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百岁铁电: 新材料、新应用专题

  

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高性能铌酸钾钠基无铅陶瓷的压电和电卡性能
魏晓薇, 陶红, 赵纯林, 吴家刚
2020, 69 (21): 217705. doi: 10.7498/aps.69.20200540
摘要 +
压电陶瓷作为一种能够实现机械能和电能相互转换的功能材料, 在民用和军事方面都有着广泛应用. 随着人们环保及健康意识的提高, 高性能兼具环境协调性的无铅压电陶瓷的研究成为了一项紧迫任务. 在众多无铅材料中, (K, Na)NbO3 (KNN)基陶瓷因其优异的综合性能而受到关注, 但是利用相界同时调控高压电和电卡性能的研究偏少. 本文采用传统固相方法制备了0.944K0.48Na0.52Nb0.95Sb0.05O3-0.04Bi0.5(Na0.82K0.18)0.5ZrO3-1.6%(AgxNa1–x)SbO3-0.4%Fe2O3 (x = 0—1.0)无铅压电陶瓷, 重点研究了AgSbO3/NaSbO3对陶瓷相结构、压电和电卡性能的影响. 研究结果表明: 陶瓷在研究组分范围内均为“三方-正交-四方”三相共存; 随着AgSbO3含量的增加, 该陶瓷的压电及铁电性能均有所波动(d33 = 518—563 pC/N, kp = 0.45—0.56, Pmax = 21—23 μC/cm2Pr = 14—17 μC/cm2). 同时, 利用间接法表征了该陶瓷的电卡效应, 在居里温度附近得到了较高的电卡温变值(>0.6 K). 因此, 在KNN基陶瓷中通过相界构建能够同时实现高压电和良好的电卡性能.

专题:太赫兹自旋光电子

  

封面文章

强磁场在ZnCr2Se4中诱导的各向异性太赫兹共振吸收
张朋, 刘政, 戴建明, 杨昭荣, 苏付海
2020, 69 (20): 207501. doi: 10.7498/aps.69.20201507
摘要 +
$ \langle 111\rangle $晶向配置下, 当磁场强度高于7 T时, 其太赫兹共振明显劈裂为高频和低频两个吸收峰, 并且其高频吸收表现出非线性磁场依赖关系. 这种奈尔温度以下特有的各向异性太赫兹自旋动力学效应可能与最近发现的量子临界区域有关.">作为典型的具有螺旋磁结构的材料, ZnCr2Se4承载着诸如磁电耦合、磁致伸缩和负热膨胀等有趣特性, 并可能具备多种不同的量子基态. 本文利用太赫兹时域光谱技术研究了ZnCr2Se4在低温强磁场(T = 4—60 K, H = 0—10 T)下的自旋动力学行为. 当外加磁场高于4 T时, 可以观察到亚太赫兹频率范围的磁共振吸收, 并呈现出随磁场增加蓝移特征. 当磁场( H )方向垂直于太赫兹波矢( k )方向时, 仅观察到单个共振吸收, 且其磁场行为符合线性拉莫尔进动关系. 这种磁场依赖性对应传统的铁磁共振, 意味着螺旋自旋态在高磁场下演化为线性铁磁态. 然而, 在 Hk 同时平行于样品的$ \langle 111\rangle $晶向配置下, 当磁场强度高于7 T时, 其太赫兹共振明显劈裂为高频和低频两个吸收峰, 并且其高频吸收表现出非线性磁场依赖关系. 这种奈尔温度以下特有的各向异性太赫兹自旋动力学效应可能与最近发现的量子临界区域有关.

综述

  

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面向显示应用的微米发光二极管外延和芯片关键技术综述
潘祚坚, 陈志忠, 焦飞, 詹景麟, 陈毅勇, 陈怡帆, 聂靖昕, 赵彤阳, 邓楚涵, 康香宁, 李顺峰, 王琦, 张国义, 沈波
2020, 69 (19): 198501. doi: 10.7498/aps.69.20200742
摘要 +
随着显示技术的不断发展, 高度微型化和集成化成为显示领域主要的发展趋势. 微米发光二极管(light-emitting diode, LED)显示是一种由微米级半导体发光单元组成的阵列显示技术, 在亮度、分辨率、对比度、能耗、使用寿命、响应速度和稳定性等方面相比于液晶显示和有机发光二极管显示均具有巨大的优势, 应用前景十分广阔, 同时也被视为下一代显示技术. 目前商用的5G通信技术与显示领域的虚拟现实、增强现实和超高清视频等技术的结合, 将进一步推动微米LED显示产业的发展. 在面临发展机遇的同时, 微米LED显示领域也存在着一些基础科学技术问题需要解决. 本文主要总结了微米LED显示从2000年以来的一些研究进展, 重点介绍了微米LED显示在外延生长和芯片工艺两方面存在的主要问题和可能的解决方案. 在外延生长方面主要介绍了缺陷控制、极化电场控制和波长均匀性等研究进展, 芯片工艺方面主要介绍了全彩色显示、巨量转移和检测技术等进展情况, 并对微米LED显示在这两方面的发展趋势进行了讨论.

专题: 低维材料非线性光学与器件

  

封面文章

MnPS3可饱和吸收体被动锁模掺铒光纤激光器双波长激光
俞强, 郭琨, 陈捷, 王涛, 汪进, 史鑫尧, 吴坚, 张凯, 周朴
2020, 69 (18): 184208. doi: 10.7498/aps.69.20200342
摘要 +
过渡金属硫代亚磷酸盐MnPS3是三元含磷二维材料, 具有新颖的光电特性. 采用化学气相传输方法生长MnPS3单晶, 结合机械剥离方法制备可饱和吸收体光纤调制器件. 以MnPS3可饱和吸收体构建掺铒光纤环形激光器, 实现脉冲间隔为196.1 ns, 脉冲宽度为3.8 ns, 最高输出功率为27.2 mW, 1565.19 nm和1565.63 nm双波长锁模脉冲激光输出, 实现280 h以上高稳定自启动双波长锁模输出.

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中国散裂中子源反角白光中子源束内伽马射线研究
任杰, 阮锡超, 陈永浩, 蒋伟, 鲍杰, 栾广源, 张奇玮, 黄翰雄, 王朝辉, 安琪, 白怀勇, 鲍煜, 曹平, 陈昊磊, 陈琪萍, 陈裕凯, 陈朕, 崔增琪, 樊瑞睿, 封常青, 高可庆, 顾旻皓, 韩长材, 韩子杰, 贺国珠, 何泳成, 洪杨, 黄蔚玲, 黄锡汝, 季筱璐, 吉旭阳, 江浩雨, 姜智杰, 敬罕涛, 康玲, 康明涛, 李波, 李超, 李嘉雯, 李论, 李强, 李晓, 李样, 刘荣, 刘树彬, 刘星言, 穆奇丽, 宁常军, 齐斌斌, 任智洲, 宋英鹏, 宋朝晖, 孙虹, 孙康, 孙晓阳, 孙志嘉, 谭志新, 唐洪庆, 唐靖宇, 唐新懿, 田斌斌, 王丽娇, 王鹏程, 王琦, 王涛峰, 文杰, 温中伟, 吴青彪, 吴晓光, 吴煊, 解立坤, 羊奕伟, 易晗, 于莉, 余滔, 于永积, 张国辉, 张林浩, 张显鹏, 张玉亮, 张志永, 赵豫斌, 周路平, 周祖英, 朱丹阳, 朱科军, 朱鹏
2020, 69 (17): 172901. doi: 10.7498/aps.69.20200718
摘要 +
在基于白光中子源的中子核反应测量中, 伴随中子束的伽马射线是重要的实验本底之一. 本文对中国散裂中子源反角白光中子源的束内伽马射线进行了研究. 通过蒙特卡罗模拟, 得到了伽马射线的能量分布和时间结构. 通过直接测量和间接测量两种方法测得低能中子区的束内伽马射线的时间结构. 直接测量实验中, 将载6Li的ZnS(Ag)闪烁体探测器置于束流线上, 通过飞行时间法直接测量束内的中子和伽马射线的时间结构, 并利用波形甄别技术进行粒子鉴别. 间接测量法是将铅样品置于束流线上, 利用C6D6闪烁体探测器测量样品上的散射伽马射线, 从而得到入射伽马射线的时间结构. 实验测量结果与模拟结果在12 μs—2.0 ms的时间区间内具有较好的一致性.

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CH3NH3PbBr3纳米线中束缚激子g因子的各向异性
宋飞龙, 王玉暖, 张峰, 武诗谣, 谢昕, 杨静南, 孙思白, 党剑臣, 肖姗, 杨龙龙, 钟海政, 许秀来
2020, 69 (16): 167102. doi: 10.7498/aps.69.20200646
摘要 +
有机-无机杂化钙钛矿材料与其他半导体材料相比具有高的缺陷容忍率, 在太阳能电池、发光二极管、低阈值激光器等领域有重要的应用前景. 通常情况下, 钙钛矿材料是通过溶液法合成的, 这种方法虽然可以得到性能优异的钙钛矿器件, 但同时也会在合成过程中产生大量缺陷. 尽管目前在理论和实验上对钙钛矿材料的缺陷做了很多研究, 但对单个缺陷附近的束缚激子发光问题的研究较少. 本文通过共聚焦显微系统研究了低温(4.2 K)下单根钙钛矿纳米线的荧光光谱, 观测到来自于缺陷周围束缚激子的窄线宽和高强度的荧光峰, 同时观测到了磁场下的塞曼分裂和抗磁现象, 并通过施加矢量磁场发现了束缚激子的g因子存在各向异性. 单个束缚态激子的磁光性质的研究为深入理解束缚激子在量子光源以及自旋电子学中的应用提供了依据.

专题: 光学超构材料

  

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偏置磁场方向对磁性光子晶体能带结构的影响及其在构建拓扑边界态中的作用
郗翔, 叶康平, 伍瑞新
2020, 69 (15): 154102. doi: 10.7498/aps.69.20200198
摘要 +
光子晶体中的拓扑相变源自于其能带结构中带隙的打开-闭合-再打开, 其中伴随着能带结构中带序(或本征态)之间的交换. 本文探讨了偏置磁场方向对磁性光子晶体能带结构的影响, 它在构建拓扑边界态中的作用以及对边界态特性的影响. 结果表明: 反转偏置磁场方向会导致能量不同但宇称相同的本征态之间的交换, 这种交换为构造不同特性的拓扑边界态(如多重边界态等)提供了更多选择性. 根据边界两侧光子晶体能带结构的相对关系, 可以预测在边界上是否出现拓扑边界态以及边界态的主要特性.

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环形势阱中自旋-轨道耦合旋转玻色-爱因斯坦凝聚体的基态
李吉, 刘斌, 白晶, 王寰宇, 何天琛
2020, 69 (14): 140301. doi: 10.7498/aps.69.20200372
摘要 +
研究了在环形势阱中自旋-轨道耦合旋转玻色-爱因斯坦凝聚体的基态结构. 探索了自旋-轨道耦合作用和旋转效应对基态的影响. 结果发现, 在环形势阱下, 基态结构呈现环形分布的half-skyrmion链. 调节自旋-轨道耦合强度, 不仅可以改变体系内half-skyrmion数量, 而且能够调控half-skyrmion环形排列的对称性. 随着旋转频率增大, 体系从平面波相转化为环形对称排列的half-skyrmion链相, 最后过渡到三角格子的half-skyrmion相. 讨论了自旋相互作用和势阱形状对基态的影响. 自旋-轨道耦合强度和旋转频率作为体系的调控参数, 可用于控制不同基态相间的转化.

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基于缺陷态钝化的高效稳定蓝光钙钛矿发光二极管
吴海妍, 唐建新, 李艳青
2020, 69 (13): 138502. doi: 10.7498/aps.69.20200566
摘要 +
钙钛矿材料由于具备带隙易调、光致发光量子产率高、色纯度高、载流子迁移率高、可低温溶液加工、电荷传输性能优良等优点, 在照明显示领域大放异彩. 近年来, 通过控制化学计量比、尺寸工程和钝化缺陷等多种策略对钙钛矿微观结构进行调控, 极大地提高了钙钛矿发光二极管(perovskite light emitting diodes, PeLEDs)的性能. 目前,除蓝光外, 绿光、红光、近红外PeLEDs的外量子效率(EQE)均已超过20%. 造成蓝光器件性能停滞不前的主要原因是蓝光钙钛矿薄膜较差的覆盖率以及光谱不稳定. 为提高钙钛矿薄膜质量及器件性能, 本文在准二维钙钛矿材料PEAxCsPbBr3–yCly的基础上, 通过引入双添加剂聚乙二醇(PEG)和溴化钾(KBr), 钝化薄膜表面缺陷态, 减小晶粒尺寸, 抑制离子迁移与非辐射复合损耗, 进而提升蓝光钙钛矿器件的效率及光谱稳定性. 最终在488 nm处获得最大亮度为1049 cd·m–2, 电流效率为5.68 cd·A–1, 外量子效率为4.6%的蓝光PeLEDs. 相比于不含添加剂的器件, 效率提升了近3倍, 且具有良好的光谱稳定性和工作寿命.

专题:电介质材料和物理

  

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Mn掺杂对KNbO3和(K0.5Na0.5)NbO3无铅钙钛矿陶瓷铁电压电性能的影响
徐泽, 娄路遥, 赵纯林, 汤浩正, 刘亦轩, 李昭, 齐晓梅, 张波萍, 李敬锋, 龚文, 王轲
2020, 69 (12): 127705. doi: 10.7498/aps.69.20200277
摘要 +
(K0.5Na0.5)NbO3基无铅压电陶瓷具有出色的综合铁电压电性能, 已经初步满足了部分实际应用场景的需求. 近期的研究发现, 某些元素的掺杂对优化(K0.5Na0.5)NbO3基陶瓷的机电耦合性能起着至关重要的作用. 本文将MnO2添加到KNbO3和(K0.5Na0.5)NbO3两种压电陶瓷中, 对比研究了Mn掺杂对两种陶瓷微观结构和宏观电学性能的不同影响, 分析了造成这些差异的微观物理机理. 实验结果表明, 掺杂后的两种陶瓷中均存在Mn2+. Mn掺杂会使KNbO3陶瓷的铁电畴尺寸减小、居里温度降低、拉曼光谱中的振动峰宽化、相变过程变得弥散, 并呈现出束腰电滞回线和可回复的双极场致应变曲线; 在(K0.5Na0.5)NbO3陶瓷中掺杂Mn后, 其性能变化却显著不同, 陶瓷的铁电畴尺寸无明显变化、居里温度未发生变化、拉曼光谱中的振动峰未发生宽化, 呈现出饱和的矩形电滞回线和不可回复的双极场致应变曲线. 这可能是因为, (K0.5Na0.5)NbO3陶瓷相比KNbO3陶瓷具有更大的离子无序度和晶格畸变, 从而使得Mn掺杂所产生的影响相对减小.
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