X光磁圆二色谱及其应用

介绍了一种新近发展起来的、以同步辐射技术为基础的磁学测量方法———Ｘ光磁圆二色谱．该方法不仅具有元素分辨和空间分辨等突出优点，而且在一些场合下还能分别确定轨道磁矩和自旋磁矩对总磁矩的贡献，为当今非常活跃的磁性薄膜和多层膜研究提供了有力的手段．     

X射线磁圆二色谱

 同步辐射真不愧为优秀的新一代光源。它的出现和不断发展,极大地促进了很多新的实验研究工作的开展。它具有频率范围宽、高强度、极好的准直性、偏振性以及包含时间结构等优良特性,如果没有同步辐射,很多实验都将无法进行。因此,它对很多学科的发展起着很大的推动作用。本文将要介绍的X射线磁圆二色谱就是利用同步辐射研究磁性材料,特别是磁性薄膜和多层膜磁性新的、有力的研究手段。通过测定材料中某一组元的X射线磁圆二色谱,可以获得该组元的自旋磁矩、轨道磁矩、电荷密度分布以及它们的磁各向异性等信息,其中有些是传统的磁测量方法无法获得的。     

WS_2与WSe_2单层膜中的A激子及其自旋动力学特性研究

单层过渡金属硫化物由于其特有的激子效应以及强自旋-谷耦合性质,在光电子学及谷电子学等方面有着很广阔的应用前景.利用超快时间分辨光谱,本文系统地比较了两类钨基单层硫化物(WS_2和WSe_2)的A-激子动力学和谷自旋弛豫特性.实验结果表明, WS_2单层膜的A-激子弛豫表现为双指数过程,而对于WSe_2,其A-激子衰减表现为三指数过程,且激子的寿命远长于前者. WS_2谷自旋极化弛豫表现为单指数衰减,其寿命约0.35 ps,主要由电子-空穴交换作用所主导.而对于WSe_2,谷自旋弛豫表现出双指数弛豫特性:一个寿命为0.5 ps的快过程和一个寿命为28 ps的慢过程.快过程的弛豫来源于电子-空穴交换作用,而慢过程则由于自旋晶格散射形成暗激子的过程.通过调谐抽运光波长,进一步证实WSe_2较WS_2更容易形成暗激子.     

单层MoS_2的电调制荧光光谱特性

采用化学气相沉积法在氧化硅衬底上合成大面积、高质量的单层MoS2二维材料,系统表征了材料的光学特性,并制备出高性能的n型场效应晶体管器件.进一步研究了外加电场对其荧光光谱特性的影响.结果表明:在室温条件下,单层MoS2的荧光光谱的最强特征峰由A-(带电激子态)、A(本征激子态)两个发光峰构成,并且二者的特征能量差约为35meV;通过调节底栅电压,测得发光峰随着栅压由负变正表现出明显的峰位红移和强度改变,且两个子峰的强度随栅压变化表现出相反的变化趋势;外加电场能够有效改变沟道中的载流子浓度,进而改变单层MoS2荧光光谱的强度和发光峰形状.为研究二维材料发光特性的物理机制提供了重要依据,此外这种器件的大规模制备为其应用于光电子学器件与系统提供了可能.     

用变分优化正交的连带Laguerre基函数计算无支撑单层MoS2中激子的能量和波函数

采用基于变分优化正交化连带Laguerre基函数的准确对角化方法计算了无支撑单层MoS2中A型激子的能量和波函数.介电屏蔽效应破坏了SO(3)对称性导致激子能量以反常的轨道角动量顺序出现.该方法利用连带Laguerre多项式构造了既满足束缚态又满足连续态的正交基函数集,并推导了哈密顿量矩阵元的解析表达式.收敛速度不仅与基函数的数量有关,而且与变分参数的大小有关.在变分优化下,收敛速度非常快,表明了该方法的可靠性.采用正交化连带Laguerre基矢可大大减小基函数的数量和计算量.我们计算的激子本征能量即使是在很少的基函数下也与文献中的结果非常吻合.变分优化二维正交归一化连带Laguerre基矢适用于二维材料中激子和原子物理的精确描述.     

单层MoS_2表面吸附Ag_6团簇电子结构的第一性原理计算

本文运用第一性原理研究了单层MoS_2在S位吸附Ag_6团簇的稳定性、能带结构和态密度.结果表明,Ag_6团簇在S位单点位吸附的稳定性强于双点位吸附、三点位吸附;其中吸附体系禁带中产生了2条杂质能级,原因在于Ag原子与S形成共价键下的施主能级与受主能级;Ag_6团簇在单层MoS_2的吸附导致态密度峰值在费米能级处发生劈裂,说明Ag_6团簇的吸附会增强单层MoS_2的光电特性;单层MoS_2的能带结构可以通过表面吸附Ag_6团簇以及金属团簇进行调控;在实际的生产应用中依据不同的金属团簇吸附于单层MoS_2表面得到需要的的半导体器件.     

基于片层光照明的新型单分子横向磁镊

磁镊是一种高精度的单分子技术,它用磁场对连有生物大分子的超顺磁球产生磁力,通过追踪磁球的位置来测量生物大分子的长度信息.磁镊包括横向磁镊和纵向磁镊.纵向磁镊空间精度高,但昂贵;横向磁镊简单便宜,但由于受其成像原理的限制,一般情况下只能连接较长的DNA等生物大分子,且其空间精度较差,进而限制了其应用范围.为了解决这个问题,本文改进了横向磁镊,用片层光照明的方法使光线主要被磁球散射,从而能够直接观察到吸附在样品槽侧壁上的磁球,这使得测量短连接的底物成为可能.对于实际应用的检测,首先测试了包含270 bp发卡结构的0.5μm双链DNA,用其中发卡结构的"折叠-去折叠"跳变过程证明了改进后的横向磁镊的确可以追踪短DNA等生物大分子.然后,进一步用16μm的λ-DNA检验了实验系统.最后,将新型横向磁镊与普通横向磁镊及纵向磁镊在小力和大力条件下拉伸不同长度DNA的噪声进行了比较,发现改进后的横向磁镊在空间精度上明显优于普通横向磁镊,与纵向磁镊相比也无明显差异.以上结果证明了改进后的横向磁镊的精度优势,并扩展了横向磁镊的应用范围.     

单层MoS_2吸附X_3(X=Cu,Ag,Au)团簇电子结构的第一性原理计算

本文基于第一性原理方法采用密度泛函理论研究了单层MoS_2吸附Cu_3,Ag_3,Au_3团簇的稳定性、能带结构和态密度.通过研究发现单层MoS_2在S位吸附Cu_3,Ag_3,Au_3团簇稳定性强于在Mo位吸附;Cu_3,Ag_3,Au_3团簇在单层MoS_2表面吸附产生3条杂质能级,分别是Cu、Ag、Au原子与S形成共价键下的形成了施主能级与受主能级;Cu,Ag、Au拥有良好的金属性致使单层MoS_2向导体转变.吸附体系的态密度在低能区主要来源于S的3s、Mo的5s以及Cu、Ag、Au的3d、4d、5d轨道的贡献;能量值在-7.5eV~-1eV范围内Cu、Ag、Au的d轨道与S的p发生杂化,形成了较高的态密度峰值.费米能附近的电荷分布主要于Mo-S、Cu-S、Ag-S、Au-S的成键方向.     

单层碳纳米管的磁输运特性

依据磁场中Boltzmann输运方程及单层磁纳米管(SWNTs)的能量色散关系,对单个SWNTs中轴向磁场诱发的低温磁阻进行了数值计算.分析表明:当电子以低能输运时,SWNTs的磁阻有明显的Aharonov-Bohn(A-B)效应,与并SWNTs的能隙相对应.     

单层MoS2的热弹耦合非线性板模型

单层二硫化钼(MoS2)是有广泛应用前景的二维纳米材料,但其力学性质还没有被深入研究,特别是其热弹耦合力学行为迄今还没有被关注到.本文首次提出了考虑热应力影响的单层MoS2的非线性板理论,并对比研究了其与石墨烯的热弹耦合力学性质.对于不可移动边界,结果显示:1)有限温度产生的热应力降低了MoS2的刚度,但提高了石墨烯的...     

单层二硫化钼多相性质及相变的第一性原理研究

本文基于密度泛函的第一性原理,并引入范德瓦耳斯力修正,研究了单层二硫化钼2H,1T,ZT三种相的电学性质及相变原理.首先通过结构弛豫确定了三种相的几何结构,能带和态密度计算证实1T相具有金属性质,ZT相具有半导体性质,带隙为0.01 eV.然后结合变形势理论计算了2H和ZT相的迁移率,ZT相的迁移率高达104cm~2·V~(-1)·s~(-1),进一步拓展了单层二硫化钼的应用范围.最后通过对比三种相吸附锂原子结合能,计算2H-1T相变能量曲线,解释了引起二硫化钼相变的原因.本文的研究结果将对单层二硫化钼实验制备表征以及相关光电器件性能分析提供重要参考.     

Temperature dependence of the excitonic spectra of monolayer transition metal dichalcogenides

We theoretically study the temperature dependence of the excitonic spectra of monolayer transition metal dichalcogenides using the O′Donnell equation, \({E_g}(T) = {E_g}(0) - S\langle \hbar \omega \rangle [cloth(\frac{{\hbar \omega }}{{2{k_B}T}} - 1)]\). We develop a theoretical model for the quantitative estimation of the Huang–Rhys factor S and average phonon energy \(\langle \hbar \omega \rangle \) based on exciton coupling with longitudinal optical and acoustic phonons in the Fröhlich and deformation potential mechanisms, respectively. We present reasonable explanations for the fitted values of the Huang–Rhys factor and average phonon energy adopted in experiments. Comparison with experimental results reveals that the temperature dependence of the peak position in the excitonic spectra can be well reproduced by modulating the polarization parameter and deformation potential constant.     

过渡金属原子掺杂对单层MoS_2磁性的影响

本文利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法分别计算了本征及过渡金属掺杂单层MoS_2的晶格参数、电子结构和磁性性质.计算结果显示,过渡金属掺杂所引起的晶格畸变与杂质原子的共价半径有联系,但并不完全取决于共价半径的大小.分析电子结构可以看到,VIIB、VIII和IB族杂质中除Ag和Re外的掺杂体系都对外显示磁性,磁矩主要集中在掺杂的过渡金属原子上.掺杂体系的禁带区域都出现了数目不等的杂质能级,这些杂质能级主要由杂质的d、S的3p和Mo的4d轨道组成.     

一种简单的化学气相沉积法制备大尺寸单层二硫化钼

最近单层二硫化钼以其直接带隙的性质及在电子器件、催化、光电等领域中的潜在应用而备受关注.化学气相沉积法能够制备出高质量、大尺寸且性能优良的单层二硫化钼,但其制备工艺比较复杂.本文采用简化的化学气相沉积法在蓝宝石衬底上制备出了大尺寸的单晶二硫化钼.清洗衬底时,只需要简单的清洁,不需要用丙酮、食人鱼溶液(H_2SO_4/H_2O_2=3:1)等处理,这样既减少了操作步骤,又避免了潜在的危险.升温时直接从室温加热到生长的温度,不必分段升温,并且采用常压化学气相沉积法,不需要抽真空等过程,使得实验可以快捷方便地进行.光学显微镜、拉曼光谱和光致发光谱的结果表明,生长的二硫化钼为规则的三角形单层,边长为50μm左右,远大于机械剥离的样品.     

Influence of the velocity barrier on the massive Dirac electron transport in a monolayer MoS2 quantum structure

Using the transfer matrix method, spin- and valley-dependent electron transport properties modulated by the velocity barrier were studied in the normal/ferromagnetic/normal monolayer MoS₂ quantum structure. Based on Snell’s Law in optics, we define the velocity barrier as ξ=v₂/v₁ by changing the Fermi velocity of the intermediate ferromagnetic region to obtain a deflection condition during the electron transport process in the structure. The results show that both the magnitude and the direction of spin- and valley-dependent electron polarization can be regulated by the velocity barrier. –100% polarization of spin- and valley-dependent electron can be achieved for ξ>1, while 100% polarization can be obtained for ξ<1. Furthermore, it is determined that perfect spin and valley transport always occur at a large incident angle. In addition, the spin- and valley-dependent electron transport considerably depends on the length k_FL and the gate voltage U(x) of the intermediate ferromagnetic region. These findings provide an effective method for designing novel spin and valley electronic devices.     

The rise of two-dimensional MoS2 for catalysis

Two-dimensional (2D) MoS₂ is used as a catalyst or support and has received increased research interest because of its superior structural and electronic properties compared with those of bulk structures. In this article, we illustrate the active sites of 2D MoS₂ and various strategies for enhancing its intrinsic catalytic activity. The recent advances in the use of 2D MoS₂-based materials for applications such as thermocatalysis, electrocatalysis, and photocatalysis are discussed. We also discuss the future opportunities and challenges for 2D MoS₂-based materials, in both fundamental research and industrial applications.     

Electronic properties of 2H-stacking bilayer MoS2 measured by terahertz time-domain spectroscopy

Bilayer (BL) molybdenum disulfide (MoS₂) is one of the most important electronic structures not only in valleytronics but also in realizing twistronic systems on the basis of the topological mosaics in moiré superlattices. In this work, BL MoS₂ on sapphire substrate with 2H-stacking structure is fabricated. We apply the terahertz (THz) time-domain spectroscopy (TDS) for examining the basic optoelectronic properties of this kind of BL MoS₂. The optical conductivity of BL MoS₂ is obtained in temperature regime from 80 K to 280 K. Through fitting the experimental data with the theoretical formula, the key sample parameters of BL MoS₂ can be determined, such as the electron density, the electronic relaxation time and the electronic localization factor. The temperature dependence of these parameters is examined and analyzed. We find that, similar to monolayer (ML) MoS₂, BL MoS₂ with 2H-stacking can respond strongly to THz radiation field and show semiconductor-like optoelectronic features. The theoretical calculations using density functional theory (DFT) can help us to further understand why the THz optoelectronic properties of BL MoS₂ differ from those observed for ML MoS₂. The results obtained from this study indicate that the THz TDS can be applied suitably to study the optoelectronic properties of BL MoS₂ based twistronic systems for novel applications as optical and optoelectronic materials and devices.     

高质量单层二硫化钼薄膜的研究进展

作为一种新型的二维半导体材料,单层二硫化钼薄膜由于其优异的特性,在电子学与光电子学等众多领域具有潜在的应用价值.本文综述了我们课题组在过去几年中针对单层二硫化钼薄膜的研究所取得的进展,具体包括:在二硫化钼薄膜的制备方面,通过氧辅助化学气相沉积方法,实现了大尺寸单层二硫化钼单晶的可控生长和晶圆级单层二硫化钼薄膜的高定向外延生长;在二硫化钼薄膜的加工方面,发展了单层二硫化钼薄膜的无损转移、洁净图案化加工、可控结构相变与局域相调控的方法,为场效应晶体管等电子学器件的制备与性能优化提供了基础;在二硫化钼异质结方面,研究了二硫化钼薄膜与其他二维材料形成的异质结的电学以及光电性质,为二维材料异质结的构筑和器件特性研究提供了实验参考;在二硫化钼薄膜功能化器件与应用方面,构筑了全二维材料、亚5 nm超短沟道场效应晶体管器件,验证了单层二硫化钼对短沟道效应的有效抑制及其在5 nm工艺节点器件中的应用优势;此外,利用制备的高质量单层二硫化钼和发展的器件洁净加工技术,实现了高性能柔性薄膜晶体管的集成,获得了超高灵敏度与稳定性的非接触型湿度传感器.我们在二硫化钼薄膜的制备、加工以及器件特性研究方面所取得的进展对于二硫化钼及其他二维过渡金属硫属化合物的基础和应用研究均具有指导意义.     

Au的金属颗粒对二硫化钼发光增强

二硫化钼(MoS₂)是一种层状的二维过渡金属硫族化合物材料,从块体到单层,禁带由间接带隙变为直接带隙,由于通常机械剥落的单层MoS₂是n型掺杂的,使得其发光效率仍然很低. 在本文中,采用匀胶机旋涂的方法将共振吸收峰在514 nm附近的纳米金颗粒尽可能均匀的铺在单层、双层以及多层的MoS₂样品表面,发现单层和双层样品的光致发光谱(PL谱)分别增强了约30倍和2倍同时伴随着峰位的蓝移,而多层样品的发光强度也略有增强. 拉曼特性揭示了纳米金颗粒对单层和双层MoS₂样品产生了明显的p型掺杂,从而增强了发光;同时纳米金颗粒的表面等离子激元效应对激发光的天线作用也是增强MoS₂的光致发光的一个因素. 关键词： 二硫化钼 光致发光 p型掺杂 Au纳米颗粒