二维范德瓦耳斯材料的超导物性研究及性能调控

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.

二维范德瓦耳斯半导体莫尔超晶格实验研究进展

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.

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.

二维层间滑移铁电研究进展

近年来有一系列二维范德瓦耳斯材料铁电性被实验证实,层间滑移铁电体是其中重要的一类,该机制是传统铁电所没有,而很多二维材料普遍具有的.本文回顾了相关研究,介绍了这种铁电的起源:不少二维材料双层中上下两层并不对等,造成净层间垂直电荷转移,而层间滑移使该垂直铁电极化得以翻转.这种独特的滑移铁电可广泛存在于范德瓦耳斯双层、多层乃至体相结构中,层间滑移势垒较传统铁电低几个数量级,有望极大节约铁电翻转所需的能量.目前这种滑移铁电机制已在WTe_2和b-InSe双层/多层体系得到实验证实,不少预期极化更高的滑移铁电体系(如BN)也有望在近期实现.

Fe原子吸附的锑烯/WS_(2)异质结的磁电子性质及调控效应

为研究非磁性二维范德瓦耳斯异质结吸附磁性原子的诱发磁性机理及磁电子特性,构键了锑烯(Sb)/WS_(2)异质结,并考虑Fe原子的多种吸附.计算的吸附能表明:T_(W),T_(S_m)及V_(Sb)吸附方式是Fe原子分别吸附于异质结下方、层间以及上方的最可能吸附位置,产生的磁性与Fe原子被吸附后其电子构型(VEC)扩展以及电荷转移使得电子自旋重排有关.TW,T_(S_m)吸附使无磁半导体性的异质结成为半-半导体(HSC),而V_(Sb)吸附对应双极化磁性半导体(BMS).特别是,计算的磁化能表明:层间T_(S_m)吸附使异质结具有最高的磁稳定性,足以抵抗常温热起伏对磁性的影响.量子调控能使异质结产生丰富的磁性,特别是磁相的灵活改变,如施加外加电场可使异质结实现HSC,HM(半金属)及BMS等磁相转换,而垂直应变则可使异质结发生HSC,HM及MM(磁金属)等磁相的转换.这一研究表明利用异质结能增加过渡金属原子的吸附区域(下方、层间以及上方),从而产生丰富的磁性,特别是层间吸附过渡金属,其磁性的温度稳定性能显著提高.

α-MoO_(3)/石墨烯异质叠层结构中的声子极化激元-等离极化激元杂化波导模式

在中红外至太赫兹的电磁场长波谱段,二维范德瓦耳斯晶体石墨烯和a-MoO_(3)能够分别支持等离极化激元和双曲声子极化激元,实现对长波电磁场的纳米尺度聚焦和调控。不同类型极化激元之间的杂化可以进一步丰富极化激元物理特性,为纳米尺度下的电磁场调控带来更多维度。为此开展了a-MoO_(3)薄片和单层石墨烯异质叠层结构声子极化激元-等离极化激元杂化研究。在理论上通过求解二维光波导麦克斯韦波动方程,分析了a-MoO_(3)/石墨烯异质叠层结构中声子极化激元-等离极化激元杂化激元波导模式的传播特性,计算了波导模式的色散关系,揭示了a-MoO_(3)/石墨烯异质叠层结构特有的电磁场传输机制。在实验上通过干法转移制备了a-MoO_(3)/单层石墨烯异质叠层结构,并采用散射式扫描近场光学显微镜对该异质结构的杂化极化激元特性进行了三维空间纳米光学成像表征,验证了理论结果。研究结果为计算范德瓦耳斯二维晶体叠层结构的杂化极化激元特性提供了定量模型,为研究二维晶体中不同类型的极化激元之间的相互作用及其机制提供了理论和实验参考。