过渡金属硫族化合物是一类新型的二维量子自旋霍尔绝缘体.其中,以单层1T’-WTe₂为代表的材料体系具有原子结构稳定、体带隙显著、拓扑性质易于调控等许多独特的优势,对低功耗自旋电子器件的发展具有重要的意义.本文总结了单层1T’-WTe₂在实验上的最新进展,包括基于分子束外延生长的材料制备,螺旋边界态的探测及其对磁场的响应,掺杂、应力等手段在单层1T’-WTe₂中诱导出的新奇量子物态等.也对单层1T’-WTe₂未来可能的应用前景进行了展望.     

利用Li+插层调控WS2光电器件响应性能研究

过渡金属硫族化合物由于其具有独特的结构和性质,在光电子学、纳米电子学、储能器件、电催化等领域具有广泛的应用前景,是一类被持续关注的代表性二维层状材料.在材料应用过程中,对材料掺杂特性的调控会极大地改变器件的响应性能.因而,对利用掺杂手段调控过渡金属硫族化合物器件响应性能的研究具有重要的意义.电化学离子插层方法的发展为二维材料的掺杂调控提供了新的手段.本文以WS₂为例,采用电化学离子插层方法对厚层WS₂的掺杂特性进行优化,观察到离子插入后器件电导率的显著增强(约200倍),以及栅压对器件光电响应性能的有效且可逆的调控.本文通过栅压控制离子插层的方法实现对WS₂器件光电响应的可逆可循环调节,为利用离子插层方法调控二维材料光电器件响应性能研究提供了实验基础.     

褶皱状蜂窝结构的单层二维材料研究进展

以石墨烯为代表的二维材料具有新颖的物理特性和潜在的应用前景.但石墨烯的零带隙限制了它在半导体器件中的应用,寻找新的半导体型替代材料成为当前的一个研究热点.作为黑磷的单层,磷烯具有褶皱状蜂窝结构.它具有可调直接带隙、高载流子迁移率和面内各向异性等独特的性质,引起了人们的广泛关注.磷烯的发现开辟了Ⅴ族二维单层材料的研究领域.本文首先着重介绍具有黑磷结构的五种单元素二维材料(氮、磷、砷、锑和铋)的结构、合成和物理性质.其次,讨论了一些类黑磷结构的二元二维材料,包括Ⅳ-Ⅵ族化合物、Ⅴ-Ⅴ族化合物.这些材料具有独特的晶体对称性,通过改变结构以及维度可以实现对性质的调控.最后指出了一些当前需要解决的问题,并对这些二维半导体材料未来可能的应用前景进行了展望.     

基于磁圆二向色谱的单层MoS_2激子能量和线宽温度依赖特性

以二硫化钼(MoS_2)为代表的过渡金属硫属化物属于二维层状材料,样品可以薄至单层.单层MoS_2是一种直接带隙半导体,在纳米逻辑器件、高速光电探测、纳米激光等领域具有广阔的应用前景.在实际应用中,温度是影响半导体材料能带结构和性质的主要因素之一.因此研究单层二维材料能带的温度依赖特性对理解其物理机理以及开展器件应用具有重要的意义.目前,在广泛采用的测量单层MoS_2反射谱的研究中,激子峰往往叠加在一个很强的光谱背底上,难以准确分辨激子的峰位和线宽.基于自行搭建的显微磁圆二向色谱系统,研究了单层MoS_2在65—300 K温度范围内的反射谱和磁圆二向色谱,结果表明磁圆二向色谱在研究单层材料激子能量和线宽方面具有明显的优势.通过分析变温的磁圆二向色谱,得到了不同温度下的A,B激子的跃迁能量和线宽.通过对激子能量和线宽的温度依赖关系进行拟合,进一步讨论了声子散射对激子线宽的影响.     

二维黑磷的光学性质

黑磷是继石墨烯、过渡金属硫族化合物(TMDCs)之后又一个备受关注的二维材料.黑磷从单层到块材都是直接带隙半导体,且带隙从单层的1.7 eV一直随着层数的增加而减小,到块材则变为0.3 eV,涵盖了可见光到中红外波段,恰好填补了石墨烯和过渡金属硫族化合物的带隙在该波段的空白.同时,黑磷还具有很高的载流子迁移率、良好的调控性、面内各向异性等优异特性,很快便引起了人们广泛的研究兴趣.本论文主要介绍了当前有关二维黑磷光学性质方面的研究进展,包括黑磷的本征光学性质,如带间跃迁吸收、激子、光致发光、光学性质的稳定性;外界微扰,如应变、电场等对黑磷光学性质的影响;最后做了总结与展望.希望本文对黑磷光学性质研究的综述,能够引起对黑磷研究的更广泛兴趣.     

亚波长介质光栅对单层过渡金属硫化物的发光增强

过渡金属硫化物单层具有直接带隙,可产生较强的光致发光,这一特殊的性质使其在光电器件、光电探测等领域具有广泛的应用前景.由于只有原子级别的厚度以及存在激子的非辐射复合,其光致发光效率仍有待提高.本文设计了一种金膜-二氧化钛光栅-过渡金属硫化物单层组合结构,可大幅提升过渡金属硫化物单层光致发光效率.利用Purcell效应对自发辐射速率进行控制,得到峰值为3.4倍的发光增强.研究了单层二硫化钨以及单层二硒化钨在设计结构上的光致发光信号,通过实验证实了过渡金属硫化物单层与亚波长光栅耦合结构中光致发光增强的可行性,为二维材料在光电器件中的应用提供了一个新思路.     

转角二维量子材料中平带相关的新奇电子态物性

二维量子材料具有诸多新奇的电子态物性,又易受到外部因素的影响和调控,因此成为近年来凝聚态物理等研究领域的前沿课题之一.而当以不同的旋转角度和堆叠次序制备出二维量子材料的异质结时,莫尔超晶格的形成又进一步诱导了异质结电子能带结构的重整化,从而形成电子平带结构,再结合外加电场、磁场、应力场等外部条件,即可实现对材料整体新奇物性的设计与调控.本文主要围绕转角石墨烯及过渡金属硫族化合物异质结中的相关研究展开讨论,包括与平带物理相关的强关联效应、非常规超导现象、量子反常霍尔效应、拓扑相以及电子晶体等行为,并对未来的研究发展进行了展望.     

化学掺杂对于单层二硫化钨光致发光的影响

过渡金属硫族化合物(transition metal dichalcogenides, TMDs)因其显著的光学和电学特性而受到广泛的关注。其块状材料为间接带隙半导体,而单层材料则具有直接带隙半导体的特性。对于单层半导体材料,其拥有原子级别的厚度,容易引入外界环境掺杂,从而影响其发光特性。本文通过化学气相沉积法合成高质量,大面积的单层及少数层N-型二硫化钨(WS₂)材料。使用拉曼进行表征,通过其特征声子振动模式所对应的频率差,来确定材料层数。在此基础上,对比了材料中心和边缘的光致发光(Photoluminescence, PL)。相比于中心位置,边缘位置的荧光强度更强,且峰位也发生红移。这是由于生长过程中造成的缺陷密度不同。基于此,使用掺杂剂对材料进行处理,来改变其缺陷密度。处理后发现,边缘和中心位置峰位均发生蓝移,强度减弱,同时中性激子发射占据了主导。该结果也进一步证实了本文生长的单层WS₂为N-型半导体材料。