二维六角晶体材料中的Dirac 电子

本文综述由碳、硅、硼氮和二硫化钼等单元素或双元素构成的二维六角晶体材料中Dirac 电 子的研究成果与最新进展。文章从引言开始,接着介绍这些二维六角晶体材料的空间结构和基本 电子性质;然后探讨外场调控下这些材料在能谱和光吸收、量子输运、激子凝聚和热Josephson 效 应,以及拓扑量子相变等方面所表现出来的新奇的物理现象、简要的理论处理和可能的应用前景; 最后给出二维六角晶体材料相关研究的总结和展望。谨以本文献给南京大学建立物理学科100 周 年。     

二维材料平带的实现及其新奇量子物态

在二维材料平带中电子的有效质量急剧增大,电子的库仑排斥能将远远大于电子的动能,电子-电子相互作用效应显著,对应地将会产生一系列新奇的强关联量子物态,如量子霍尔铁磁态、分数量子霍尔效应、量子反常霍尔效应、超导态、Wigner晶体等.因此人们对于二维材料中的平带产生了极大的兴趣.近几年,与平带相关的强关联物性研究成为了凝聚态物理领域的前沿课题.实验上发展了多种方法,例如通过外加强磁场、构筑应变结构、引入转角等方式在二维材料中引入平带.本文通过对二维体系中平带的实现方法及其带来的新奇物理现象进行回顾,希望为相关领域的研究人员提供参考和借鉴.     

二维材料中贝里曲率诱导的磁性响应

二维材料中由贝里曲率诱导的新型磁学响应是近年来的新兴领域.这些二维材料所表现出的磁学特性及量子输运与贝里曲率直接相关,而贝里曲率又与晶体的对称性、电子的轨道磁性、自旋轨道耦合以及磁电效应等息息相关.研究这些新型磁性响应一方面有益于研究不同量子效应间的耦合作用,另一方面可探索量子效应在电子与信息器件领域的应用.本文介绍了近几年来二维材料中新型磁响应的实验研究进展,特别介绍了二硫化钼和石墨烯等材料中的谷霍尔和磁电效应、低对称性的二碲化钨等材料中的量子非线性霍尔以及转角石墨烯中的反常霍尔和量子反常霍尔效应.本文结合二维材料的晶体结构以及电子结构,介绍了这些新奇现象的现有物理解释、回顾了相关研究的最新发展、讨论了其中尚未理解的现象,并作出展望.     

铪烯

正国际上首次报道了基于d电子过渡金属元素的二维蜂窝状晶体材料。这种由铪元素构成的二维蜂窝状结构比石墨烯具有更强的自旋轨道耦合,为研究二维体系中新的量子现象和电子行为提供了新的平台。铪也是当今半导体科学和技术中最重要的元素之一,制备出铪的类石墨烯结构对未来电子学也极其重要。该工作发表在Nano Letters 13,4671(2013),被Nature China和Nature Nanotechnology作为研究亮点进行报道。     

转角二维量子材料中平带相关的新奇电子态物性

二维量子材料具有诸多新奇的电子态物性,又易受到外部因素的影响和调控,因此成为近年来凝聚态物理等研究领域的前沿课题之一.而当以不同的旋转角度和堆叠次序制备出二维量子材料的异质结时,莫尔超晶格的形成又进一步诱导了异质结电子能带结构的重整化,从而形成电子平带结构,再结合外加电场、磁场、应力场等外部条件,即可实现对材料整体新奇物性的设计与调控.本文主要围绕转角石墨烯及过渡金属硫族化合物异质结中的相关研究展开讨论,包括与平带物理相关的强关联效应、非常规超导现象、量子反常霍尔效应、拓扑相以及电子晶体等行为,并对未来的研究发展进行了展望.     

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.     

无序双层六角氮化硼量子薄膜的电子性质

基于安德森紧束缚模型,本文研究了无序双层六角氮化硼量子薄膜的电子性质. 数值计算结果表明在双层都无序掺杂的情况下,六角氮化硼量子薄膜的电子是局域的, 其表现为绝缘体性质;而对于单层掺杂(无论是氮原子还是硼原子)的双层六角氮化硼量子薄膜, 在能谱的带尾出现了持续的迁移率边.这就说明在单层掺杂的双层六角氮化硼量子薄膜中产生了 金属绝缘体转变.这一结果证实了有序-无序分区掺杂的理论模型,为理解及调控双层六角氮化硼量子薄膜 的电子性质提供了有益的理论指导.     

基于投影纠缠对态算法优化的研究

二维强关联电子量子格点系统的投影纠缠对态(PEPS)算法是数值计算领域中研究二维强关联电子量子格点系统最为重要的张量网络算法.基于PEPS算法研究二维量子XYX模型与二维量子Ising模型,本文对PEPS算法进行了一些优化和改进研究,这些优化和改进主要体现在如何进行PEPS张量的更新与如何进行物理观测量的计算这两个方面,从而可以大大提高计算资源的利用.因而优化和改进后的PEPS算法可为研究热力学极限下的二维强关联电子量子格点系统的量子相变和量子临界现象提供一种更有效的强大的工具.     

全息技术制作二维光子晶体蓝宝石衬底提高发光二极管外量子效率

为了提高GaN基发光二极管(LED)的外量子效率,在蓝宝石衬底制作了二维光子晶体.衬底上的二维光子晶体结构采用激光全息技术和感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀技术制作,然后采用金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)技术在图形蓝宝石衬底(PSS)上生长2μm厚的n型GaN层,4层量子阱和200nm厚的p型GaN层,形成LED结构.衬底上制作的二维光子晶体为六角晶格结构,晶格常数为3.8μm,刻蚀深度为800nm.LED器件光强输出测试结果显示,在PSS上制作的LED(PSS-LED)的发光强度普遍高于蓝宝石平 关键词： 全息 发光二极管 图形蓝宝石衬底 外量子效率     

抛物势量子点中强耦合双极化子量子比特的性质

基于LLP幺正变换,采用Pekar型变分法得到了二维量子点中强耦合双极化子的基态和第一激发态的能量和波函数,进而构造了一个双极化子的量子比特。数值结果表明:在量子比特内,两电子的空间几率密度的时间振荡周期T0随电声子耦合强度α、量子点的受限强度ω0以及介质的介电常数比η的增加而减小;在量子比特内,两电子的空间几率密度Q随时间t、角坐标φ2及介电常数比η的变化而作周期性振荡;两电子在量子点中心附近区域出现的几率较大,而在远离量子点中心区域出现的几率很小。     

二维原子晶体的转移堆叠方法及其高质量电子器件的研究进展

可剥离至原子层厚度的层状材料被称为二维原子晶体,是凝聚态物理研究的前沿材料体系之一.与体材料相比,二维原子晶体的原子完全暴露,对外界环境极为敏感,因此剥离、转移、旋转、堆叠、封装和器件加工技术对于其电子器件质量和电学输运性质研究尤为关键.本文介绍了二维原子晶体转移工艺的重要发展,尤其是对其二维电子气的输运性质有突破性提升的进展.针对基于二维原子晶体的电子器件,从二维电子气的无序、接触电阻、载流子迁移率、可观测的量子霍尔态等角度衡量器件质量,并详细介绍了与之相对应的转移技术、器件结构与加工工艺.     

新奇半导体低维结构的自组织生长

文章介绍了自组织生长半导体量子线、量子点和量子环的进展，同时介绍了这些低维半导体材料在光电子和通信等领域应用情况。此外，对这些材料的一些测试方法也进行了介绍．     

半导体低维体系简介

介绍了量子阱、量子线、量子点、半导体超晶格、二维电子气等典型的低维半导体结构及其性质和分析方法。     

二维量子片及其光学研究进展

以石墨烯为代表的二维材料因其独特的结构和优异性能而受到广泛关注.随着二维材料在无限小的方向不断发展,二维(材料)量子片逐渐引起人们极大的兴趣.二维量子片不仅保留了二维材料的本征特性,而且表现出量子限域和突出的边缘效应,为二维材料的潜在应用带来全新机遇.本文详细介绍了二维量子片的基本概念,制备现状与光学性能的研究进展,特...     

石墨烯中新奇量子物态的研究

石墨烯特殊的晶格结构和能带结构赋予了它独特的电学性质. 近年来, 分数量子霍尔态、 魔角石墨烯中的 关联绝缘体态和超导态等现象的发现不断证明着石墨烯是一种理想的二维模型体系, 可用于实现一系列新奇的量子物态, 对石墨烯中新奇量子物态的探测和调控也一直是凝聚态物理领域的前沿研究热点之一. 本文将系统地介绍近年来石墨烯中对称性破缺量子物态的研究进展, 包括平带中强关联量子物态的研究以及谷赝自旋调控的研究, 并介绍一种在纳米尺度、 单电子精度上探测二维材料体系简并度及对称性破缺态的普适方法, 希望为相关领域的研究人员提供参考和借鉴.     

量子点器件的三端电测量研究

利用三端电测量方法，研究了调制掺杂二维电子气结构的量子点器件输运特性.报道了可分别测量二维电子气电阻和量子点隧穿电阻的实验方法.实验结果表明：量子点的横向耦合控制了量子点器件在小偏压下的电输运特性. 关键词： 自组装量子点 二维电子气 量子隧穿 肖特基接触     

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     

二维光子晶体量子阱的光谱特性研究

研究了二维光子晶体量子阱的光谱特性,该量子阱结构由二维正方晶格圆柱晶胞光子晶体通过移去中间位置的介质圆柱层形成。由于光子晶体中的光子禁带充当了光子运动的势垒,类似于半导体量子阱中电子的行为,在光子晶体量子阱结构中会出现量子化的光子能态。文章利用平面波展开法计算了所用光子晶体的能带结构,利用传输矩阵方法计算了量子阱结构的透射光谱。计算结果表明,在光子禁带中出现了离散的透射峰,透射峰的强度随着势垒宽度的增加而减弱,个数随着势阱宽度的增加而增加,通过计算得到了其定量关系,并且讨论了透射峰频率与势阱宽度的关系。     

半导体中的自旋弛豫--从体材料到量子阱、量子线、量子点

本文对半导体中的自旋弛豫过程给出一个简要的回顾,介绍了半导体材料从体材料到量子阱、量子线、量子点不同维数的结构中各种自旋弛豫过程,主要关注了自旋去相位和相干控制。对于不同材料中的各种弛豫机制,关注的重点在于如何能够在实验上以一种可以控制的方式来改变可调参数从而达到控制自旋弛豫过程。这些参数主要有电场、磁场、温度、应变、有效g因子等等。本文的组织上,首先介绍研究前景,第1部分简要介绍了自旋弛豫的四种机制。第2部分按照维数的不同将半导体中自旋弛豫分为3个部分:体材料、量子阱、量子线、量子点,在每一部分中又基本上按照电子、空穴、激子的顺序进行了简要的总结:对于不同的载流子,考虑了自旋弛豫对可调参数的依赖关系。这些结果要么试图解释了已有的实验结果,要么从理论上给出预言从而给实验指明了方向,为室温下可以使用的自旋电子学器件设计提供了依据,为固态量子计算和量子信息处理铺平了道路。最后简单地给出展望。     

半导体中的自旋弛豫——从体材料到量子阱、量子线、量子点

本文对半导体中的自旋弛豫过程给出一个简要的回顾,介绍了半导体材料从体材料到量子阱、量子线、量子点不同维数的结构中各种自旋弛豫过程,主要关注了自旋去相位和相干控制。对于不同材料中的各种弛豫机制,关注的重点在于如何能够在实验上以一种可以控制的方式来改变可调参数从而达到控制自旋弛豫过程。这些参数主要有电场、磁场、温度、应变、有效g因子等等。本文的组织上,首先介绍研究前景,第1部分简要介绍了自旋弛豫的四种机制。第2部分按照维数的不同将半导体中自旋弛豫分为3个部分:体材料、量子阱、量子线、量子点,在每一部分中又基本上按照电子、空穴、激子的顺序进行了简要的总结:对于不同的载流子,考虑了自旋弛豫对可调参数的依赖关系。这些结果要么试图解释了已有的实验结果,要么从理论上给出预言从而给实验指明了方向,为室温下可以使用的自旋电子学器件设计提供了依据,为固态量子计算和量子信息处理铺平了道路。最后简单地给出展望。