二维原子层谷电子学材料和器件

人为操控电子的内禀自由度是现代电子器件的核心和关键.如今电子的电荷和自旋自由度已经被广泛地应用于逻辑计算与信息存储.以二维过渡金属硫属化合物为代表的二维原子层材料由于其具有独特的谷自由度和优异的物理性质,成为了新型谷电子学器件研究的优选材料体系.本文介绍了能谷的基本概念、谷材料的基本物理性质、谷效应的调控和谷电子学器件的研究进展,并对谷电子学材料和器件的研究进行了总结与展望.     

二维铁谷材料与多铁耦合

谷电子材料通过调节谷自由度编码和处理信息,在下一代信息存储器件中极具应用潜力。谷自由度与多种铁性序参量相互耦合,可以实现非易失的信息存储,这同时促进了谷物理和多铁性物理的发展。文章首先介绍谷电子学物理背景,列举出各类存在自发谷极化的本征谷材料,随后概述二维多铁材料的磁电谷耦合。最后,关注了谷电子器件最新进展,对二维铁谷材料多铁耦合的发展前景做出展望。     

谷电子自由度电学调控的首次实现

对电子电荷和自旋自由度的电学调控奠定了微纳电子器件和自旋电子器件的工作基础,然而人们对固体材料中电子谷自由度的有效电学调控还处在研究探索阶段。文章简要介绍作者在单层过渡金属硫族化合物(TMDC)和磁性半导体(Ga,Mn)As构成的pn结中,利用电学自旋注入方法首次成功实现对电子谷自由度进行电学调控的工作。     

核集体运动的耗散过程和内禀自由度趋向平衡过程的理论描述

对一个具有集体运动和内禀激发相互耦合的系统, 采用模型哈密顿量并同时考虑单体和两体相互作用, 讨论了集体运动和单粒子自由度的耦合. 得到的耦合方程组可描述集体运动的耗散动力学过程和内禀自由度趋向平衡的过程.     

类石墨烯复杂晶胞光子晶体中的确定性界面态

拓扑绝缘体是当前凝聚态物理领域研究的热点问题.利用石墨烯材料的特殊能带特性来实现拓扑输运特性在设计下一代电子和能谷电子器件方面具有较广泛的应用前景.基于光子与电子的类比,利用光子拓扑材料实现了确定性界面态;构建了具有C_(6v)。对称性的类似石墨烯结构的的光子晶体复杂晶格;通过多种方式降低晶格对称性来获得具有C_(3v),C_3,C_(2v)和C_2对称的晶体,从而打破能谷简并实现全光子带隙结构;将体拓扑性质不同的两种光子晶体摆放在一起,在此具有反转体能带性质的界面上,实现了具有单向传输特性的拓扑确定性界面态的传输.利用光子晶体结构的容易加工性,可以简便地调控拓扑界面态控制光的传播,可为未来光拓扑绝缘体的研究提供良好的平台.     

磁性硅烯超晶格中电场调制的谷极化和自旋极化

研究了基于硅烯的静电势超晶格、铁磁超晶格、反铁磁超晶格中谷极化、自旋极化以及赝自旋极化的输运性质,分析了铁磁交换场、反铁磁交换场以及化学势对输运性质的影响,讨论了电场对谷极化、自旋极化以及赝自旋极化的调控作用.结果表明:当3种超晶格的晶格数达到10以上时,在硅烯超晶格中很容易实现100%的谷极化、自旋极化和赝自旋极化,而且通过调节超晶格上的外加电场可以使极化方向发生翻转,从而在硅烯超晶格中实现外电场对谷自由度、自旋自由度以及赝自旋自由度的操控.     

铁电极化翻转对硅烯异质结中电子性质的调控

硅烯是硅原子蜂窝状排列构成的二维材料,由于其层内硅原子不在同一平面上而易受到电场等调控,近年来成为理论和实验研究的一个热点.借助于第一性原理计算方法,详细研究了硅烯和二维铁电材料In₂S₃单层材料异质结的堆垛形式和电子结构.计算结果表明,硅烯和In₂S₃可以形成稳定的异质结,In₂S₃衬底的自发铁电极化对硅烯能带有显著调控作用.铁电极化方向向上时,自发极化电场和衬底的共同作用在狄拉克点打开能隙,K和K’点贝利曲率符号相反,对应能谷霍尔效应态.铁电极化方向向下时,硅烯和In₂S₃之间间距变小,费米能级有能带穿过,对应金属态.研究结果对铁电调控硅烯二维异质结提供参考,为硅烯异质结在信息存储领域的应用指明方向.     

光栅局域调控二维光电探测器

近年来,二维材料独特的物理、化学和电子特性受到了越来越多的科研人员的关注.特别是石墨烯、黑磷和过渡金属硫化物等二维材料具有优良的光电性能和输运性质,使其在下一代光电子器件领域具有广阔的应用前景.本文将主要介绍二维材料在光电探测领域上的应用优势,概述光电探测器的基本原理和参数指标,重点探讨光栅效应与传统光电导效应的区别,以及提高光增益和光响应度的原因和特性,进而回顾光栅局域调控在光电探测器中的最新进展及应用,最后总结该类光电探测器面临的问题及对未来方向的展望.     

二维半导体中电子能谷研究新进展

物质材料伴随着体系维度的降低往往会衍生出新的特性,展现丰富的物理现象,并带来新奇可观测及可操控的量子态。作为新兴超薄半导体出现的二维六族过渡金属硫化物,除了具有区别于块体材料的直接能隙,在其第一布里渊区里还存在着简并但不等价的分立能谷。由于体系中空间反演对称性的破缺,在这些能谷里,电子及空穴具有非零且相反的轨道磁矩以及贝里曲率,从而提供了利用外场对能谷自由度进行量子调控的前提。文章对二维六族过渡金属硫化物中能谷电子学的发展进行了介绍,并对未来的潜在发展方向做出一些展望。     

掺杂对硅烯的性能影响

硅烯是单原子层的硅薄膜,具有类石墨烯结构.因此拥有与石墨烯相似的各种奇特的热学、化学、光学和电学性质.近年来,硅烯引起了研究者的广泛关注,作为一种新型的二维狄拉克电子材料,硅烯在理论计算和实验上都取得了不少新的进展.本文主要在前人对硅烯实施边缘钝化、掺杂、外加电场、加应力或者表面官能团修饰和吸附等研究的情况下,结合当前硅烯的研究发展趋势,重点研究了不同掺杂对硅烯性质的影响,并探讨硅烯在未来硅基电子器件的应用前景.     

半导体中的自旋弛豫——从体材料到量子阱、量子线、量子点

本文对半导体中的自旋弛豫过程给出一个简要的回顾,介绍了半导体材料从体材料到量子阱、量子线、量子点不同维数的结构中各种自旋弛豫过程,主要关注了自旋去相位和相干控制。对于不同材料中的各种弛豫机制,关注的重点在于如何能够在实验上以一种可以控制的方式来改变可调参数从而达到控制自旋弛豫过程。这些参数主要有电场、磁场、温度、应变、有效g因子等等。本文的组织上,首先介绍研究前景,第1部分简要介绍了自旋弛豫的四种机制。第2部分按照维数的不同将半导体中自旋弛豫分为3个部分:体材料、量子阱、量子线、量子点,在每一部分中又基本上按照电子、空穴、激子的顺序进行了简要的总结:对于不同的载流子,考虑了自旋弛豫对可调参数的依赖关系。这些结果要么试图解释了已有的实验结果,要么从理论上给出预言从而给实验指明了方向,为室温下可以使用的自旋电子学器件设计提供了依据,为固态量子计算和量子信息处理铺平了道路。最后简单地给出展望。     

半导体中的自旋弛豫--从体材料到量子阱、量子线、量子点

本文对半导体中的自旋弛豫过程给出一个简要的回顾,介绍了半导体材料从体材料到量子阱、量子线、量子点不同维数的结构中各种自旋弛豫过程,主要关注了自旋去相位和相干控制。对于不同材料中的各种弛豫机制,关注的重点在于如何能够在实验上以一种可以控制的方式来改变可调参数从而达到控制自旋弛豫过程。这些参数主要有电场、磁场、温度、应变、有效g因子等等。本文的组织上,首先介绍研究前景,第1部分简要介绍了自旋弛豫的四种机制。第2部分按照维数的不同将半导体中自旋弛豫分为3个部分:体材料、量子阱、量子线、量子点,在每一部分中又基本上按照电子、空穴、激子的顺序进行了简要的总结:对于不同的载流子,考虑了自旋弛豫对可调参数的依赖关系。这些结果要么试图解释了已有的实验结果,要么从理论上给出预言从而给实验指明了方向,为室温下可以使用的自旋电子学器件设计提供了依据,为固态量子计算和量子信息处理铺平了道路。最后简单地给出展望。     

Valley-contrasting physics in graphene: magnetic moment and topological transport

We investigate physical properties that can be used to distinguish the valley degree of freedom in systems where inversion symmetry is broken, using graphene systems as examples. We show that the pseudospin associated with the valley index of carriers has an intrinsic magnetic moment, in close analogy with the Bohr magneton for the electron spin. There is also a valley dependent Berry phase effect that can result in a valley contrasting Hall transport, with carriers in different valleys turning into opposite directions transverse to an in-plane electric field. These effects can be used to generate and detect valley polarization by magnetic and electric means, forming the basis for the valley-based electronics applications.     

Transverse electric field-induced quantum valley Hall effects in zigzag-edge graphene nanoribbons

We have investigated gapless edge states in zigzag-edge graphene nanoribbons under a transverse electric field across the opposite edges by using a tight-binding model and the density functional theory calculations. The tight-binding model predicted that a quantum valley Hall effect occurs at the vacuum-nanoribbon interface under a transverse electric field and, in the presence of edge potentials with opposite signs on opposite edges, an additional quantum valley Hall effect occurs under a much lower field. Dangling bonds inevitable at the edges of real nanoribbons, functional groups terminating the edge dangling bonds, and spin polarizations at the edges result in the edge potentials. The density functional theory calculations confirmed that asymmetric edge terminations, such as one having hydrogen at an edge and fluorine at the other edge, lead to the quantum valley Hall effect even in the absence of a transverse electric field. The electric field-induced half-metallicity in the antiferromagnetic phase, which has been intensively investigated in the last decade, was revealed to originate from a half-metallic quantum valley Hall effect.     

硅烯中受电场调控的体能隙和朗道能级

近年来, 硅烯(单层硅)由于其独特的结构和电子性质以及在量子霍尔效应等领域的潜在应用而成为理论和实验研究的一个热点. 借助于四带次近邻紧束缚模型, 详细计算和研究了硅烯中受电场调制的体能隙和电子能级. 结果表明: 硅烯原胞中的两个子格处于不同的平面上, 可以通过外电场区分和控制这两个子格, 这将破坏在纯石墨烯中无法被破坏的K-K'对称性, 并消除由这一对称性导致的电子能级的二重简并; 外加电场还会引起硅烯中次近邻格点之间的Rashba自旋轨道耦合, 这一作用会在不同狄拉克点有选择地消除电子能级在部分电场点的简并, 相邻能级从交叉状态变为反交叉状态; 电子能级中除一些孤立的交叉点外, 每个能级都具有确定的自旋取向, 石墨烯中电子能级的四重简并在硅烯中被完全消除, 从而导致填充因子ν=0, ±1, ±2, ±3,…的量子霍尔平台.     

Anomalous resistance ridges along filling factor nu=4i

We report anomalous structure in the magnetoresistance of SiO(2)/Si(100)/SiO(2) quantum wells. When Landau levels of opposite valleys are driven through coincidence at the Fermi level, the longitudinal resistance displays elevations at filling factors that are integer multiples of 4 (nu=4i) accompanied by suppression on either side of nu=4i. This persists when either the magnetic field or the valley splitting is swept, leading to resistance ridges running along nu=4i. The range of field over which they are observed points to the role of spin degeneracy, which is directly confirmed by their disappearance with the addition of an in-plane magnetic field. The data suggest a new type of many-body effect arising from the combined degeneracy due to the valley and the spin degrees of freedom.     

Optische Übergänge in hochdotierten und gemischten Halbleitern: Die verallgemeinerte Bloch-Matrix

To treat fluctuating perturbation potentials in semiconductors, it is necessary to take quantum corrections to the Thomas-Fermi approximation into account. A generalization of the Bloch matrix, valid for arbitrary degrees of degeneracy, is used to handle these quantum corrections. The generalized Bloch equation and the results of a treatment of optical transitions in high-doped semiconductors with this method are given. The concept of effective band edges is shown to be useful for the problem on hand.     

Spin and valley half metal induced by staggered potential and magnetization in silicene

We investigate the electron transport in silicene with both staggered electric potential and magnetization; the latter comes from the magnetic proximity effect by depositing silicene on a magnetic insulator. It is shown that the silicene could be a spin and valley half metal under appropriate parameters when the spin–orbit interaction is considered; further, the filtered spin and valley could be controlled by modulating the staggered potential or magnetization. It is also found that in the spin-valve structure of silicene, not only can the antiparallel magnetization configuration significantly reduce the valve-structure conductance, but the reversing staggered electric potential can cause a high-performance magnetoresistance due to the spin and valley blocking effects. Our findings show that the silicene might be an ideal basis for the spin and valley filter analyzer devices.