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.     

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.     

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。     

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.     

高质量单层二硫化钼薄膜的研究进展

作为一种新型的二维半导体材料,单层二硫化钼薄膜由于其优异的特性,在电子学与光电子学等众多领域具有潜在的应用价值.本文综述了我们课题组在过去几年中针对单层二硫化钼薄膜的研究所取得的进展,具体包括:在二硫化钼薄膜的制备方面,通过氧辅助化学气相沉积方法,实现了大尺寸单层二硫化钼单晶的可控生长和晶圆级单层二硫化钼薄膜的高定向外延生长;在二硫化钼薄膜的加工方面,发展了单层二硫化钼薄膜的无损转移、洁净图案化加工、可控结构相变与局域相调控的方法,为场效应晶体管等电子学器件的制备与性能优化提供了基础;在二硫化钼异质结方面,研究了二硫化钼薄膜与其他二维材料形成的异质结的电学以及光电性质,为二维材料异质结的构筑和器件特性研究提供了实验参考;在二硫化钼薄膜功能化器件与应用方面,构筑了全二维材料、亚5 nm超短沟道场效应晶体管器件,验证了单层二硫化钼对短沟道效应的有效抑制及其在5 nm工艺节点器件中的应用优势;此外,利用制备的高质量单层二硫化钼和发展的器件洁净加工技术,实现了高性能柔性薄膜晶体管的集成,获得了超高灵敏度与稳定性的非接触型湿度传感器.我们在二硫化钼薄膜的制备、加工以及器件特性研究方面所取得的进展对于二硫化钼及其他二维过渡金属硫属化合物的基础和应用研究均具有指导意义.     

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.     

碳化硅衬底上外延双层石墨烯的电输运性质

石墨烯是低维材料领域研究的热点,在这一体系中研究发现了诸多新奇的量子现象,深入理解石墨烯的电输运性质对于其在未来电子学器件中的应用具有重要的意义.本文通过热分解的方法在SiC单晶衬底上获得外延的双层石墨烯,并系统研究了其电输运性质.在小磁场范围内观测到弱局域化效应,并在较大的磁场区间发现了不饱和线性磁阻.通过角度依赖的磁阻测量,发现该线性磁阻现象符合二维体系的磁输运特征.还在平行场下观测到了负磁阻效应,可能是由双层石墨烯的转角莫尔条纹导致的局部晶格起伏导致的.本文工作加深了对于外延生长的层间具有一定转角的双层石墨烯的电输运性质的认识.     

光子莫尔晶格的研究进展

莫尔晶格是指两个相同或者相似的周期结构重叠形成的复合结构。受二维材料中范德华尔斯(van der Waals)异质结形成的莫尔超晶格研究的影响,光学、声学、力学、热学领域中莫尔晶格的研究也相继重拾热情或不断涌现。本文主要回顾了光学莫尔晶格的研究进展,包括构成莫尔晶格的两个周期结构在空间上处于同层的单层莫尔晶格结构和处于不同层的双层莫尔晶格结构,讨论了由不同材料、不同形式构成的各类光学莫尔结构的线性和非线性光学特性。     

MoS_2及其金属复合表面增强拉曼散射基底的发展及应用

表面增强拉曼散射(surface enhanced Raman spectroscopy, SERS)作为一种超灵敏的无标签分析技术,在分子检测领域得到了广泛的研究及发展,而增强机理的探究及灵敏度、均匀性、稳定性等性能的提升一直是研究人员面临的重要挑战.本文通过梳理SERS机理的国内外研究进展,综述了单一金属基底、二硫化钼(MoS_2)基底及金属/MoS2复合基底的机理及研究现状和存在的问题等;总结介绍了二硫化钼基底及金属/二硫化钼复合基底制备方法的优缺点;概述了二硫化钼及其金属复合基底在食品检测、生物医学、环境污染监测等方面的应用研究进展;最后提出了SERS技术目前存在的不足并对其发展前景进行了展望.     

二维半导体材料中激子对介电屏蔽效应的探测及其应用

二维过渡金属硫族化合物作为二维半导体材料领域研究的重要分支,凭借较强的光-物质相互作用和独特的自旋-谷锁定等特性,吸引了广泛而持久的关注.单层的二维过渡金属硫族化合物半导体具有直接带隙,在二维的极限下,由于介电屏蔽效应的减弱,电荷间的库仑相互作用得到了显著的增强,其光学性质主要由紧密束缚的电子-空穴对—激子主导.本文简单回顾了近年来二维过渡金属硫族化合物光谱学的研究历程,阐述了栅压和介电环境对激子的调制作用,之后重点介绍了一种新颖的激子探测方法.由于激发态激子(里德伯态)的玻尔半径远大于单原子层本身的厚度,电子-空穴对之间的电场线得以延伸到自身之外的其他材料中.这使得二维半导体材料的激子可以作为一种高效的量子探测器,感知周围材料中与介电函数相关的物理性质的变化.本文列举了单层WSe₂激子在探测石墨烯-氮化硼莫尔(moiré)超晶格势场引发的石墨烯二阶狄拉克点,以及WS₂/WSe₂莫尔超晶格中分数填充的关联绝缘态中的应用.最后,本文展望了这种无损便捷、高空间分辨率、宽适用范围的激子探测方法在其他领域的潜在应用场景.     

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.     

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.     

双层转角石墨烯结构的构建方法浅析

双层转角石墨烯是近几年凝聚态物理领域的前沿研究热点.本文阐述了基于晶体周期性和超胞-原胞变换矩阵构造石墨烯超胞结构的方法,并将其应用于双层转角石墨烯结构的构造,增进学生对晶体结构周期性这一特点的理解,掌握描述复杂晶体结构的数学方法,并了解相关前沿进展.     

ZnSe-ZnS超晶格的通光蚀孔及列阵研究

用MOCVD方法在GaAs衬底上生长ZnSe-ZnS超晶格.用化学腐蚀方法在GaAs衬底上开一个通光窗口,使该窗口上仅剩有1～1.8μm厚的生长层.室温下测量了蚀孔后由于化学腐蚀造成生长层表面差异的ZnSe-ZnS超晶格的吸收光谱.研究了带有生长过渡层和无过渡层的超晶格质量对其吸收光谱性能的影响.发现过渡层的存在保护了超晶格激子吸收性能.在此基础上首次采用新工艺在3×3mm2面积上把GaAs衬底金部腐蚀掉,剩下均匀、光滑的ZnSe-ZnS超晶格层,在其上做出了300×300μm2的列阵,为在ZnSe-ZnS超晶格上实现光学双稳的集成化提供了必要条件.     

基于超冷原子扭转双层光晶格的量子模拟

<正>将两个二维周期晶格扭转一个角度可以产生莫尔超晶格,如图1所示,这一现象被广泛应用于光学精密检测、图像处理、艺术设计、纺织工业以及建筑学等。最近研究发现莫尔超晶格不但具有独特的美学价值,而且在量子系统中还可能导致各种新奇的物理效应,     

二维有机拓扑绝缘体的研究进展

新材料的发现促进了科学与技术的进步.拓扑绝缘体是近期材料领域新的研究热点,相关研究的进一步深入,不仅加深了人们对材料物理性质的理解,也为其在自旋电子学和量子计算机等领域的潜在应用提供了有价值的参考.近年来,理论工作预测了一系列由金属和有机物构筑的二维有机拓扑绝缘体,本文主要介绍六角对称的金属有机晶格与Kagome金属有机晶格两类典型的二维有机拓扑绝缘体的研究进展,其中重点介绍了理论预测的氰基配位二维本征有机拓扑绝缘体.除了理论计算方面的工作,还简要介绍了关于二维有机拓扑绝缘体材料合成方面的实验工作.二维有机拓扑绝缘体的理论与实验研究不仅拓展了拓扑绝缘体的研究体系,还为寻找新的拓扑绝缘体材料提供了思路.     

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.     

基于光学超晶格的新型激光器和新颖光学效应

介绍了光学超晶格、准相位匹配原理和准周期光学超晶格等基本概念;简述了基于光学超晶格和固态激光技术的新型红绿蓝三基色激光器的设计方案,同时详细介绍了传统的Talbot效应在非线性光学领域的拓展,即光学超晶格中的二次谐波非线性Talbot效应.     

半导体超晶格国家重点实验室诚聘英才

中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室是以半导体物理研究为主的国家重点实验室,在半导体材料生长、器件加工、物理测试和理论研究方面有着非常雄厚的研究基础,20年来为我国在半导体领域的基础研究方面做出了突出的贡献.现计划在半导体自旋电子学、半导体材料与器件物理     

半导体超晶格国家重点实验室诚聘英才

中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室是以半导体物理研究为主的国家重点实验室,在半导体材料生长、器件加工、物理测试和理论研究方面有着非常雄厚的研究基础,20年来为我国在半导体领域的基础研究方面做出了突出的贡献.现计划在半导体自旋电子学、半导体材料与器件物理