原子尺度构建二维材料的第一性原理计算研究

随着信息技术的不断进步,核心元器件朝着运行速度更快、能耗更低、尺寸更小的方向快速发展.尺寸不断减小导致的量子尺寸效应使得材料和器件呈现出许多与传统三维体系不同的新奇物性.从原子结构出发,预测低维材料物性、精准合成、表征、调控并制造性能良好的电子器件,对未来电子器件的发展及相关应用具有至关重要的意义.理论计算能在保持原子级准确度的情况下高效、低耗地预测材料结构、物性、界面效应等,是原子制造技术中不可或缺的重要研究手段.本综述从第一性原理计算角度出发,回顾了近年来其在二维材料结构探索、物性研究和异质结构造等方面的应用及取得的重要进展,并展望了在原子尺度制造背景下二维材料的发展前景.     

二维材料及其异质结的声子物理研究

声子是固体最重要的元激发之一,是理解材料摩尔热容、德拜温度以及热膨胀系数等热力学性质的基础,同时电声子相互作用也决定了固体的电导和超导等特性。拉曼光谱是表征固体声子物理的重要实验手段,不仅能表征材料的结构和质量,还能提供材料声子性质、电子能带结构、电声耦合等信息。文章将拉曼光谱应用于二维材料及其范德瓦尔斯异质结的声子物理研究。先简单介绍二维材料的层间振动声子模式和层内振动声子模式,其中层间振动声子模式的频率可用线性链模型来计算,而强度则可用层间键极化率模型来解释;同类层内振动声子模式的Davydov劈裂峰之间的频率差异可用范德瓦尔斯模型拟合。随后,将这些模型推广到二维范德瓦尔斯异质结中,以转角多层石墨烯、MoS₂/石墨烯和hBN/WS₂为例介绍了范德瓦尔斯异质结的声子谱,阐述如何应用线性链模型和经典键极化率模型计算层间振动模的频率和强度,并由此给出二维范德瓦尔斯异质结的界面耦合强度和各层间呼吸模的电声耦合强度等重要参数。     

二维Frenkel-Kontorova模型中六角对称结构的摩擦现象

基于二维 Frenkel-Kontorova 模型, 运用分子动力学模拟方法, 研究了具有六角对称结构的系统从 locked 态到 sliding 态的相变, 并数值分析了上层原子采用六角对称结构时, 系统的不同参数对静摩擦力F_s和动摩擦力F_c的影响. 关键词： 二维 Frenkel-Kontorova 模型 超润滑 分子动力学 摩擦     

二维材料的磁性研究

二维材料在自旋电子学器件中具有良好的应用潜力,高磁化强度、室温铁磁性二维材料的制备与研究,成为近年来自旋电子学领域的研究热点.文章简要回顾了二维材料磁性研究的背景,主要介绍了几种具有代表性的二维材料磁性研究的现状,并对二维材料的磁性研究进行了展望.     

基于二维材料的全光器件

近年通信技术的飞跃,对光学设备的紧凑性、响应速度、工作带宽和控制效率提出新的挑战.石墨烯的发现,使得二维材料飞速发展,不断涌现出一系列新材料,如MXene、黑磷、过渡金属硫化物等.这些新型二维材料有着出色的非线性光学效应、强光-物质交互作用、超宽的工作带宽.利用其热光效应、非线性效应并结合光学结构,能够满足光通信中超快速的需求.紧凑、超快、超宽将会是未来二维材料全光器件的标签.本文重点综述基于二维材料的热光效应与非线性效应的全光器件,介绍光纤型的马赫-曾德尔干涉仪结构、迈克耳孙干涉仪结构、偏振干涉结构以及微环结构,最后阐述并回顾最新的进展,分析全光器件面临的挑战和机遇,提出全光领域的前景与发展趋势.     

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...     

二维材料热传导研究进展

以石墨烯和氮化硼为代表的二维材料为研究低维体系热传导及其相关界面热阻提供了一个绝佳的平台.近年的研究表明,二维材料热导率有着丰富的物理图像,如长度效应、维度效应、同位素效应及各向异性等.本文详细综述近十年来二维材料在热传导方面的研究进展.首先简述二维材料热传导测量技术的原理及发展,如热桥法、电子束自加热法、时域热反射法及拉曼法等;其次,介绍二维材料热传导及界面热阻的实验研究进展,讨论其相关物理问题;最后,介绍二维材料在散热应用方面的研究进展,并进行总结、指出存在的问题及进一步展望二维材料未来在散热领域的研究方向与前景.     

二维层状热电材料研究进展

当今世界能源浪费巨大,其中绝大多数以废热的形式被浪费掉.热电效应可以将热能转换为电能并且没有危险物质的释放,因此热电效应的应用吸引了越来越多人的兴趣.自从石墨烯被发现以来,越来越多的二维层状材料被报道,它们通常比体块材料有着更加优越的电学、光学等物理性质,而新的理论和实验技术的发展,也促进了人们对于它们的研究.在本文中,首先介绍了基于二维材料热电性质的测量方法和测试技术,并对其测试中具有挑战性的问题进行讨论.随后对石墨烯、过渡金属硫化物、黑磷等材料的热电应用进行了介绍.最后,讨论了提升热电性能的各种策略与亟待解决的问题,并对此做出展望.     

二维原子层谷电子学材料和器件

人为操控电子的内禀自由度是现代电子器件的核心和关键.如今电子的电荷和自旋自由度已经被广泛地应用于逻辑计算与信息存储.以二维过渡金属硫属化合物为代表的二维原子层材料由于其具有独特的谷自由度和优异的物理性质,成为了新型谷电子学器件研究的优选材料体系.本文介绍了能谷的基本概念、谷材料的基本物理性质、谷效应的调控和谷电子学器件...     

二维材料在生物传感器中的应用

自石墨烯发现以来,大量二维层状材料被相继发现.二维材料中载流子被限制在界面1 nm空间内,使其对化学掺杂非常敏感,有望引起生物传感领域的技术变革.生物传感过程无论基于何种传感机制,都包含了检测物识别和信号转化过程.检测物识别通常依靠传感界面的生物探针来完成,信号转换依靠二维材料来实现信号输出.在传感界面处对生物探针和二维材料进行原子级精准构筑,则可精确调控传感过程中的物理化学过程,优化器件的各项指标.本文综述了二维生物传感界面构筑领域的研究进展,重点介绍了目前几种常见的二维生物传感器的传感机制和不同类型的生物探针精准构筑方法,探讨了未来生物传感界面研究的发展方向.     

Asymmetric frictional sliding between incommensurate surfaces

We study the frictional sliding of two ideally incommensurate surfaces with a third incommensurate sheet - a sort of extended lubricant - in between. When the mutual ratios of the three periodicities in this sandwich geometry are chosen to be the golden mean , this system is believed to be statically pinned for any choice of system parameters. In the present study we overcome this pinning and force the two “substrates” to slide with a mutual velocity V_ext, analyzing the resulting frictional dynamics. An unexpected feature is an asymmetry of the relative sliding velocity of the intermediate lubricating sheet relative to the two substrates. Strikingly, the velocity asymmetry takes an exactly quantized value which is uniquely determined by the incommensurability ratio, and absolutely insensitive to all other parameters. The reason for quantization of the velocity asymmetry will be addressed. This behavior is compared and contrasted to the corresponding one obtained for a representative cubic irrational, the spiral mean ω.     

基于非连续能量耗散的滑动摩擦系数计算模型

分析了界面摩擦状态下能量非连续耗散过程,建立了简化条件下晶体材料界面摩擦滑动摩擦系数计算模型.结果表明:在弹性接触状态下,滑动摩擦系数与载荷及实际接触面积无关,当实际接触面积接近名义接触面积时,滑动摩擦系数随载荷增加而减小.在缓慢滑动时,滑动摩擦系数随滑动速度的增高而缓慢增大,相对滑动速度愈高,滑动摩擦系数增大趋势愈显著.滑动摩擦系数随晶格常数的增加而降低,而当晶格常数较大时,其变化对滑动摩擦系数影响较小.同时,滑动摩擦系数随原子的可能温升增加而增大.研究结论对工程应用及相关的理论研究具有一定的参考意义. 关键词： 滑动摩擦系数 非连续能量耗散 界面摩擦     

理论预测晶体表面吸附二维原子岛的形状

提出了凝结势概念用以建立一种预测晶体表面吸附二维原子岛几何结构的理论方法.基于半经验相互作用势（SEAM势和OJ势）的计算表明,同相外延生长的二维原子岛在Cu和Ag的（111）面呈现正六边形结构, 而在Pt（111）面呈现截角三角形状;Cu和Ag的（100）面二维岛则形成正方形.这些理论预测均与实验观测结果一致.由于凝结势的计算不受原子数量的限制,该模型可普遍应用于预测各种表面二维原子岛形状. 关键词： 表面吸附 二维原子岛 量子点     

纳米级随机粗糙表面微观滑动摩擦力的计算研究

表面形貌很大程度上决定了摩擦副的摩擦性能, 而所有的表面都不可能是绝对光滑的.由于摩擦表面形貌的随机性, 决定了实际的摩擦过程具有随机性的特点, 因此为了获得与随机形貌对应的摩擦特性, 建立合理的随机摩擦模型是必要的. 本文基于Lennard-Jones势能建立了纳米级随机粗糙表面和原子级光滑的刚性平面间的随机摩擦模型; 模型中, 界面势能由法向载荷和界面间平衡距离决定.通过数值计算的方法, 推导了微观滑动摩擦力的计算公式和摩擦力与法向载荷之间的关系. 研究结果表明摩擦力随着法向载荷的增加而增加, 但不是线性增长. 结果也说明界面间的表面势能可能是微观摩擦力的本质起源. 关键词： 随机粗糙表面 Lennard-Jones势能 微滑动摩擦力 微摩擦     

Photodetecting and light-emitting devices based on two-dimensional materials

Two-dimensional(2D) materials, e.g., graphene, transition metal dichalcogenides(TMDs), and black phosphorus(BP), have demonstrated fascinating electrical and optical characteristics and exhibited great potential in optoelectronic applications. High-performance and multifunctional devices were achieved by employing diverse designs, such as hybrid systems with nanostructured materials, bulk semiconductors and organics, forming 2D heterostructures. In this review,we mainly discuss the recent progress of 2D materials in high-responsive photodetectors, light-emitting devices and single photon emitters. Hybrid systems and van der Waals heterostructure-based devices are emphasized, which exhibit great potential in state-of-the-art applications.     

Atomic coherent states as energy eigenstates of a Hamiltonian describing a two-dimensional anisotropic harmonic potential in a uniform magnetic field

In this paper we find that a set of energy eigenstates of a two-dimensional anisotropic harmonic potential in a uniform magnetic field is classified as the atomic coherent states |τ> in terms of the spin values of j in the Schwinger bosonic realization. The correctness of the above conclusions can be verified by virtue of the entangled state <η| representation of the state |τ>.     

基于耦合振子模型的摩擦力计算研究

以界面摩擦为研究对象,探讨了基于耦合振子模型(coupled-oscillator model)的滑动摩擦微观机理,分析了滑动过程中的能量耗散问题. 采用Maugis-Dugdal接触模型替代界面摩擦中的Lennard-Jones势能,并将该模型融入耦合振子模型之中,通过计算振子在一个周期内的能量增加值,推导出了界面摩擦力的理论计算公式. 理论分析表明,对于探针-试样接触系统,滑动摩擦力近似随着法向载荷的2/3次方增加,这与纳米摩擦学经典理论是相符的.理论计算结果与超高真空原子力显微镜镀铜探针在Cu(111)晶面扫描实验结果符合良好,表明本文提出的理论和方法可行. 关键词： 耦合振子模型 界面摩擦 摩擦力 法向载荷     

Effect of temperature on the sliding wear behavior of laser surface alloyed Ni-base on Al-Mg-Si alloy

The surface microstructures of 6061 Al-Mg-Si alloy coated with laser surface alloyed (LSA) Ni-Cr-B-Si powder and their sliding wear performance have been investigated. Experimental results show that there are three regions, as grayish region (G.R.), dark region (D.R.) and bright region (B.R.), in the pool. The Al₃Ni and Al₃Ni₂ compounds appear in the G.R. and D.R., respectively. The Al-Ni-Cr amorphous structure can be observed in the B.R. The hardness of the LSA specimens is much higher than the Al-matrix. Compared with the Al-matrix, the LSA specimens have excellent sliding wear performance. They have lower friction coefficient and wear rate. The critical temperature of sliding wear resistance of LSA specimen is higher than that of Al-matrix by about 50 °C. The stress relief during thermal treatment will slightly reduce the hardness and the wear resistance of LSA specimens, especially at testing temperature >200 °C.