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二维磁性材料是指厚度极薄且能够维持长程磁有序的纳米材料. 这类材料展现出明显的磁各向异性, 并由于量子限制效应与高比表面积特性, 导致电子能带结构与表面状态发生显著变化, 因此具有丰富而可调控的磁性, 并在自旋电子学领域展现出巨大的应用潜力. 二维磁性材料包含层间通过弱范德瓦耳斯力堆叠而成的层状材料和三维方向均通过化学键结合的非层状材料. 当前大多数研究都集中在二维层状材料, 而这些材料的居里温度普遍远低于室温, 且空气稳定性差. 相比之下, 非层状结构增强了材料的结构稳定性, 同时表面丰富的悬挂键增加了修饰其物理性质的维度. 这类材料正日益受到学术界的广泛关注, 并且它们的合成与应用已取得了重大进展. 本综述首先梳理了各种二维非层状磁性材料的制备方法, 并系统介绍了近5年来在各类材料中获得的二维非层状本征磁性材料以及它们在超薄极限下涌现出的一系列新奇物理现象, 同时也讨论了理论计算在揭示这些新奇现象时的关键作用以及修饰磁性的一些重要手段. 最后展望了二维非层状磁性材料在自旋电子器件中的应用潜力与发展方向.
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偏振探测是获取光矢量信息的重要手段, 广泛应用于光通信、智能感知与生物传感等领域. 二维范德瓦耳斯材料因其独特的各向异性与可调电学特性, 为实现高性能偏振探测提供了新的材料平台, 但这类材料存在本征吸收弱、响应效率有限等局限性. 等离激元结构可在微纳尺度实现强局域光场调控, 是突破上述局限性、提升探测性能的重要手段. 本文系统梳理了等离激元微纳结构与范德瓦耳斯材料的光学耦合机制, 分析了不同类型等离激元结构在各类偏振光探测中的作用与优势. 最后, 讨论了该方向在偏振敏感光通信、片上光计算与信息处理、仿真视觉与图像识别等前沿领域的应用前景, 展望了未来研究面临的机遇与挑战.
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本文采用细致能级扭曲波(level-to-level distorted-wave, LLDW)方法详细地计算了W13+离子基组态[Kr]4d105s24f13和亚稳态[Kr]4d105s24f125p的电子碰撞单电离(EISI)截面，主要包括了直接电离(DI)和激发自电离(EA)截面对EISI截面的贡献。为提升计算可靠性，我们在原子结构计算中引入了组态相互作用。本文还重点计算了长寿命亚稳态对EISI截面的贡献，其中母离子束中长寿命亚稳态所占的分数是通过理论模型来确定的。将本文的计算结果与Schury等人的实验结果和理论结果进行比较，发现在考虑了长寿命亚稳态的贡献后本文的计算结果和Schury等人的实验结果吻合地很好。
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钯（Pd）合金较低的摩擦系数和较好的力学性能使得它在用于长时间稳定工作的高精度仪器仪表中具备潜在优势，但是因为高昂的原料和实验成本导致基础数据缺乏，无法进行高性能Pd合金的设计。因此，本研究利用第一性原理计算了Pd的晶格常数和弹性模量，并建立Pd与Al，Si，Sc，Ti，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni等33种合金元素形成的稀固溶体模型，计算了混合焓、弹性常数和弹性模量。研究结果表明，除Mn，Fe，Co，Ni，Ru，Rh，Os和Ir外，其他合金元素都可以固溶到Pd中，元素周期表两侧的合金元素能提高Pd固溶体的延展性，其中La，Ag和Zn的作用最明显。通过差分电荷密度分析，Ag掺杂后形成的电子云呈球形分布，造成延展性提高，Hf掺杂后周围的离域程度最大，表明Hf与Pd的键合存在较强的离子性，导致Pd31Hf硬度较高。
本文数据集可在科学数据银行数据库 https://www.doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00186中访问获取(审稿阶段请通过私有访问链接查看本文数据集https://www.scidb.cn/s/uqMzye)
本文数据集可在科学数据银行数据库 https://www.doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00186中访问获取(审稿阶段请通过私有访问链接查看本文数据集https://www.scidb.cn/s/uqMzye)
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基于各向异性超材料，设计并制备了一种工作于太赫兹波段的宽带高效率的透射式线性偏振转换器。通过对其感应的表面电流分析，阐明了实现高效宽带转换的物理机制主要归因于三种不同谐振模式之间的协同作用。结合偏振态分析（包括偏振旋转角和椭偏角的计算）进一步验证了其宽带高效率的线性偏振转换能力。利用太赫兹时域光谱系统对所设计的偏振器件性能进行测试，实验结果表明，在0.53~1.77 THz范围内，该偏振转换器可将入射太赫兹波的线偏振方向旋转90°，偏振转换效率高于92%。另外，该透射式偏振转换器采用简单的双层金属结构，易于加工并集成到太赫兹通信系统的偏振器件中，该研究为发展高性能太赫兹透射式偏振转换器件提供了有效方案，对推进太赫兹通讯器件的实用化具有重要意义。
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为研究石墨烯中的非稳态热波和热扩散的相互作用机制，引入热流矢量弛豫时间τq和温度梯度弛豫时间τT，建立了双相弛豫理论模型。分别基于Bromwich积分方法和有限差分方法讨论此模型的解析解和数值解，研究了双相弛豫时间参数B对热波与热扩散相互作用和热输运模式调控机制的影响规律，揭示了三阶偏导项对局部热波扰动的独特贡献。建立锯齿形石墨烯短脉冲热冲击分子动力学模型以揭示热波与热扩散相互作用特征，并校核模型计算参数。研究结果表明：纵波、面内横波、面外横波三种模式中均存在弹性波、热波、热扩散三种热能传递方式；除面外热波波速高于面外横向弹性波波速外，其他两种热波传播速度均低于对应的弹性波波速。分子动力学模拟校核了双相弛豫理论模型计算参数的可靠性，进一步揭示了热波辐射与热扩散的相互耦合作用。本研究表明双相弛豫模型可精确描述微纳器件的非平衡热行为，可为集成电路微器件的热辐射和热扩散防护提供理论参考。
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埋底界面是影响钙钛矿太阳能电池光电性能的关键因素，因此埋底界面工程是有效提高钙钛矿太阳能电池效率和稳定性的有效方法。本文将极性有机分子4-巯基苯硼酸(4-MPBA)加入到CsPbI2Br钙钛矿前驱体中，CsPbI2Br钙钛矿结晶过程中4-MPBA分子被挤出钙钛矿晶格，并在钙钛矿下表面聚集。4-MPBA分子的硼酸官能团与TiO2电子传输层具有较强的相互作用，因此在埋底的TiO2电子传输层/CsPbI2Br钙钛矿界面原位形成4-MPBA界面层。实验结果表明原位形成的4-MPBA界面层明显改善了界面接触、减少了界面缺陷、优化了界面能级结构，从而有效增强了界面电荷迁移。所组装的无空穴传输层 CsPbI2Br钙钛矿太阳能电池光电转换效率达到14.83%，比无4-MPBA界面层电池效率提高了26%。另外，4-MPBA界面层修饰的CsPbI2Br钙钛矿太阳能电池具有较高的稳定性，未密封状态下在空气环境中贮存40天，其效率仍能保持初始值的90%以上。
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为满足日盲紫外通信等前沿应用对高性能光电探测器的迫切需求, 本文设计并实现了一种基于背入射结构的全透明β-Ga2O3日盲光电探测器. 该器件采用射频磁控溅射技术在双面抛光蓝宝石衬底上外延生长高质量β-Ga2O3薄膜, 并构筑了能够与n型Ga2O3形成高效准欧姆接触的氧化铟锡(ITO)叉指电极. 该结构的核心优势在于利用双抛蓝宝石衬底在深紫外波段的高透过率, 使入射光子绕开紫外区吸收显著的ITO电极, 彻底规避了传统正入射模式中由电极遮蔽效应所导致的光子损失. 得益于此, 器件展现出卓越的光电性能, 如高响应度、高探测率与优异的紫外/可见光抑制比. 在此高性能探测器平台基础上, 进一步发掘了该器件的多功能应用潜力. 基于β-Ga2O3单斜晶系的本征晶格各向异性, 构建偏振探测实验系统, 器件表现出显著的偏振光敏特性. 同时, 成功搭建了非视距(NLOS)紫外通信演示系统, 验证了其在复杂信道下进行高保真信息传输的可行性. 本研究为构建兼具高灵敏度与偏振分辨、非视距通信能力的新一代Ga2O3基光电器件提供了有效的物理思路和实验依据, 在安全通信、偏振成像等领域展现出广阔的应用前景.
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原子级厚度的二维过渡金属硫化物(2D-TMDs)材料展现出丰富的物理性质, 如量子自旋霍尔效应、超导电性、电荷密度波、铁电性和铁磁性等, 而受到了广泛的关注. 2D-TMDs材料通过不同的层间堆叠方式和元素配位几何, 可以呈现出物理性质迥异的晶相结构. 通过晶相工程改变2D-TMDs材料的晶相结构是实现其电子结构、量子态及功能特性调控的有效策略. 本文聚焦于热力学亚稳相2D-TMDs的制备, 详细总结了利用物理化学手段诱导晶相结构转变的调控机理和直接相选择合成特定晶相结构的技术进展, 及其对材料电子结构、超导电性、磁性、铁电性等物性的影响. 最后, 对利用晶相工程进行2D-TMDs结构和物性调控的研究现状和未来发展进行总结和展望.
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随着大数据和人工智能技术的飞速发展, 图像传感器向着多光学维度高质量成像和智能化信息处理方向发展. 传统的图像传感器架构由于感存算分离在处理指数级增长的视觉信息时面临存储墙和功耗墙瓶颈. 近年来, 基于二维材料的光电探测器在性能提升方面取得了显著的进展, 并与传感器内计算技术相结合, 为图像在传感器内智能处理开辟了新路径. 本文系统地综述了高性能二维材料光电探测器及图像智能处理技术的最新进展. 首先, 介绍了二维材料光电探测器的感知特性及其关键性能指标; 随后, 探讨了探测器内图像预处理方法; 接着, 总结了基于二维材料器件的传感器内计算技术及其在各类神经网络中的创新应用; 最后, 分析了利用二维材料开发新一代图像处理器件所面临的挑战与机遇.
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随着高速成像、航空航天及光通信等领域的快速发展, 对覆盖宽光谱范围且具备高性能的光电探测器需求日益迫切. 二维材料因其独特的结构维度、可调的电子结构以及优异的载流子输运特性等, 被视为宽谱光电探测的理想候选材料. 然而, 实现兼具高响应度与高速响应的宽谱探测器仍面临诸多挑战. 本文首先介绍了二维材料的光电特性基础, 包括带隙调控机制与光谱响应范围、载流子输运及复合过程、光吸收系特性等, 为理解其宽谱探测能力奠定理论基础. 随后, 系统地梳理了窄带隙二维材料、二维拓扑材料以及二维钙钛矿材料体系在宽谱探测中的研究进展. 接下来重点探讨了异质集成、缺陷调控、光场增强以及应变调控等四类提升二维材料光电探测性能的有效途径. 最后, 对二维材料宽谱光电探测器在高性能、低功耗、多功能化及规模化应用方面的挑战与发展前景进行了展望, 指出多种策略的协同集成有望推动新一代宽谱光电探测器的实用化进程.
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本研究基于磁热效应的绿色磁制冷技术，并以Ni-Mn-Ga Heusler合金为对象，系统探索其作为磁制冷工质的潜力。为阐明富Mn成分对合金磁性与磁热性能的调控机制，采用第一性原理计算与蒙特卡洛模拟相结合的多尺度方法，重点分析Mn原子分别占据Ni与Ga位时，对合金微观结构、原子磁矩、交换作用及宏观磁热行为的影响。结果表明，Mn占位方式对磁性能具有关键调控作用： Mn占据Ni位会降低总磁矩与居里温度，并减小磁熵变；而Mn占据Ga位则显著提升总磁矩与磁熵变，其中Ni8Mn7Ga1合金在2 T磁场下的最大磁熵变高达2.32 J·kg-1·K-1，远高于化学计量比Ni8Mn4Ga4合金。态密度与交换作用分析进一步表明，Mn含量变化可调控其在费米能级附近的电子结构，优化轨道杂化与铁磁交换作用，影响磁相变行为。临界指数分析显示合金中磁相互作用具有长程特性，并随成分变化趋近于平均场行为。本工作从微观层面建立了“成分-结构-磁性-磁热性能”之间的构效关系，为设计高性能、低滞后磁制冷材料提供了理论依据。
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针对反射信号携带有效信息的太赫兹系统，如太赫兹时域反射系统、全双工通信系统等，现有非互易太赫兹器件在实现隔离过程中常将反射信号视为干扰信号而进行削减，无法适配上述系统对于在隔离的同时定向导出并检测反射信号的需求。针对这一局限，本研究创新性地提出一种基于磁光选择-多端口架构的太赫兹隔离器，该器件通过正交双重光栅将线偏振光转换为特定圆偏振态，结合InSb材料的磁光选择性，构建非互易传输路径；并在磁光调控机制中创新融入分支波导多端口特性，同步实现入射/反射信号隔离与反射信号定向导出。通过仿真结构尺寸与外界环境对该器件非互易特性的影响得到：在温度为250 K，磁场0.3 T条件下，该器件在0.73 THz处实现了63.12 dB的高隔离度，且在0.78 THz处双向传输效率达到36.31%，3 dB带宽达到0.25 THz。该器件具有高隔离度、低工作磁场强度、集成双重功能等优势，为太赫兹应用于无损检测、通信等更多领域提供必要支撑。
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磁制冷技术具有绿色环保和节能高效等优点，被认为是有望取代气体压缩制冷技术的新一代制冷技术。但目前磁制冷材料往往相变温区过窄(≤10 K)，需多个成分的材料叠加才能满足实际的制冷温跨。本研究选择典型的La (Fe,Si)13基磁制冷材料，创新采用梯度激光粉末床熔融技术，3D打印出水平成分梯度的La0.70Ce0.30Fe11.65-xMnxSi1.35(Mn含量从0至0.64连续变化)合金。系统表征其显微结构、磁学性能及磁热效应可知，该技术可实现成分沿粉末床平面的可控梯度分布与高通量制备，从而实现了该梯度合金居里温度从134至174 K宽温区的连续变化。随Mn含量增加，合金相变从弱一级相变逐渐变为二级相变，磁熵变曲线峰型从“尖而高”变为“宽而平”，半高宽温区扩大至83.3 K，使得梯度合金始终保持较高的制冷能力RC (~130 J kg-1，3 T)。该研究通过梯度增材制造突破传统材料制备与性能瓶颈，为磁制冷材料高通量制备与性能优化提供全新技术路径。
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