低维材料的新奇物性
纵观历史, 人类对材料的认知不断推动着社会的进步和发展, 这方面在过去一个多世纪对材料电学性质的研究上体现得尤为显著. 我们可以将材料粗略地分为金属、半导体、绝缘体, 也可以分为超导、非超导、磁性、非磁性等. 不难发现, 所有这些性质都源于同一种微观粒子: 电子. 随着研究的深入, 科学家们开始期待在一种材料中能实现以上多种甚至所有可能的电子态. 最近, 以二维体系为代表的低维体系研究向我们展示了实现这一愿景的可能性. 在低维体系中, 维度的降低导致体系对载流子浓度、介电环境、压强、应力、电场、磁场等非常敏感. 因此, 我们可以在一个极其宽广的多参数空间对其结构和物性进行精细调控, 进而实现一系列新奇量子物态. 例如在魔角双层石墨烯中就可实现金属/关联绝缘态, 非超导/超导, 非磁性/磁性, 甚至量子反常霍尔效应等多种新奇物态.一方面, 基于低维体系的这些研究极大地推进了人们对凝聚态物理中各种新奇量子物态、相变以及准粒子关联等问题的深入理解; 另一方面, 低维体系高度可调的特点也为其在未来的应用提供更广阔的空间. 值得一提的是, 低维材料的一个显著优势是其新奇物态都直接暴露在材料表面, 这为直接观测这些量子物态提供了一个前所未有的机会. 最近, 科学家们利用扫描隧道显微镜成功地实现了对石墨烯中的量子霍尔铁磁态、双层石墨烯畴界的谷极化导电通道、拓扑绝缘体中的拓扑边界态的直接观测. 相关研究可以更好地帮助我们深入理解这些新奇量子物态并澄清其微观物理机制.
低维材料体系涵盖了超导、拓扑、磁学、铁电等几乎所有凝聚态物理中重要的研究课题, 对其新奇物性的深入理解和精准调控可以为后期电子器件的构筑打下坚实的基础. 在过去几十年里, 大量的科研工作者们在该领域持续深耕, 不断发现丰富有趣的物理现象, 并深入理解其物理机制, 发展多种手段实现了对这些新奇量子物态的调控. 尤其是在近十年间, 这一领域的发展以及取得的成果格外令人瞩目, 国内很多优秀科研团队极大地推进了低维材料的物性研究, 做出了突出的成绩. 我们相信, 这些成果不但在基础研究上具有重要的学术价值, 也为未来技术发展和进步打下了坚实的基础. 正因为如此, 为了让读者了解低维材料新奇物性的最新研究成果, 本专题特别邀请了部分在低维物性领域活跃的专家学者, 从低维材料的制备、结构/能带表征与调控、光学特性、量子受限效应、电荷密度波、磁性、超导、关联电子态等诸方面, 以不同的视角介绍本领域的背景、最新进展并展望相关领域未来的发展方向, 希望对感兴趣的读者及相关领域的工作人员提供一定的参考及借鉴.
2022, 71 (12): 127304.
doi: 10.7498/aps.71.20220118
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单层FeSe/SrTiO3中的界面超导增强是近年来高温超导领域的重要发现. 该体系中SrTiO3衬底对FeSe的超导增强机制已被广泛研究, 其调控作用主要表现为两个方面: 电荷掺杂和界面电声耦合. 然而, 关于FeSe薄膜本身的电子特性研究还不够充分. 本文介绍该体系超导增强机制的新进展: FeSe薄膜中的电子条纹相及其与超导的关联. 通过扫描隧道显微镜结合分子束外延生长技术, 对不同厚度的FeSe薄膜进行了系统研究. 我们发现FeSe薄膜中电子倾向于排成条纹状结构, 并观测到该条纹相随层厚变化显现出从短程到长程的演化. 条纹相是一种电子液晶态, 它源于薄层FeSe中被增强的电子关联作用. 表面电子掺杂一方面会减弱FeSe薄膜中的电子关联作用, 逐渐抑制条纹相; 另一方面会诱导超导相变, 而剩余的条纹相涨落会对超导电性带来额外增强. 我们的结果加深了对低维界面超导体系的认识, 也揭示了FeSe薄膜本征的特异性, 完善了对FeSe/SrTiO3超导增强机制的理解.
2022, 71 (12): 123601.
doi: 10.7498/aps.71.20212426
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热激活延迟荧光(TADF)作为一种特殊的分子荧光机制, 对于提高发光效率有着重要意义. 以C60和C70为代表的碳富勒烯具有高对称结构和离域π电子, 被广泛证明具有显著的TADF效应; 相比之下, 其他类富勒烯团簇的光物理性质尚不清楚. 本文利用含时密度泛函理论探索了一系列类富勒烯团簇的激发态性质, 包括实验合成的具有不同尺寸的氮化硼笼型团簇B12N12, B24N24和B36N36, 以及与B12N12结构相同、元素组成不同的B12P12, Al12N12和Ga12N12. 计算结果表明, 这些类富勒烯化合物团簇具有2.83—6.54 eV的能隙, 主要吸收紫外光, 荧光发射波长在可见光区间, 包括红光、橙光、蓝光和紫光. 它们的第一激发单重态和三重态的能量差较小(ΔEST < 0.29 eV), 因此可能通过系间窜越和反系间窜越发生TADF过程. 导致ΔEST较低的原因是这些化合物团簇的最高占据分子轨道和最低未占据分子轨道分布在不同的元素上, 使得二者重叠度较低. 这些理论结果揭示了类富勒烯团簇的发光性质和可能的荧光机理, 为寻找和设计稳定高效的发光材料提供了重要指导.
2022, 71 (12): 128102.
doi: 10.7498/aps.71.20220405
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利用扫描隧道显微镜可以在单原子层次上对材料进行操纵, 改变其结构与特性, 实现原子级结构与物性的精准调控. 近年来, 扫描隧道显微镜原子操纵技术被广泛用于新型低维材料的精准构筑与物性调控. 本文主要介绍应用原子操纵技术对低维材料物性调控的最新研究进展, 总结了4种主要探针操纵模式: 1)探针局域电场模式; 2)调节探针-样品垂直间距模式; 3)无损形态调控模式; 4)可控裁剪刻蚀模式. 通过这些探针操纵模式引入局域的电场、磁场、应力场等, 实现在单原子层次上对低维材料的电荷密度波、近藤效应、非弹性隧穿效应、马约拉纳束缚态等新奇物性进行精准地调控.
2022, 71 (12): 127202.
doi: 10.7498/aps.71.20220064
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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.
2022, 71 (12): 127305.
doi: 10.7498/aps.71.20220349
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铁电材料因具有电场可调的自发极化, 在各类功能器件中有着广泛的应用. 受器件小型化发展趋势的影响, 二维范德瓦耳斯铁电材料及其层状母体块材成为了铁电领域的重点研究对象之一. 近年来, 研究人员已经制备出了数种二维范德瓦耳斯铁电材料, 并通过理论计算与实验结合的方法发现这些材料及其母体块材具有许多优良的、新奇的物理性质. 本文主要介绍近年来几种范德瓦耳斯铁电材料的一些研究进展, 包括体相范德瓦耳斯材料CuInP2S6的新奇物性的理论预测与实验证实, 以及两类二维范德瓦耳斯铁电材料M2X2Y6 (M = 金属, X = Si, Ge, Sn, Y = S, Se, Te), QL-M2O3 (M = Al, Y)及相关功能器件的理论设计, 最后对范德瓦耳斯铁电材料蕴含的丰富物理内涵及其发展前景进行了简要探讨, 希望能够为该领域的相关研究提供一些思路和参考.
2022, 71 (12): 127101.
doi: 10.7498/aps.71.20220079
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理解强关联电子体系是一个长期的重要目标, 该体系的魅力不仅在于其背后蕴藏着深刻的物理, 还在于其中涌现出的丰富物质态在量子调控、量子计算等领域具有巨大的潜在应用价值. 同时, 理论上非微扰地理解强关联电子体系是极其困难的, 一直充满挑战. 量子蒙特卡罗计算是一类非微扰计算的标准方法, 有助于对强关联电子体系提供非微扰的理解, 因而广泛运用于凝聚态和高能物理领域. 然而, 量子蒙特卡罗计算通常会受到负符号问题的困扰. 本文将具体介绍一些无负符号关联电子模型的设计思路, 并讨论我们近期提出的符号边界理论. 通过设计无负符号或者具有代数符号行为的强关联电子模型, 可以帮助人们研究很多重要的量子多体问题, 包括巡游磁性量子临界行为、非常规超导和磁性序的竞争, 以及莫尔(moiré)量子物质中的关联物相与相变等.
2022, 71 (12): 127504.
doi: 10.7498/aps.71.20220301
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具有磁各向异性的二维磁性材料可在有限温度下和单层极限下形成磁有序, 其宏观磁性与层数、堆叠形式等密切相关且其磁交换作用可被多种外场调控. 这些新奇特性赋予了二维磁性材料丰富的物理内涵和潜在的应用价值, 受到了研究者的广泛关注. 本文着重介绍近年来二维磁体在实验和理论计算两方面的研究进展, 首先从几种二维磁性材料中常见的磁交换机制出发, 随后以组分作为分类依据, 详细介绍一些主要二维磁体的几何和电子结构以及它们的磁耦合方式; 在此基础上, 再讨论如何通过外部(外场和界面)和内部(堆叠和缺陷)两类方式调控二维磁体的电子结构和磁性; 继而探讨如何利用这两类调控方式, 将上述材料应用于实际自旋电子学器件以及磁存储等方面的潜力; 最后总结和展望了目前二维磁性材料遇到的困难和挑战以及未来可能的研究方向.
2022, 71 (12): 127103.
doi: 10.7498/aps.71.20220052
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电荷密度波(charge density wave, CDW)是低维体系中存在的一种重要的物理现象, 对CDW的研究有助于人们对低维系统中内禀电声子耦合和关联等相互作用有更深层次的认识, 同时通过对材料中CDW的精准调控可以有效控制低维材料中磁性、超导等物理性质. CDW的研究最早起源于一维和准一维材料, 本文首先简要介绍了CDW的一些基本性质和一维体系中CDW的一些研究. 而近些年的研究发现CDW在很多二维材料中普遍存在. 本文将着重介绍二维材料中CDW的最新研究进展. 通过介绍二维材料中CDW的基本物性和产生机理, 讨论CDW与Mott相、超导序和其他序(自旋密度波、配对密度波)之间的相互作用; 探讨CDW中存在的多电子集体激发和手性性质; 介绍掺杂、高压和激光脉冲等手段对CDW的调控; 最后展望相关领域中可能的研究方向.
2022, 71 (12): 127901.
doi: 10.7498/aps.71.20220458
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过渡金属二硫族化物因其广泛存在超导、电荷密度波等新奇的物理现象成为了近些年来凝聚态物理研究中的一大热点, 同时这也为研究超导和电荷密度波等电子序之间的相互作用提供了典型的材料体系. 本文利用角分辨光电子能谱对1T结构的NbSeTe单晶进行系统的研究, 揭示了其电子结构. 沿高对称方向的能带测量发现, 1T-NbSeTe布里渊区M点附近存在一个范霍夫奇点, 能量位于费米能以下约250 meV处. 对能带色散的仔细分析发现该体系中没有明显电子-玻色子(声子)耦合带来的能带扭折. 基于上述实验结果, 对过渡金属二硫族化物中电荷密度波和超导的产生以及1T-NbSeTe中电荷密度波和超导被抑制的可能原因进行了讨论.
2022, 71 (12): 127302.
doi: 10.7498/aps.71.20220225
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在二维材料平带中电子的有效质量急剧增大, 电子的库仑排斥能将远远大于电子的动能, 电子-电子相互作用效应显著, 对应地将会产生一系列新奇的强关联量子物态, 如量子霍尔铁磁态、分数量子霍尔效应、量子反常霍尔效应、超导态、Wigner晶体等. 因此人们对于二维材料中的平带产生了极大的兴趣. 近几年, 与平带相关的强关联物性研究成为了凝聚态物理领域的前沿课题. 实验上发展了多种方法, 例如通过外加强磁场、构筑应变结构、引入转角等方式在二维材料中引入平带. 本文通过对二维体系中平带的实现方法及其带来的新奇物理现象进行回顾, 希望为相关领域的研究人员提供参考和借鉴.
2022, 71 (12): 128104.
doi: 10.7498/aps.71.20220273
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以单层二硫化钼(MoS2)为代表的过渡金属硫族化合物半导体材料具有良好的光学、电学性质, 近十年来引起了人们广泛的研究兴趣. 合成高质量单层MoS2薄膜是科学研究及工业应用的基础. 最近科研人员提出了盐辅助化学气相沉积生长单层薄膜的方法, 大大提高了单层MoS2薄膜的生长速度及晶体质量. 本文基于此方法, 提出利用氯化钠(NaCl)的双辅助方法, 成功制备了高质量的单层MoS2薄膜. 光致发光(PL)谱显示其发光强度比无NaCl辅助生长的样品有了明显的提高. 本文提出的NaCl双辅助生长方法为二维材料的大规模生长提供了思路.
2022, 71 (12): 127308.
doi: 10.7498/aps.71.20220100
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量子自旋霍尔效应通常存在于二维拓扑绝缘体中, 其具有受拓扑保护的无耗散螺旋边界态. 2014年, 理论预言单层1T' 相过渡金属硫族化合物是一类新型的二维量子自旋霍尔绝缘体. 其中, 以单层1T'-WTe2为代表的材料体系具有原子结构稳定、体带隙显著、拓扑性质易于调控等许多独特的优势, 对低功耗自旋电子器件的发展具有重要的意义. 本文总结了单层1T'-WTe2在实验上的最新进展, 包括基于分子束外延生长的材料制备, 螺旋边界态的探测及其对磁场的响应, 掺杂、应力等手段在单层1T'-WTe2中诱导出的新奇量子物态等. 也对单层1T'-WTe2未来可能的应用前景进行了展望.
2022, 71 (12): 127503.
doi: 10.7498/aps.71.20220699
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范德瓦耳斯层状铁磁材料不但为基础磁学的前沿研究提供了重要的平台, 同时在下一代自旋电子器件中展示了广阔的应用前景. 本文利用化学气相传输方法生长了高质量的、具有本征铁磁性的Ta3FeS6块材单晶. 通过机械剥离法得到厚度19—100 nm的Ta3FeS6薄层样品, 并发现相应的居里温度在176—133 K之间. 低温反常霍尔测量表明Ta3FeS6样品具有面外的铁磁性, 其矫顽场在1.5 K可达到7.6 T, 这是迄今为止在范德瓦耳斯铁磁薄膜材料中报道的最大数值. 此外, 在变温过程中, 还观察到磁滞回线极性的翻转. 相比于通常的范德瓦耳斯磁性材料, Ta3FeS6具有空气稳定性和极大的矫顽场, 这为探索稳定的、可小型化的范德瓦耳斯自旋电子器件研究开辟了全新的平台.
2022, 71 (12): 127309.
doi: 10.7498/aps.71.20220347
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在二维范德瓦耳斯材料中, 可以通过转角及晶格失配构造周期性的莫尔超晶格. 自从实验上在“魔角”石墨烯系统中观察到关联绝缘体态和超导电性以来, 利用各种二维范德瓦耳斯材料构造莫尔超晶格并研究其中的新奇量子物态成为了凝聚态物理研究的热点和前沿问题. 本文主要综述了最近几年在二维半导体过渡金属硫族化合物莫尔超晶格系统中的相关实验进展. 在该系统中实现电子“平带”不依赖于特定魔角, 实验上, 一系列的关联电子物态和拓扑电子物态被相继发现和证实. 进一步的理论和实验研究有望在该系统中揭示更多的受电子关联作用和拓扑物理共同支配的新奇量子物态.
2022, 71 (12): 127303.
doi: 10.7498/aps.71.20220246
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介绍了两种极低温环境下无接触电极输运的测量方法—电容测量和表面声波测量. 两种方法通过高频电场与电子的相互作用来研究量子系统体态的物理特性. 首先介绍了在极低温下通过高精度电容测量研究高质量二维电子气特性的初步结果. 实验装置具备在10 mK—300 K, 0—14 T环境中对小于1 pF的电容实现0.05%以上分辨率的能力. 还介绍了利用表面声波研究二维电子系统的结果, 可以在0.1 nW的输入激励下获得小于10–5的灵敏度. 这些测量手段在研究二维系统尤其是无法制作高质量接触电极的材料中具有广泛的应用前景.
2022, 71 (12): 127402.
doi: 10.7498/aps.71.20212289
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低维超导材料由于具有尺度接近量子临界尺寸的优势, 能够观测到显著的超导量子振荡效应, 因此成为研究超导量子振荡效应的优异平台. 由于这些量子振荡效应的周期、振幅、相位与磁通涡旋的量子化及运动方式、超导电子的配对机制、特定外部条件下超导体中的涨落和激发现象密切相关, 并且它们还能直观地反映超导材料的几何结构对其超导物性的影响, 因此对低维超导体中振荡效应的研究直接反映了超导体的本质规律, 成为研究材料超导机制的一种重要手段, 有着深邃的物理内涵和丰富的研究价值. 本文将探讨三类能够在低维超导材料中观测到的典型超导量子振荡效应: 利特尔-帕克斯效应、磁通涡旋运动导致的振荡效应和韦伯阻塞效应, 从研究手段、理论预期、实验现象以及实验结果诸方面综述其中所揭示的深刻物理规律, 并展望低维超导体的量子振荡效应在量子计算、器件物理和低温物理等领域的应用价值.
2022, 71 (12): 127203.
doi: 10.7498/aps.71.20220029
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石墨烯是一种特殊的二维材料, 其独特的能带结构允许人们通过电场来调控其载流子的类型和浓度, 因此, 在构建双极型纳米电子器件方面具有潜在应用前景. 本文基于紧束缚格点模型, 利用非平衡格林函数方法及Landauer-Büttiker公式, 研究了石墨烯p-n结在磁场中的电输运热耗散问题. 在强磁场作用下, 结的两边均处于量子霍尔相, 存在拓扑保护的手性边缘态. 直觉上, 这种拓扑保护的手性边缘态应当是无热耗散的. 但本文研究发现, 当有耗散源时, 尽管手性边缘态受到拓扑保护, 热耗散却依然可以发生. 对于完美的石墨烯, 单极结输运时热耗散发生在体系边缘; 偶极结输运时在体系边缘和结的界面处均可以发生热耗散. 当无序存在时, 无论单极结还是偶极结, 无序均能增强热耗散. 此外, 本文还研究了不同位置处的电子能量分布, 发现热耗散是否发生只取决于电子是否处于非平衡分布. 这些结果表明拓扑只能保护电子的传播方向, 却不能禁止热耗散的发生.
2022, 71 (12): 127505.
doi: 10.7498/aps.71.20220727
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二维磁性材料的自发磁化可以维持到单层极限下, 为在二维尺度理解和调控磁相关性质提供了一个理想的平台, 也使其在光电子学和自旋电子学等领域具有重要的应用前景. 晶体结构为层状堆叠的过渡金属卤化物具有部分填充的d轨道和较弱的范德瓦耳斯层间相互作用等特性, 是合适的二维磁性候选材料. 结合分子束外延 (MBE)技术, 不仅可以精准调控二维磁性材料生长达到单层极限, 而且可以结合扫描隧道显微术等先进实验技术开展原子尺度上的物性表征和调控. 本文详细介绍了多种二维磁性过渡金属卤化物的晶体结构和磁结构, 并展示了近几年来通过MBE技术生长的二维磁性过渡金属卤化物以及相应的电学和磁学性质. 随后, 讨论了基于MBE方法对二维磁性过渡金属卤化物的物性进行调控的方法, 包括调控层间堆垛、缺陷工程以及构筑异质结. 最后, 总结并展望了二维磁性过渡金属卤化物研究领域在未来的发展机会与挑战.
2022, 71 (12): 127104.
doi: 10.7498/aps.71.20220272
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极化激元—光与物质中的电子、声子、激子或磁振子等发生强耦合而形成的一种新的集体振荡模式, 近年来在纳米光子学领域受到了广泛的关注. 低维材料极化激元拥有的高空间压缩比、低损耗、光电可调控等特点使其在微纳光子学器件中有着极高的潜在应用价值, 比如石墨烯中波长可调的等离极化激元、六方氮化硼中高质量的双曲声子极化激元、三氧化钼中面内各向异性的拓扑声子极化激元、碳纳米管中的一维拉廷格液体等离极化激元等. 这些极化激元相互之间以及极化激元与外场之间还能进一步发生显著的耦合相互作用, 产生各种丰富新奇的物理现象, 极大地拓展了极化激元的应用前景. 本文以几种典型的低维纳米材料中极化激元的耦合特性为例, 从表征纳米极化激元的扫描近场光学显微技术出发, 首先简单介绍几种典型极化激元的基本性质, 然后详细讨论各种极化激元之间以及极化激元与外场的耦合, 最后展望极化激元耦合作用的潜在应用.
2022, 71 (12): 127403.
doi: 10.7498/aps.71.20220856
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在采用机械解理方法制备的二维关联电子系统薄层样品中, 人们观察到了丰富的新奇物性. 发展新的宏观二维块材制备方法, 有可能在块体材料中发现与薄层样品类似的新奇物性. 结合传统的表征手段, 可以进一步地加深对低维系统的理解, 并将这些新奇物性推向潜在的应用领域. 本文将介绍一类有机分子插层调控二维关联电子系统的方法, 重点介绍层状结构材料在有机分子插层后结构和物理性质的变化, 分析其演化过程. 文章将介绍有机分子插层法在热电、磁性、电荷密度波和超导电性等物性调控方面的研究进展.
2022, 71 (12): 127204.
doi: 10.7498/aps.71.20220062
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石墨烯是低维材料领域研究的热点, 在这一体系中研究发现了诸多新奇的量子现象, 深入理解石墨烯的电输运性质对于其在未来电子学器件中的应用具有重要的意义. 本文通过热分解的方法在SiC单晶衬底上获得外延的双层石墨烯, 并系统研究了其电输运性质. 在小磁场范围内观测到弱局域化效应, 并在较大的磁场区间发现了不饱和线性磁阻. 通过角度依赖的磁阻测量, 发现该线性磁阻现象符合二维体系的磁输运特征. 还在平行场下观测到了负磁阻效应, 可能是由双层石墨烯的转角莫尔条纹导致的局部晶格起伏导致的. 本文工作加深了对于外延生长的层间具有一定转角的双层石墨烯的电输运性质的认识.
2022, 71 (12): 127102.
doi: 10.7498/aps.71.20220054
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二维过渡金属硫族化合物作为二维半导体材料领域研究的重要分支, 凭借较强的光-物质相互作用和独特的自旋-谷锁定等特性, 吸引了广泛而持久的关注. 单层的二维过渡金属硫族化合物半导体具有直接带隙, 在二维的极限下, 由于介电屏蔽效应的减弱, 电荷间的库仑相互作用得到了显著的增强, 其光学性质主要由紧密束缚的电子-空穴对—激子主导. 本文简单回顾了近年来二维过渡金属硫族化合物光谱学的研究历程, 阐述了栅压和介电环境对激子的调制作用, 之后重点介绍了一种新颖的激子探测方法. 由于激发态激子(里德伯态)的玻尔半径远大于单原子层本身的厚度, 电子-空穴对之间的电场线得以延伸到自身之外的其他材料中. 这使得二维半导体材料的激子可以作为一种高效的量子探测器, 感知周围材料中与介电函数相关的物理性质的变化. 本文列举了单层WSe2激子在探测石墨烯-氮化硼莫尔(moiré)超晶格势场引发的石墨烯二阶狄拉克点, 以及WS2/WSe2莫尔超晶格中分数填充的关联绝缘态中的应用. 最后, 本文展望了这种无损便捷、高空间分辨率、宽适用范围的激子探测方法在其他领域的潜在应用场景.
2022, 71 (12): 128103.
doi: 10.7498/aps.71.20220132
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在众多二维材料中, 过渡金属硫族化合物由于其具有独特的光电特性深受广大研究者喜爱. 近年来, 由二维过渡金属硫族化合物材料与有机半导体结合构建的范德瓦耳斯异质结受到极大的关注. 这种异质结可以利用两者的优势对光电特性等性能进行调控, 为许多基础物理和功能器件的构建提供了研究思路. 本文构建了酞菁铜/二硫化钼(CuPc/MoS2)范德瓦耳斯异质结, 并对其荧光特性进行了表征和分析. 与单层MoS2相比较发现, 引入有机半导体CuPc后, 异质结当中发生了明显的荧光淬灭现象. 通过荧光分析, 该现象可以用引入CuPc后异质结中负三激子与中性激子之比增加来解释. 此外, 通过第一性原理计算分析发现, 引入CuPc会在MoS2的禁带中引入中间带隙态, 使得CuPc与MoS2之间产生非辐射复合, 这同样会导致荧光淬灭的发生. CuPc/MoS2异质结的荧光淬灭现象可以为同类型范德瓦耳斯异质结的光电特性调控研究提供参考和思路.
2022, 71 (12): 127401.
doi: 10.7498/aps.71.20220050
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铋(Bi)和铅(Pb)都是重元素, 有很强的自旋-轨道耦合作用, 由于原子半径接近, 可形成丰富的原子取代合金结构. 尽管对高温合金相有了较深入的研究, 但对其低温物相的结构和超导物性的认识还很不全面. 本文采用低温共沉积和低温退火的方法, 在Si(111)-(7 × 7)衬底上制备了一种基于Bi(110)单晶结构中部分Bi原子被Pb取代的铅铋合金低温相超薄膜新结构, 利用扫描隧道显微术(STM)对其结构和电子学性质进行了表征. 通过结构表征, 确定了合金薄膜表面呈现$\sqrt 2 \times \sqrt 2 R{45^ \circ }$ 重构的PbBi3合金相, 其母体Bi(110)结构中25%的Bi原子被Pb取代了. 通过STM谱学测量, 发现合金相PbBi3为超导相. 变温实验表明, PbBi3相的超导转变温度为6.13 K. 在外加垂直磁场下出现的磁通涡旋结构表明PbBi3薄膜是第II类超导体, 估算出上临界磁场的下限为0.92 T. 测量了由Bi(110)-PbBi3组成的共面型和台阶型正常金属-超导体异质结中的邻近效应, 并研究了外加磁场对超导穿透深度影响. 采用超导针尖与PbBi3衬底形成超导-真空-超导隧道结, 在超导能隙中观察到零偏压电导峰, 进一步证实了PbBi3的超导转变温度.
2022, 71 (12): 127306.
doi: 10.7498/aps.71.20220015
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二硫化钼是一种层状的过渡金属硫族化合物半导体, 它在二维自旋电子学、谷电子学及光电子学领域有很多的应用. 本综述以二硫化钼为代表, 系统介绍其单层、双层及转角双层的堆垛和能带结构; 介绍了转角双层莫尔超晶格的制备方法、以及低温电学输运方面的实验进展, 例如超导和强关联现象; 分析了转角过渡金属硫化物莫尔超晶格在优化接触和样品质量等方面存在的一些挑战, 并展望该领域未来的发展.
2022, 71 (12): 126101.
doi: 10.7498/aps.71.20220035
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低维材料的结构探索是我们全面认识元素物态的关键. 近年来, 研究方法的发展使包括一维原子链在内的各种低维结构逐渐被报道. 根据一维限域材料的发展现状, 本文重点对直径1 nm以下单质材料的结构和物理性质进行了综述, 并简要总结了此类研究中常用的实验技术和理论方法. 希望通过材料结构特性的解读和研究方法的讨论, 说明目前理论计算层面存在的困难及需要面临的挑战, 并以此对一维限域材料的研究前景进行展望.
2022, 71 (12): 127307.
doi: 10.7498/aps.71.20220085
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探索低维材料的新奇物性是当前凝聚态物理和材料科学基础研究的一个重要前沿. 应变是调控低维材料物性的一个重要手段. 相比于块体材料, 低维材料通常具有良好的力学柔韧性, 并表现出敏锐的结构-电子响应关系, 因此可以通过结构变形对材料电子性质进行有效调控. 本文主要目的是介绍二维材料中通过非均匀应变获得新奇物性的研究进展. 主要讨论两个效应, 即赝磁场效应和挠曲电效应. 具体来说, 通过解析理论、实验进展、计算模拟以及围绕这些效应的应用等方面介绍相关研究进展. 从计算模拟的角度看, 由于非均匀应变破坏了晶体的平移对称性, 基于周期性边界条件的量子力学计算方法如第一性原理不再适用. 本文将介绍一个专门用来模拟非均匀应变的原子级计算方法, 即广义布洛赫方法, 并简要介绍该方法的一些具体应用.
2022, 71 (18): 187302.
doi: 10.7498/aps.71.20220872
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当两个晶格常数不同或具有相对转角的二维材料叠加在一起时, 可形成莫尔超晶格结构, 其电学性质对层间堆垛方式、旋转角度和衬底具有很强的依赖性. 例如, 双层石墨烯的旋转角度减小到一系列特定的值(魔角)时, 体系的费米面附近出现平带, 电子-电子相互作用显著增强, 出现莫特绝缘体和非常规超导量子物态. 对于具有长周期性的莫尔超晶格体系, 层间相互作用所引起的晶格弛豫会使原子偏离其平衡位置而发生重构. 本文主要围绕晶格自发弛豫和衬底对石墨烯莫尔超晶格物性的影响展开综述. 从理论和实验的角度出发, 阐述旋转双层石墨烯、旋转三层石墨烯、以及石墨烯与六方氮化硼堆垛异质结等体系中自发弛豫对其能带结构和物理性质的影响. 最后, 对二维莫尔超晶格体系的研究现状进行总结和展望.
2022, 71 (18): 188101.
doi: 10.7498/aps.71.20220895
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由于量子效应, 低维石墨烯体系中具有离域的p壳层磁性, 其性质迥异于局域的d/f壳层电子. 该离域特性使精准调控纳米石墨烯的磁基态和磁交换作用变得有可能, 有望精准构筑高质量的磁性石墨烯量子材料. 近年来, 由于表面化学和表面物理的深度结合, 在单原子精度下研究纳米石墨烯的磁性变为可能, 打开了一个研究有机量子磁体的新方向. 本综述首先概述纳米石墨烯磁性的发展过程和研究现状, 然后讨论纳米石墨烯中磁性的产生机制, 接着回顾近年来实验的研究进展, 最后对低维磁性石墨烯未来发展可能遇到的挑战与机遇进行展望.
2022, 71 (18): 187202.
doi: 10.7498/aps.71.20220905
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在半填充的朗道能级, 复合费米子手征p波配对的Moore-Read态具有e/4的分数激发, 其中部分这种准粒子服从非阿贝尔统计, 有望用于实现拓扑量子计算. 双层石墨烯由于其电子的SU(4)对称性和电场对其性质的方便调控性, 成为研究多分量量子霍尔态的理想平台, 是实现非阿贝尔统计的候选者. 本文利用干法转移技术制备了双层石墨烯/氮化硼异质结, 通过电学输运测量展示了双层石墨烯在调节外电场和磁场下的量子霍尔态行为. 在强磁场下, 观测到了朗道能级填充因子为–5/2, –1/2, 3/2的伴随着量子化霍尔电导的不可压缩态. 随着磁场继续增强, 这些偶数分母量子霍尔态特征先增强再减弱, 对应朗道能级波函数的极化. 实验结果暗示观察到的这些偶数分母分数量子霍尔态属于由Pffafian波函数描述的拓扑态.
2022, 71 (18): 187401.
doi: 10.7498/aps.71.20220638
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超导现象自从1911年被发现以来一直是凝聚态物理领域的热门研究方向. 近年来, 二维范德瓦耳斯材料在超导领域中备受瞩目, 展现出多种新的物理现象, 如伊辛超导体、拓扑超导等, 可以为探索丰富多彩的物理效应和新奇物理现象提供一个非常广阔的研究平台. 本文从二维范德瓦耳斯材料的超导特性入手, 着重论述了二维范德瓦耳斯材料的分类、合成方法、表征和调控手段等方面. 最后指出了一些当前需要解决的问题, 并对二维范德瓦耳斯材料在超导领域的未来前景进行了展望.
2022, 71 (18): 186401.
doi: 10.7498/aps.71.20221024
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近些年, 人们对拓扑材料体系的认知得到了飞速发展. 随着量子信息科学与技术成为当下科学研究的热点, 具有大能隙高稳定性的低维拓扑材料有从基础研究向应用探索的趋势发展. 如何实现高质量、大面积的单晶生长是影响拓扑材料走向实用化的重要一步. 本文报道了在具有Sb原子终止面的InSb(111)衬底上利用分子束外延技术生长低维拓扑绝缘体锡烯与铋烯的实验结果. 实验中发现, 无论是锡烯还是铋烯, 起始外延阶段都会在衬底上形成单层的浸润层. 由于锡原子之间的相互作用远强于其与衬底的表面结合力, 因此浸润层呈岛状生长, 晶畴岛与岛合并的过程中边界效应明显, 导致薄膜实际上由大量小晶畴拼接而成, 畴壁处的缺陷难以避免. 而浸润层的晶体学质量又限制了后续锡烯薄膜的外延行为, 因此实验发现难以实现高质量且层数准确可控的单晶锡烯薄膜生长. 而铋原子与衬底表面的结合能强于原子之间的相互作用, 能够在较高温度下实现浸润层的单层层状生长, 高质量的浸润层为后续铋烯的生长提供了良好的外延过渡层, 因此发现实验中更容易得到大面积的铋烯薄膜. 本文实验结果及相关理解对于利用半导体衬底生长低维拓扑晶体薄膜具有指导意义.
