单元素类石墨烯二维拓扑材料的研究进展

除了石墨烯外,很多主族元素也可以形成类似石墨烯的稳定单层结构,并且具有丰富的物理化学性质及广阔的应用前景.其中在物理学中最引人注目的是理论预言在这些材料中预言存在的二维拓扑物性.单元素类石墨烯二维材料已经经历了十余年的研究进程,目前已经理论发现和实验制备出了若干新型二维拓扑材料,成为当前凝聚态物理和新材料领域重要研究方向之一.在这篇评述中,我们将详细介绍这一领域的研究历程、研究思路,以及最新研究进展,并对其进一步的研究方向做出展望.     

二维过渡金属二硫化物中自旋能谷耦合的谷电子学

电子的电荷自由度与自旋自由度是现代电子器件的基础核心之一。随着二维材料,尤其是二维过渡族硫化物(TMDCs)的研究深入,另一个自由度——能谷——也引起了人们极大的研究兴趣。由于TMDCs中自旋与能谷的强耦合,自旋(能谷)可以通过能谷(自旋)方便地进行调控和探测,为电子自旋和能谷的相关领域提供了新的手段和方法。文章首先对能谷自由度以及TMDCs中自旋与能谷的强耦合进行了介绍,然后介绍基于圆偏振光激发和自旋注入两种方式进行的自旋调控和探测的理论和实验工作,最后对基于能谷的自旋调控进行了总结和展望。     

自旋轨道耦合视角下的二维狄拉克材料

石墨烯的发现引发了科学界探索新奇二维狄拉克材料的热潮。这类具有狄拉克线性能带色散特征的二维材料被认为是发展新物理,实现超高速、低能耗新型纳米器件的理想平台。文章首先回顾二维狄拉克材料研究的源起,然后从自旋轨道耦合作用的视角重点介绍四类代表性的二维狄拉克材料的研究进展,最后对相关领域进行总结和展望。     

AlGaN/GaN量子阱中子带的Rashba自旋劈裂和子带间自旋轨道耦合作用研究

首先把本征值方程投影到导带的子空间中, 进而得到AlGaN/GaN量子阱中第一、二子带的Rashba自旋劈裂系数(α ₁, α ₂)和子带间自旋-轨道耦合系数η₁₂. 然后自恰求解薛定谔方程和泊松方程计算了不同栅压的量子阱中的α ₁, α ₂和η₁₂, 并分别讨论了量子阱阱层、左右异质结界面和垒层对它们的贡献. 结果表明可以通过栅压来调节自旋-轨道耦合系数, 子带间自旋轨道耦合系数η₁₂比Rashba自旋劈裂系数α ₁, α ₂小, 但基本在同一数量级.     

Spin-Orbit Splitting in Semiconductor Quantum Dots with a Two-Dimensional Ring Model

We present a theoretical study of the energy levels with two-dimensional ring confining potential in the presence of the Rashba spin-orbit interaction. The features of some low-lying states in various strengths of the Rashba spin-orbit interaction are investigated. The Rashba spin-orbit splitting can a/so be influenced by the width of the potential barrier. The computed results show that the spin-polarized electronic states can be more easily achieved in a weakly confined dot when the confinement strength for the Rashba spin-orbit interaction is larger than a critical value.     

基于二维材料的自旋-轨道矩研究进展

在具有自旋-轨道耦合效应的材料中,电荷流能够诱导产生垂直于电流方向的纯自旋流,当其注入近邻的磁性层时,会对其磁矩产生自旋-轨道矩.自旋-轨道矩能够快速、高效地翻转磁矩,为开发高性能的自旋电子器件提供了一种极佳的磁矩操控方式.二维材料由于具有很多的优点,如种类丰富、具有多样化的晶体结构和对称性、能够克服晶格失配形成高质量...     

二维拓扑材料的新进展——纯平锡烯中存在大的拓扑能隙

近年来,得益于拓扑物理理论和二维材料制备的迅速发展,以量子自旋霍尔绝缘体为代表的二维拓扑材料的研究受到热切关注^[1,2]。早在2005年前后,理论表明在二维材料体系如石墨烯^[3]和HgTe量子阱体系^[4]中由于自旋轨道耦合作用而存在拓扑量子自旋霍尔效应。然而石墨烯中的碳是轻元素,自旋轨道作用非常微弱,所以其拓扑能隙太小。HgTe由于由重元素组成,自旋轨道耦合作用较强,其拓扑量子自旋霍尔态在2007年的实验中得到验证^[5],但仍需在很低的温度下才能得以实现。人们期望能在更高温度乃至室温下工作的具有更大拓扑能隙的量子自旋霍尔体系的发现。     

The effect of k-cubic Dresselhaus spin–orbit coupling on the decay time of persistent spin helix states in semiconductor two-dimensional electron gases

We study the theoretical effect of k-cubic （i.e, cubic-in-momentum） Dresselhaus spin-orbit coupling on the decay time of persistent spin helix states in semiconductor two-dimensional electron gases. We show that the decay time of persistent spin helix states may be suppressed substantially by k-cubic Dresselhaus spin-orbit coupling, and after taking the effect of k-cubic Dresselhaus spin-orbit interaction into account, the theoretical results obtained accord both qualitatively and quantitatively with other recent experimental results.     

类石墨烯氮化碳结构(C3N)热传导机理研究

类石墨烯氮化碳结构(C₃N)作为一种全新的碳基二维半导体材料,由于其优异的机械和电子性能引起了研究者们的广泛关注,不同结构C₃N的热输运和声子输运机制还待进一步研究.本文构造了4种不同结构的C₃N,采用非平衡分子动力学与晶格动力学方法对不同结构的C₃N的热传导机理进行了研究.研究结果表明:1)在4种结构中M3热导率最高,M1次之,M4热导率最低;2)不同结构的C₃N的热导率具有明显的尺寸效应和温度效应.当样本长度较短时,声子主要以弹道输运的方式进行传输;当样本长度增大,扩散输运占主导地位;随着温度的升高,Umklapp散射在热输运中占据主导地位,使得热导率与温度具有1/T的依赖性.3)与M3相比,M1和M4结构中都存在更大的声子带隙,色散曲线进一步软化,低频和高频声子同时出现了局域化的特征,对热导率产生了显著的抑制作用.本文为更好地设计热管理材料提供了思路.     

Electrical Control of Edge Magnetism in Two-Dimensional Buckled Honeycomb Lattice

We theoretically study indirect spin coupling strength between two magnetic impurities located on honeycomb Kane-Mele zigzag ribbon （KMZR） with periodic and open boundary （PB and OB）. We show that spin interaction J in PB ribbons displays an AFM-FM oscillating behavior with increasing the staggered potential and electron density, and approaches to maximum at the edges. While the spin coupling in OB KMZR shows a trivial smooth AFM coupling with varying staggered potential. Such a novel J（ A） behavior is the combining effect of finite size, topological edge states and inversion symmetry breaking induced by the staggered potential. We propose that one could control the edge magnetism electrically in two-dimensional buckled honeycomb materials, e.g., silicence, germanene and stanene.     

半导体性介孔石墨烯

石墨烯（Graphene）是由碳原子构成的二维晶体,一般厚度方向为单原子层或双原了层碳原子排列．它是一种稳定材料,也是一种禁带宽度几乎为零的半金属材料．它具有比硅高得多的载流子迁移率（200000cm2／Vs）,在室温下有微米级的平均自由程和很长的相干长度．因此,石墨烯是纳米电路的理想材料,也是验证量子效应的理想材料．     

凝聚态理论和材料计算研究进展

文章介绍了中国科学院物理研究所凝聚态理论与材料计算实验室的历史渊源和发展现状,重点介绍了该室研究人员自2001年以来在表面与半导体物理、强关联物理、自旋与轨道电子学、 冷原子与玻色-爱因斯坦凝聚体、固体物理中的贝里相位效应、低维量子输运与量子信息等方向所做的研究工作.     

塞贝克效应与温差发电

 将两种半导体的一端结合在一起并使之处于高温状态(热端),而另一端开路且处于低温状态(冷端),则在冷端(T1)存在开路电压ΔV,这个效应称塞贝克效应。如图1所示。塞贝克电压ΔV与热冷两端的温度差ΔT成正比,即ΔV=αSΔT=αSΔ(T2-T1)(1)图1塞贝克效应其中αS称为塞贝克系数,其单位是V/K或μV/K。塞贝克系数由材料本身的电子能带结构决定的。     

凝聚态理论和材料计算研究进展

文章介绍了中国科学院物理研究所凝聚态理论与材料计算实验室的历史渊源和发展现状,重点介绍了该室研究人员自2001年以来在表面与半导体物理、强关联物理、自旋与轨道电子学、冷原子与玻色-爱因斯坦凝聚体、固体物理中的贝里相位效应、低维量子输运与量子信息等方向所做的研究工作.