低维材料中的电荷密度波

电荷密度波(charge density wave, CDW)是低维体系中存在的一种重要的物理现象,对CDW的研究有助于人们对低维系统中内禀电声子耦合和关联等相互作用有更深层次的认识,同时通过对材料中CDW的精准调控可以有效控制低维材料中磁性、超导等物理性质. CDW的研究最早起源于一维和准一维材料,本文首先简要介绍了CDW的一些基本性质和一维体系中CDW的一些研究.而近些年的研究发现CDW在很多二维材料中普遍存在.本文将着重介绍二维材料中CDW的最新研究进展.通过介绍二维材料中CDW的基本物性和产生机理,讨论CDW与Mott相、超导序和其他序(自旋密度波、配对密度波)之间的相互作用;探讨CDW中存在的多电子集体激发和手性性质;介绍掺杂、高压和激光脉冲等手段对CDW的调控;最后展望相关领域中可能的研究方向.     

低维体系的不稳定性和电子关联

一维和二维体系的费米面会呈现叠套(nesting),于是,晶格结构和电子状态的重新调整(使费米面和布里渊区边界相互重合)可使体系能量降低而形成新的基态,这使低维体系具有不稳定性并产生相变,同时还会形成多种新型元激发(电荷密度波(CDW)、自施密度波(SDW)、孤子(soliton)、极化子(polaron)、分数电荷,spin bag,位相子等)。许多重要的低维体系(导电高分子、二维电子气、氧化物超导体的铜氧层等)都具有强电子耦合5研究电子关联对体系不稳定性的影响是当前凝聚态物理的重要课题。近年来,在此领域内,有两派相反的观点进行着激烈的争论:一派认为电子-电子相互作用会增强晶格不稳定性,而且增强得很多,以致不稳定性主要来自于电子-电子相互作用,电子-晶格相互作用是次要的。另一派则认为电子-电子相互作用会减弱晶格不稳定性,而不稳定性是由电子-晶格相互作用产生的。 本文首先描绘低维体系的不稳定性和各种基态及元激发的物理图象,接着介绍争论双方的论点,随后分析两派分歧的产生原因,进一步指出如何澄清这场争论。从中将说明,Hubbard模型的局限性会带来问题,解决争论的关键是正确地描述电子相互作用,由屏蔽效应而形成的相互作用力程是决定性的因素。当屏蔽较弱时(长程相互作用),电子相互作用的非对角部分比对角     

MX络合物中的晶格零点振动

利用自洽重整化方法,研究了不同电-声藕合作用下MX络合物中晶格零点振动对电荷密度波(CDW)的影响。对聚乙炔,无论电-声耦合作用强弱,键序波(BOW)总存在。而对MX络合物,计算表明,量子起伏对CDW的削弱作用依赖于电-声耦合作用的强弱。当电-声耦合作用强时,CDW的削弱小;相反,当电-声耦合作用弱时,CDW削弱大,甚至几乎被破坏。这一差异来源于以下事实,即在弱电-声耦合λ情况下,聚乙炔中光学模声子频率随λ^1/2减小,而在MX络合物中光学模声子频率与其裸值ω₀差 关键词：     

过渡族金属化合物中的电荷密度波

绝大部分化合物都可以结晶成规则形状的晶体.在这些晶体里,除了缺陷、杂质和晶界以外,晶胞无限循环重复.但是,在足够低的温度下,一些化合物晶胞之间的电子-离子相互作用,使这种规则排列产生小小的崎变,变得不稳定起来.在稳定的状态中,电荷密度、自旋密度或离子位置为长周期调制,这些调制的周期可能与基本晶格的周期是无公度的.结果,晶体有了两个独立的周期,不再是真正周期性的了.本文将集中讨论电子密度以及离子位置都出现周期变化的电荷密度波. 一、一维电荷密度波 大约二十年前,R.Peierls和 H.Frohlich首先提出,电荷密度波能降低金属的…     

低维体系的不稳定性和电子关联

一维和二维体系的费米面会呈现叠套(nesting),于是,晶格结构和电子状态的重新调整(使费米面和布里渊区边界相互重合)可使体系能量降低而形成新的基态,这使低维体系具有不稳定性并产生相变,同时还会形成多种新型元激发(电荷密度波(CDW)、自施密度波(SDW)、孤子(soliton)、极化子(polaron)、分数电荷,spin bag,位相子等)。许多重要的低维体系(导电高分子、二维电子气、氧化物超导体的铜氧层等)都具有强电子耦合5研究电子关联对体系不稳定性的影响是当前凝聚态物理的重要课题。近年来,在此领域内,有两派相反的观点进行着激烈的争论:一派认为电子-电子相互作用会增强晶格不稳定性,而且增强得很多,以致不稳定性主要来自于电子-电子相互作用,电子-晶格相互作用是次要的。另一派则认为电子-电子相互作用会减弱晶格不稳定性,而不稳定性是由电子-晶格相互作用产生的。 本文首先描绘低维体系的不稳定性和各种基态及元激发的物理图象,接着介绍争论双方的论点,随后分析两派分歧的产生原因,进一步指出如何澄清这场争论。从中将说明,Hubbard模型的局限性会带来问题,解决争论的关键是正确地描述电子相互作...更多用,由屏蔽效应而形成的相互作用力程是决定性的因素。当屏蔽较弱时(长程相互作用),电子相互作用的非对角部分比对角     

一维准周期晶格的性质及应用

准周期晶格在冷原子领域被广泛研究,它使得人们可以在一维或者二维系统里研究扩展到安德森局域的转变. 2008年, Inguscio研究组在冷原子系统里制备了一维准周期晶格,并观测到了安德森局域化现象,这极大地推动了准周期系统的理论和实验研究.后来, Bloch研究组在制备的一维和二维准周期晶格中都观测到了多体局域的现象.最近,他们还在准周期晶格中成功观测到迁移率边以及存在迁移率边的系统的多体局域现象.这些冷原子实验推动了多体局域以及迁移率边等方向的研究.准周期晶格已经成为一个平台,它对很多物理现象的影响正在被广泛研究,并可以尝试在冷原子实验中观测到这种影响.本文结合作者的一些相关工作,对一维准周期晶格一些近期的研究进行了简要综述,介绍了一些相关的重要的冷原子实验,讨论了准周期晶格的一些重要性质,以及它对一些物理现象(比如拓扑态)的影响.     

STM/STS实验中单电子隧道现象的观测

报道在低温(4.2K)条件下利用STM/STS实验方法对过渡族金属二硫族化合物1T-TaSe₂的观测结果,明确得到了1T-TaSe₂中电荷密度波超晶格以及原子晶格的直观图像,并且给出了有关电荷密度波能隙的隧道谱结果,通过选择高纯度Fc以及不锈钢金属材料作为探针,还得到了单个隧道结构中单电子隧道(SET)效应的实验证据,即“库仑阻塞”(Coulomb blocade)效应,并以此说明STM隧道结中探针表面氧化层对实验结果的影响。     

1T-NbSeTe电子结构的角分辨光电子能谱

过渡金属二硫族化物因其广泛存在超导、电荷密度波等新奇的物理现象成为了近些年来凝聚态物理研究中的一大热点,同时这也为研究超导和电荷密度波等电子序之间的相互作用提供了典型的材料体系.本文利用角分辨光电子能谱对1T结构的NbSeTe单晶进行系统的研究,揭示了其电子结构.沿高对称方向的能带测量发现, 1T-NbSeTe布里渊区M点附近存在一个范霍夫奇点,能量位于费米能以下约250 meV处.对能带色散的仔细分析发现该体系中没有明显电子-玻色子(声子)耦合带来的能带扭折.基于上述实验结果,对过渡金属二硫族化物中电荷密度波和超导的产生以及1T-NbSeTe中电荷密度波和超导被抑制的可能原因进行了讨论.     

MOCVD生长InP/GaInAsP DBR结构及相关材料特性

采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)法InP衬底上成功地制备了GaxIn1-xAsyP1-y/InP交替生长的分布布喇格反射镜(DBR)结构以及与之相关的四元合金GaxIn1-xAsyP1-y和InP外延层。利用X射线衍射、扫描电子显微镜(SEM)、低温光致发光(PL)光谱等测量手段对材料的物理特性进行了表征。结果表明,在InP衬底上生长的InP外延层和四元合金GaxIn1-xAsyP1-y外延层77K光致发光(PL)谱线半峰全宽(FWHM)分别为9.3meV和32meV,说明形成DBRs结构的交替层均具有良好的光学质量。X射线衍射测量结果表明,四元合金GaxIn1-xAsyP1-y外延层与InP衬底之间的相对晶格失配仅为1×10-3。GaxIn1-xAsyP1-y/InP交替生长的DBR结构每层膜的光学厚度约为λ/4n(λ=1.55/μm)。根据多层膜增反原理计算得出当膜的周期数为23时,反射率可达90％。     

电荷密度波超导体中的软声子和喇曼散射

基于Balseiro和Falicov的概念,我们用一个简单模型计算了电荷密度波(CDW)与超导共存系统中被电声子相互作用重整化的CDW振幅模式的谱函数A(ω),所得的A(ω)在ω≤2G(G为CDW带隙)区域有一个权重相当大的δ函数型的峰,而在ω>2(G²十△²)^1/2(△为超导能隙)区域是比较宽的连续谱,固定G,当△减少时峰的强度显著降低,但其位置仅有较小的变化;与此同时连续谱的权重增加,这些特点与Sooryakumar和Klein在电荷密度波超导体2H-Nbse₂中发现的喇曼出线的能隙模式的行为是一致的。 关键词：     

低维混合金属卤化物中的电荷转移机理

在混合卤素金属卤化物中,两种单体内的电子-声子和电子-电子相互作用的差异会导致电荷从一种单体转移到另一种单体内,进而影响到这种混合结构的电荷密度波(CDW)性质.计算发现电荷的自发转移是两单体能带发生相互作用的结果;这种电荷转移是导致混合系统稳定性的主要物理因素;简单的单体长短并不是决定电荷转移数量的主要因素,两种单体的相对配比x起着关键性的作用. 关键词： 电荷转移 电荷密度波     

La1.4-xNd0.6SrxCuO4中的一维电子结构

1995年,Ｔｒａｎｑｕａｄａ等通过中子散射实验首先在Ｌａ16-ｘＮｄ04ＳｒｘＣｕＯ4中观察到一维自旋-电荷密度的调制,即所谓条纹相.当ｘ=1/8,电荷条纹的周期恰好是4ａ(ａ是四方ＣｕＯ2平面的晶格常数),而自旋的调制周期是8ａ.具体说,可运动的电荷载流子被限制在很窄的一维条纹内,在电荷条纹之间是自旋反铁磁排列的绝缘区;在跨越电荷条纹时,自旋序的位相翻转.早在1989年,Ｚａａｎｅｎ等就曾预言:在掺杂过渡金属氧化物中可能存在条纹相.不过,根据平均场理论作出的上述预言所导致的直接结果是:条纹相是整体绝缘的.这与掺杂铜氧化物中的实际情…     

聚二苯分子中基态结构的稳定性及各种凝聚相

本文利用统计物理中量子场论方法分析无限长聚二苯分子(Polyacenacene)基态结构的稳定性问题。在无规周相近似(RPA)范围内得到各种有序相:电荷密度波(CDW)、自旋密度波(SDW)及超导相存在的可能性,指出发生这些相变的条件。从而从理论上表明,聚二苯分子在适当条件下有可能成为一种有希望的高温超导体。     

强耦合一维电子-晶格体系中孤子激活能

计算了在不同电子-晶格耦合强度λ下,一维电子-晶格体系中孤子激活能ε₁(λ)及电子激发到禁带中央分立能级所需能量△(λ)。得到孤子激活能随λ增大而增大;但对不同λ,孤子激活能总是小于产生一个电子或空穴所需能量。 关键词：     

一维Fibonacci类准晶的衍射性质

利用傅里叶变换方法推导了一维Fibonacci类(FC(n))准晶衍射的结构因子方程,讨论了该系统的衍射峰和系统消光规则.在此基础上,计算了FC(1)和FC(3)准点阵的衍射谱.另外,把所得方程进行推广使之能用来研究FC(n)准周期超晶格的衍射性质.通过把FC(1)准周期超晶格衍射相对强度的计算结果与Merlin等人的实验结果进行比较,发现大多数衍射谱符合得较好,但有一条谱不一致.理论计算表明Merlin等人标定的谱(4,2)应该是一个次强峰.     

一维Fibonacci类准晶的衍射性质

利用傅里叶变换方法推导了一维Fibonacci类(FC(n))准晶衍射的结构因子方程,讨论了该系统的衍射峰和系统消光规则.在此基础上,计算了FC(1)和FC(3)准点阵的衍射谱.另外,把所得方程进行推广使之能用来研究FC(n)准周期超晶格的衍射性质.通过把FC(1)准周期超晶格衍射相对强度的计算结果与Merlin等人的实验结果进行比较,发现大多数衍射谱符合得较好,但有一条谱不一致.理论计算表明Merlin等人标定的谱(4,2)应该是一个次强峰.     

Cu/Ti超晶格薄膜的强紫外反射性能研究

采用直流磁控溅射方法制备了一维二组元Cu/Ti周期超晶格金属薄膜 ,研究了基片温度、膜周期数、基片取向与紫外反射的关系。当基片加热温度为 470℃时 ,在硅 (10 0 )晶面上生长的 30层Cu/Ti膜 ,层间膜厚控制在1∶3、膜总厚度控制为 30 0nm时 ,所制备的超晶格薄膜在 5°入射角下对 2 0 0nm的紫外光 ,其反射率可高达 90 %。     

掺杂超晶格──“NIPI”晶体

一、引 言 当前,用分子束外延技术可生长一种新型的掺杂超晶格,它是由掺有n型和p型杂质的超薄层与本征层相间组成的周期性结构,称为“NIPI”晶体(此处的N与P分别代表N型层和P型层,I代表本征层).图1(a)给出了GaAs掺杂超晶格的示意图.图中的 dn,dp和 di分别是n型和p型掺杂层及本征层的厚度.超晶格的周期为NIPI各层厚度之和,即 d=dn+ dp+ 2di,(1)其数值可达几百到几千A. 任何具有周期性掺杂分布,而且满足n型和p型相间排列的系统,都将表现出与图1(a)结构定性地类似性质.除了周期d外,每个掺杂层内的施主和受主浓度,即nDdn和nAdp也是标志…     

CuSe表面修饰的第一性原理研究

单层CuSe属于体相为非层状的二维材料,本质上具有金属性质,因此不适合在电子器件中应用.本文通过外部原子修饰的方法实现CuSe电子结构的改变,采用密度泛函理论的第一性原理研究了单层CuSe在顶位、中心和桥位添加第二周期原子后的能带结构,重点分析了单层CuSe添加Li和B原子的电子结构,包括能带结构、态密度、差分电荷密度和晶体轨道哈密顿布居分析.添加Li原子后,从能带结构的结果来看,三个位置都能实现CuSe由金属性转为半导体性,且Li原子更倾向修饰在CuSe的六角形中心,带隙约为1.77 eV;在Cu原子的顶部位置添加B原子也可以实现CuSe具有半导体性,带隙约为1.2 eV.通过差分电荷密度和晶体轨道哈密顿布居的结果来看, B原子用B-Se极性共价键结合在单层CuSe的顶部.第一原理揭示了从单层CuSe到Cu XSe (X=Li, B)的金属到半导体转变的实现,计算结果使CuSe在未来的电子设备中使用成为可能.     

准一维电荷密度波材料Ta2NiSe7 的转角及变温拉曼光谱研究

近年来, 低维过渡金属硫族化合物Ta2NiSe7 因其独特的电荷密度波和特殊的拓扑能带结构而引起广泛关注. 本文利用拉曼光谱技术对准一维电荷密度波材料Ta2NiSe7 的声子模式进行了系统研究. 角度依赖的偏振拉曼光谱实验表明室温下可以观测到19 个拉曼峰, 且所有观察到的拉曼模式强度随样品旋转呈周期性变化, 这意味着Ta2NiSe7 具有较高的面内各向异性. 通过群论分析, 我们确定了拉曼峰的具体模式为Ag 和Bg 两种原子振动模式. 在温度依赖的偏振拉曼光谱测量中, 我们在低温下还观察到了新的声子峰, 推测与电荷密度波结构调制引起的晶格畸变有关. 本研究提供了对Ta2NiSe7 声子振动的全面理解, 这可能为进一步研究电荷密度波与声子振动之间的关联提供参考意义.