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.     

磷烯基二维范德瓦尔斯异质结的理论表征（英文）

本文基于单层黑磷和蓝磷,理论设计出二维范德瓦尔斯异质结、能带结构、态密度、Bader电荷布局、电荷密度差分图及光吸收谱等,计算结果表明它是典型的第二型异质结,有利于光生载流子分离,且可见光捕获能力显著增强.内禀的界面极化电场能有效阻止光生电子-空穴的复合.表明磷烯基二维范德瓦尔斯异质结是一类性能优异的光解水催化剂.     

磷烯基二维范德瓦尔斯异质结的理论表征

本文基于单层黑磷和蓝磷,理论设计出二维范德瓦尔斯异质结、能带结构、态密度、Bader电荷布局、电荷密度差分图及光吸收谱等,计算结果表明它是典型的第二型异质结,有利于光生载流子分离,且可见光捕获能力显著增强.内禀的界面极化电场能有效阻止光生电子-空穴的复合.表明磷烯基二维范德瓦尔斯异质结是一类性能优异的光解水催化剂.     

二维层状晶体材料层间剪切模和层间呼吸模的拉曼光谱研究

我们将四片布拉格体光栅技术集成到单光栅拉曼光谱仪中,并且成功地探测到2至19层二硫化钼(MoS2)的层间剪切模和层间呼吸模。我们根据对称性分析和偏振拉曼的结果对所有观察到的模式进行了指认。同时,我们利用简单的"单原子线性链"模型得到了适用于任何二维层状晶体材料层间振动模的频率随层数变化关系的解析形式。根据此模型,我们发现层间弱范德瓦耳斯力作用决定了剪切模和呼吸模的频率随层数的变化。我们将此结果推广到ABC堆垛的多层石墨烯材料,发现光学衬度方法无法鉴别的AB和ABC型石墨烯可以利用能否观察到剪切模来加以鉴别。此研究结果也提供了准确地确定二维层状材料的厚度的一种新方法,为一般二维层状材料基本性质和器件应用方面的研究奠定了基础。     

二维材料的新奇物理及异质结的能带调控

以石墨烯为代表的层状材料具备显著区别于三维材料的新奇物理特性。更为重要的是,原子级平整的二维材料使得科学家们可以将不同的二维材料通过堆垛或者把相同的二维材料通过堆垛加扭转构成范德瓦耳斯异质结。通过层间耦合作用,可对异质结的能带结构和物理性质进行有效调控,从而衍生出单个二维材料所不具备的新奇物性。范德瓦耳斯异质结的能带调控极大地拓宽了二维材料的科学研究和应用前景。     

抛物量子点中弱耦合束缚极化子的相互作用能

研究了抛物量子点中弱耦合束缚极化子的性质,采用改进的线性组合算符和幺正变换方法导出了束缚极化子的振动频率、有效质量和相互作用能。讨论了量子点的有效受限长度、电子LO声子耦合强度和库仑场对抛物量子点中弱耦合极化子的振动频率、有效质量和相互作用能的影响。数值计算结果表明:弱耦合束缚极化子的振动频率和相互作用能随有效受限长度的减少而急剧增大,振动频率随库仑势以及电子LO声子耦合强度的增加而增加,而相互作用能随库仑势以及电子LO声子耦合强度的增加而减小。有效质量仅与电子LO声子耦合强度有关。     

无限深量子阱中强耦合极化子的基态结合能

研究了无限深量子阱中极化子的基态性质,采用线性组合算符和变分相结合的方法导出了强耦合极化子的振动频率λ、基态能量E₀和基态结合能E_b,讨论了阱宽L和电子-LO声子耦合强度α对强耦合极化子的振动频率λ、基态能量E₀和基态结合能E_b的影响。通过数值计算,结果表明:强耦合极化子的振动频率和基态结合能随阱宽L的增大而减小,随电子-LO声子耦合强度α的增强而增大;基态能量随阱宽L的增大而减小,其绝对值随电子-LO声子耦合强度α的增强而增大;当量子阱阱宽L趋近于无限大和无限小两种极限情况下,分别与三维和二维极化子的结果相一致。     

非对称量子点中极化子的声子平均数

采用线性组合算符和幺正变换方法研究非对称量子点中强、弱耦合极化子的声子平均数的性质,导出了量子点中强、弱耦合极化子的声子平均数和振动频率随量子点的横向和纵向受限强度、电子-声子耦合强度的变化关系。对RbCl晶体进行数值计算,结果表明非对称量子点中强耦合极化子的振动频率和声子平均数随量子点的横向和纵向的受限强度的增强而迅速增大,随电子-声子耦合强度的增强而增大。     

抛物量子点中强耦合束缚极化子的光学声子平均数

采用线性组合算符和幺正变换方法研究了在库仑场束缚下抛物量子点中强耦合束缚极化子的振动频率和光学声子平均数,并对其进行了数值计算。结果表明:强耦合束缚极化子的振动频率和光学声子平均数随量子点的有效受限长度的增加而减小,随电子-LO声子耦合强度的增强而增加,束缚极化子的振动频率随库仑势的增加而减小。     

库仑场对非对称量子点中强耦合极化子声子平均数的影响

采用线性组合算符和幺正变换方法研究库仑场对非对称量子点中强耦合极化子振动频率和声子平均数的影响。导出量子点中强耦合束缚极化子振动频率和声子平均数随量子点的横向和纵向有效受限长度,库仑束缚势和电子-声子耦合强度的变化关系。数值计算结果表明:非对称量子点中强耦合束缚极化子的振动频率和声子平均数随量子点的横向和纵向有效受限长度的减小而迅速增大。随库仑束缚势和电子-声子耦合强度的增加而增大。     

抛物量子点中弱耦合束缚极化子的性质

研究了抛物量子点中弱耦合束缚极化子的性质。采用线性组合算符和幺正变换方法导出了束缚极化子的振动频率和基态能量。讨论了量子点的有效受限长度、电子-LO声子耦合强度和库仑场对抛物量子点中弱耦合极化子的振动频率和基态能量的影响。数值计算结果表明：弱耦合束缚极化子的振动频率和基态能量随有效受限长度的增加而减小,振动频率随库仑势的增加而增加,基态能量随耦合强度、库仑势的增加而减小。     

抛物量子线中弱耦合极化子的有效质量和光学声子平均数

讨论电子与体纵光学(LO)声子弱耦合时对抛物量子线中极化子性质的影响.采用Tokuda改进的线性组合算符法、Lagrange乘子和变分法,导出了抛物量子线中弱耦合极化子的有效质量和光学声子平均数随拉格朗日乘子变化的规律及极化子振动频率随量子线约束强度的变化规律.并以ZnS量子线为例进行了数值计算,结果表明:抛物量子线中弱耦合极化子的有效质量m^*和光学声子平均数N随着拉格朗日乘子u的增加而增大;该结论与体材料中结论基本一致,但量子线中的效应比体材料更明显,表明量子线对电子约束的增强,使极化子效应更明显.同时,极化子振动频率λ随约束强度ω₀的增强而增大.     

三元混晶四层系统的表面和界面声子极化激元

运用改进的无规元素等位移模型和玻恩-黄近似,结合电磁场的麦克斯韦方程和边界条件,研究了真空/极性二元晶体薄膜/极性三元混晶薄膜/极性二元晶体衬底四层系统的表面和界面声子极化激元.以AlxGa1-xAs/GaAs和ZnxCd1-xSe/ZnSe为例,获得了表面和界面声子极化激元模的色散关系以及表面模和界面模的频率随混晶组分和薄膜厚度的变化关系.结果表明,三元混晶四层异质结系统中存在七支表面和界面声子极化激元模,且这七支表面模和界面模的频率随混晶组分和薄膜厚度呈非线性变化,三元混晶的"单模"和"双模"性也在色散曲线中得到了很好的体现.     

量子棒及其异质结的超低频拉曼光谱及有限元分析

硫族化镉纳米微晶由于具有发光效率高和发射波长可调谐等优良性质在光电器件中有重要的应用,CdSe/CdS点-棒异质结量子点是典型代表之一。本文中通过非共振拉曼方法探测了该量子点在5~50cm-1的声学声子模,利用不同模式的偏振特性,清晰地指认了球状核壳异质结量子点的扭转模式和径向呼吸模、棒状和点-棒异质结量子点的伸缩模和径向呼吸模等,并观察到了棒状量子点和点-棒异质结量子点的电子拉曼散射。同时发现点-棒异质结量子点的径向呼吸模较尺寸相当的纳米棒量子点发生红移。利用有限元方法形象模拟各量子点声学模的振动形式,并发现点-棒异质结量子点呼吸模振动的局域性。随后,引入局域有效声速的概念,利用改进的Lamb定律,成功解释了该红移是由CdSe核区域声速的减小所导致的,并再次验证该呼吸模局域在核附近区域。该研究对于表征和研究量子点中的限制性声学模具有重要意义,声学模和光学跃迁均局域在量子点附近区域的特性,对调控其激子-声子耦合和相关的光学性质具有重要指导意义。     

第一性原理计算MgB2薄膜拉伸对超导电性的影响

应用全势线性响应线性糕模轨道方法计算MgB₂的电子能带结构、声子谱及电声子耦合常数,并讨论MgB₂的超导电性.通过比较MgB₂薄膜双轴拉伸前后超导电性的变化可以看出，随着a轴晶格常数增大和c轴晶格常数减小,声子谱中硼的E_2g声子频率显著下降，使得电声子耦合强度λ和声子对数平均频率ω_ln增强,提高了MgB₂薄 关键词： 超导电性 能带结构 声子频率 电声子耦合     

分子束外延PbTe单晶薄膜的反常拉曼光谱研究

采用分子束外延(MBE)方法在BaF₂(111)衬底上生长了高质量的PbTe单晶薄膜， 拉曼光谱测量观察到了表面氧化物的振动模、布里渊区中心(q≈0)纵光学(LO)声子振动模以 及声子-等离子激元耦合模振动.随着显微拉曼光谱仪激光光斑聚焦深度的改变，各拉曼散射 峰的峰位、积分强度、半高宽等都表现出不同的变化趋势. 随着激光光斑聚焦位置从样品表 面上方3μm处变化到表面下方3μm处，PbTe外延薄膜的LO声子频率从119cm^-1移 动到124cm^{-1关键词： PbTe外延薄膜 拉曼散射 纵光学声子}     

二维材料外延生长的原子尺度机理:特性与共性

自首次从石墨中剥离出石墨烯以来,只有原子级厚度的层状(或二维)材料因其丰富奇特的物性占据着当今凝聚态物理和材料科学的中心舞台。不断扩大的二维材料家族,包括石墨烯、硅烯、磷烯、硼烯、六方氮化硼、过渡金属二硫族化合物、甚至强拓扑绝缘体等,不仅每个成员有其鲜明的个性,如独特的物性与制备方法,而且整个大家族又有其共性,如单层材料与衬底之间、层与层之间几乎都是依赖弱的范德瓦尔斯力耦合在一起。对任一个二维家族成员的深层理解,都可能对真正走进这一大家族有普适性价值。文章首先介绍范德瓦尔斯层状材料非平衡外延生长中常常遇到的主要原子过程和相应的形貌演化;进一步讨论范德瓦尔斯相互作用在二维材料横向或垂直堆叠的异质结中的重要性。在原子尺度的生长机理之外,也围绕二维材料的物性优化与功能化简要介绍一些最新进展,具体例子覆盖光学、电学、自旋电子学、催化等领域。     

电场和温度对量子线中强耦合束缚极化子性质的影响

采用线性组合算符和幺正变换相结合方法研究了电场和温度对量子线中强耦合束缚极化子性质的影响。计算了在电场作用下抛物量子线中强耦合束缚极化子的基态能量、平均声子数和振动频率。数值计算结果表明：束缚极化子的基态能量随约束强度、库仑束缚势和电场强度的增大而逐渐增大;平均声子数随温度、耦合强度的增大呈现递增关系,随库仑束缚势的加大呈现递减关系;振动频率随耦合强度和温度的增大而增大,随库仑束缚势的减小而增大。     

立方聚合氮(cg-N)的高压低温拉曼光谱研究

聚合氮是一种理想的高能密度材料。本工作在室温下将分子氮加压至136 GPa,利用激光加热至2000 K成功合成以共价N-N单键结合的三维网状立方聚合氮cg-N。采用自主设计的高压低温装置,在173 K到300 K的温度范围内测量了cg-N样品的变温拉曼光谱,观察到不同压力下cg-N的A模声子对温度具有不同的响应。基于多声子耦合模型,研究A模频率的蓝移现象和A模声子对温度的响应特性。结果表明低温条件下cg-N拉曼散射效应中三声子耦合过程占主导,133 GPa时的三声子耦合过程对声子模拉曼频移的影响要小于140 GPa,而四声子耦合过程对声子模拉曼频移的影响要大于140 GPa。