科学家获得光子晶体纳米结构

美国宾夕法尼亚大学和英国谢菲尔德大学的研究人员合作开发出一种新技术,通过模拟细胞自我组装机制,可使一种树状分子自我组装成含25万个原子的晶格单元.这些晶格单元就像微型积木一样,由它构建的纳米晶体结构比普通的液晶晶格结构更大也更为复杂,可用于制造各种分子电子学和光学材料.这一研究成果已发表在最新出版的《科学》杂志上.研究人员介绍说,他们在实验中使用了一种被称为树枝石的有机分子,这种有机分子的形状接近于圆锥体,也被称为树状合成子.12个树状合成子可以“组合”成一个含有8500个原子的球状体,这些球状体有规则地排列起来,形成一个晶格单元,而晶体材料就是由无数个形状相同的晶格单元重复组合而成的.通常,光子晶体材料中晶格单元的大小要求在光波的波长范围之内,大约几百到几千纳米.此次研究人员使用新技术组合成的晶格由30个球状体组成,共包含约25万个原子,其截面大小约20nm×10nm,比普通的晶格结构大得多也复杂得多,而且以前从未在有机分子中发现过.     

掺杂YIG单晶普适晶格常数经验公式

利用晶场和3种次晶格之间的相互作用,提出了计算掺杂YIG单晶普适晶格常数的经验公式,进行了精度较高的拟合并且给出了与测量值吻合较好的结果.     

用磁控溅射和退火方法制备多层锗纳米晶

以Si为衬底,SiO2+Ge为复合靶,用超晶格方法(SiO2+Ge层和SiO2 + GeO2层交替生长)和磁控溅射技术制备镶嵌于Si/Ge氧化膜中的多层Ge纳米晶.X射线衍射(XRD)结果表明:退火样品中有Ge纳米晶生成.Ge纳米晶的声子限域效应引起Raman散射谱的Ge-Ge振动峰向低频移动.X射线光电子能谱(XPS)分析表明Ge主要以Ge0和Ge4+形式分别存在于所制备的超晶格中的SiO2+Ge层和SiO2+GeO2层中.透射电子显微镜(TEM)研究表明,Ge纳米晶被限制在SiO2+Ge层中且结晶性好.实验结果说明,相比于通常的单层介质膜方法,用该超晶格方法极大地提高了Ge纳米晶的密度,尺寸和空间分布的均匀性.     

硅基Ⅳ族SiGeSn三元合金晶格结构、电子结构和光学性质的第一性原理

SiGeSn三元合金由于具有较二元合金更大的晶格和能带性质调控范围,是当前用于制作硅基激光器的热点材料。为全面且精确地研究其晶格结构、电子结构和光学性质,本文采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,并结合准随机近似和杂化泛函带隙修正,首先研究SiGeSn晶格常数及其弯曲系数的变化规律,并给出了解决GeSn二元晶格失配和压应变问题的方案。其次比较研究了SiGeSn与GeSn合金的能带结构,并通过态密度计算分析了Si的引入对合金带隙变化的物理机制。最后比较研究了SiGeSn与GeSn合金的介电函数谱、吸收系数、消光系数、反射率、折射率和发射率等光学性质。结果表明,SiGeSn晶格常数弯曲系数的变化与合金电负性差值的变化规律一致,Si-p电子态是SiGeSn合金带隙变化的最主要贡献。相比于同Sn浓度的GeSn合金,SiGeSn能保持直接带隙特征,且其带隙值和光吸收波长呈现更宽的变化范围。因此在拓宽硅基高效光源和光电探测器应用波段方面,SiGeSn相较于GeSn合金具有更大的应用潜力和优势。     

衬底用单晶金刚石晶格随温度变化的研究

本文对CVD(Chemical Vapour Deposition, CVD)外延生长中作为衬底的高温高压(HTHP)单晶金刚石进行拉曼光谱测试,利用谱峰半高宽(FWHM)判断了衬底的结晶质量。开展了升温(室温~1 000 ℃)和降温(1 000 ℃~室温)过程中衬底晶格变化的X射线原位测量研究。实验表明:衬底的晶格常数随温度变化而变化,在1 000 ℃时因晶格变化而产生的应力大小为GPa量级。晶格常数在降温过程要比升温过程的数值大,线膨胀系数的计算结果也发现了相同的现象。根据傅里叶红外光谱仪(FT-IR)测试结果推断:造成上述变温过程中晶格变化差异的原因在于样品中氮浓度的不同,其中氮浓度越高,拉曼光谱的半高宽越大,衬底的晶格常数变化越大,线膨胀系数越大。     

MMTN晶体与MMTWD晶体的晶格振动及热导率的拉曼光谱研究

采用拉曼光谱技术测量了MMTN(MnHg(SCN)4(C2H5NO)2)和MMTWD(MnHg (SCN)4(H2O)2(C3H7NO)2)两类金属有机配合物晶体的拉曼光谱,并对其晶格振动特征峰进行了指认.依据晶格动力学理论以及声子散射模型,推导了晶体热导率与声子寿命及拉曼谱线半峰宽的关系,计算了晶体的热导率,讨论了该类晶体激光损伤的物理机制.     

一维等离激元晶格中的能带结构调控

由于具有将电磁波聚集到深亚波长体积的能力,表面等离激元在纳米光子技术研究工作中得到了广泛的应用。根据其性质,表面等离激元基本可以分为两大类:沿金属与介质界面传播的表面等离极化激元(SPPs)和束缚在金属表面的局域表面等离激元(LSPRs)。SPPs和对应的自由空间电磁波之间存在明显的动量失配,光栅,即一维等离激元晶格,经常被用于弥补动量失配,从自由空间激发SPPs。LSPRs是指在外部光场激发下局域在单个纳米结构周围的表面等离激元。当LSPRs被激发时,会形成近场增强效应,增大对入射光的吸收和散射。事实上,一维等离激元晶格既支持SPPs又支持LSPRs,是研究表面等离激元及其光学性质的很好的基本结构。由于LSPR这个自由度的存在,其中存在着比光子晶体更丰富的能带结构。本文将以一维等离激元晶格为研究对象,分别从能带调控、表面晶格共振、连续域中的束缚态以及玻色-爱因斯坦凝聚四个方面阐述金属等离激元的新颖性质和最新进展。这些性质对于进一步推动表面等离激元的应用具有重要意义。     

介电体超晶格

本文评述在介电体超晶格领域中的主要成果,特别是本实验室所做的工作。自1980年以来,我们将超晶格的概念从半导体推广到介电体,制备了周期和准周期介电体超晶格,实现了二次谐波产生、多波长二次谐波产生、三次谐波产生、光学双稳以及超高频超声波产生。 关键词：介电体超晶格; 非线性光学效应; 二次谐波产生; 光学双稳     

太赫兹波在光子晶体波导中的带隙特性研究

为了得到太赫兹波在二维三角晶格光子晶体中的传播特性,研究了填充比、介电常数比、晶格常数三个主要因素对二维三角晶格完全禁带的影响.利用MATLAB软件分别优化计算得到填充比、介电常数比、晶格常数最大完全禁带,以及对应结构参数之间的关系.带隙随着填充比的变化而变化,而对于相同晶格结构,介电常数比越大,完全禁带宽度越大,晶格常数不同,禁带宽度也不同.光子晶体态密度的分布验证了存在光子带隙的范围.研究结果为太赫兹波器件的开发提供了理论依据.     

ZnO纳米棒在Si衬底上外延生长研究

运用热蒸发ZnO粉末法,以金做催化剂,分别在Si(100)和Si(111)两种基片上外延生长了ZnO纳米棒(样品分别标为1#和2#).通过X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)分析,结合ZnO与Si的晶格结构特征,从理论上得出了两个样品的晶格匹配关系.1#样品:[0001]ZnO∥[114]Si,[0001]ZnO∥[1-1-4]Si,[0001]ZnO∥[11-4]Si,[0001]ZnO∥[1-14]Si,失配度为1.54;;2#样品:[0001]ZnO∥[111]Si,[21-1-0]ZnO∥[11-0]Si,[1-21-0]ZnO∥[1-01]Si ,[1-1-20]ZnO∥[011-]Si,失配度为18.12;.研究表明Si衬底对ZnO纳米棒生长方向具有调控作用.     

碲锌镉晶体晶格畸变的测定与分析

在高分辨X射线衍射仪上,利用不对称布拉格衍射STD技术与单晶摇摆曲线技术相结合的方法,对碲锌镉单晶材料的晶格畸变进行了分析测定.此方法实现了一次装样,多角度、多次测定晶体的摇摆曲线,从而利用多组实验数据完成多元线性回归方程组的求解,避开了一般应变测定方法中难以确定无应力状态下衍射角的问题.所测定的生长态碲锌镉晶片晶格畸变量为10-3～10-2数量级,该畸变量是碲锌镉晶片存在成份偏析、位错和空位等缺陷以及晶片受到的应力综合作用的结果.     

An X-ray double-crystal method utilizing non-parallel setting for measuring local lattice mismatches between epitaxial films and substrates

An X-ray topographic method utilizing non-parallel (+,-) setting for measuring lattice mismatches between epitaxial films and substrates is reported. This method gives quantitative as well as topographical information on lattice distortions in a distorted crystal and allows us to study any reflection from various crystals, in which the fractional variation of lattice spacing, δd/d, is of the order of 10^-4?10^-5. Examples of applications are lattice mismatches between epitaxial magnetic garnet films and (111) gadolinium garnet (GGG) substrates. The spacing of the epitaxial film was slightly larger along the [111] direction than that of the substrate and the apparent crystal symmetry of the epitaxial film is rhombohedral.     

Theory of X-ray diffraction from a nonideal crystal with a trapezoidal cross section

The theory of X-ray diffraction from a nonideal lateral crystal with a trapezoidal cross section in the Born (kinematical) approximation has been developed. Distortions of the crystal structure are caused by continuous (nonrandom) lattice strains and randomly distributed defects. Continuous lattice strain is a combination of elastic bending of atomic planes and a linear variation in the interplanar spacing with increasing distance from the crystal surface. Within the method of triple-crystal X-ray diffraction, numerical simulation of the angular intensity distribution of coherent and diffuse scattering has been performed for different continuous and random lattice strains in the lateral and vertical directions.     

钙钛矿及类钙钛矿热致变色单晶材料的研究进展

随着人们对智能光伏玻璃、智能温度传感器等智能光电器件的需求增加,卤化物钙钛矿热致变色材料逐渐走进大众视野,由于钙钛矿材料的颜色可随温度发生快速响应,且该循环可逆,其在智能变色半导体器件中的应用相关研究已获得了广泛的关注。本文从钙钛矿单晶材料出发,首先介绍了钙钛矿及类钙钛矿单晶材料的几种常用液相制备方法。随后分别重点介绍了三维卤化物钙钛矿、低维类钙钛矿等几类单晶材料的热致变色现象,包括不同类型的材料因结构不同,而表现出两种不同的热变色机理:以低维类钙钛矿材料为代表的结构相变和以双钙钛矿材料为代表的晶格膨胀。对比了不同单晶材料热致变色性能的优劣,如是否具有可逆性等,同时介绍了其在多功能应用领域的发展潜力。最后对钙钛矿热致变色材料目前面临的挑战和未来的发展进行了展望。     

Determination of the Bone Mineral Crystallite Size and Lattice Strain from Diffraction Line Broadening

Diffraction line broadening observed for the biological apatite is ascribed to small crystallite dimensions and lattice imperfections. However, it is rather difficult to separate the individual contribution of each factor. Therefore in numerous works a total inverse width of a diffraction peak is only used as a size/strain parameter. Several authors determine the bioapatite crystallite size ignoring the lattice strain. As is shown in the present paper, this problem can be resolved for oriented specimens. The crystallite size and lattice strain were calculated by two independent methods: Fourier analysis and approximation with threefold convolution of X‐ray lines. The approach proposed can be useful in the investigations into structural aspects of the bone apatite and its synthetic analogues as the crystal size is related to surface defects and the lattice strain to lattice imperfections.     

Atomistic examinations of the solid-phase epitaxial growth of silicon

The low-temperature vapor deposition of silicon thin films and the ion implantation of silicon can result in the formation of amorphous silicon layers on a crystalline silicon substrate. These amorphous layers can be crystallized by a thermally activated solid-phase epitaxial (SPE) growth process. The transformations are rapid and initiate at the buried amorphous to crystalline interface within the film. The initial stages of the transformation are investigated here using a molecular dynamics simulation approach based upon a recently proposed bond order potential for silicon. The method is used first to predict an amorphous structure for a rapidly cooled silicon melt. The radial distribution function of this structure is shown to be similar to that observed experimentally. Molecular dynamics simulations of its subsequent crystallization indicate that the early stage, rate limiting mechanism appears to be removal of tetrahedrally coordinated interstitial defects in the nominally crystalline region just behind the advancing amorphous to crystalline transition front. The activation barriers for this interstitials migration within the bulk crystal lattice are calculated and are found to be comparable to the activation energy of the overall solid-phase epitaxial growth process simulated here.     

利用Al/AlAs中间层调控GaAs在Si(111)上外延生长的研究

为了实现Ⅲ-V器件在硅基平台上单片集成,近年来Ⅲ-V半导体在硅衬底上的异质外延得到了广泛研究。由于Ⅲ-V半导体与Si之间大的晶格失配以及晶格结构不同,在Si上生长的Ⅲ-V半导体中存在较多的失配位错及反相畴,对器件性能造成严重影响。而Si(111)表面的双原子台阶可以避免Ⅲ-V异质外延过程中形成反相畴。本文利用分子束外延技术通过Al/AlAs作为中间层首次在Si(111)衬底上外延生长了GaAs(111)薄膜。通过一系列对比实验验证了Al/AlAs中间层的插入对GaAs薄膜质量的调控作用,并在此基础上通过低温-高温两步法优化了GaAs的生长条件。结果表明Al/AlAs插层可以为GaAs外延生长提供模板,并在一定程度上释放GaAs与Si之间的失配应力,从而使GaAs薄膜的晶体质量得到提高。以上工作为Ⅲ-V半导体在硅上的生长提供了新思路。     

Block Lattices with Asymmetric Interaction Forces

A series of 2D block lattices constructed by identical building elements and having asymmetric interaction forces is proposed as a generalisation of the well‐known Kossel crystal. Different polymorph structures are created depending on the mutual orientation of the neighbour elements. The lattice energy for some of them is calculated at low temperatures using the repeatable step of blocks (monomers, dimers, quadrumers). A variety of “surface” structures (including alternating “surfaces”) is established. The corresponding coexisting equilibrium forms are determined following the method of Stranski and Kaischew. The thermodynamic stability of these polymorph structures is discussed. An orientation order/disorder surface transition is expected to appear as a novel phenomenon at high temperatures.