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。     

悬浮二维晶体材料反射光谱和光致发光光谱的周期性振荡现象

研究了在二氧化硅/硅衬底上制备的悬浮石墨烯以及二硫化钼的反射光谱以及悬浮二硫化钼的光致发光光谱.研究发现:悬浮多层石墨烯的反射光谱表现出明显的振荡现象,并且该振荡具有一定的周期性;振荡周期的大小不依赖于悬浮多层石墨烯的层数,而是随着衬底上沉孔深度(空气层厚度)的增加而减小.利用多重光学干涉模型可以解释这种振荡现象以及振荡周期随沉孔深度改变的变化趋势.该模型计算结果表明,只有当沉孔深度达到微米量级时这种振荡现象才会显著出现;并且可由振荡周期定量地确定出沉孔深度.对于悬浮的二硫化钼样品,其反射光谱和光致发光光谱也出现了类似的振荡现象.这表明这种振荡现象是在各种衬底上悬浮二维材料反射光谱和光致发光光谱的一种普遍性结果,也预示悬浮二维材料器件的电致发光光谱也会出现类似的振荡现象,对悬浮二维晶体材料的物理性质和器件性能研究具有一定的参考价值.     

叠层/转角二维原子晶体结构与极化激元的近场光学表征

极化激元是一种光与物质发生强相互作用形成的准粒子,可以极大地压缩光波长,提供一种突破衍射极限的光调制方式,为纳米光子学、非线性光学、量子光学等相关学科的发展提供了重要支持.范德瓦耳斯二维原子晶体是研究极化激元的理想平台,通过叠层、转角可以为极化激元的调控提供额外的自由度,从而展示出新颖的光学结构和极化激元特性.本文以近场光学为主要研究方法,对近几年出现的叠层及转角二维原子晶体的各种光学结构及极化激元进行综述.综述内容包括叠层石墨烯的畴结构、转角二维原子晶体的莫尔超晶格结构、转角二维拓扑极化激元、转角石墨烯手性等离激元等.最后,对叠层/转角二维原子晶体及其极化激元的未来发展进行展望.     

硬X射线位相衬度成象

常规X射线成象技术是建立在吸收衬度和几何光学基础上.介绍了“in-line”位相衬度成象 技术和成象理论.以生物样品为例,说明常规X射线吸收衬底成象与位相衬度成象的差别,并 对X射线源尺寸对成象衬度的影响进行了研究.此外,对吸收衬底象和位相衬度象的关键参量 进行了计算模拟和讨论. 关键词： 位相衬度 成象 硬X射线     

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.     

基于紧束缚理论的一维多镜像光子晶体特性研究

基于紧束缚理论,分析了一维多镜像光子晶体中多缺陷模的产生及缺陷模式分裂的机理,建立了缺陷模频率与缺陷层相对位置的关系模型.采用传输矩阵理论研究了双镜像光子晶体的光学传输特性,并讨论了光子晶体周期层数、入射角度、介质层厚度等及介质的相对折射率差等参数对光子晶体缺陷模特性的影响.模拟结果表明,调整光子晶体参数和缺陷层的相对位置可有效调控光子晶体的缺陷模特性,可为光子晶体多通道滤波器等光学器件的设计和应用提供一定的理论参考.     

一维非均匀Kerr介质的传输矩阵算法

研究了一维非均匀Kerr介质的子层逆向递推传输矩阵算法,给出了数值实现方案.此方法可以方便而精确地模拟非均匀Kerr介质的传输行为.应用此算法模拟一维Kerr缺陷光子晶体的光学双稳开关过程时, 得出了和非线性时域有限差分方法相一致的结果.     

超高真空构筑新型二维材料及其异质结构

由于量子受限效应,二维材料表现出很多三维材料所不具备的优异电学、光学、热学以及力学性能,为研究人员所关注.材料的优异物性离不开高质量材料的制备,超高真空环境可以减少杂质分子的污染与影响,提高二维材料的质量与性能.本文介绍基于超高真空环境的新型二维原子晶体材料的原位制备方法,包括利用分子束外延构筑新型二维材料、利用石墨烯插层构筑新型二维原子晶体材料异质结构以及利用扫描探针原位操纵构筑二维材料异质结构三大类.文章回顾利用这三类方法构筑的二维材料及其物理化学性质,比较三种方法各自的优势与局限性,对未来二维材料制备提供一定的指引.     

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.     

单层与多层MoS_2对Goos-Hnchen位移的调制

单层与多层MoS_2是一种新型的类石墨烯二维材料,其层数依赖的介电常数使其具有诸多可调的光学性质.本文借助于传输矩阵理论,根据反射系数的相位角推导计算了Al_2O_3/MoS_2/空气结构中的Goos-Hnchen(GH)位移,并分析了单层与多层MoS_2对GH位移的影响.研究结果表明,在不同的入射角范围内,GH位移随MoS_2层数的变化表现出不同的依赖行为.     

深度神经网络和高光谱显微图像的二维材料纳米片识别

近年来,二维材料由于其独特的性质而受到了广泛关注。在制备二维层状晶体的各种方法中,机械剥离法获得的薄层二维材料晶体质量高,适用于基础研究及性能演示。然而用机械剥离法从衬底上获得的材料具有一定的随机性,可能包含了少许相对较厚的部分。实现对这些二维薄层材料有效、快速且智能化的表征有利于促进二维材料性能的进一步研究。提出了一种基于深度学习的表征方法,通过搭建的编解码结构的卷积神经网络语义分割算法,可以根据光学显微镜图像进行分割和快速识别二维材料纳米片。卷积神经网络作为深度学习在图像处理领域中的典型算法,能够对光学显微镜图像中的复杂信息进行特征提取。首先采用机械剥离制备MoS₂纳米片样本,通过光学显微镜采集高光谱图像并对样本进行标记,根据样本的厚度范围标记出不同的区域,对标记后的图像进一步处理,包括图像的颜色校准和剪切操作,得到用于网络训练和测试的数据集。针对光学图像中二维纳米薄片存在的低对比度、碎裂等特点,编码时加入残差结构和金字塔池化模型,有助于特征信息的提取;解码时融合编码路径中提取的浅层特征信息,以提高网络分割精度。实验中采用带权重的交叉熵损失函数解决类别数量不平衡问题和采用数据增强扩大数据集。对训练后的网络测试结果表明,模型像素精度为97.38%,平均像素精度为90.38%,均交并比为75.86%。之后通过迁移学习成功地对剥离的单层和双层石墨烯纳米片样本进行了识别,均交并比达到了81.63%,表明该方法具有普适性。通过MoS₂和石墨烯纳米片的识别演示,实现了深度学习在二维材料的光学显微镜图像中的成功应用。该方法有望在更多的二维材料上得到扩展并突破自动动态处理光学显微镜图像的问题,同时为其他纳米材料的高光谱图像处理提供参考。     

Reliable determination of the few‐layer graphene oxide thickness using Raman spectroscopy

We report on a reference‐free Raman spectroscopy method for a precise thickness determination of the multilayered graphene oxide flakes. The method is based on the normalization of the total integral intensity of D and G Raman bands to the integral intensity of the second‐order optical phonon peak of the silicon substrate in the Raman spectrum. The normalization provides discrete ratio values corresponding to the number of graphene oxide layers in the respective flakes with the intensity linearly increasing with the number of layers. This provides a fast and robust determination of the thickness of graphene oxide flakes in terms of the layer number up to high values. A comparison with conventional spectrally resolved reflectivity mapping shows similar sensitivity, while selectivity to particular functional chemical groups is a bonus of the Raman‐based method. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

光电耦合器的反应堆中子辐射效应

选择3种典型光电耦合器开展了反应堆中子辐照实验,中子注量为3×1011~5×1012cm-2时,位移效应导致电流传输比下降,饱和压降提高。发光器件相同,探测器为Si PIN光电二极管的光电耦合器比探测器为Si NPN光敏晶体管的光电耦合器的初始电流传输比要小,但其抗位移损伤能力更强。探测器均为Si NPN光敏晶体管,发光器件为异质结LED要比硅两性掺杂LED的光电耦合器的电流传输比抗位移损伤能力提高2个量级;以光敏晶体管为探测器的光电耦合器,在较大的正向电流和输出负载电阻条件下工作可提高抗辐射水平。此外,光电耦合器的位移损伤存在加电退火效应。     

Theoretical study on the photonic band gap in one-dimensional photonic crystals with graded multilayer structure

We theoretically investigate the photonic band gap in one-dimensional photonic crystals with a graded multilayer structure. The proposed structure constitutes an alternating composite layer (metallic nanoparticles embedded in TiO2 film) and an air layer. Regarding the multilayer as a series of capacitance, effective optical properties are derived. The dispersion relation is obtained with the solution of the transfer matrix equation. With a graded structure in the composite layer, numerical results show that the position and width of the photonic band gap can be effectively modulated by varying the number of the graded composite layers, the volume fraction of nanoparticles and the external stimuli.     

Film-thickness Error Analysis of Optical Disk Systems

It is difficult to exactly control the film thickness of optical disk multilayer in the actual coating process. The thickness error becomes a main factor affecting the optical characters of the film system. The thickness error′s sensitivity factor of dielectric optical multilayer is derived from the optical matrix in this paper. The effect of the thickness error on the reflectivity or reflectivity contrast of the optical disk multilayer is analyzed with a numerical calculation. The sensitivities to thickness error for different layers or in different film-thickness ranges are compared and discussed. A sketchy method defining allowable thickness error is given. Some experimental results verify the applicability of our theoretical analysis.     

Layer-number determination of two-dimensional materials by optical characterization

Initiated by graphene, two-dimensional(2D) layered materials have attracted much attention owing to their novel layer-number-dependent physical and chemical properties. To fully utilize those properties, a fast and accurate determination of their layer number is the priority. Compared with conventional structural characterization tools, including atomic force microscopy, scanning electron microscopy, and transmission electron microscopy, the optical characterization methods such as optical contrast, Raman spectroscopy, photoluminescence, multiphoton imaging, and hyperspectral imaging have the distinctive advantages of a high-throughput and nondestructive examination. Here, taking the most studied 2D materials like graphene, MoS_2, and black phosphorus as examples, we summarize the principles and applications of those optical characterization methods. The comparison of those methods may help us to select proper ones in a cost-effective way.     

Film-thickness Error Analysis of Optical Disk Systems

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｒｅｃｅｎｔｌｙｏｐｔｉｃａｌｄｉｓｋｓａｂｌｅｔｏｓｔｏｒｅａｌａｒｇｅｑｕａｎｔｉｔｙｏｆｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｈａｖｅｂｅｅｎｕｓｅｄａｓｃｏｍｐａｃｔｄｉｓｋ (ＣＤ ) ,ｄｉｇｉｔａｌｖｅｒｓａｔｉｌｅｄｉｓｋ(ＤＶＤ) ,ａｎｄｔｈｅｉｒｒｅｃｏｒｄａｂｌｅｏｒｒｅｗｒｉｔａｂｌｅｔｙｐｅｓ(ｓｕｃｈａｓＣＤ Ｒ ,ＣＤ ＲＷ ,ＤＶＤ Ｒ ,ａｎｄＤＶＤ ＲＡＭ ) [1 ] .Ａｎｏｐｔｉｃａｌｄｉｓｋｉｓａｋｉｎｄｏｆｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓｙｓｔｅｍｄｅｐｏｓｉｔｅｄｏｎａ…     

原位生长技术制备石墨烯强化铜基复合材料

利用等离子增强化学气相沉积方法,在铜粉表面原位生长了站立石墨烯,用于制备石墨烯强化铜基复合材料.研究表明,石墨烯包覆在铜粉外表面,微观尺度实现了两者的均匀混合;生长的初期阶段,碳、氢等离子基团可将铜粉表面的氧化层还原,有助于铜粉-石墨烯之间形成良好的界面;石墨烯的成核是一个生长/刻蚀相互竞争的过程,其尺寸可受制备温度调控.利用放电等离子烧结方法将粉末压制成型,测试结果显示,添加石墨烯样品的电阻率降低了一个数量级,维氏硬度和屈服强度分别提高了15.6%和28.8%.     

膜系光谱系数对膜层参数的一阶和二阶偏导数的计算模型

为了寻找一种膜系深入分析与设计的有力辅助计算工具,从光学薄膜光谱系数的矩阵计算理论出发,基于对矩阵求迹运算的巧妙运用,从数学上建立了准确计算膜系光谱系数关于膜层几何厚度、实际折射率和消光系数等膜层参数的一阶和二阶偏导数的解析模型。这一偏导数计算模型物理上与矩阵理论具有一致的通用性和普适性,适用于任何各向同性的均匀膜系统。在数学上也严格成立,数值编程计算不存在差分近似,精度达到了计算机浮点运算的极限精度。而且算法运算费时少,计算速度快,取得了高度准确性和便于实时化的双重优越性能,非常有利于应用于膜系设计领域来提高膜层数较大时的设计速度和效率。同时,这一模型能非常便捷和准确地给出膜系许多实用的导数信息,对膜系分析、测量和膜厚监控等领域中的相关应用具有重要的参考意义。