V族元素掺杂的单层二维铁电α-In2Se3中的带隙异常增大现象

基于第一性原理密度泛函理论计算, 我们探索了 V 族元素(P,As 和Sb) 掺杂的单层二维铁电α-In2Se3 的电子结构. 由于本征的α-In2Se3 中存在两个不等价的In 原子层,V 族元素掺杂在不同的In 原子层会表现出不同的能带结构, 对于带隙变化尤为明显. 当掺杂元素位于α-In2Se3 的四面体配位的In 原子层时, 其带隙相比于本征的单层α-In2Se3 的带隙明显增大, 这与通常半导体或绝缘体中杂质掺杂的物理图像相反. 利用α-In2Se3 的铁电特性, V族元素掺杂的单层α-In2Se3 的带隙可以通过施加外电场翻转α-In2Se3 电极化的方向来调控. 这项工作为在二维材料中构建具有不同电子性质的非易失双态提供了一种实际有效的方法.     

二维α-In2Se2的铁电性与器件应用

铁电体具有可控的非易失电极化,在现代电子学中有着广泛的应用,例如大容量电容器、新型二极管、铁电场效应晶体管、铁电隧道结等．伴随着电子元器件的不断微型化,传统铁电体面临着极大的挑战,即在器件减薄过程中受限于临界尺寸效应,铁电性很难稳定存在于纳米乃至单原子层二维极限厚度下．鉴于二维范德华材料具有界面饱和、层间相互作用弱、易于实现二维极限厚度等特性,因此,在二维材料家族中寻找室温二维铁电性将是解决传统铁电体瓶颈的有效方法．本文将首先回顾近年来二维铁电物性研究的相关背景,并针对其中在技术应用上较为重要的α-In２Se３ 面外铁电性作详细介绍,最后总结基于二维α-In２Se３ 的铁电器件应用进展。     

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.     

多铁异质结构中逆磁电耦合效应的研究进展

电场调控磁性能够有效降低功耗,在未来低功耗多功能器件等方面具有巨大的潜在应用前景.铁磁/铁电多铁异质结构是实现电场调控磁性的有效途径,其中室温、磁电耦合效应大的应变媒介磁电耦合是最为活跃的研究领域之一.本文简要介绍在以Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))_(0.7)Ti_(0.3)O_3为铁电材料的多铁异质结构中通过应变媒介磁电耦合效应对磁性、磁化翻转及磁性隧道结调控的研究进展.首先讨论了多铁异质结构中电场对磁性的调控;之后介绍了电场调控磁化翻转的研究进展及理论上实现的途径;然后简述了电场对磁性隧道结调控的相关结果;最后在此基础上,对多铁异质结构中电场调控磁性及磁性器件进行了总结和展望.     

Au/PZT/BIT/p-Si异质结的制备与性能研究

采用脉冲激光沉积(PLD)工艺,制备了以Bi₄Ti₃O₁₂(BIT)为过渡阻挡层的Au/PZT/BIT/p-Si异质结.研究了BIT铁电层对Pb(Zr_0.52Ti_0.48)O₃(PZT)薄膜晶相结构、铁电及介电性能的影响,对Au/PZT/BIT/p-Si异质结的导电机制进行了讨论.氧气氛530℃淀积的PZT为多晶铁电薄膜,与直接淀积在Si基片上相比,加入BIT铁电层后PZT铁 关键词： 铁电薄膜 异质结构 脉冲激光沉积(PLD)     

二维α-In_2Se_3的铁电性与器件应用

铁电体具有可控的非易失电极化,在现代电子学中有着广泛的应用,例如大容量电容器、新型二极管、铁电场效应晶体管、铁电隧道结等.伴随着电子元器件的不断微型化,传统铁电体面临着极大的挑战,即在器件减薄过程中受限于临界尺寸效应,铁电性很难稳定存在于纳米乃至单原子层二维极限厚度下.鉴于二维范德华材料具有界面饱和、层间相互作用弱、易于实现二维极限厚度等特性,因此,在二维材料家族中寻找室温二维铁电性将是解决传统铁电体瓶颈的有效方法.本文将首先回顾近年来二维铁电物性研究的相关背景,并针对其中在技术应用上较为重要的α-In_2Se_3面外铁电性作详细介绍,最后总结基于二维α-In_2Se_3的铁电器件应用进展.     

一种铅铋合金薄膜低温相的结构及超导物性表征

铅铋(Pb-Bi)合金超导材料被广泛研究,但对其低温物相的结构和超导物性却知之甚少.本文采用低温共沉积和低温退火的方法,在Si(111)-(7×7)衬底生长的Bi(111)超薄薄膜上制备了铅铋合金薄膜,利用扫描隧道显微术对其结构和电子学性质进行表征.通过结构表征,确定了薄膜中存在相分离,同时存在具有三次对称性的纯Bi(111)相和合金相Pb_(1–x)Bi_x,可归属于部分铋取代的Pb(111)结构.通过电子学性质测量,进一步证实了Bi(111)相中特征的电子学结构及合金相中的超导行为.变温实验表明,合金相Pb_(1–x)Bi_x的超导转变温度是7.77 K,属于强耦合超导体.测量了由Bi(111)-Pb_(1–x)Bi_x组成的正常金属-超导体异质结和超导体-正常金属-超导体异质结中的邻近效应,指出了超导穿透深度可能受界面接触面积的影响.考虑到铋可能具有的拓扑属性, Bi(111)-Pb_(1–x)Bi_x面内异质结界面结构可进一步用于研究其新奇物理效应.     

重温Pb(Zrx Ti1-x)O3铁电薄膜极化疲劳问题

具有ABO3型钙钛矿结构的Pb(ZrxTi1-xO3(PZT)展示出良好的铁电极化性能,是使用最广的铁电材料.然而,在将它应用于铁电存储时,PZT薄膜遭遇到极化疲劳问题而被SrBi2Ta2O9(SBT)等铁电体所替代,这一问题至今未能得到妥善解决.文章首先通过变温极化疲劳实验充分理解PZT极化疲劳的基本过程,然后有针对性地进行材料设计,获得基本无极化疲劳的PZT铁电薄膜.     

室温稳定的二维铁电材料:CulnS_2P_6及其异质结构（英文）

二维铁电材料有助于实现半导体性质与非易失存储特性在微纳尺度上的有机结合,在高集成化电子器件、光电器件、能量收集、及机电耦合系统等领域展现出巨大的应用潜力。二维铁电材料的层状结构,保证了原子层间的可剥离性,为从理论和实验上探索超薄极限下的铁电性质提供理想的研究平台。考虑到二维磁性研究的低温瓶颈,二维铁电材料为实现铁性功能材料的高温器件化与实用化提供了新途径。在本文中,我们介绍了一种室温稳定的二维铁电材料:铜铟硫代磷酸盐(CuInP_2S_6)。该材料体系的科学内涵和应用前景,引发了新的研究热潮。在本文中,关于其较高的铁电居里转变温度、显著的压电响应、巨大的负纵向压电系数、可调谐的四重势阱铁电特性、以及基于该材料及其异质结构的器件研究,均有所涉及。我们还简要介绍了几种过渡金属硫代磷酸盐化合物材料体系(M~IM~ⅢP_2(S/Se)_6)中的其他代表性材料。最后,我们关于二维铁电材料研究的未来发展方向进行了讨论。     

室温稳定的二维铁电材料：CuInS2P6 及其异质结构

二维铁电材料有助于实现半导体性质与非易失存储特性在微纳尺度上的有机结合，在高集成化电子器件、光电器件、能量收集、及机电耦合系统等领域展现出巨大的应用潜力。二维铁电材料的层状结构，保证了原子层间的可剥离性，为从理论和实验上探索超薄极限下的铁电性质提供理想的研究平台。考虑到二维磁性研究的低温瓶颈，二维铁电材料为实现铁性功能材料的高温器件化与实用化提供了新途径。在本文中，我们介绍了一种室温稳定的二维铁电材料：铜铟硫代磷酸盐(CuInP2S6)。该材料体系的科学内涵和应用前景，引发了新的研究热潮。在本文中，关于其较高的铁电居里转变温度、显著的压电响应、巨大的负纵向压电系数、可调谐的四重势阱铁电特性、以及基于该材料及其异质结构的器件研究，均有所涉及。我们还简要介绍了几种过渡金属硫代磷酸盐化合物材料体系(M^IM^IIIP2(S/Se)6)中的其他代表性材料。最后，我们关于二维铁电材料研究的未来发展方向进行了讨论。     

拓扑绝缘体/超导体异质结中的近邻效应

拓扑超导体自身具有对量子退相干天然的免疫性以及可编织性,这使得它在现代量子计算领域中受到了越来越多的重视,并且成为了下一代计算技术中最有希望的候选者之一。由于拓扑超导态在固有拓扑超导体中相当罕见,因此,当前大部分实验上的工作主要集中在由 s 波超导体与拓扑绝缘体之间通过近邻效应所诱导的拓扑超导体上。本论文中,我们回顾了基于拓扑绝缘体/超导体异质结的拓扑超导体的研究进展。在理论上,Fu 和 Kane 提出,通过近邻效应将 s 波超导体的能隙引入到拓扑绝缘体,可以诱导出拓扑超导电性。在实验上,我们也回顾了一些不同体系中的拓扑超导近邻效应的研究进展。文章的第一部分,我们介绍了一些异质结,包括：三维拓扑绝缘体 Bi2Se3和 Bi2Se3 与 s 波超导体NbSe2 以及 d 波超导体 Bi2Sr2CaCu2O8+δ 的异质结,拓扑绝缘体 Sn1−xPbxTe 与 Pb 的异质结,二维拓扑绝缘体 WTe2 与NbSe2 的异质结。此外,还介绍了 TiBiSe2 在 Pb 上的拓扑绝缘近邻效应。另一部分中,我们对基于拓扑绝缘体的约瑟夫森结进行了回顾,包括著名的基于 Fu-Kane 体系的拓扑绝缘体约瑟夫森结,以及基于约瑟夫森结的超导量子干涉器件。     

铁基超导涡旋演生马约拉纳零能模

作为马约拉纳零能模(MZM)的一种全新载体,具有拓扑能带结构的铁基超导块材——拓扑铁基超导体——近年来引起了学术界的广泛关注.由于同时具备单一材料、高温超导、强电子关联、拓扑能带等特质,拓扑铁基超导体成功规避了本征拓扑超导体和近邻异质结体系在实现MZM上的困难,为马约拉纳物理开辟了自赋性拓扑超导的新方向.时至今日,人们已经在多种拓扑铁基超导体的磁通涡旋中测量到了纯净的MZM.实验发现,铁基超导体系中演生的涡旋MZM信号明确、物理清晰,具有很好的应用前景.拓扑铁基超导体有望成长为研究马约拉纳物理和制备拓扑量子比特最重要的材料体系之一.本文以Fe(Te,Se)为主要对象详细介绍了铁基超导马约拉纳载体的思想起源和研究进展.在阐明Fe(Te,Se)拓扑能带结构和零能涡旋束缚态基本实验事实的基础上,本文将逻辑清晰地系统总结铁基超导涡旋演生MZM的主要实验观测和基本物理行为;借助波函数、准粒子中毒等实验,解析Fe(Te,Se)单晶中的涡旋MZM演生机制;结合现有马约拉纳理论,深入探讨铁基超导体中的马约拉纳对称性和准粒子拓扑本质的实验测量.最后,本文采用"从量子物理到量子工程"的视角,综合分析涡旋MZM在真实材料和实际实验中的鲁棒性,为未来潜在的工程应用提供有益指导.本文以物理原理为线,注重理论与实验结合,旨在搭建经典马约拉纳理论与新兴拓扑铁基超导体系之间的桥梁,帮助读者理解铁基超导涡旋中演生的MZM.     

钙钛矿铁电半导体的光催化研究现状及其展望

钙钛矿材料可以分为ABO_3氧化物和或I)卤化物两大类,它们都具有丰富的物理性质和优异的光电性能,比如铁电性和光催化性能.本文介绍了和等铁电半导体光催化材料和异质结的制备方法,总结了它们在光电催化方面的研究进展.目前研究者已经针对氧化物光催化材料做了各种研究,包括:降低吸光层铁电材料的带隙,制备铁电/窄带半导体吸光层异质结,制备比表面积很大的纳米片、纳米棒或者其他纳米结构,以便吸收更多可见光;让铁电极化及其退极化场垂直于光催化工作电极表面,通过铁电/半导体异质结能带弯曲提供内电场,通过外电场进行光电催化,从而通过内、外电场高效分离光生-电子空穴对;通过光催化或者光电催化降解染料、分解水制氢、将CO2转换为燃料;通过铁电、热释电和压电协同效应提高催化效应和能量转换效率等卤素钙钛矿具有优异的半导体性质,其铁电性可能是引起超长的少数载流子寿命和载流子扩散长度的原因.通过优化光催化多层膜结构并添加防止电解液渗透的封装层可以避免被电解液分解,从而制备了具有很高能量转换效率的光电催化结构.最后,我们分析和比较了这些钙钛矿铁电半导体在光电催化领域面临的挑战,并展望了其应用前景.     

柔性Pb(Zr_(0.53)Ti_(0.47))O_3薄膜的高温铁电特性

随着柔性电子产品的迅速发展,具有优异铁电和压电性的Pb(Zr_(0.53)Ti_(0.47))O_3 (PZT)薄膜在柔性的非易失性存储器、传感器和制动器等器件中有广泛的应用前景.同时,由于外部环境越来越复杂,具有高温稳定特性的材料和器件受到越来越多的关注.本文在耐高温的二维层状氟晶云母衬底上,用脉冲激光沉积技术制备出外延的PZT薄膜,并通过机械剥离的方法,得到柔性的外延PZT薄膜.研究了Pt/PZT/SRO异质结的铁电和压电性及其高温特性,发现样品表现出优越的铁电性,剩余极化强度(P_r)高达65μC/cm~2,在弯曲104次后其铁电性基本保持不变,且样品在275℃高温时仍然保持良好的铁电性.本文为柔性PZT薄膜在航空航天器件中的应用提供了实验基础.     

掺镧锆锡钛酸铅陶瓷极化强度变化量对电子发射电流强度的影响

铁电阴极因其优异的电子发射性能在高功率微波管的电子束源、平板显示技术以及宇航推进器等领域 有着广阔应用前景而日益受到人们的重视.大量研究表明,铁电阴极电子发射性能受阴极材料性能的影响. 在激励电场作用下,铁电阴极材料会产生表面非屏蔽电荷而引起极化强度的变化, 这表明铁电阴极电子发射性能可能与阴极材料的极化强度变化量存在着某种关系. 为研究阴极材料极化强度变化量对铁电阴极电子发射性能的影响,以掺镧锆锡钛酸铅铁电和反铁电陶瓷样品 作为阴极材料,通过正半周电滞回线测试得到阴极材料在不同电场强度下的极化强度变化量, 测量得到电子发射电流强度随激励电场的变化曲线,并分析了电子发射电流强度与极化强度变化量的关系. 结果表明,两种样品电子发射电流强度与极化强度变化量正相关.     

采用新型La_(0.07)Sr_(0.93)SnO_3电极制备外延透明BiFe_(0.95)Mn_(0.05)O_3铁电薄膜电容器

本文使用脉冲激光沉积的方法在SrTiO3(STO)单晶衬底上采用一种新型的透明导电氧化物材料La0.07Sr0.93SnO3(LSSO)薄膜作为电极材料制备了BiFe0.95Mn0.05O3(BFMO)铁电薄膜电容器.XRD表征结果证实BF-MO/LSSO/STO外延异质结具有很好的单晶质量.光透过率的测试结果表明在500~2500nm的波长范围内,整个异质结的透光率与单纯STO衬底基片相似.在波长500nm附近BFMO出现吸收边,通过对吸收边进行(hνα)2-hν曲线拟合得到BFMO的直接光学带隙约为2.8eV.利用Pt作为上电极,我们测得了饱和的电滞回线,剩余极化Pr~60μC/cm2.     

多铁性BiFeO_3异质结构在多场作用下物理性质研究

多铁材料BiFeO3不但具有优越的铁电特性,同时由于电、磁、光之间的耦合作用,可以实现电场控制磁化,光照控制电学性质,是研究新型多参量耦合器件的首选材料。文章介绍了作者实验室对铁电材料BiFeO3异质结构的可反转二极管效应和电致电阻效应的研究。在理论研究方面,作者考虑了金属电极的不完全屏蔽效应,提出了极化控制界面肖特基势垒高度模型,解释了金属/铁电结构/金属的可反转二极管效应。在BiFeO3/La0.7Sr0.3MnO3铁电/铁磁异质结构实验研究方面,作者研究了BiFeO3薄膜厚度对体系电学和磁学性质的影响,实现了在光、电双场调控下研究Au/BiFeO3/La0.7Sr0.3MnO3/SrTiO3体系的光、电性质,可为以后研究多参量对器件性能的影响提供参考。     

层状铁磁体Fe_(0.26)TaS_2的Andreev反射谱

如何避免界面反应、可靠地提取材料的自旋极化率是自旋电子学的一个基本问题.本文选取了一种独特的铁磁性层状过渡族金属硫化物Fe_(0.26)TaS_2,研究了单晶材料的磁性、电子输运和Andreev反射谱.磁性和输运结果表明,低温下Fe_(0.26)TaS_2单晶存在强磁各向异性、双峰磁电阻和反常霍尔效应.通过干法转移方案制备的干净界面的Fe_(0.26)TaS_2超导异质结的Andreev反射谱,发现该材料的自旋极化率为47%±7%.本文展示的干法转移制备超导/磁性异质结的方法可广泛用于测量各种二维磁性材料的自旋极化率.     

Pb(Zr0.53Ti0.47)O3/AlxGa1-xN/GaN异质结构的电容-电压特征

通过在调制掺杂Al0.22Ga0.78N/GaN异质结构上淀积Pb(Zr0.53Ti0.47)O3(PZT)铁电薄膜,我们发展了一种基于AlxGa1-xN/GaN异质结构的金属-铁电-半导体(MFS)结构.在高频电容-电压(C-V)特性测量中,发现Al0.22Ga0.78N/GaN异质界面二维电子气(2DEG)的浓度在-10V偏压下从1.56×1013cm-2下降为5.6×1012cm-2.由于PZT薄膜的铁电极化,在-10V偏压下可以观察到宽度为0.2V的铁电C-V窗口,表明在没有铁电极化方向反转的条件下,PZT/AlxGa1-xN/GaN MFS结构也能出现存储特性.因为2DEG带来的各种优点,可以认为AlxGa1-xN/GaN异质结构在以存储器为目标的MFS场效应晶体管中有重要应用.     

相场模拟应变调控PbZr_((1–x))Ti_xO_3薄膜微观畴结构和宏观铁电性能

外延生长铁电薄膜中基底失配应变能够调控微观铁电畴结构和宏观铁电性能.本文选择了三种相结构(四方相、四方和菱方混合相、菱方相) PbZr_((1–x))Ti_xO_3 (x=0.8, 0.48, 0.2)铁电薄膜,利用相场模拟研究了在不同基底失配应变(esub)作用下,三种成分铁电薄膜中微观畴结构的演化以及宏观极化-电场回线.随着应变从–1.0%变化到1.0%,三种相结构铁电薄膜的矫顽场、饱和极化值以及剩余极化值全都降低,其中PbZr_(0.52)Ti_(0.48)O_3薄膜的饱和极化值和剩余极化值比另外两种薄膜降低更快.模拟结果表明拉应变能提高铁电薄膜储能效率,其中准同型相界处应变提升储能效率最快.本工作揭示了应变对PbZr_((1–x))Ti_xO_3铁电薄膜中畴结构、电滞回线以及储能等方面的影响,为铁电功能薄膜材料的实验设计提供了理论基础.