几种范德瓦耳斯铁电材料中新奇物性的研究进展

铁电材料因具有电场可调的自发极化,在各类功能器件中有着广泛的应用.受器件小型化发展趋势的影响,二维范德瓦耳斯铁电材料及其层状母体块材成为了铁电领域的重点研究对象之一.近年来,研究人员已经制备出了数种二维范德瓦耳斯铁电材料,并通过理论计算与实验结合的方法发现这些材料及其母体块材具有许多优良的、新奇的物理性质.本文主要介绍近年来几种范德瓦耳斯铁电材料的一些研究进展,包括体相范德瓦耳斯材料CuInP₂S₆的新奇物性的理论预测与实验证实,以及两类二维范德瓦耳斯铁电材料M₂X₂Y₆(M=金属, X=Si, Ge, Sn, Y=S, Se, Te), QL-M₂O₃ (M=Al, Y)及相关功能器件的理论设计,最后对范德瓦耳斯铁电材料蕴含的丰富物理内涵及其发展前景进行了简要探讨,希望能够为该领域的相关研究提供一些思路和参考.     

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...     

新型机械解理方法在二维材料研究中的应用

自从石墨烯被发现以来,机械解理技术已经成为制备高质量二维材料的重要方法之一,在二维材料本征物性的研究方面展现出了独特的优势.然而传统机械解理方法存在明显的不足,如制备效率低、样品尺寸小等,阻碍了二维材料领域的研究进展.近些年我们在机械解理技术方面取得了一系列的突破,独立发展了一套具有普适性的新型机械解理方法.这种新型机械解理方法的核心在于通过改变解理过程中的多个参数,增强层状材料与基底之间的范德瓦耳斯相互作用,从而提高单层样品的产率和面积.本文着重以石墨烯为例,介绍了该技术的过程和机理.相比于传统机械解理方法,石墨烯的尺寸从微米量级提高到毫米量级,面积提高了十万倍以上,产率大于95%,同时石墨烯依然保持着非常高的质量.这种新型机械解理方法具有良好的普适性,目前已经在包括MoS₂,WSe₂,MoTe₂,Bi2212等几十种材料体系中得到了毫米量级以上的高质量单层样品.更重要的是,在解理过程中,通过调控不同的参数,可以在层状材料中实现一些特殊结构的制备,如气泡、褶皱结构等,为研究这些特殊材料体系提供了重要的物质保障.未来机械解理技术还有很多值得深入研究的科学问题,该技术的突破将会极大地推动二维材料领域的研究进展.     

二维材料的新奇物理及异质结的能带调控

以石墨烯为代表的层状材料具备显著区别于三维材料的新奇物理特性。更为重要的是,原子级平整的二维材料使得科学家们可以将不同的二维材料通过堆垛或者把相同的二维材料通过堆垛加扭转构成范德瓦耳斯异质结。通过层间耦合作用,可对异质结的能带结构和物理性质进行有效调控,从而衍生出单个二维材料所不具备的新奇物性。范德瓦耳斯异质结的能带调控极大地拓宽了二维材料的科学研究和应用前景。     

二维平面和范德瓦耳斯异质结的可控制备与光电应用

自石墨烯被发现以来,二维材料因其优异的特性获得了持续且深入的探索与发展,以石墨烯、六方氮化硼、过渡金属硫化物、黑磷等为代表的二维材料相关研究层出不穷.随着二维新材料制备与应用探索的不断发展,单一材料性能的不足逐渐凸显,研究者们开始考虑采用平面拼接和层间堆垛所产生的协同效应来弥补单一材料的不足,甚至获得一些新的性能.利用二维材料晶格结构的匹配构建异质结,实现特定的功能化,或利用范德瓦耳斯力进行堆垛,将不同二维材料排列组合,从而在体系里引入新的自由度,为二维材料的性质研究和实际应用打开了新的窗口.本文从原子制造角度,介绍了二维平面和范德瓦耳斯异质结材料的可控制备和光电应用.首先简要介绍了应用于异质结制备的常见二维材料的分类及异质结的相关概念,然后从原理上分类列举了常用的表征方法,随后介绍了平面和垂直异质结的制备方法,并对其光电性质及器件应用做了简要介绍.最后,对领域内存在的问题进行了讨论,对未来发展方向做出了展望.     

二维层间滑移铁电研究进展

近年来有一系列二维范德瓦耳斯材料铁电性被实验证实,层间滑移铁电体是其中重要的一类,该机制是传统铁电所没有,而很多二维材料普遍具有的.本文回顾了相关研究,介绍了这种铁电的起源:不少二维材料双层中上下两层并不对等,造成净层间垂直电荷转移,而层间滑移使该垂直铁电极化得以翻转.这种独特的滑移铁电可广泛存在于范德瓦耳斯双层、多层乃至体相结构中,层间滑移势垒较传统铁电低几个数量级,有望极大节约铁电翻转所需的能量.目前这种滑移铁电机制已在WTe₂和b-InSe双层/多层体系得到实验证实,不少预期极化更高的滑移铁电体系(如BN)也有望在近期实现.     

低维钙钛矿光电探测器研究进展

近年来,三维铅卤钙钛矿由于其优异的光电子性能,作为光电器件(如太阳能电池、发光二极管和激光器等)的新型半导体材料被广泛研究,然而三维钙钛矿的铅毒性以及稳定性差严重阻碍了其商业化应用.低维钙钛矿材料由于其优异的光电性能以及稳定性,在光电应用领域引起了广泛关注.除了用于光伏和发光二极管以外,低维钙钛矿已成为未来光电探测器有...     

表面预处理对石墨烯上范德瓦耳斯外延生长GaN材料的影响

基于范德瓦耳斯外延生长的氮化镓/石墨烯材料异质生长界面仅靠较弱的范德瓦耳斯力束缚,具有低位错、易剥离等优势,近年来引起了人们的广泛关注.采用NH_3/H_2混合气体对石墨烯表面进行预处理,研究了不同NH_3/H_2比对石墨烯表面形貌、拉曼散射的影响,探讨了石墨烯在NH_3和H_2混合气氛下的表面预处理机制,最后在石墨烯上外延生长了1.6μm厚的GaN薄膜材料.实验结果表明:石墨烯中褶皱处的C原子更容易与气体发生刻蚀反应,刻蚀方向沿着褶皱进行;适当NH_3/H_2比的混合气体对石墨烯进行表面预处理可有效改善石墨烯上GaN材料的晶体质量.本研究提供了一种可有效提高GaN晶体质量的石墨烯表面预处理方法,可为进一步研究二维材料上高质量的GaN外延生长提供参考.     

掺杂和共生对层状钙钛矿铁电材料剩余极化的影响

掺杂与组构共生结构都是增大铋系层状钙钛矿结构铁电材料(BLSFs)剩余极化(2Pr)的有效手段.同价元素掺杂时,2Pr的变化由氧空位浓度,晶格畸变程度,铋氧层的完整性,以及掺杂离子与氧离子的形成的共价键强弱有关.高价阳离子对A、B位进行掺杂时,都可降低氧空位浓度并减弱其动性,从而增大2Pr.两种不同的BLSFs组构成共生结构后,铋氧层以及与之相连的氧八面体的结构都发生变化,使共生结构的2Pr大于其任一组成单元.2Pr的增大还可通过改进制备工艺来实现,如进行高温(高于居里温度)淬火等.     

掺杂和共生对层状钙钛矿铁电材料剩余极化的影响

掺杂与组构共生结构都是增大铋系层状钙钛矿结构铁电材料（BLSFs）剩余极化（2Pr）的有效手段。同价元素掺杂时，2Pr的变化由氧空位浓度，晶格畸变程度，铋氧层的完整性，以及掺杂离子与氧离子的形成的共价键强弱有关。高价阳离子对A、B位进行掺杂时，都可降低氧空位浓度并减弱其动性，从而增大2Pr。两种不同的BLSFs组构成共生结构后，铋氧层以及与之相连的氧八面体的结构都发生变化，使共生结构的2Pr大于其任一组成单元。2Pr的增大还可通过改进制备工艺来实现，如进行高温（高于居里温度）淬火等。     

Recent advances in two-dimensional layered and non-layered materials hybrid heterostructures

With the development of Moore's law, the future trend of devices will inevitably be shrinking and integration to further achieve size reduction. The emergence of new two-dimensional non-layered materials (2DNLMs) not only enriches the 2D material family to meet future development, but also stimulates the global enthusiasm for basic research and application technologies in the 2D field. Van der Waals (vdW) heterostructures, in which two-dimensional layered materials (2DLMs) are physically stacked layer by layer, can also occur between 2DLMs and 2DNLMs hybrid heterostructures, providing an alternative platform for nanoelectronics and optoelectronic applications. Here, we outline the recent developments of 2DLMs/2DNLMs hybrid heterostructures, with particular emphasis on major advances in synthetic methods and applications. And the categories and crystal structures of 2DLMs and 2DNLMs are also shown. We highlight some promising applications of the heterostructures in electronics, optoelectronics, and catalysis. Finally, we provide conclusions and future prospects in the 2D materials field.     

范德华尔斯材料在转角光学中的研究进展

极化激元是光与不同极化子相互作用形成的半光半物质的准粒子,可用于亚波长尺度的光场调控,在光学成像、非线性效应增强及新型超构材料设计等领域扮演着举足重轻的角色.近年来,随着人们对转角范德华尔斯材料体系的制备工艺和物性研究的不断深入,其中许多新奇的极化激元现象也被揭示.本文综述了近年来转角范德华尔斯材料在光学领域的研究进展...     

Epitaxy of III-nitrides on two-dimensional materials and its applications

III-nitride semiconductor materials have excellent optoelectronic properties, mechanical properties, and chemical stability, which have important applications in the field of optoelectronics and microelectronics. Two-dimensional (2D) materials have been widely focused in recent years due to their peculiar properties. With the property of weak bonding between layers of 2D materials, the growth of III-nitrides on 2D materials has been proposed to solve the mismatch problem caused by heterogeneous epitaxy and to develop substrate stripping techniques to obtain high-quality, low-cost nitride materials for high-quality nitride devices and their extension in the field of flexible devices. In this progress report, the main methods for the preparation of 2D materials, and the recent progress and applications of different techniques for the growth of III-nitrides based on 2D materials are reviewed.     

Magnetic two-dimensional van der Waals materials forspintronic devices

Magnetic two-dimensional (2D) van der Waals (vdWs) materials and their heterostructures attract increasing attention in the spintronics community due to their various degrees of freedom such as spin, charge, and energy valley, which may stimulate potential applications in the field of low-power and high-speed spintronic devices in the future. This review begins with introducing the long-range magnetic order in 2D vdWs materials and the recent progress of tunning their properties by electrostatic doping and stress. Next, the proximity-effect, current-induced magnetization switching, and the related spintronic devices (such as magnetic tunnel junctions and spin valves) based on magnetic 2D vdWs materials are presented. Finally, the development trend of magnetic 2D vdWs materials is discussed. This review provides comprehensive understandings for the development of novel spintronic applications based on magnetic 2D vdWs materials.     

Magnetic van der Waals materials: Synthesis,structure, magnetism,and their potential applications

As the family of magnetic materials is rapidly growing, two-dimensional (2D) van der Waals (vdW) magnets have attracted increasing attention as a platform to explore fundamental physical problems of magnetism and their potential applications. This paper reviews the recent progress on emergent vdW magnetic compounds and their potential applications in devices. First, we summarize the current vdW magnetic materials and their synthetic methods. Then, we focus on their structure and the modulation of magnetic properties by analyzing the representative vdW magnetic materials with different magnetic structures. In addition, we pay attention to the heterostructures of vdW magnetic materials, which are expected to produce revolutionary applications of magnetism-related devices. To motivate the researchers in this area, we finally provide the challenges and outlook on 2D vdW magnetism.     

钙钛矿CsPbX3(X=Cl,Br,I)与五环石墨烯范德瓦耳斯异质结的界面相互作用和光电性能的第一性原理研究

异质结工程是一种提高半导体材料光电性能的有效方法.本文构建了全无机钙钛矿CsPbX₃(X=Cl,Br,I)和二维五环石墨烯penta-graphene(PG)的新型范德瓦耳斯(vdW)异质结,利用第一性原理研究了CsPbX₃-PG异质结不同界面接触的稳定性,进而计算了稳定性较好的Pb-X接触界面异质结的电子结构和光电性能.研究结果表明,CsPbX₃-PG(X=Cl,Br,I)异质结具有II型能带排列特征,能级差距由Cl向I逐渐缩小,具有良好的光生载流子分离能力和电荷输运性质.此外,研究发现CsPbX₃-PG异质结能有效拓宽材料的光吸收谱范围,并能显著提高其光吸收能力,尤其是CsPbI₃具有最优的光吸收性能.经理论估算,CsPbX₃-PG的光电功率转换效率(PCE)可高达21%.这些结果表明,全无机金属卤化物钙钛矿CsPbX₃-PG异质结可以有效地提高半导体材料的光电性能,预期在光电转换器件中具有重要的应用潜力.     

铁电材料光催化活性的研究进展

光催化技术被认为是最有前景的环境污染处理技术,这就使得光催化剂材料备受瞩目.近年来,铁电材料作为新型光催化剂材料受到人们越来越多的关注,其原因在于铁电材料特有的自发极化有望解决催化反应过程中的电子-空穴对复合问题,进而提高光催化活性.本文从两个方面对铁电极化如何影响光催化进行综述:一方面,从铁电极化入手归纳总结其对电子-空穴对分离的影响,进而更深入地从极化引发的退极化场和能带弯曲两个部分来阐述具体的影响机理;另一方面,为了消除静电屏蔽,分别从温度、应力(应变)、电场三个外场因素调控极化入手,归纳总结外场调控极化对电子-空穴对分离的影响,进而影响光催化活性.最后对该领域今后的发展前景进行了展望.