单层与多层MoS_2对Goos-Hnchen位移的调制

单层与多层MoS_2是一种新型的类石墨烯二维材料,其层数依赖的介电常数使其具有诸多可调的光学性质.本文借助于传输矩阵理论,根据反射系数的相位角推导计算了Al_2O_3/MoS_2/空气结构中的Goos-Hnchen(GH)位移,并分析了单层与多层MoS_2对GH位移的影响.研究结果表明,在不同的入射角范围内,GH位移随MoS_2层数的变化表现出不同的依赖行为.     

基于磁圆二向色谱的单层MoS_2激子能量和线宽温度依赖特性

以二硫化钼(MoS_2)为代表的过渡金属硫属化物属于二维层状材料,样品可以薄至单层.单层MoS_2是一种直接带隙半导体,在纳米逻辑器件、高速光电探测、纳米激光等领域具有广阔的应用前景.在实际应用中,温度是影响半导体材料能带结构和性质的主要因素之一.因此研究单层二维材料能带的温度依赖特性对理解其物理机理以及开展器件应用具有重要的意义.目前,在广泛采用的测量单层MoS_2反射谱的研究中,激子峰往往叠加在一个很强的光谱背底上,难以准确分辨激子的峰位和线宽.基于自行搭建的显微磁圆二向色谱系统,研究了单层MoS_2在65—300 K温度范围内的反射谱和磁圆二向色谱,结果表明磁圆二向色谱在研究单层材料激子能量和线宽方面具有明显的优势.通过分析变温的磁圆二向色谱,得到了不同温度下的A,B激子的跃迁能量和线宽.通过对激子能量和线宽的温度依赖关系进行拟合,进一步讨论了声子散射对激子线宽的影响.     

石墨烯剪纸的大变形拉伸力学行为研究

将传统宏观剪纸技术应用于纳观尺度,通过引入圆角矩形切口图案构建了石墨烯剪纸.采用分子动力学方法研究了单层与双层石墨烯剪纸的大变形拉伸力学行为和变形破坏机制,并系统地研究了关于切口图案的3个无量纲几何参数对单层石墨烯剪纸的力学性能和变形破坏机制的影响规律.研究发现,通过引入规则切口,可以有效地大幅度提高石墨烯的延展性,其断裂应变可达到完美石墨烯的5—6倍.通过控制3个几何参数,可以有效地调控石墨烯的延展性和力学行为.研究结果表明,古老的剪纸技术为提高二维纳米材料延展性、实现光电纳米器件可延展柔性化提供了一种新的解决方案.     

类石墨烯硼-磷单层材料的电子与光学性能的第一性原理计算研究

基于第一性原理计算,对硼-磷单层材料的电子结构和光学性质进行系统地理论研究. 全局结构搜索和第一性原理分子动力学模拟现实二维硼-磷单层材料能量最低的结构与石墨烯类似,具有很高的稳定性. 类石墨烯二维硼-磷单层是直接带隙半导体,带隙宽度1.37 eV,其带隙宽度随层数增加而减少. 硼-磷单层的带隙宽度受外界应力影响.硼-磷单层的载流子迁移率达到106 cm2/V. MoS2/BP二维异质结可用于光电器件,其理论光电转换效率为17.7%?19.7%. 表明类石墨烯硼-磷二维材料在纳米电子器件与光电子器件的潜在应用价值.     

基底支撑刚度梯度变化对石墨烯层间摩擦力的影响

基于纳米摩擦能耗理论,利用分子动力学方法建立了公度接触下支撑刚度梯度变化的石墨烯层间摩擦力模型,分析了基底质心刚度和支撑刚度梯度变化对基底和薄片各接触区摩擦能耗的贡献.结果表明:软边界区始终贡献驱动力;硬边界区贡献的摩擦力最大,且随着支撑刚度的增大,硬边界区对总摩擦的贡献比也越高.各接触区的摩擦力是薄片和基底之间的褶皱势和接触区产生的法向变形差两部分的共同作用.前者是公度接触下阻碍滑移的界面势垒和刚度梯度方向上不同刚度支撑原子热振动引起的势梯度;后者是接触边界过渡区两侧原子的非对称变形和自由度约束突变引起的非平衡边界势垒相耦合的结果.本文对研究公度接触下刚度梯度支撑的纳米器件的相对运动规律有指导意义.     

单层石墨烯片的非线性板模型

基于实验得到的非线性本构关系和板理论,本文建立了包含三次及五次非线性项的单层石墨烯片的板动力学模型.针对四边简支矩形板,使用Ritz法研究了在板中点作用集中力时的静力弯曲,以及边界均匀受力时的静力屈曲问题.结果显示,基于非线性本构关系的板模型能很好的描述单层石墨烯片的力学行为,而且模型中的五次非线性项对结构的弯曲变形有显著影响.     

MoS_2电子屏蔽长度和等离激元

通过有效哈密顿量求解了单层MoS_2低能量区的电子薛定谔方程,分析得出电子能量本征值以及波函数、电子态密度以及电子间的屏蔽长度.发现电子能带分裂成两支导带和两支价带,并且其能带是准线性的.MoS_2的电子间的屏蔽长度非常大,高达10~8cm~(-1).利用费曼图形自洽方法,在无规相近似的基础上研究了单层二硫化钼电子系统的多体相互作用产生的等离激元.研究发现二硫化钼系统由于自旋的劈裂使得导带中存在两支自旋频率不同的等离激元,该元激发的特征与单层石墨烯和传统二维电子气的等离激元对波矢q的依赖关系是一样的,激发频率都正比于q~(1/2),并且随着电子浓度的增加激发频率增大.由于其准线性的能量色散关系,该系统等离激元的频率与电子浓度的变化关系非常不同于石墨烯和二维电子气的关系.自旋-轨道耦合对单层二硫化钼的能带结构和电子性质有重要的影响.研究发现,通过调控二硫化钼系统的电子浓度可以有效地调节该系统两支等离激元的频率.研究结果对理解二硫化钼的电子结构和性质,以及开发二硫化钼为基础的等离子器件有重要的研究和参考价值.     

不同温度条件下单层石墨烯纳米带弛豫性能的分子动力学研究

分别采用Tersoff-Brenner势和AIREBO势,对三种长宽比的单层石墨烯纳米带在不同热力学温度(0.01—4000 K)下的弛豫性能进行了分子动力学模拟.对基于两种势函数模拟的石墨烯纳米带弛豫的能量曲线和表面形貌进行了分析对比,研究了石墨烯纳米带在弛豫过程中的动态平衡过程.模拟结果表明:单层石墨烯纳米带并非完美的平面结构,边缘处和内部都会呈现一定程度的起伏和皱褶,这与已有的实验结果相符合;石墨烯纳米带的表面起伏程度随长宽比的减小而减小,并且在不同温度条件下,系统动能对石墨烯纳米带的弛豫变形的影响很大,即系统温度越高,石墨烯纳米带的弛豫变形幅度愈大;高长宽比纳米带在一定温度条件下甚至会出现卷曲现象.最后,对采用Tersoff-Brenner势和AIREBO势进行石墨烯的分子动力学模拟进行了深入分析.     

应力对石墨烯热输运性质影响的分子动力学模拟

本文建立了低维薄膜材料导热模型,运用非平衡分子动力学模拟的方法,利用lanmmps软件对单层石墨烯纳米带的导热特性进行仿真分析,根据Fourier定律计算热导率,再对石墨烯纳米带的原子施加一定耦合应力场,把应力耦合作用下的石墨烯热导率与正常的石墨烯纳米带进行了对比研究,模拟数据结果表明:在石墨烯纳米带上施加耦合应力时,会导致石墨烯纳米带热导率升高,且随应力增加而增大,模拟范围内热导率升高2.61倍,并且应力方向会对热导率变化产生一定影响,这个研究为纳米尺度上石墨烯相关研究和进一步提升热导率提供了新思路.     

直接带隙半导体In2(PS3)3单层结构与电子特性的第一性原理研究

高载流子迁移率和可调直接带隙是低维电子器件应用的两个关键特性.但目前发现的此类二维材料稀少.鉴于此在第一性原理计算的基础上,本文系统研究了In₂(PS₃)₃单层的稳定性、电子结构性质和机械性质.研究结果表明,In₂(PS₃)₃单层是具有直接带隙的半导体材料(1.58 eV).在-3%到3%应变下,In₂(PS₃)₃单层的带隙是可以调节的(1.3～1.8 eV).声子谱、分子动力学和弹性常数的计算结果表明,In₂(PS₃)₃单层是热力学、动力学和机械稳定的.此外,In₂(PS₃)₃单层的剥离能(0.21 J m^-2)小于石墨烯的剥离能(0.36 J m^-2),有望像石墨烯一样机械剥离得到.这些优异的的性能使得In     

石墨烯纳米结构的原子级精准构造

相比单层石墨烯,特定构型的石墨烯纳米结构具有更加新奇的物理性质,被认为是构筑基于石墨烯功能纳米器件的基本单元.由于纳米结构的性质对其局域原子构型非常敏感,可控制备高质量的、原子级精确的石墨烯纳米结构并研究其奇特的电子学和自旋电子学性质是实现其器件应用的必要前提.目前,实验构筑锯齿形石墨烯纳米带及其面内异质结、纳米孔洞以...     

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.     

二维材料及其异质结的声子物理研究

声子是固体最重要的元激发之一,是理解材料摩尔热容、德拜温度以及热膨胀系数等热力学性质的基础,同时电声子相互作用也决定了固体的电导和超导等特性。拉曼光谱是表征固体声子物理的重要实验手段,不仅能表征材料的结构和质量,还能提供材料声子性质、电子能带结构、电声耦合等信息。文章将拉曼光谱应用于二维材料及其范德瓦尔斯异质结的声子物理研究。先简单介绍二维材料的层间振动声子模式和层内振动声子模式,其中层间振动声子模式的频率可用线性链模型来计算,而强度则可用层间键极化率模型来解释;同类层内振动声子模式的Davydov劈裂峰之间的频率差异可用范德瓦尔斯模型拟合。随后,将这些模型推广到二维范德瓦尔斯异质结中,以转角多层石墨烯、MoS_2/石墨烯和hBN/WS_2为例介绍了范德瓦尔斯异质结的声子谱,阐述如何应用线性链模型和经典键极化率模型计算层间振动模的频率和强度,并由此给出二维范德瓦尔斯异质结的界面耦合强度和各层间呼吸模的电声耦合强度等重要参数。     

硫化锡电子结构和光学性质的量子尺寸效应

基于密度泛函理论的第一性原理计算,系统研究了硫化锡(SnS)晶体、纳米单层及多层的结构稳定性、电子结构和光学性质.结果表明:由于相对弱的层间范德瓦尔斯力作用,SnS单层纳米片可以像石墨烯等二维材料一样从块体中剥离出来;受制于量子尺寸效应和层间相互作用的影响,SnS的结构稳定性随层数减少而逐渐减弱,其带隙随层数减少而逐渐增大;由于材料的本征激发和吸收取决于电子结构,因此改变SnS材料的层数可以到达调控其光学性质的目的;SnS块体和纳米结构的主要光学吸收峰起源于Sn-5s,5p和S-2p轨道之间的电子跃迁;并且从块体到单层纳米结构,SnS的光学吸收峰出现明显的蓝移.本文的研究将有助于SnS材料在太阳能电池领域的应用.     

化学气相沉积法制备大尺寸单晶石墨烯的工艺参数研究

石墨烯作为一种二维sp2杂化碳的同素异形体,具有优良的电学、光学、热学及力学等性质.产业化应用石墨烯要求其具有大的尺寸且性质均一.化学气相沉积法(CVD)的出现为制备大尺寸、高质量的石墨烯提供了可能.本文结合近几年CVD法制备石墨烯的研究进展,综述了影响大尺寸、单晶石墨烯制备的工艺参数,包括衬底选择与预处理、碳源与辅助气体流量调控、腔体温度和压力控制、沉积时间以及降温速率设定等.最后展望了制备大尺寸单晶石墨烯的研究方向.     

缺陷位置对单层石墨烯拉伸形变的影响

采用AIREBO势函数,对含有多种空位缺陷的单层石墨烯进行分子动力学拉伸模拟,计算不同空位缺陷的位置和排布结构对单层石墨烯应力-应变的影响.结果表明：石墨烯拉伸过程中空位缺陷对其力学性能影响较大.石墨烯内缺陷位置、缺陷排布对拉伸过程中发生的撕裂现象有不同程度的影响.对比分析发现,远离石墨烯边界的空位缺陷对其力学稳定性影响较大.通过控制石墨烯中缺陷的位置,可实现对其力学性能的调控.     

非共振圆偏振光作用下单层二硫化钼电子结构及其自旋/谷输运性质

基于紧束缚近似下的低能有效哈密顿模型和久保线性响应理论,研究了外部非共振圆偏振光作用下单层二硫化钼(MoS_2)电子结构及其自旋/谷输运性质.研究结果表明:单层MoS_2布里渊区K谷和K′谷附近自旋依赖子带间的能隙随着非共振右旋圆偏振光引起的有效耦合能分别线性增大和先减小后增大,随着非共振左旋圆偏振光引起的有效耦合能分别先减小后增大和线性增大,实现了系统能带结构有趣的半导体-半金属-半导体转变.此外,单层MoS_2在外部非共振圆偏振光作用下,呈现有趣的量子化横向霍尔电导和自旋/谷霍尔电导,自旋极化率在非共振右/左旋圆偏振光有效耦合能±0.79 eV附近达到最大并发生由正到负或由负到正的急剧转变,谷极化率随着非共振圆偏振光有效耦合能先增大后减小并在其绝对值0.79-0.87 eV范围内达到100%.因而,可以利用外部非共振圆偏振光将单层MoS_2调制成自旋/谷以及光电特性优异的新带隙材料.     

门电压控制的硅烯量子线中电子输运性质

硅烯是由单层硅原子形成的二维蜂窝状晶格结构,具有石墨烯类似的电学性质,由于硅烯中存在比较强的自旋轨道耦合而备受关注.本文利用非平衡格林函数方法研究了门电压控制的硅烯量子线中电子输运性质和能带结构.研究发现,只有在较强的门电压下,而且硅烯量子线具有较好的锯齿形或扶手椅形边界而不存在额外硅原子时,硅烯量子线中才存在无能隙的自旋极化边缘态.另外,计算结果表明这种门电压控制的硅烯量子线中边缘态在每个能谷处自旋是极化的.这些计算结果将为实验上利用电场制作硅烯纳米结构提供理论支持.     

CFD在高速飞行器热气弹问题中的应用

采用气动力/热/结构耦合的方法对高速细长体飞行器结构热静气动弹性问题进行了研究.为保证耦合计算精度，达到准确预测热气动弹性特性的能力，气动力和气动热计算采用CFD数值模拟方法，热应力和热变形计算采用有限元方法并通过热考核试验验证.以该简单细长体飞行器模型为研究对象，对其热静气动弹性特性进行了计算与分析，计算结果表明:CFD/CSD耦合可准确模拟热气弹问题，且气动加热造成结构温升不均衡是结构变形的主导因素，力热耦合静气弹变形与单纯受力分析变形形式不同，对飞行器气动特性影响规律不同.准确预测飞行器热气动弹性特性对飞行器结构设计十分必要.      

双轴应变调控二维单层C2X2TM（X = O, H; TM=Fe, Cr） 的多铁性研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算,系统地研究了过渡金属原子插层的单层氧化/氢化石墨烯的磁学性质和铁电性质.在考虑了电子在位库仑作用和自旋轨道耦合作用下,得到了过渡金属Fe、Cr插层形成的C₂X₂TM二维单层膜的稳定结构以及基态磁性结构,研究了不同应变作用下C₂X₂TM的磁性、能带、铁电极化以及电子结构的变化.结果发现,对于任何应变下的C₂X₂TM其基态磁性都为手性逆时针反铁磁结构.在无应变时体系存在一个较大的离子翻转势垒,通过外加双轴应变,可有效调控体系的势垒高度和能隙,发现25%应变下C₂O₂Cr和30%应变时C₂O₂Fe单层薄膜具有与GeS等二维铁电材料相近的铁电极化和翻转势垒,这些研究结果表明C₂O₂Fe(Cr)单层薄膜是一种新型二维多铁性材料.