锯齿形石墨烯反点网络加工与输运性质研究

具有特定边界的石墨烯纳米结构在纳电子学、自旋电子学等研究领域表现出良好的应用前景.然而石墨烯加工成纳米结构时,无序的边界不可避免地会降低其载流子迁移率.氢等离子体各向异性刻蚀技术是加工具备完美边界石墨烯微纳结构的一项关键技术,刻蚀后的石墨烯呈现出规则的近原子级平整的锯齿形边界.本文研究了氮化硼上锯齿形边界石墨烯反点网络的磁输运性质,低磁场下可以观测到载流子围绕着一个空位缺陷运动时的公度振荡磁阻峰.随着磁场的增大,朗道能级简并度逐渐增大,载流子的磁输运行为从Shubnikov-de Haas振荡逐渐向量子霍尔效应转变.在零磁场附近可以观测到反点网络周期性空位缺陷的边界散射所导致的弱局域效应.研究结果表明,在氮化硼衬底上利用氢等离子体刻蚀技术加工锯齿形边界石墨烯反点网络,其样品质量会明显提高,这种简单易行的方法为后续高质量石墨烯反点网络的输运研究提供了新思路.     

转角石墨烯体系的拓扑特性和轨道磁性

本文介绍了转角双层石墨烯和多层石墨烯中的电子结构、拓扑性质以及轨道磁性.在转角双层石墨烯中,由于两层石墨烯之间的相对旋转会形成具有长周期的摩尔条纹.由转角产生的摩尔势场会在摩尔超元胞中产生方向相反的赝磁场,与两层的石墨烯中的狄拉克电子耦合,从而产生赝朗道能级.而魔角石墨烯中的每个谷和自旋自由度的两条平带就等价于两个具有相反陈数的零赝朗道能级.这样的赝朗道能级表示可以很自然地解释一系列"魔角"的来源,也对理解魔角双层石墨烯中观测到的关联绝缘态和量子反常霍尔效应具有重要意义.本文进一步讨论了转角多层石墨烯,并发现转角多层石墨烯体系中普遍存在具有非平庸拓扑性质的平带.这些拓扑平带通常具有非零的谷陈数,并且在一定近似下可以由一个普适的规律描述.本文还讨论了转角石墨烯体系中的拓扑平带所具有的轨道磁性.如果时间反演对称性自发破缺,转角石墨烯体系会处于一个谷极化的基态.这样的谷极化基态是一个在摩尔尺度上的轨道磁性态,在摩尔超胞中具有纳米尺度的环状电流分布.之前的理论提出在转角双层石墨烯体系中观测到的关联绝缘态的本质就是一种净磁矩为零的"摩尔轨道反铁磁态".当体系的C_(2z)对称性被氮化硼衬底破坏时,转角石墨烯中的谷极化基态则变成了一种"摩尔轨道铁磁态",它不仅具有(量子)反常霍尔效应,也具有新奇的磁光效应和非线性光学响应.     

双层转角石墨烯的结构和电学性质

石墨烯是第一个被发现的层状二维材料,它的电学性质对层数和层间的堆垛方式有很强的 依赖性。而层间的转角可以被看作是调控石墨烯电学性质的又一个可控的自由度。本文主要综述 双层转角石墨烯的基本结构与性质,重点讲述转角对双层石墨烯电学性质的影响。我们将从理论 与实验结合的角度出发,介绍双层转角石墨烯中Dirac 费米子的新奇物理特性,重点阐述如何通 过转角来调控石墨烯的电学性质。最后我们对双层转角石墨烯的研究现状进行总结和展望。     

晶界效应对钙钛矿La_(0.7)Ba_(0.3)MnO_3多晶材料的磁输运特性的影响(英文)

本文通过比较La0.7Ba0.3MnO3多晶和外延薄膜样品磁输运行为之间的差异,讨论了晶界对多晶样品输运特性的影响,并计算了晶界电阻率随温度和磁场的变化关系.与晶粒的本征电阻率相比,晶界的电阻率要大一个量级,并且其金属-绝缘转变温度低约50K.此外,在晶界中观察到了新奇的正磁阻效应.我们认为,晶界在其转变温度附近出现了相分离现象,并形成铁磁金属渗流通道.由于晶界的特殊构型,Ba掺杂锰氧化物材料中大的磁致伸缩效应对其输运行为影响很大,导致了晶界中正磁阻现象的出现.     

石墨烯量子磁输运性质的电场效应

最近研究发现石墨烯在一维周期性电学或磁学调制势下, 其扩散电导率会出现Weiss振荡. 本文进一步探索了面外加垂直磁场和面内加横向电场以及一维周期性弱调制电学势的多场耦合作用下, 石墨烯的量子磁输运性质, 结果表明: Weiss振荡振幅和电导率数值都随着静电场的增加而增加. 有趣的是, 当电场与磁场的比值达到某一临界值, 即时, 输运电导率的Weiss振荡突然消失. 这一奇特现象在传统的二维电子气体中是不存在的, 因此可以归因于石墨烯载流子外加电磁场的反常相对论性能谱. 关键词：石墨烯; 静电场; Weiss振荡; 磁输运性质     

SnSe_2的忆阻及磁阻效应

忆阻和磁阻效应在当前电子信息存储领域都有着广泛的应用.近年来,硫族化合物SnSe_2作为一种同时具有忆阻与磁阻效应的存储材料,受到广大科研工作者的关注,该材料的电输运机理的深入探索具有十分重要意义.本文采用熔融法结合放电等离子烧结技术成功制备了高纯度的SnSe_2块体材料,测量了不同温度、不同磁场条件下的电流-电压特性曲线,系统地研究了其忆阻与磁阻效应.研究表明:不同温度下的忆阻特征可被归结为缺陷控制下的空间电荷限制电流效应;温度降低导致忆阻现象减弱,这与低温下杂质电离较弱导致可接受注入载流子的缺陷变少从而空间电荷限制电流效应变弱有关.同时发现,样品在低温下呈现较大的负磁阻效应,这是因为在低温下杂质散射占主导作用,电子在传导时会受到杂质的多重散射导致载流子局域化,负磁阻效应与磁场对载流子局域化的抑制作用有关;随着温度升高,散射机制逐渐由杂质散射转变为晶格散射为主,负磁阻效应逐渐转变为正磁阻效应.     

石墨烯量子磁输运性质的电场效应

最近研究发现石墨烯在一维周期性电学或磁学调制势下, 其扩散电导率会出现Weiss振荡. 本文进一步探索了面外加垂直磁场和面内加横向电场以及一维周期性弱调制电学势的多场耦合作用下, 石墨烯的量子磁输运性质, 结果表明: Weiss振荡振幅和电导率数值都随着静电场的增加而增加. 有趣的是, 当电场与磁场的比值达到某一临界值, 即时, 输运电导率的Weiss振荡突然消失. 这一奇特现象在传统的二维电子气体中是不存在的, 因此可以归因于石墨烯载流子外加电磁场的反常相对论性能谱. 关键词：石墨烯; 静电场; Weiss振荡; 磁输运性质     

HgCdTe薄膜的输运特性及其应力调控

窄禁带直接带隙半导体材料碲镉汞(Hg1–xCdxTe)是一种在红外探测与自旋轨道耦合效应基础研究方面都具有重要应用意义的材料.本文对单晶生长的体材料Hg0.851Cd0.149Te进行阳极氧化以形成表面反型层,将样品粘贴在压电陶瓷上减薄后进行磁输运测试,在压电陶瓷未加电压时观察到了明显的SdH振荡效应.对填充因子与磁场倒数进行线性拟合,获得样品反型层二维电子气的载流子浓度为ns=1.25×10^16m^-2.在不同磁场下,利用压电陶瓷对样品进行应力调控,观测到具有不同特征的现象,分析应是样品中存在二维电子气与体材料两个导电通道.零磁场下体材料主导的电阻的变化应来源于应力导致的带隙的改变;而高场下产生类振荡现象的原因应为应力导致的二维电子气能级的分裂.     

紫外光辐照对TiO2纳米线电输运性能的影响及磁阻效应研究

采用溶胶凝胶法以及静电纺丝法, 利用热处理工艺, 成功制备出了多晶锐钛矿型TiO₂纳米线, 通过两线法在室温下测试单根TiO₂纳米线的V-I曲线来研究其电输运性能及磁阻效应. 结果表明: 在无光照环境下其V-I曲线为不过零点的直线, 零场电阻较大, 在磁场作用下电阻下降, 表现出负磁阻效应; 紫外光辐照环境下TiO₂纳米线载流子浓度增加使得电阻变小, 然而在磁场作用下电阻增大, 表现为正磁阻效应. 紫外光辐照导致的载流子浓度变化, 使得负磁阻转变为正磁阻, 我们将磁阻变化归结为d电子局域导致的负磁阻与能带劈裂导致的正磁阻两种机理相互竞争的结果.     

功能化扶手椅型石墨烯纳米带异质结的磁器件特性

石墨烯在未来纳米电子器件领域具有广泛的应用前景, 但是基于扶手椅型石墨烯纳米带(AGNR)的磁输运性质的研究还比较少. 本文理论上提出AGNR边缘桥接过渡金属Mn原子, 再用双F 原子(或双H原子)饱和形成特殊化学修饰的纳米带(AGNR-Mn-F₂或AGNR-Mn-H₂), 并运用基于第一性原理和非平衡态格林函数相结合的方法对其磁输运性质进行理论计算. 结果表明: 这两种纳米带所构成的异质结(F₂-AGNR-Mn-H₂)具有优良的磁器件特性, 即在很宽的偏压范围内, 能实现100%的自旋极化, 且在P(在左右电极垂直加上相同方向的磁场)和AP构型(在左右电极垂直加上相反方向的磁场)时, 分别具有单自旋和双自旋过滤效应; 同时发现, 这种异质结也具有双自旋二极管效应, 它的最大整流比可达到10⁸. 此外, 改变开关磁场的方向, 即从一种磁构型变换为另一种磁构型时, 能产生明显的自旋阀效应, 其巨磁阻高达10⁸%. 这意味着这种特殊的异质结能同时实现优良的自旋过滤、双自旋二极管及巨磁阻效应, 这对于发展自旋磁器件有重要意义.     

石墨烯量子磁输运性质的电场效应

最近研究发现石墨烯在一维周期性电学或磁学调制势下,其扩散电导率会出现Weiss振荡.本文进一步探索了面外加垂直磁场和面内加横向电场以及一维周期性弱调制电学势的多场耦合作用下,石墨烯的量子磁输运性质,结果表明:Weiss振荡振幅和电导率数值都随着静电场的增加而增加.有趣的是,当电场与磁场的比值达到某一临界值,即β_1=E/(ν_F·B)=1时,输运电导率的Weiss振荡突然消失.这一奇特现象在传统的二维电子气体中是不存在的,因此可以归因于石墨烯载流子外加电磁场的反常相对论性能谱.     

磁场诱导Gd5Ge4体系的低温输运跳跃和相分离研究

报告了作者对Gd_5Ge_4合金样品进行了磁化和电输运测量的研究结果,实验表明,磁化强度随外磁场的增加而出现台阶式跳跃,磁转变的可逆性与温度存在有密切的关联.在由磁场导致的磁转变附近电阻率随着磁场的增加亦表现出台阶式磁电阻现象,并在不同温区表现出正负不同的磁电阻效应,4.2K时呈现正磁电阻效应,而在16和20K时呈现出负磁阻效应,即铁磁相的阻值小于反铁磁相的阻值.结果证明了在Gd_5Ge_4中存在的典型相分离特征,从而在磁场诱导下发生了反铁磁到铁磁的转变,并对这种奇异磁电阻效应的物理机制进行了讨论.     

扭转双层石墨烯物理性质、制备方法及其应用的研究进展

石墨烯是一种准二维蜂窝网状结构新型纳米材料,石墨烯的层数和构型对其性能产生重要影响.固体中准粒子的量子状态由其本身的对称性质所决定,扭转双层石墨烯打破了对称性,引起了强烈的层间耦合作用,改变了扭转双层石墨烯的电子能带、声子色散、形成能垒等物性,产生了独特的性能,如可以连续调控带隙0-250 meV,光电效应的响应度相比于单层石墨烯提高了80倍,因此对扭转双层石墨烯功能化研究有重大意义.本文同时还论述了扭转双层石墨烯向类金刚石转变的理论与实验研究进展,发现扭转双层石墨烯呈现出具有类金刚石结构与性能特征.进一步阐述调控扭转双层石墨烯的扭转角度对其内在性能的影响,揭示这种新型纳米结构在原子层次的行为特征.最后介绍了如何调控制备扭转双层石墨,分析其调控机理,讨论了各种制备工艺的不足与发展趋势.因此本文从扭转双层石墨烯的输运性质、晶体结构转变、制备三个方面展开阐述,并对其在先进电子器件领域的潜在应用进行了展望.     

石墨烯莫尔超晶格

石墨烯莫尔超晶格来源于六方氮化硼衬底对石墨烯的二维周期势调控. 由于这种外加的周期势对石墨烯能带具有显著的调制作用, 近年来引发了人们广泛的关注. 利用氮化硼衬底上外延的单晶石墨烯薄膜, 我们系统研究了基底调制下的莫尔超晶格以及相关的物理特性. 首先, 我们在电子端和空穴端都观测到了超晶格狄拉克点, 并且超晶格狄拉克点同本征狄拉克点类似, 都表现出绝缘体的特性. 在低温强磁场下, 可以观测到到单层石墨烯和双层石墨烯的量子霍尔效应. 并且, 从朗道扇形图中, 可以清晰的看到磁场下形成的超晶格朗道能级. 此外, 利用红外光谱的方法研究了强磁场下石墨烯超晶格体系不同朗道能级之间的跃迁, 发现这种跃迁满足有质量狄拉克费米子的行为, 对应38 meV的本征能隙. 在此基础上, 我们在380 meV位置发现一个同超晶格能量对应的光电导峰. 通过利用旋量势中三个不同的势分量对光电导峰进行拟合, 发现赝自旋杂化势起主导作用. 进一步研究表明赝自旋杂化势强度随载流子浓度的增大显著降低, 表明电子-电子相互作用引起的旋量势的重构.     

转角双层石墨烯在应变下的光电导率

理论研究了转角双层石墨烯在施加不同单轴应变下的能带结构和光电导率,用连续模型分别计算了转角为1.05°和1.47°的转角双层石墨烯在应变下的能带、态密度以及光电导率,发现这些量随应变的变化是连续且显著的.通过对能带的分析以及光电导率的测量能够获得应变对平带产生的实际影响,这为今后实验对应变与平带的研究打下基础;此外样品往往受到具有空间不均匀性的应变作用,测量其局域的光电导率便能够估计应变的空间分布大小;同时应变对能带的调制为原位调控转角双层石墨烯的强关联、拓扑以及量子效应提供了思路.     

石墨烯层间纳米摩擦性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了纳米尺度下石墨烯层间摩擦现象, 探讨了对称和非对称两种情况下双层石墨烯层间沿不同方向的摩擦性质. 研究发现对于对称的双层石墨烯, 层间摩擦沿不同方向同性; 摩擦因数依赖于正压力, 随正压力增大, 摩擦因数的变化曲线分为三个阶段, 在较小以及较大压力下, 摩擦因数遵循Amonton法则不随压力变化而变化; 而在中间3-6 nN阶段, 摩擦因数随压力增加线性增加. 整个研究压力范围内摩擦因数在0.05-0.25之间. 对于非对称性双层石墨烯层间摩擦, 不同压力下摩擦因数在0.006上下波动, 摩擦因数较两层对称性石墨烯大大降低. 上述研究结果与实验一致.     

YBa_2Cu_3O_(7-δ)陶瓷超导体的颗粒超导电性特征

通过测量 YBa_2Cu_3O_(1-δ)单相多晶样品的结构、超导电性、磁阻、Hall 效应以及交流磁化率等特性,系统地研究了其颗粒超导电性以及输运性质.首次观察到了负磁阻效应、迴滞、Hall 系数反常等现象.就晶粒间界对样品电子输运特性和超导电性产生重大影响的物理起源作了分析,还给出了有关其电子结构和超导电性的一些特征参数.     

Sr_2RuO_4正常态的c方向的磁阻的研究

研究了典型的层状钙钛矿结构超导单晶Sr2RuO4在c方向的磁阻(Δρ/ρ0)(H∥ab,J∥c)的变化.实验发现,磁阻表现出强烈的各向异性,并且随着温度T的降低,磁阻效应越明显;当在平面ab内旋转磁场H的方向时,磁阻成周期性变化;实验表明,磁场沿(110)方向时,出现磁阻的极大值.分别从Sr2RuO4的费米面的各向异性、载流子散射率、c方向能带色散的各向异性等方面来解释这些输运性质.     

p型半导体金刚石膜的磁阻效应

在p型硅(100)衬底上,采用衬底负偏压微波等离子体CVD方法进行了p型异质外延金刚石膜的生长.用O₂等离子体刻蚀技术将金刚石膜刻蚀成长条形,利用四探针法在0—5T的磁场范围内测量了样品的磁阻.实验结果表明,p型异质外延金刚石膜可以产生较大的磁阻.在Fuchs-Sondheimer(F-S)薄膜理论的基础上考虑晶格散射、杂质散射和表面散射,通过求解Boltzmann方程,利用并联电阻模型研究了p型异质外延金刚石膜的磁阻效应,给出了磁阻和金刚石膜厚度、迁移率、空穴密度及磁场的关系.讨论了表面散射和价带形变对p型异质外延金刚石膜磁阻的影响,初步解释了p型异质外延金刚石膜产生较大磁阻的原因 关键词： 金刚石膜 异质外延 磁阻效应 电导率     

从“魔角”石墨烯到摩尔超晶格量子模拟器

自从魔角石墨烯在实验上被证实以来,转角摩尔超晶格体系中存在的关联绝缘态和超导态吸引了大批科学家的目光,并发展出了一门新的科学分支—转角电子学.本文主要综述了最近转角摩尔超晶格体系在实验上的发展,包括转角双层石墨烯(TBG)、转角双层-双层石墨烯(TDBG)以及其他二维摩尔超晶格体系,并简单介绍了摩尔超晶格量子模拟器的概念.其中实验里浮现的关联绝缘态、超导态、以及铁磁态几乎囊括了近代凝聚态物理的几大热门话题,同时,逐步发展的二维摩尔超晶格量子模拟器研究也似乎有可能为强关联量子多体体系寻找一个突破口.