二维范德瓦耳斯半导体莫尔超晶格实验研究进展

在二维范德瓦耳斯材料中,可以通过转角及晶格失配构造周期性的莫尔超晶格.自从实验上在“魔角”石墨烯系统中观察到关联绝缘体态和超导电性以来,利用各种二维范德瓦耳斯材料构造莫尔超晶格并研究其中的新奇量子物态成为了凝聚态物理研究的热点和前沿问题.本文主要综述了最近几年在二维半导体过渡金属硫族化合物莫尔超晶格系统中的相关实验进展.在该系统中实现电子“平带”不依赖于特定魔角,实验上,一系列的关联电子物态和拓扑电子物态被相继发现和证实.进一步的理论和实验研究有望在该系统中揭示更多的受电子关联作用和拓扑物理共同支配的新奇量子物态.     

首次实现莫尔量子点阵列与微腔光子的强耦合

"魔角"石墨烯在电子能态调控上不断给人们带来惊喜,开辟了凝聚态物理研究的新篇章.类似的,将两种单层过渡金属硫族化合物(TMDCs)叠加起来,也可以在面内形成纳米尺度的半导体超晶格结构,称为莫尔超晶格.莫尔超晶格可以调控激子的能级,并且晶格周期可由转角连续调控,提供了在纳米尺度内调控实物粒子量子态的平台.     

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.     

石墨烯莫尔超晶格的晶格弛豫与衬底效应

当两个晶格常数不同或具有相对转角的二维材料叠加在一起时,可形成莫尔超晶格结构,其电学性质对层间堆垛方式、旋转角度和衬底具有很强的依赖性.例如,双层石墨烯的旋转角度减小到一系列特定的值(魔角)时,体系的费米面附近出现平带,电子-电子相互作用显著增强,出现莫特绝缘体和非常规超导量子物态.对于具有长周期性的莫尔超晶格体系,层间相互作用所引起的晶格弛豫会使原子偏离其平衡位置而发生重构.本文主要围绕晶格自发弛豫和衬底对石墨烯莫尔超晶格物性的影响展开综述.从理论和实验的角度出发,阐述旋转双层石墨烯、旋转三层石墨烯、以及石墨烯与六方氮化硼堆垛异质结等体系中自发弛豫对其能带结构和物理性质的影响.最后,对二维莫尔超晶格体系的研究现状进行总结和展望.     

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.     

二硫化钼的电子能带结构和低温输运实验进展

二硫化钼是一种层状的过渡金属硫族化合物半导体,它在二维自旋电子学、谷电子学及光电子学领域有很多的应用.本综述以二硫化钼为代表,系统介绍其单层、双层及转角双层的堆垛和能带结构;介绍了转角双层莫尔超晶格的制备方法、以及低温电学输运方面的实验进展,例如超导和强关联现象;分析了转角过渡金属硫化物莫尔超晶格在优化接触和样品质量等方面存在的一些挑战,并展望该领域未来的发展.     

光学莫尔晶格中超短脉冲的脉宽调控

具有莫尔角的光学莫尔晶格使能带平坦化，为激光超短脉冲的脉宽调控提供了新的思路。通过组合两种不同周期的光子晶格，构建3种人工合成莫尔角逐渐增大的光学莫尔晶格，实现了莫尔晶格能带的平坦化。通过理论分析莫尔晶格的能带色散，发现人工合成莫尔角较大的莫尔晶格具有丰富的群速度色散，这导致了脉宽的剧烈变化。实验上，使用自相关仪测量了超短脉冲经莫尔晶格后的脉宽。在理论和实验上证明了莫尔晶格对超短脉冲脉宽的精准调控。提出的莫尔晶格对激光脉冲压缩器件的研究具有重要意义。     

从“魔角”石墨烯到摩尔超晶格量子模拟器

自从魔角石墨烯在实验上被证实以来,转角摩尔超晶格体系中存在的关联绝缘态和超导态吸引了大批科学家的目光,并发展出了一门新的科学分支—转角电子学.本文主要综述了最近转角摩尔超晶格体系在实验上的发展,包括转角双层石墨烯(TBG)、转角双层-双层石墨烯(TDBG)以及其他二维摩尔超晶格体系,并简单介绍了摩尔超晶格量子模拟器的概念.其中实验里浮现的关联绝缘态、超导态、以及铁磁态几乎囊括了近代凝聚态物理的几大热门话题,同时,逐步发展的二维摩尔超晶格量子模拟器研究也似乎有可能为强关联量子多体体系寻找一个突破口.     

光子莫尔晶格的研究进展

莫尔晶格是指两个相同或者相似的周期结构重叠形成的复合结构.受二维材料中范德华尔斯(van der Waals)异质结形成的莫尔超晶格研究的影响,光学、声学、力学、热学领域中莫尔晶格的研究也相继重拾热情或不断涌现.本文主要回顾了光学莫尔晶格的研究进展,包括构成莫尔晶格的两个周期结构在空间上处于同层的单层莫尔晶格结构和处于...     

磁场中拓扑物态的量子输运

拓扑物态包括拓扑绝缘体、拓扑半金属以及拓扑超导体.拓扑物态奇异的能带结构以及受拓扑保护的新奇表面态,使其具有了独特的输运性质.拓扑半金属作为物质的一种三维拓扑态具有无能隙的准粒子激发,根据导带和价带的接触类型分为外尔半金属、狄拉克半金属和节线半金属.本文以拓扑半金属为主回顾了在磁场下拓扑物态中量子输运的最新工作,在不同...     

超冷原子动量光晶格中的非线性拓扑泵浦

在拓扑系统中,探索相互作用引起的新奇的拓扑泵浦现象日益受到人们的关注,其中包括由相互作用诱导的非线性拓扑泵浦.本文提出可以利用超冷原子动量光晶格系统,有效地模拟一维非线性的非对角Aubry-André-Harper (AAH)模型,研究非线性拓扑泵浦的实验方案.首先,通过数值方法计算了一维非对角AAH模型的非线性能带结构随相互作用强度的变化,得到了非线性系统的孤子态解.然后,分析了不同相互作用强度下孤子态的拓扑输运,发现其质心的移动距离具有量子化的输运特征,由所占据能带的陈数决定,并讨论了非线性拓扑泵浦对相互作用符号的依赖性.同时还计算了在不同相互作用强度下,系统最低能带和最高能带对应陈数的分布.最后,基于⁷Li原子的动量光晶格实验系统,提出了一个非线性拓扑泵浦方案.本文构造了一种近似于孤子态分布的初始态并演示了其动力学演化过程,并分析了绝热演化条件对泵浦过程的影响.结果表明,在动量晶格系统中演示非线性拓扑泵浦具有可行性.本文的工作为在超冷原子系统中研究非线性拓扑泵浦提供了一个可行的途径,有助于进一步探测非线性引起的拓扑相变和边界效应.     

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.     

第一原理研究界面弛豫对InAs/GaSb超晶格界面结构、能带结构和光学性质的影响

通过广义梯度近似的第一原理全电子相对论计算, 研究了不同界面类型InAs/GaSb超晶格的界面结构、电子和光吸收特性. 由于四原子界面的复杂性和低对称性, 通过对InAs/GaSb超晶格进行电子总能量和应力最小化来确定弛豫界面的结构参数. 计算了InSb, GaAs型界面和非特殊界面(二者交替)超晶格的能带结构和光吸收谱, 考察了超晶格界面层原子发生弛豫的影响.为了证实能带结构的计算结果, 用局域密度近似和Hartree-Fock泛函的平面波方法进行了计算. 对不同界面类型InAs/GaSb超晶格的能带结构计算结果进行了比较, 发现界面Sb原子的化学键和离子性对InAs/GaSb超晶格的界面结构、 能带结构和光学特性起着至关重要的作用.     

超晶格SnO2掺Cr的电子结构和光学性质的研究

基于密度泛函理论的第一性原理,采用全势线性缀加平面波方法(FPLAPW)和广义梯度近似(GGA)来处理相关能,计算了Cr掺杂SnO₂超晶格的电子态密度、能带结构、介电函数、吸收系数、反射率和折射率.研究表明由于Cr的掺入,超晶格SnO₂在费米能级附近形成了新的电子占据态,出现了不连续的杂质能带,这是由Cr-3d态和O-2p,Sn-5s态电子所形成.介电谱在0—5.5 eV之间时出现了三个新的介电峰,在高能区介电谱主峰位置发生蓝移,峰值强度减小.吸收谱、反射谱和折 关键词： 超晶格 第一性原理 态密度 电子结构     

基于超冷原子扭转双层光晶格的量子模拟

<正>将两个二维周期晶格扭转一个角度可以产生莫尔超晶格,如图1所示,这一现象被广泛应用于光学精密检测、图像处理、艺术设计、纺织工业以及建筑学等。最近研究发现莫尔超晶格不但具有独特的美学价值,而且在量子系统中还可能导致各种新奇的物理效应,     

四种材料超晶格的价带自旋劈裂的研究

自从Esaki和Tau[1]发现量子阱和超晶格以来,人们已对由两种材料构成的量子阱及超晶格的能带结构进行了大量的研究.陈维友等人[2]已研究了三种材料构成的超晶格的能带结构.本文将利用文献[2]报道的计算方法,对由四种材料构成的超晶格价带自旋劈裂的变化规律进行研究.     

(GaAs)_1(AlAs)_1(001)超晶格与闪锌矿结构Ga_(0.5)Al_(0.5)As合金虚晶能带的对应性

基于线性丸盒轨道原子球近似(LMTO-ASA)数值计算,比较(GaAs)_1(AlAs)_1(001)超晶格与闪锌矿结构Ga_(0.5)Al_(0.5)As合金虚晶能带本征态,发现它们可以用Ⅲ价和Ⅴ价原子平面的分波态进行统一描述,用这种方法详细分析超晶格与闪锌矿结构合金在布里渊区Γ,M(X)和R(L)诸点主要能带本征态之间的对应关系,讨论了超晶格布里渊区能带折叠对本征态的影响。     

转角双层石墨烯在应变下的光电导率

理论研究了转角双层石墨烯在施加不同单轴应变下的能带结构和光电导率,用连续模型分别计算了转角为1.05°和1.47°的转角双层石墨烯在应变下的能带、态密度以及光电导率,发现这些量随应变的变化是连续且显著的.通过对能带的分析以及光电导率的测量能够获得应变对平带产生的实际影响,这为今后实验对应变与平带的研究打下基础;此外样品往往受到具有空间不均匀性的应变作用,测量其局域的光电导率便能够估计应变的空间分布大小;同时应变对能带的调制为原位调控转角双层石墨烯的强关联、拓扑以及量子效应提供了思路.     

六角氮化硼(h-BN)对单层硒化铟(InSe)的调制效应及这一新结构的电子性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算和分析了三种InSe/h-BN异质结的结构和电子性质.研究发现InSe/h-BN异质结具有间接带隙特点,并且价带顶和导带底的贡献均来自于InSe,差分电荷密度表明体系中没有明显的电荷交换.通过体系能带结构,我们发现h-BN层对单层InSe有着明显的调控效应.对比纯粹应变调控下单层的InSe的能带结构,发现h-BN对InSe能带结构的调控效应实际上是由InSe和h-BN之间的相互作用而诱导的晶格应变引起的.我们的研究结果表明,单层InSe沉积或生长在不同h-BN片上可以获得不同的晶格应变,实现对单层InSe能带结构的有效调控.     

(GaAs)1(AlAs)1(001)超晶格与闪锌矿结构Ga0.5Al0.5As合金虚晶能带的对应性

基于线性丸盒轨道原子球近似(LMTO-ASA)数值计算,比较(GaAs)₁(AlAs)₁(001)超晶格与闪锌矿结构Ga_0.5Al_0.5As合金虚晶能带本征态,发现它们可以用Ⅲ价和Ⅴ价原子平面的分波态进行统一描述,用这种方法详细分析超晶格与闪锌矿结构合金在布里渊区Γ,M(X)和R(L)诸点主要能带本征态之间的对应关系,讨论了超晶格布里渊区能带折叠对本征态的影响。 关键词：