半导体所在二维GaS超薄半导体的基础研究中取得新进展

<正>中国科学院半导体研究所超晶格国家重点实验室博士后杨圣雪、博士生李燕,在李京波研究员、李树深院士和夏建白院士的团队中,在二维GaS超薄半导体的基础研究中取得新进展。相关成果发表在2014年2月7日英国皇家化学会主办的《纳米尺度》(Nanoscale)上,并被选为"热点论文"(Hot Article)。二维半导体材料拥有独特的物理性质,可以应用于不同的技术领域,因此成为了纳米交叉学科的研究热点。石墨烯是目前研究最为广泛的二维材料,但由于其带隙为零,限制了它在许多领域中的应用。作为石墨烯的类似物,具有半导体带隙的金属硫化物备受关注。这些二维半导体材料的光电器件具有优越的性能,并     

层状graphene/WSSe范德瓦耳斯异质结电子特性和界面接触的理论研究

利用第一性原理计算方法研究了层间距和外部电场对graphene/WSSe范德瓦耳斯异质结的电子特性和界面接触的影响规律。由于范德瓦耳斯力作用,graphene和WSSe单层的电子特性可以被保留在graphene/WSSe异质结中。当形成graphene/WSSe异质结时,在石墨烯的狄拉克锥中可以发现小的带隙值(7 meV)。电荷转移产生的内建电场在有效阻碍光激发载流子复合中起着关键作用。与两个独立单层相比,graphene/WSSe异质结在可见光区域具有增强的光吸收,在光电子器件中展现出了潜在应用价值。此外,graphene/WSSe异质结在平衡层间距处显示出n型肖特基接触特性。层间距和外部电场都可以用来改变graphene/WSSe异质结的肖特基势垒高度和接触类型,并有效调节graphene狄拉克锥的位置。本文研究内容为graphene/WSSe异质结在纳米电子和光电子器件领域的应用提供理论依据。     

类正方阿基米德格子声子晶体带隙稳定性实验研究

基于平面波展开法和超声浸水透射技术,理论和实验研究了二维(32.4.3.4)格子钢/水声子晶体带隙性质.与正方晶格钢/水声子晶体相比,类正方(32.4.3.4)格子能够打开高频带隙,并进一步讨论了第一布里渊区Γ-X、Γ-M方向层厚和方向带隙稳定性关系,这为设计有限尺寸隔声材料提供依据.结果表明:带隙的频率范围和理论计算很好吻合.     

边界载荷对层级椭圆穿孔板超材料带隙的影响

为探索边界载荷对超材料带隙特性的影响,本文构建了一种层级椭圆穿孔板超材料,将载荷直接作用于结构的边界,采用有限元法研究了边界载荷导致结构变形所引起的带隙变化。建立了3个层级椭圆穿孔板有限元模型,将三维椭圆穿孔板简化为二维平面结构,以便于研究结构的面内带隙特性。分析了有无边界载荷作用时层级椭圆穿孔板的带隙特性、传输损耗和带隙边界对应的振型。结果表明,引入层级设计可降低带隙频率,施加边界载荷可打开更多完全带隙和方向带隙,从而更好地抑制弹性波传播,为穿孔板类超材料设计提供了一种新思路。     

石墨烯及石墨烯/氮化硼的电子结构特性研究

化学气相沉积法生长的单层石墨烯具有卓越的力学、热学和电学特性,成为新一代纳米器件的首选材料。对石墨烯电子特性的理论研究有利于推动纳米器件的发展与应用。本文基于密度泛函理论与非平衡格林函数相结合的方法,系统地研究了石墨烯及石墨烯/氮化硼的电子结构特性。结果表明,在高对称K点,带隙为零。在50~400 K范围内,由于费米面的电声子散射作用,单层石墨烯的迁移率随着温度增加呈现显著下降趋势。此外,通过对不同层间距的石墨烯/氮化硼结构的能带、态密度、电子密度等特性分析,发现随着层间距增加,能带间隙减小,导带与价带间的能量差减小。随着原子个数的增加,石墨烯/氮化硼超胞结构与原胞结构的带隙开度变化规律一致,这对石墨烯基器件的结构设计具有一定的指导意义。     

InSe/石墨烯异质结光学特性的研究与调控

InSe是一种新兴的二维层状材料,具有多种优异的光学特性.随着层数的降低,带隙从近红外逐步变到可见(1.26 eV到2.11 eV),如此大的可调谐的带隙和高本征迁移率,让其在光电探测领域有着良好的应用前景.但是研究发现,InSe在空气中不稳定,易被氧化,很大的限制了其应用.而石墨烯具有极宽的光谱吸收范围和高电子迁移率,同时具有理论上97.7;的透光率.因此石墨烯-InSe复合体系能够充分将石墨烯优异的电子传输特性以及InSe突出的光学吸收特性结合起来,从而提升光电性能.本文首先利用干法转移制备了石墨烯和InSe的异质结构,然后通过阶段式退火处理调控了两者之间的相互作用,研究发现随着退火时间的加长,被石墨烯覆盖的InSe荧光强度逐渐降低,说明二者之间相互作用逐渐增强,InSe中更多的电子转移到石墨烯中,极大的提升其光电特性.该结果为异质结相互作用的调控以及光电性能的提升提供了非常好的途径.     

含旋转对称性孔的二维声子晶体带隙特性研究

利用有限元法计算了旋转对称性孔体系声子晶体的能带结构,分析了希腊十字和旋转玫瑰孔的几何参数对它们的带隙影响,结合带隙边界的振动模态,阐述了带隙的产生机理.结果表明:希腊十字孔和旋转玫瑰孔体系声子晶体容易打开多个较宽频率带隙;该类型结构谐振单元能够很好局域弹性波,带隙边界振动模态呈现为旋转模态,有利于打开带隙.这些研究结果可能为设计多孔轻质减振复合材料具有重要的参考价值.     

局域共振二维声子晶体的低频带隙特性研究

针对低频带隙难以打开的问题,本文提出一种局域共振二维声子晶体结构,采用有限元法计算其能带结构,分析其带隙的形成机理和影响因素,并在此基础上对结构进行优化设计.结果表明:该结构可在200 Hz以下的频率范围内打开宽度70.56 Hz的完全带隙,起始频率低至39.77 Hz.等效刚度k一定的情况下,带隙起始频率由芯体的密度决定,而截止频率主要由基体边框密度决定.优化后的结构能够打开更低更宽的带隙,且对振动波的衰减性能提升.该结构具有优越的低频带隙特性,在地铁减振隔振领域中具有潜在的应用前景.     

开口圆环类声子晶体传播禁带特性研究

为衰减中低频振动噪声,本文设计了一种非严格对称的开口圆环类声子晶体结构,基于有限元法和弹性波理论分析了其禁带特性和各方向的振动衰减性能;结合系统的振动模态解释了带隙打开和关闭的原因,并分析了几何参数对带隙宽度的影响规律。结果表明:由于晶体的非严格对称,仅ΓX方向的传输损耗和禁带特性吻合,且衰减性能优于MΓ方向,禁带内平均衰减27.8 dB,同比提升了5.5 dB。禁带内几乎没有产生位移变形量,而通带因无法抑制弹性波传播导致变形量显著增大;芯体的水平和旋转运动是带隙起始、截止的明显标志。以钨为芯体,能获得起始频率和带宽均为500 Hz的低频带隙,增大芯体的材料密度、填充率和晶格尺寸有助于获得较低频率的完整带隙。     

掺P石墨烯结构和电子性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论第一性原理,在广义梯度近似下,本文研究本征石墨烯和掺杂不同浓度P的石墨烯结构和电子性质并发现本征石墨烯禁带宽度为零;对于P∶C掺杂比分别为1∶17、1∶7、1∶1的石墨烯,其P-C键长由0.142nm的C-C键分别增大为0.1629 nm、0.1625 nm、0.1751 nm,其对应带隙分别由零带隙变为0.28 eV、0.44 eV、1.21eV:费米能级逐渐下降.分析分波态密度后发现,在掺P石墨烯中主要为P原子的3p态电子影响其总态密度.     

二维局域共振周期格栅结构的低频振动带隙特性研究

为了解决周期格栅结构在低频领域的振动问题,基于局域共振机理,本文设计了一种新型复合二维周期格栅结构,结合有限元方法对结构的带隙机理及低频共振带隙特性进行了分析和研究,并在此基础上对结构进行优化设计。分析发现,仅对包覆层结构进行优化,便可大幅降低带隙的起始频率。带隙的位置由对应局域共振模态的固有频率决定,通过改变结构的材料和尺寸参数可以将带隙调节到满足实际工程应用的范围。数值仿真结果与试验测试结果一致,该结构可在40～90 Hz的低频范围打开宽度50 Hz的完全带隙,最大振动衰减达到36 dB。这种结构设计为周期格栅结构获得低频、超低频带隙提供了一种有效的方法,具有潜在的应用前景。     

一种弯曲主导型热膨胀点阵超材料的带隙特性研究

当前科技的发展对材料的多功能性提出了更高的要求.本文利用有限元法针对一种具有三角晶格的弯曲主导型热膨胀点阵超材料(JTCLM)进行了带隙研究,并讨论了几何参数对JTCLM单胞带隙的影响.结果表明,当JTCLM单胞存在弯曲曲率时将会产生带隙,且材料的几何参数对JTCLM点阵复合材料的带隙具有显著的影响.结果为实现热膨胀/带隙双目标的超材料设计提供了理论基础.通过合理的选材和形状设计,有望实现特定膨胀性质和带隙设计的双目标共赢,使材料具有更好的可调谐性和多功能性.     

新型局域共振声子晶体结构的低频带隙特性研究

本文提出了一种新型四角连接局域共振声子晶体结构,并结合有限元方法对该结构的能带及其产生机理进行了分析.与全连接结构相比,该结构在200 Hz以下的低频范围内打开了超过41.7;的带隙,而且降低了结构质量.将该结构等效为“弹簧+质量块”模型,并推导出带隙估算公式.结果表明,采用comsol计算得到的带隙与估算得到的带隙具有较好的一致性.同时研究了结构参数对带隙的影响,通过选择适当的结构参数,可以实现对带隙频率的调控.研究结果为声子晶体结构的工程实际应用提供了有益的支撑.     

过程工程所在碳纳米材料表面电位设计方面取得进展

<正>石墨烯材料表面官能团的种类和数量对其物化性能具有显著的影响,不同官能团的存在使其表面带有不同的电荷,因此石墨烯材料表面电位与其物化性能存在潜在的关系。由于石墨烯材料主体成分是碳,表面官能团只占很少的组成,但结构和组成却很复杂,所以表面官能团的测定一般需要综合多种表征手段,操作繁琐,难度较大。表面电位的测定相对于表面官能团的表征比较简单,采用电位作为石墨烯材料性能表征的     

类正方阿基米德格子声子晶体的声学能带结构特性

利用平面波展开法计算了类正方阿基米德格子水/水银声子晶体能带结构。结果表明:与正方晶格水/水银声子晶体对比,单胞含有4个"原子"类正方阿基米德格子声子晶体存在各向同性带隙和高频带隙;在低频范围内,讨论归一化半径对类正方阿基米德格子和正方晶格水/水银声子晶体带隙相对宽度的影响,并比较它们带隙相对宽度,选择合适归一化半径值,这些类型声子晶体能够得到最宽的带隙。     

薄板型声子晶体材料参数对弯曲振动带隙的影响

借助改进的平面波展开法,从薄板弯曲波的波动方程出发,分析了材料参数对正方晶格/正方散射体的薄板型声子晶体的第一个完全带隙和第一个Γ-X方向带隙的影响.结果表明,散射体和基体材料的杨氏模量比和质量密度比是影响薄板弯曲振动带隙的关键材料参数;弯曲振动的第一完全带隙和第一Γ-X方向带隙都在由杨氏模量比和质量密度比组成的空间内被分为两个区域,能带结构分别具有Bragg散射特征和局域共振特征.     

田字形地震超材料甚低频宽带隙机理

在地球中传播的地震波主要有体波和表面波,而表面波中Rayleigh波对建筑物造成的破坏最为强烈。针对Rayleigh波的振动控制,提出一种田字形超材料结构。相比于传统的地震超材料,这种超材料屏障是由外部口字形框体内部嵌套十字形柱体组成,形成4个可填充区域,其外部框体采用部分埋入的方式,具有高强度、强稳定性、填充方式灵活的特点。应用有限元法计算了田字形超材料的能带结构和传输特性,并通过分析带隙边界处模态振型可知,带隙的打开是由于柱体的局域共振。结合带隙机理可知,柱体结构中土壤填充量不同可改变柱体的质量,形成不同的谐振频率,产生甚低频带隙。为进一步拓宽带隙,设计研究了正、负梯度的质量填充方式,均可得到3.3~13.1 Hz甚低频宽带隙,在谐振频率范围内两者的隔震方式分别为Rayleigh波彩虹捕获和Rayleigh波到体波的转化。最后,采用EI-Centro地震波对填充屏障进行了时程验证,加速度最大幅值衰减超过80%,为地震超材料在减震隔震方面应用提供了新的设计思路和方法。     

低维第五主族纳米材料的研究进展:从结构性质到制备应用

石墨烯的零带隙和二硫化钼载流子迁移率低的性质阻碍了它们在电子器件中的应用。单层黑磷的成功制备和磷烯的直接带隙、较高的载流子迁移率和负的泊松比等性质弥补了石墨烯和二硫化钼的不足,引发了人们对低维第五主族纳米材料的研究兴趣,使低维第五主族纳米材料在材料科学和光电子等领域快速发展。本文总结了近几年第五主族低维纳米材料的一些研究成果,结合理论计算和实验合成两个方面进行研究,分析了材料的结构和性能之间的关系,最后对上述材料的制备方法及应用情况进行了总结。低维第五主族纳米材料呈现出多种晶体结构、较高的动力学稳定性、丰富的电子结构性质和较高的载流子迁移率等特性。上述性质使得低维第五主族纳米材料在低维光电子器件等方面具有广泛的应用前景。     

二维正方晶格钨-硅橡胶声子晶体的带隙特性研究

本文利用平面波展开法和有限元法计算了二维正方晶格钨-硅橡胶声子晶体的能带结构,分析了弹性波在嵌有周期性排列的相同孔径的圆柱形钨块声子晶体结构中的传播特性.对能带结构中出现的特殊现象,例如狄拉克点以及狄拉克点附近的简并态等进行了分析.给出了三维能带图以及不同模式下的主要变形情况,发现在基体与散射体结合的部位容易出现应力集中的现象.同时讨论了复合材料的不同参数对带隙的影响,发现随着密度比(散射体密度与基体密度的比值)的增大,第一完全带隙的起始频率逐渐增加,但是截止频率变化较小,带宽逐渐减小.相对于杨氏模量比,密度比对带隙的影响更大.本文的结果将对实际的工程应用提供一定的理论指导.     

国科大等在二维原子晶体研究中获进展

<正>二维原子晶体作为一种新型材料备受关注。近期,《自然-物理》(Nature Physics)杂志发表了中国科学院大学物理学院研究团队在这一新兴领域的重要发现。二维原子晶体中的典型代表——石墨烯(Graphene)以其优异的载流子迁移率、力学性能等在凝聚态物理及材料科学领域引起了广泛的研究兴趣并取得了巨大的进展;而六方氮化硼(hBN)作为石墨烯的等电子体,具有一定的能隙、原子级平整的表面并且表面没有悬挂键,非常适合于作为承载石墨烯的基底,构成石墨