新型Janus二维材料VSiN_(3)电子结构和电极化特性的理论研究

由于存在本征的电极化和内建电场,Janus二维材料可作为潜在的光催化水分离、太阳能电池和“自旋–谷”电子材料.然而,目前实现Janus二维材料的主要方法为采用同族元素进行表面原子替换,而固有Janus构型的二维材料却鲜有报道.通过第一性原理计算,文章系统地研究了一种新型稳定的Janus二维材料VSiN_(3)的电极化特性和电子特性.它的表面功函数差异可达0.93 eV,估算的内建电场强度为0.21 eV/Å.进一步的电子结构计算表明,VSiN_(3)是本征的间接带隙半导体,其禁带宽度为1.70 eV.研究发现VSiN_(3)的价带顶和导带底存在van Hove反常,可以通过载流子掺杂实现Stoner铁磁相变.通过对VSiN_(3)的电子结构及其应力效应的深入分析,得出VSiN_(3)能够作为优秀的二维电子材料和Stoner铁磁相变材料.

基于二维JanusGeS双层铁电隧道结的电子输运

二维范德华Janus材料两侧为不同原子,使得其具有内禀的结构不对称性和面外极化。一类新型的二维Janus材料GeS被发现可用于制备低能耗、高响应速度的铁电隧道结。基于第一性原理计算,我们发现JanusGeS双层有三种堆叠模式,它们的横向滑动和垂直位移都可以调节隧道结中的电子输运。此外,基于GeGe接触的GeS双层的铁电隧道结表现出最高的开/关比。我们的研究将滑移铁电的概念扩展到一类新型的二维范德华Janus材料,并揭示了这些材料在实际器件中可能的电阻开关机制。我们的工作为基于二维范德华Janus材料的低能耗、快速开关纳米器件的设计提供了理论指导。

新型SiAsP二维Janus材料电子结构和光吸收性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算,通过对最新报道出的二维材料单层SiP_(2)进行原子替换,预测出单层SiAs_(2),α-SiAsP,β-SiAsP 3种新型二维材料,并对3种材料的晶体结构、稳定性、电子能带结构和光学性质进行分析验证。通过静电势计算验证出3种材料在与平面垂直的方向具有非对称性,是Janus材料;声子谱计算结构表明3种材料具有良好的结构稳定性;电子结构计算结果表明上述材料为间接带隙半导体,带隙大小分别为2.21,2.43,1.76 eV;吸收光谱计算结果表明3种材料可以有效地吸收可见光和紫外光,其中β-SiAsP甚至可以吸收近红外光。因此,预测出单层SiAs2,α-SiAsP和β-SiAsP二维Janus材料在光学和电子领域具有一定的应用前景。

Janus型二维磁电材料CrXX’(X/X’=S,Se, Te)第一性原理研究

自石墨烯被发现以来,各种具有新奇特性的二维材料受到了越来越多的关注。Janus型二维材料具有不对称的表面特性,这种特殊的结构往往具有独特的电学、磁学与光学性质,使其成为近年来材料科学领域研究的热点。本文搭建了Janus型结构CrXX’(X/X’=S,Se, Te)(CrSSe, CrSTe, CrSeTe),研究了体系的电学、磁学、光学性质,并探究了双轴应变对其电学、磁学、光学性质的影响。结果表明,CrSSe、CrSTe与CrSeTe均呈现金属性,都是电子的优良导体,三种体系的电子结构对外加应变具有很好的鲁棒性。CrXX’(X/X’=S,Se, Te)具有本征铁磁性,并且通过施加双轴应变可对其磁矩进行调控。此外,三种体系均具有较高的居里温度,特别是CrSTe的居里温度可达310 K。CrXX’(X/X’=S,Se, Te)还具有优异的可见光与紫外光吸收性能,应变可对其光吸收系数进行调控,并且压应变与拉应变可分别使其吸收谱线向短波与长波方向移动。本文的工作为进一步研究二维Janus单层CrXX’(X/X’=S,Se, Te)在新型室温自旋电子器件领域的应用提供了理论支持。

MOCVD法生长二维范德华材料的研究进展

二维范德华材料凭借其优异的光学和电学特性,自被发现以来一直作为延续集成电路摩尔定律的重要基础电子材料而备受关注。通过机械剥离的方法得到高质量的二维材料进行实验室层面的研究工作已经不能满足现阶段的需要。采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术可以得到高质量的大面积二维范德华材料,并具有生长层数和成核密度可控的优势。以过渡金属硫化物(TMDC)为例,分别从生长条件、金属有机源材料、衬底、催化剂等方面综述了采用MOCVD技术生长二维范德华材料的研究进展,同时讨论了二维材料的范德华异质结构的特性及应用。利用MOCVD技术优势可以推动二维范德华材料的大规模应用。最后总结了MOCVD法生长二维范德华材料现阶段的优势与不足,并对其未来的发展进行了展望。

基于范德华材料的偏振探测器及性能增强方法(特邀)

随着高分辨率成像、信息通信、量子计算等先进技术对光电探测精度和效率的需求日益增长,偏振光探测作为光电技术的一个重要分支,正面临着前所未有的挑战和机遇。本文全面综述了基于范德华二维材料的偏振光电探测技术的最新进展,尤其聚焦于通过表面等离激元、铁电场调控以及转角材料等三种先进策略来显著提高偏振探测性能的创新方法。表面等离激元技术通过局域和传播等离激元共振增强光与材料的相互作用,显著提升了偏振探测的灵敏度和选择性。铁电场调控利用铁电材料的自发极化和局域电场,有效调节探测器件的载流子浓度和光电性能,为实现高效率和低能耗偏振探测提供了新的途径。转角材料通过调整双层二维材料之间的相对角度,引入电子结构和光学性质的可调控性,开辟了偏振探测新领域。最后展望了这些策略在未来偏振光电探测技术发展中的应用前景,强调了材料科学和微纳加工技术的综合应用将为实现高性能偏振探测器件提供强大的支持。

基于机器学习和第一性原理计算的Janus材料预测

寻找尺寸小、稳定性高和易操控的纳米磁结构——磁斯格明子(magnetic skyrmion),是发展下一代高密度、高速度和低能耗非易失性信息存储器件核心存储单元的关键.磁性斯格明子根据其拓扑产生机制,可以由非中心对称结构诱导的DMI(Dzyaloshinskii–Moriya interaction)作用项产生.二维Janus结构具有两个不同面的原子层,可以形成垂直内建电场,打破中心空间反演对称性.因此寻找具有本征磁性的二维Janus材料是研究新型磁存储的基础.本文基于晶体材料数据库Materials Project中的1179种六角晶系ABC型Janus材料数据,以其元素组分信息为特征描述符,构建了随机森林、梯度提升决策树、极端梯度提升和极端随机树等四种机器学习模型,基于上述模型对晶格常数、形成能和磁矩分类进行了预测,并采用十折交叉验证法对模型进行了评估.梯度提升决策树在磁矩分类预测显示出最高的精度和泛化能力.最后,基于上述模型对尚未发现的82018种二维Janus材料进行了预测,筛选得到4024种具有热稳定性的高磁矩结构,并基于第一性原理的方法对其中随机抽样的13种高磁矩结构进行了计算验证.本研究为二维Janus材料磁矩分类和高通量筛选训练了有效的机器学习模型,加速了二维Janus结构磁性的探索.本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00072中访问获取.

基于拓扑/二维量子材料的自旋电子器件

拓扑材料和二维材料等新型量子材料,为自旋电子器件的研究与发展提供了新契机.这些量子材料不但有助于提高电荷-自旋转换效率及提供高质量异质结界面,从而改善器件表现,更由于它们丰富的相互作用和耦合关系,能提供新奇物理现象和新的物性调控机制,在自旋电子器件方面具有潜在的应用价值.拓扑材料和二维材料,尤其是层状拓扑材料、二维磁性材料以及它们组成的异质结的相关研究,取得了丰硕的成果,兼顾了启发性与及时的实用性.本文将综述这些新型量子材料的近期研究成果:首先重点介绍拓扑材料在自旋轨道力矩器件中实现的突破;其次着重总结二维磁性材料的特性及其在自旋电子器件中的应用;最后将进一步讨论由拓扑材料/二维磁性材料组成的全范德瓦耳斯异质结的研究进展.

二维Janus型铬硫化物电子和压电性质研究

本文主要研究了二维Janus型铬硫化物[Janus CrXY (X/Y=S, Se, Te)]的电子、压电性质。结果表明Janus CrXY是优良的半导体材料,其带隙宽度为0.27~0.83 eV,x轴方向的应变调控对带隙影响较大,而z轴方向的应变调控对带隙影响很小,说明该体系电子特性在z轴方向具有良好的稳定性。通过密度泛函微扰法对体系的压电特性进行研究,结果表明,三种材料均具有较大的面外压电系数d33,特别是CrSeTe的d33可达56.89 pm/V,约是常用压电材料AlN(d33=5.60 pm/V)的10倍。本研究可为二维Janus CrXY在柔性智能纳米领域的实际应用提供理论支撑。

二维材料及其范德瓦尔斯异质结的高压响应研究进展

高压技术是一种高效、连续、可逆的调控材料结构、电学、光学等物理特性的手段,因此利用压强工程在材料中实现超导态、制备超硬材料等成为高压领域的研究热点。不同于传统的三维体相材料,二维材料及其异质结中独特的层间耦合作用使其具有许多不同于传统材料的物理特性,且这些物理特性极易受到外场影响和调控,使得高压物理成功地拓展到低维材料领域。本文以石墨烯、黑磷、六方氮化硼和过渡金属二硫族化合物等几种典型的二维材料及其异质结为例,概述了二维材料及异质结在高压调控下的结构、电学、声子动力学、光学等方面的响应,并简要讨论这些高压调控下的二维材料在未来电子、光电器件等领域应用的潜力。

二维Janus单层Mg_(2)P_(2)S_(3)Se_(3)的热电性能

Janus结构在热电材料中具有实际的应用价值,近年来其成功制备引起了广泛的关注。从理论上研究了二维(2D)Janus Mg_(2)P_(2)S_(3)Se_(3)单层的热电性能。Janus Mg_(2)P_(2)S_(3)Se_(3)单层是直接带隙半导体,带隙为2.01 eV。在300 K下,电子和空穴载流子迁移率分别为1379.66和300.14 cm^(2)V^(-1)s^(-1)。在室温下晶格热导率κ_(1)为8.31 Wm^(-1)K^(-1)。此外,在恰当掺杂载流子浓度下,800 K时Janus Mg_(2)P_(2)S_(3)Se_(3)的n型和p型最大热电优值zT分别为2.24和0.91。计算结果表明,Janus Mg_(2)P_(2)S_(3)Se_(3)单层是一种潜在的n型候补热电材料。

界面自组装构筑二维有序介孔聚合物/石墨烯复合材料

自2004年石墨烯发现以来,以其为代表的二维纳米材料得到了快速发展1,2。由于它们具有优异的电学、光学、力学、热学和化学性能,有望在高性能电子器件、能源存储(如电池、超级电容器)等领域得到广泛应用3。然而,由于片层间范德华力的存在,导致二维纳米片容易堆叠,比表面积和活性位点大大降低。而原位生长活性组分于二维材料表面来制备三明治结构的复合纳米片,可以抑制片层的堆叠,并大大提高材料的性能4。同时,引入介孔不仅可以增加材料的比表面积,缓冲电极的体积膨胀,而且能够提高电解液离子的扩散和器件的电化学性能5。

二维半导体材料纳米电子器件和光电器件

近年来,随着各领域对微电子器件集成度及性能要求的不断提高,发展基于二维半导体材料的新型高性能功能性器件成为了突破当前技术瓶颈的重要环节和关键方向。目前,作为新型二维半导体材料的代表,二维过渡金属二硫化物、二维黑磷以及范德瓦尔斯异质结凭借其在电学、热学、机械、光学等方面的优异性能已经成为了发展高性能纳米电子器件和光电器件的最具潜力的材料之一。在本综述中,首先概述了几种用于纳米器件的常见二维材料,分析了材料的结构、性能及其在纳米器件中的应用,其次重点对基于过渡金属二硫化物、黑磷以及由其衍生的范德瓦尔斯异质结的纳米电子器件和光电器件的最新研究进展进行讨论,最后对目前二维半导体纳米器件所面临的挑战以及未来的发展方向进行总结及分析,从而为未来发展高性能功能性纳米器件提供支持。

二维范德瓦尔斯异质结构的制备与物性研究

二维范德瓦尔斯材料(可简称二维材料)已发展成为备受瞩目的材料大家族,而由其衍生的二维范德瓦尔斯异质结构的集成、性能及应用是现今凝聚态物理和材料科学领域的研究热点之一.二维范德瓦尔斯异质结构为探索丰富多彩的物理效应和新奇的物理现象,以及构建新型的自旋电子学器件提供了灵活而广阔的平台.本文从二维材料的转移技术着手,介绍二维范德瓦尔斯异质结构的构筑、性能及应用.首先,依据湿法转移和干法转移的分类,详细介绍二维范德瓦尔斯异质结构的制备技术,内容包括转移技术的通用设备、常用转移方法的具体操作步骤、三维操纵二维材料的方法、异质界面清洁.随后介绍二维范德瓦尔斯异质结构的性能和应用,重点介绍二维磁性范德瓦尔斯异质结构,并列举在二维范德瓦尔斯磁隧道结和摩尔超晶格领域的应用.因此,二维材料转移技术的发展和优化将进一步助力二维范德瓦尔斯异质结构在基础科学研究和实际应用上取得突破性的成果.

单层Janus结构CoXY(X,Y=Cl,Br,I;X≠Y)中磁斯格明子的第一性原理研究

目的开发新型二维Janus结构CoXY(X,Y=Cl,Br,I;X≠Y),分析其磁学性质,为二维磁性Janus材料研究提供新思路。方法通过使用基于密度泛函理论的第一性原理计算,得到CoXY的磁性参数,用蒙特卡洛模拟,模拟出不同外加磁场下的磁构型。结果通过蒙特卡洛模拟,CoXY结构中能够出现稳定的磁斯格明子态。结论计算结果表明,单层CoXY将为基于磁斯格明子的赛道存储和处理器件提供一个好的平台。

我国科学家在二维材料磁电耦合理论研究方面取得新进展

南京理工大学阚二军教授课题组在二维材料磁电耦合理论研究方面,揭示了二维范德瓦尔斯体系中室温下铁电序对磁序的调控机制,相关研究成果以Toward Room-Temperature Electrical Control of Magnetic Order in Multiferroic van der Waals Materials为题发表在《纳米快报》(Nano Letters)上。

具有可调电学和光学性质的双层和三层Janus Ga_(2)SSe

将二维(2D)层状材料的单层堆叠成双层或者少数层,可以很好的调节其光电性质,为该领域发展提供了新的机遇.本文采用第一性原理方法系统地研究了堆叠层数和堆叠次序对双层和三层Janus Ga_(2)SSe的电学和光学性质的影响.我们发现这些结构的层间距差别很大,而结合能差异却很小.尽管所有的双层和三层Janus Ga_(2)SSe具有间接带隙,然而其带隙值和载流子有效质量与堆叠层数和堆叠次序密切相关.此外,在Janus Ga_(2)SSe中,通过增加层数,可以增强其在可见光和紫外区域的吸收系数.同时,通过控制层间堆叠模式,进一步调制其吸收系数,导致在可见光和近紫外区域产生多个吸收峰.我们的结果为双层和三层Janus III族单硫化合物的可调节电学和光学性质提供了有价值的见解,这表明其可能在纳米电子和光电子器件中有着广阔的应用前景.

二维原子晶体半导体转移技术研究进展

实现不同基底间高效率、高质量的二维原子晶体转移(即转移技术),是开展二维晶体异质结及柔性器件研究与应用的关键.近年以二硫化钼为代表的过渡金属硫化物(transition metal dichalcogenides,TMDs)二维半导体已成为继石墨烯之后的二维材料研究热点.目前,TMDs常用转移技术主要包括湿法转移、干法转移、热释放胶带辅助、表面能辅助、鼓泡转移以及真空热压法等.这些方法各有利弊:湿法转移成本低、步骤简洁,但依赖聚合物支撑,容易对TMDs造成污染;干法转移借助精密位移技术可实现精准控制,特别适用微晶定位转移,但转移成功率有待提升;热释放胶带巧妙利用金属膜与TMDs二维材料间较强的吸附力,能够在不转移的情况下,直接在原始基底上构造阵列结构,但步骤相对复杂;表面能辅助法利用水在不同界面表面能差异,可实现快速自动剥离,但易引入褶皱;鼓泡转移则是通过电化学或超声方式产生的气泡崩塌使二维材料与基底界面分离,同样材料表面容易产生褶皱和破裂等缺陷;真空热压法在组装高质量、大面积多层异质结方面独具优势.该述评可为恰当选择转移方法提供指引.

从二维材料到范德瓦尔斯异质结

二维材料领域经过了十三年的蓬勃发展,涌现出一大批新材料和新技术。文章将介绍二维材料领域的发展历史,一系列具有代表性的二维材料的重要性质,以及由其衍生的范德瓦尔斯异质结的相关研究工作。

二维材料领域的“新大陆”——范德瓦尔斯异质结

乐高积木也许是每个孩子童年时最着迷，也是最能发挥想象力和创造力的益智玩具。虽然利用的是最简单的素材和最简单的结合方式，但是从这些简单的积木块出发，发挥创造力，却可以搭建出各种令人惊叹不已的作品。对物理和材料学家来说，自然界中的二维材料就是极好的乐高积木块。