超高真空条件下分子束外延生长的单层二维原子晶体材料的研究进展

二维原子晶体材料具有与石墨烯相似的晶格结构和物理性质,为纳米尺度器件的科学研究提供了广阔的平台.研究这些二维原子晶体材料,一方面有望弥补石墨烯零能隙的不足;另一方面继续发掘它们的特殊性质,有望拓宽二维原子晶体材料的应用领域.本文综述了近几年在超高真空条件下利用分子束外延生长技术制备的各种类石墨烯单层二维原子晶体材料,其中包括单元素二维原子晶体材料(硅烯、锗烯、锡烯、硼烯、铪烯、磷烯、锑烯、铋烯)和双元素二维原子晶体材料(六方氮化硼、过渡金属二硫化物、硒化铜、碲化银等).通过扫描隧道显微镜、低能电子衍射等实验手段并结合第一性原理计算,对二维原子晶体材料的原子结构、能带结构、电学特性等方面进行了介绍.这些二维原子晶体材料所展现出的优异的物理特性,使其在未来电学器件方面具有广阔的应用前景.最后总结了单层二维原子晶体材料领域可能面临的问题,同时对二维原子晶体材料的研究方向进行了展望.     

低维原子/分子晶体材料的可控生长、物性调控和原理性应用

本文介绍了高鸿钧课题组在物理所20年来的部分代表性工作.研究的主要方向为低维纳米功能材料的分子束外延可控制备、生长机制、物性调控及其在未来信息技术中的原理性应用.从材料的可控制备入手,结合第一性原理的理论计算,阐明材料生长机制和结构与物性的关系,进而实现物性调控和原理性应用.主要内容有:1)纳米尺度"海马"分形结构的形成及其生长机制;2)STM分辨率的提高及最高分辨Si(111)-7×7原子图像的获得;3)固体表面上功能分子的吸附、组装及其机制;4)稳定、重复、可逆的纳米尺度电导转变与超高密度信息存储;5)固体表面上单分子自旋态的量子调控及其原理性应用;6)原子尺度上朗德g因子的空间分辨及其空间分布不均匀性的发现;7)晶圆尺寸、高质量、单晶石墨烯的制备及原位硅插层绝缘化;8)几种新型二维原子晶体材料的可控构筑及其物性调控;9)"自然图案化"的新型二维原子晶体材料及其功能化.这些工作为低维量子结构的构造、物性调控及其原理性应用奠定了基础.     

二维原子晶体的低电压扫描透射电子显微学研究

二维原子晶体材料,如石墨烯和过渡金属硫族化合物等,具有不同于其块体的独特性能,有望在二维半导体器件中得到广泛应用.晶体中的结构缺陷对材料的物理化学性能有直接的影响,因此研究结构缺陷和局域物性之间的关联是当前二维原子晶体研究中的重要内容,需要高空间分辨率的结构研究手段.由于绝大部分二维原子晶体在高能量高剂量的电子束辐照下容易发生结构损伤,利用电子显微方法对二维原子晶体缺陷的研究面临诸多挑战.低电压球差校正扫描透射电子显微(STEM)技术的发展,一个主要目标就是希望在不损伤结构的前提下对二维原子晶体的本征结构缺陷进行研究.在STEM下,多种不同的信号能够被同步采集,包括原子序数衬度高分辨像和电子能量损失谱等,是表征二维原子晶体缺陷的有力工具,不但能对材料的本征结构进行单原子尺度的成像和能谱分析,还能记录材料结构的动态变化.通过调节电子束加速电压和电子辐照剂量,扫描透射电子显微镜也可以作为电子刻蚀二维原子晶体材料的平台,用于加工新型纳米结构以及探索新型二维原子晶体的原位制备.本综述主要以本课题组在石墨烯和二维过渡金属硫族化合物体系的研究为例,介绍低电压扫描透射电子显微学在二维原子晶体材料研究中的实际应用.     

金属纳米颗粒与二维材料异质结构的界面调控和物理性质

二维材料具有原子级光滑表面、纳米级厚度和超高的比表面积,是研究金属纳米颗粒与二维材料的界面相互作用,实时、原位观察金属纳米颗粒的表面原子迁移、结构演化和聚合等热力学行为的重要载体.设计和构筑金属纳米颗粒与二维材料异质结构界面,在原子尺度分析和表征界面结构,揭示材料结构和性能之间的相互关系,对于理解其相互作用和优化器件性能具有重要价值.本文总结了近年来金属纳米颗粒在二维材料表面成核、生长、结构演化及其表征的最新进展,分析了金属纳米颗粒对二维材料晶体结构、电子态、能带结构的影响,探讨了可能的界面应变、界面反应,及其对电学和光学等性质的调控,讨论了金属纳米颗粒对基于二维材料的场效应管器件和光电器件的性能提升策略.为从原子、电子层次揭示微结构、界面原子构型等影响金属纳米颗粒-二维材料异质结性能的物理机制,为金属-二维材料异质结构的研制及其在电子器件、光电器件、能源器件等领域的应用奠定了基础.     

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.     

氧化物分子束外延技术及其在关联材料电子态研究中的应用

氧化物分子束外延薄膜和异质结生长技术近年来迅速发展,人们已实现以单原子层的精度来精确生长多种复杂量子材料,有力地推动了铜氧化物高温超导电性、二维电子气、氧化物电子学和自旋电子学器件等领域的研究.文章介绍了氧化物分子束外延的技术关键,并以La1-xSrxMnO3薄膜为例,介绍了钙钛矿结构的氧化物薄膜生长和刻画.特别是文章作者通过建立超高真空下的原位样品传送系统,可把薄膜样品直接传送到角分辨光电子能谱仪中,实现了薄膜的原位电子结构测量.所测得的La1-xSrxMnO3的电子结构与能带计算结果较为相符.而此类立方结构的、不可解理材料的电子结构,过去往往是无法直接测量的.     

二维平面和范德瓦耳斯异质结的可控制备与光电应用

自石墨烯被发现以来,二维材料因其优异的特性获得了持续且深入的探索与发展,以石墨烯、六方氮化硼、过渡金属硫化物、黑磷等为代表的二维材料相关研究层出不穷.随着二维新材料制备与应用探索的不断发展,单一材料性能的不足逐渐凸显,研究者们开始考虑采用平面拼接和层间堆垛所产生的协同效应来弥补单一材料的不足,甚至获得一些新的性能.利用二维材料晶格结构的匹配构建异质结,实现特定的功能化,或利用范德瓦耳斯力进行堆垛,将不同二维材料排列组合,从而在体系里引入新的自由度,为二维材料的性质研究和实际应用打开了新的窗口.本文从原子制造角度,介绍了二维平面和范德瓦耳斯异质结材料的可控制备和光电应用.首先简要介绍了应用于异质结制备的常见二维材料的分类及异质结的相关概念,然后从原理上分类列举了常用的表征方法,随后介绍了平面和垂直异质结的制备方法,并对其光电性质及器件应用做了简要介绍.最后,对领域内存在的问题进行了讨论,对未来发展方向做出了展望.     

二维范德瓦尔斯异质结构的制备与物性研究

二维范德瓦尔斯材料(可简称二维材料)已发展成为备受瞩目的材料大家族,而由其衍生的二维范德瓦尔斯异质结构的集成、性能及应用是现今凝聚态物理和材料科学领域的研究热点之一.二维范德瓦尔斯异质结构为探索丰富多彩的物理效应和新奇的物理现象,以及构建新型的自旋电子学器件提供了灵活而广阔的平台.本文从二维材料的转移技术着手,介绍二维范德瓦尔斯异质结构的构筑、性能及应用.首先,依据湿法转移和干法转移的分类,详细介绍二维范德瓦尔斯异质结构的制备技术,内容包括转移技术的通用设备、常用转移方法的具体操作步骤、三维操纵二维材料的方法、异质界面清洁.随后介绍二维范德瓦尔斯异质结构的性能和应用,重点介绍二维磁性范德瓦尔斯异质结构,并列举在二维范德瓦尔斯磁隧道结和摩尔超晶格领域的应用.因此,二维材料转移技术的发展和优化将进一步助力二维范德瓦尔斯异质结构在基础科学研究和实际应用上取得突破性的成果.     

二维范德瓦尔斯异质结构的制备与物性研究

二维范德瓦尔斯材料(可简称二维材料)已发展成为备受瞩目的材料大家族,而由其衍生的二维范德瓦尔斯异质结构的集成、性能及应用是现今凝聚态物理和材料科学领域的研究热点之一.二维范德瓦尔斯异质结构为探索丰富多彩的物理效应和新奇的物理现象,以及构建新型的自旋电子学器件提供了灵活而广阔的平台.本文从二维材料的转移技术着手,介绍二维范德瓦尔斯异质结构的构筑、性能及应用.首先,依据湿法转移和干法转移的分类,详细介绍二维范德瓦尔斯异质结构的制备技术,内容包括转移技术的通用设备、常用转移方法的具体操作步骤、三维操纵二维材料的方法、异质界面清洁.随后介绍二维范德瓦尔斯异质结构的性能和应用,重点介绍二维磁性范德瓦尔斯异质结构,并列举在二维范德瓦尔斯磁隧道结和摩尔超晶格领域的应用.因此,二维材料转移技术的发展和优化将进一步助力二维范德瓦尔斯异质结构在基础科学研究和实际应用上取得突破性的成果.     

基于双极性二维晶体的新型p-n结

二维晶体的特殊结构和新奇物理性能为构建新型纳米结构和器件,实现半导体领域的突破性进展提供了可能.本文首先介绍了双极性二维晶体的基本物理性能和相关范德瓦耳斯异质结的制备方法.在此基础上,主要综述了双极性二维晶体在新型电场调制二维晶体p-n结与异质p-n结以及非易失性可存储二维晶体p-n结等方面的应用、相关结构设计、电子和光电子等物理性能.然后进一步介绍了该类新型p-n结在逻辑整流电路、场效应光电子晶体管、多模式非易失性存储器、整流存储器、光电子存储器、光伏器件等方面的潜在应用.最后总结展望了该种新型p-n结在相关领域的可能发展方向.     

二维材料的转移方法

二维材料及其异质结在电子学、光电子学等领域具有潜在应用,是延续摩尔定律的候选电子材料.二维材料的转移对于物性测量与器件构筑至关重要.本文综述了一些具有代表性的转移方法,详细介绍了各个方法的操作步骤,并基于转移后样品表面清洁程度、转移所需时间以及操作难易等方面对各个转移方法进行了对比归纳.经典干、湿法转移技术是进行物理堆叠制备原子级平整且界面清晰范德瓦耳斯异质结的常用手段,结合惰性气体保护或在真空条件下操作还可以避免转移过程中二维材料破损和界面吸附.高效、无损大面积转移方法为二维材料异质结构建和材料本征物理化学性质测量提供了强有力的技术保障.转移技术的优化将进一步扩展二维材料在高温超导、拓扑绝缘体、低能耗器件、自旋谷极化、转角电子学和忆阻器等领域的研究.     

单层硅烯表面的CoPc分子吸附研究

由于低维材料表面上的单原子和分子具有丰富的物理化学性质,现已经成为量子器件及催化科学等领域的研究热点.单层硅烯在不同的衬底制备温度下,表现出丰富的超结构,这些超结构为实现有序的单原子或分子吸附提供了可靠的模板.利用原位硅烯薄膜制备,分子沉积,超高真空扫描隧道显微镜以及扫描隧道谱,本文研究了Ag(111)衬底上3种硅烯超结构((4×4),(■×■),(2■×2■))的电子态结构,表面功函数随超结构的变化,以及CoPc分子在这3种超结构硅烯上的吸附行为.研究结果表明,这3种超结构的硅烯具有类似的电子能带结构,且存在电子从Ag(111)衬底转移到硅烯上的可能性,从而导致硅烯的表面功函数增大,表面功函数在原子级尺度上的变化对分子的选择性吸附起着重要作用.此外,还观察到分子与硅烯的相互作用导致CoPc分子的电子结构发生对称性破缺.     

石墨烯等二维原子晶体薄片样品的光学衬度计算及其层数表征

本文以鉴别机械剥离法制备的高质量石墨烯样品的层数为例, 阐明了如何利用传输矩阵来计算二维原子晶体薄片样品的光学衬度, 并进一步精确地鉴别其层数. 计算结果表明测试时所选用的显微物镜数值孔径对精确确定薄片样品的层数非常重要, 并为实验所证实. 同时提出了使用两个激光波长可以快速地表征样品尺寸接近物镜衍射极限的薄片样品层数的方法. 本文所采用的传输矩阵形式非常适合于计算二维原子晶体薄片样品的光学衬度, 并可以方便地推广到更复杂的多层衬底结构, 以便快速和准确地鉴别各种衬底上二维原子晶体薄片样品的厚度. 关键词： 二维原子晶体材料 层数 传输矩阵 光学衬度     

石墨烯光学性质及其应用研究进展

石墨烯因其优异的光学和电学性能,及其与硅基半导体工艺的兼容性,而备受学术界和工业界的广泛关注。作为一种独特的二维原子晶体材料,石墨烯有着优异的机械性能、超高的热导率和载流子迁移率、超宽带的光学响应谱及极强的非线性光学特性,使其在新型光学和光电器件领域具有得天独厚的优势。一系列基于石墨烯的新型光电器件先后被研制出,已显示出优异的性能和良好的应用前景。本文将介绍石墨烯光学性质、与光的相互作用以及提高方法,并给出其在光子和光电子器件领域的应用,分析了这些器件所使用的结构及特点,重点阐述了在全内反射结构下,石墨烯与光相互作用的增强及其偏振依赖性质,及其利用该偏振依赖性质在光学传感、光存储等方面的应用,以及在细胞传感方面的重要发现。最后对石墨烯光学性质及其应用的现状进行了总结和展望。     

二维原子晶体的转移堆叠方法及其高质量电子器件的研究进展

可剥离至原子层厚度的层状材料被称为二维原子晶体,是凝聚态物理研究的前沿材料体系之一.与体材料相比,二维原子晶体的原子完全暴露,对外界环境极为敏感,因此剥离、转移、旋转、堆叠、封装和器件加工技术对于其电子器件质量和电学输运性质研究尤为关键.本文介绍了二维原子晶体转移工艺的重要发展,尤其是对其二维电子气的输运性质有突破性提升的进展.针对基于二维原子晶体的电子器件,从二维电子气的无序、接触电阻、载流子迁移率、可观测的量子霍尔态等角度衡量器件质量,并详细介绍了与之相对应的转移技术、器件结构与加工工艺.     

应变和电场对Ga2SeTe/In2Se3异质结电子结构和光学性质的影响

异质结构的构筑与堆垛是新型二维材料物性调控及应用的有效策略.基于密度泛函理论的第一性原理计算,本文研究了4种不同堆叠构型的新型二维Janus Ga₂SeTe/In₂Se₃范德瓦耳斯异质结的电子结构和光学性质. 4种异质结构型均为Ⅱ型能带结构的间接带隙半导体,光致电子的供体和受体材料由二维In₂Se₃的极化方向决定.光吸收度在可见光区域高达25%,有利于太阳可见光的有效利用.双轴应变可诱导直接-间接带隙转变,外加电场能有效调控异质结构带隙,使AA2叠加构型的带隙从0.195 eV单调增大到0.714 eV,AB2叠加构型的带隙从0.859 eV单调减小到0.058 eV,两种调控作用下异质结的能带始终保持Ⅱ型结构.压缩应变作用下的异质结在波长较短的可见光区域表现出更优异的光吸收能力.这些研究结果揭示了Janus Ga₂SeTe/In₂Se₃范德瓦耳斯异质结电子结构的调控机理,为新型光电器件的设计提供理论指导.     

WSe2/GeS 异质结的增强光致发光

二维半导体材料为纳米尺度的光学性质研究提供了良好的支持. 当将其构筑成异质结时, 界面间的相互作用可以改变原光电性质或产生新的性质, 是二维材料光电子器件功能控制的重要手段. 利用机械剥离法制备WSe2/GeS 异质结, 通过发光光谱研究异质结层间激子的光学性质. 结果表明:p 型 GeS 与弱 n 型 WSe2 构筑成异质结时会产生新的层间激子. 与 GeS 和 WSe2 的荧光发射强度相比, 异质结的层间激子发光强度显著增加. 此研究为设计具有先进光电性能的二维半导体器件提供了思路.     

高压下限域富勒烯分子体系构筑的新结构

探索新的碳结构是物理、材料等学科关注的热点课题. 富勒烯分子可看成是一种零维碳结构，其独特的结构和优异的性质为构筑新碳结构提供了理想的构筑单元. 本文介绍了利用限域与高压相结合的方法，在富勒烯限域体系研究中取得的进展，包括溶剂化富勒烯、富勒烯填充单壁碳纳米管（Peapod）限域体系的高压结构转变，总结了溶剂分子等对限域富勒烯高压结构相变与新结构形成的影响. 结果对新型碳结构的设计与构筑提供了新的思路与有益参考.     

石墨烯在光纤激光器中的应用

正1.引言石墨烯是一种由单层碳原子与其相邻原子通过SP2杂化方式紧密堆积成的二维蜂窝状晶格结构的新型碳质材料,已被证实可以应用于近红外及中红外波段的可饱和吸收体材料。目前该材料在光纤激光器中应用广泛,2004年,诺沃肖罗夫(K.Novoselov)等人首次采用机械剥离制备出具有单层结构的二维石墨稀材料,由于其优越的高比表面积、超高载流子迁移率、机械性能好等物理化学特性,已在光电     

光子晶体异质结耦合波导光开关

以二维三角晶格光子晶体为研究对象,在该光子晶体中引入两行平行的单模线缺陷波导,以一行耦合介质柱为间距,通过调节部分耦合介质柱的折射率,构筑了光子晶体异质结耦合波导光开关结构。利用平面波展开法和定向耦合原理计算了在不同入射光频率下,缺陷波导间耦合介质柱的折射率不同时的耦合长度,确定了合适的光子晶体异质结耦合波导光开关的结构参数。利用时域有限差分法研究了该光开关中耦合介质柱的折射率变化及异质结构介质柱的位置分布对光信号输出路径的影响。结果表明,通过改变该结构中耦合介质柱的折射率可以改变光的输出路径,可实现光的开关行为。并且异质结构介质柱位置的随机分布对该光开关的影响不大,有助于光子晶体新型滤波器、定向耦合器、波分复用器以及光开关等光子器件的研究。