Square-octagon晶格中的量子自旋霍尔效应

从晶格的紧束缚近似哈密顿量出发,计算square-octagon晶格纳米带的能带结构,分析其边界态特点,并通过Fukui-Hatsugai方法进一步验证系统的拓扑性。计算表明,在合适的参数下,Rahsba自旋轨道耦合作用能产生一对无能隙螺旋边界态,且该边界态受到时间反演对称性保护。同时,在半个布里渊区内的整数场之和为奇数,表明系统处于量子自旋霍尔态。

1280×1024元InAs/GaSb II类超晶格中/中波双色红外焦平面探测器

本文报道了1280×1024元InAs/GaSb II类超晶格中/中波双色红外焦平面阵列探测器的研究结果。探测器采用PN-NP叠层双色外延结构,信号提取采用叠层双色结构和顺序读出方式。运用分子束外延技术在GaSb衬底上生长超晶格材料,双波段红外吸收区的超晶格周期结构分别为中波1:6 ML InAs/7 ML GaSb和中波2:9 ML InAs/7 ML GaSb。焦平面阵列像元中心距为12μm。在80 K时测试,器件双波段的工作谱段为中波1:3~4μm,中波2:3.8~5.2μm。中波1器件平均峰值探测率达到6.32×10^(11) cm·Hz^(1/2)W^(-1),中波2器件平均峰值探测率达到2.84×10^(11) cm·Hz^(1/2)W^(-1)。红外焦平面偏压调节成像测试得到清晰的双波段成像。本文是国内首次报道1280×1024规模InAs/GaSb II类超晶格中/中波双色红外焦平面探测器。

分数阶衍射蜂窝晶格中带隙涡旋孤子的传输与控制

基于分数阶非线性薛定谔方程,研究分数阶衍射效应下蜂窝晶格中带隙涡旋光孤子的存在性与传输特性.首先采用平面波展开法得到蜂窝晶格能带结构,其次在带隙结构中分别采用改进的平方算子迭代法、分步傅里叶法和傅里叶配置法研究含有蜂窝晶格势的分数阶非线性薛定谔方程中带隙涡旋孤子的模式及其传输特性.研究结果发现带隙涡旋孤子的传输特性受Lévy指数和传播常数的影响.在稳定区间,带隙涡旋孤子可以稳定传输,而在非稳定区间,带隙涡旋孤子会随着传输距离的增加而逐渐汇聚,失去环状结构演变为基孤子.且Lévy指数越大,带隙涡旋孤子能够稳定传输的距离越长,功率越低.此外,相邻晶格同相位两个带隙涡旋孤子与旁瓣能量相叠加,反相位两带隙涡旋孤子与旁瓣能量相抵消,传输过程中逐渐失去环状结构,演化为类偶极子模式,且受方位角调制影响而周期性旋转.在非相邻晶格处两带隙涡旋孤子,由于旁瓣影响较小,带隙涡旋孤子在传输过程中能较好地保持环状结构.

TSV阵列在温度循环下的晶格变化对电学性能影响的研究

针对TSV(Through Silicon Via,硅通孔)热机械可靠性较差且其结构特性变化对电学性能影响情况不明的问题,基于一种TSV阵列叉指电极对样品开展了-55~125℃的温度循环试验,测试了温循后阵列电极的电学性能与边界绝缘性能变化,跟踪测试了TSV铜柱的几何尺寸变化,对比分析了试验前后TSV结构的形貌和晶格特性等衍化规律。结果表明,温度循环载荷导致了TSV-Cu晶粒向上生长、铜柱体积变大、微观结构缺陷产生以及电学性能退化;此外,还定量地构建了晶格特性变化对TSV阵列电极电学性能影响的关系架构,具有一定的工程意义。

玻恩—黄昆近似与玻恩—黄昆展开——从晶格动力学到阿秒物理学

著名的玻恩—奥本海默近似是对固体物理做量子力学处理的基础。文章旨在介绍在此基础上发展的玻恩—黄昆近似,和更为基本的物理基础:玻恩—黄昆展开,从而深入探究黄昆先生对固体物理发展的卓越贡献。玻恩—奥本海默近似和玻恩—黄昆近似都属于绝热近似的范畴,而玻恩—黄昆展开可以完全包含非绝热作用。当涉及电子与原子核在阿秒量级之深层次相互作用时,必须考虑非绝热过程,从而体现出玻恩—黄昆展开的伟大价值。

光电调控的磁性WSe_(2)超晶格中的自旋和谷极化输运

基于磁性WSe_(2)超晶格系统,探讨了非共振圆偏振光与栅极电压及其对隧穿、谷极化及自旋极化的影响;发现了单层WSe_(2)的弹道输运操纵,以及基于磁性WSe_(2)的NM-FM-NM结的周期性阵列量子输运的调控.结果表明:通过增加势垒的数量,圆偏振光临界值可消除透射能隙;圆偏振光和栅极电压可视为一个透射阀,也可用于控制自旋和谷极化的敏感旋钮.发现了在WSe_(2)超晶格中的克莱因隧穿是自旋-谷相关的;自旋-谷极化可以利用栅极电压和圆偏振光来调整和转换.

PT对称光晶格势中的涡旋光孤子传输特性的研究

本研究提出了一种实现具有宇称时间(PT)对称性的光学贝塞尔势的方案。通过从冷原子气体中光的衍射、非局域非线性和PT对称势约束之间的相互作用入手,研究了如何存在、传播和操纵二维涡旋光孤子。结果显示,该系统支持稳定的二维涡旋光孤子,其拓扑电荷最大值为|m|=6。此外,可通过控制PT对称晶格势的虚部来保证这种孤子的稳定性。由于里德堡-电磁感应透明(Rydberg-EIT)效应增强了局域和非局域非线性,因此这些二维涡旋光孤子只需要很低的功率就可以激发出来。研究结果不仅对PT对称势以及操纵二维涡旋光孤子有重要意义,还在光信息处理和传输方面具有很好的应用前景。

界面特性对InAs/GaSb Ⅱ型超晶格光学性质影响理论研究

InAs/GaSb Ⅱ型超晶格是中红外谱段光电子器件的核心结构,其Ⅱ型能带排列特点使电子、空穴在实空间分离而跨过界面,其非公共原子构型使得界面态丰富。我们在Burt-Foreman包络函数理论的基础上,讨论了不同界面态对超晶格电子能态和波函数的调控作用。理论计算表明,超晶格缓变界面和界面势两种不对称界面态分布,都会导致重空穴带的自旋劈裂,而只有施加界面势时才会使得轻空穴带发生自旋劈裂。此外,研究了改变阱宽和改变势垒时超晶格体系带隙的变化趋势。结果表明,随着势垒厚度增大,陡峭界面和缓变界面两种界面态下的带隙计算结果逐渐降低,并且随着厚度增加带隙趋于收敛,而界面势下的带隙计算结果随着势垒厚度的增大而增大,与前两者呈现相反的趋势,这为中红外超晶格器件的精确设计提供了可参考的理论基础。

液晶Lieb晶格衍射偏振特性分析

Lieb晶格是被研究较多具有平带特性的完整晶格结构之一。本文基于液晶光控取向技术制备了Lieb晶格,通过改变曝光的偏振方向,构建了晶格位点内液晶为90°扭曲(TN)取向、图案外为均匀(PA)取向的液晶Lieb晶格结构。测量了在外加电场作用下,不同入射方案的液晶Lieb晶格的衍射特性。通过偏振测试仪测试了在不同外加电场作用下的多个衍射级次的偏振特性。实验结果表明,施加电压时衍射图样中衍射光斑的级次增多;随电压升高到约2.5 VPP,液晶Lieb晶格结构的衍射效果变差,除了零阶衍射光斑,各衍射级次衍射光斑强度达到最弱;增加电压至4 VPP,各级次衍射光斑强度逐渐增强,衍射图案逐渐清晰。在改变电压的过程中,各种入射情况的不同阶次衍射光的偏振态也在逐渐改变,一阶衍射光在1~3 VPP之间有+45°线偏振光、-45°线偏振光、右旋圆偏振光、左旋圆偏振光等特殊偏振态出现。本文提出的液晶Lieb晶格具有易调控、易制备等特性,通过调控施加在液晶上的电压,可以实现衍射级次偏振态的动态调控,为光场调控提供了新的方式。

基于数字微镜器件的快速超分辨晶格结构光照明显微研究

超分辨结构光照明显微成像技术(super-resolution structured illumination microscopy,SR-SIM)具有时间分辨率高、光漂白和光毒性低和对荧光探针的要求少等优点,适用于活细胞的长时程超分辨成像.采用二维晶格结构光作为照明光,可以实现更快的成像速度和更低的光毒性,但同时也增加了系统的复杂性.为了解决此问题,本文提出了一种基于数字微镜器件的快速超分辨晶格结构光照明显微成像方法(digital micromirror device-based lattice SIM,DMD-Lattice-SIM),通过同步分时触发DMD和sCMOS相机的方式实现二维正交晶格结构光的产生,且只需要采集5幅相移原始图像即可重构出超分辨图像,相比于传统SR-SIM需要9幅相移原始图像的方法,图像采集时间减少了约44.4%.同时,在基于空域和频域联合的SIM重构算法(joint space and frequency reconstruction method-SIM,JSFR-SIM)的基础上,本文还发展了用于Lattice-SIM的JSFR超分辨图像重构方法(Lattice-JSFR-SIM),先在频域对原始图像进行预滤波处理;然后,在空域对滤波后的图像进行超分辨重构处理.与传统频域图像重构处理对比,该方法在512×512像素数的成像视场下重构时间减少了约55.6%,对于实现活细胞实时超分辨成像具有重要意义和应用价值.

一维超冷原子动量光晶格中的手征对称性破缺拓扑相

对称性在理解物质的拓扑态方面具有关键作用.过去人们认为手征对称性保证了一维晶格的量子化Zak相位及其对应的非平庸拓扑相.本文展现了在一维手征对称性破缺的情况下,晶格系统仍具有量子化Zak相位和非平庸拓扑相.具体而言,在超冷原子动量晶格系统中有效地模拟了一个链长为26、手征对称性破缺的Zigzag模型,其中相等的次近邻耦合强度能够在保留空间反演对称性的同时破坏手征对称性.通过测量原子的时间平均波包位移来获得系统的拓扑不变量,并得到了其对应的量子化的Zak相位.此外,还观测到系统随着最近邻耦合强度比例的变化会从非平庸拓扑相转变为平庸拓扑相.本文不仅为对称性及拓扑相的相关研究提供了一个完全可控的平台,还可以通过控制格点间耦合强度和原子间相互作用,探索例如Tasaki,Aharonov-Bohm caging模型中的平带拓扑以及引入相互作用研究的非线性拓扑现象.

基于AlAsSb/InAsSb超晶格势垒的InAs/InAsSbⅡ类超晶格nBn中波红外探测器

InAs/InAsSbⅡ类超晶格避免了InAs/GaSbⅡ类超晶格中与Ga原子相关的缺陷复合中心,具有更高的少数载流子寿命,在高工作温度中波红外探测器制备方面有着良好的应用前景。少数载流子单极势垒结构通常被用来抑制探测器暗电流,如nBn结构探测器。在InAs/InAsSbⅡ类超晶格nBn中波红外光电探测器中,势垒层常采用AlAsSb等多元合金材料,阻挡多数载流子的输运。然而,势垒层与吸收层存在的价带偏移(VBO)使得光电流往往需要在大偏压下饱和,从而增大了探测器暗电流。本文设计了一种AlAsSb/InAsSb超晶格势垒,旨在消除VBO并降低量子效率对偏压的依赖性。研究结果显示,150 K下,设计制备的nBn光电探测器的50%截止波长为4.5μm,探测器光响应在-50 mV的小反向偏压下达到了饱和,3.82μm处的峰值响应度为1.82 A/W,对应量子效率为58.8%。在150 K和-50 mV偏压下,探测器的暗电流密度为2.01×10^(-5)A/cm^(2),计算得到在3.82μm的峰值探测率为6.47×10^(11)cm·Hz^(1/2)/W。

基于Tersoff势的晶格中波动传播

在晶格间的Tersoff势作用下分别研究了单晶体系和多晶体系中的波动传播特性。首先,在微振动的情况下,分别基于晶格间线性作用、Tersoff势作用以及含缺陷的Tersoff势作用3种势能函数研究了单晶体系中格波的传播,得到了晶格中的色散关系以及格波波速的表达式。其次,分别以碳晶格和硅晶格为例,运用有限差分方法,研究了3种势能作用下单晶体系中的波动传播过程,对比了压缩和拉伸冲击下晶格的运动差异,并讨论了入射速度对位移峰值和受力峰值的影响,揭示了单晶体系中波动传播与连续介质中波动传播的差异。最后,分别以金刚石和碳化硅为例,采用分子动力学模拟方法,研究了多晶体系中的波动传播特性,讨论了不同空间位置原子的运动差异。结果表明:多晶体系中晶格结构更复杂,其中的波动传播特性与单晶体系存在差异;缺陷的存在对波动传播规律影响显著,这种影响在多晶体系中表现得更加突出。

BiFeO_(3)/BaTiO_(3)铁电超晶格的电学性能研究

采用脉冲激光沉积技术在(001)取向SrTiO_(3)(STO)单晶衬底上生长了BiFeO_(3)/BaTiO_(3)(BFO/BTO)超晶格,研究了超晶格的微结构、铁电性能以及电输运机制。研究表明,BFO/BTO薄膜在STO衬底上外延生长。在薄膜层总厚度相同的条件下,相对于BTO及BFO单层薄膜,BFO/BTO超晶格表现出了更好的铁电性与更低的漏电流,且漏电流随着周期数的增多而减小。空间电荷限制电流(SCLC)是超晶格主导的电输运机制。超晶格中的人工界面对提升其铁电与漏电性能起着重要的作用。

基于超晶格PUF的轻量级信息论安全密钥达成协议

物理不可克隆函数(physicalunclonablefunction,PUF)是一种新型硬件安全原语,提取由器件制造过程中不可避免的随机差异作为密钥.超晶格PUF自提出以来,由于其良好的强PUF特性吸引了国内外诸多学者投入到超晶格随机数发生器和身份认证研究中.但是目前针对超晶格PUF的多方密钥达成协议研究仍然较少,尤其是面向轻量级设备场景.本文提出了一种基于超晶格PUF的轻量级密钥达成协议,阐述了从超晶格PUF派生密钥的方法,并提供信息论安全.通过引入可信第三方来实现持有超晶格PUF的终端设备的注册和会话密钥达成等功能.分析了该协议的攻击模型,证明了其信息论安全.最后在Cortex-A7平台进行实验验证,阐述了其效率和适用性.所提密钥达成协议专注于轻量级群组用户需求,对未来车联网、工业物联网等场景下的安全需求具有重要意义.

InAs/GaSb Ⅱ类超晶格材料的Si离子注入研究

Ⅱ类超晶格红外探测器一般通过台面结实现对红外辐射的探测,而通过离子注入实现横向PN结,一方面材料外延工艺简单,同时可以利用超晶格材料横向扩散长度远高于纵向的优势改善光生载流子的输运,且易于制作高密度平面型阵列。本文利用多种材料表征技术,研究了不同能量的Si离子注入以及退火前后对InAs/GaSb Ⅱ类超晶格材料性能的影响。研究通过Si离子注入,外延材料由P型变为N型,超晶格材料中产生了垂直方向的拉伸应变,晶格常数变大,且失配度随着注入能量的增大而增大,注入前失配度为-0.012%,当注入能量到200 keV时,失配度达到0.072%,超晶格部分弛豫,弛豫程度为14%,而在300℃ 60 s退火后,超晶格恢复完全应变状态,且晶格常数变小,这种张应变是退火引起的Ga-In相互扩散以及Si替位导致的晶格收缩而造成的。

晶格结构可打印性研究现状

晶格结构因其复杂多变的结构呈现出多种优异的电、磁、声学、热学和机械性能,在航空航天、汽车、建筑和生物医学行业显示出较大的市场前景,而晶格结构的制造难度大是制约其快速发展的一大难题,增材制造技术为晶格结构制造带来了便利。本文主要总结分析了晶格结构的设计、打印原材料和打印过程中参数对结构可打印性的影响,分析得出晶格结构的可打印性受晶格类型、相对密度、支柱倾斜度、粉末类型和打印参数的影响,最后提出了提升晶格可打印性的未来发展方向。

基于原子体系人造晶格构建量子模拟器

量子模拟技术通过调控原子体系构建人造晶格,可用于模拟微观世界的多体物理现象。概述了以超冷原子光晶格、莫尔超晶格与量子点超晶格为代表的人造晶格构建量子模拟器的方法及其研究成果,讨论了原子体系下不同类型人造晶格量子模拟平台的特点和优势。然而,由于材料和技术上的限制,目前固态量子模拟平台还未能实现室温工作且大规模集成生产。硅纳米晶体管局域沟道内具有量子点特性的杂质原子为解决这一问题提供了可能。最后,总结了人造晶格量子模拟器所面临的挑战,并给出了后摩尔时代基于杂质原子量子点阵列构建硅基量子模拟器的发展思路。

超晶格插入层对InGaN/GaN多量子阱的应变调制作用

在InGaN/GaN异质结构量子阱内存在巨大的压电极化场,这严重地削弱了量子阱的发光效率.为了减弱量子阱内的压电极化场,通常引入应变调制插入层提升器件的发光性能.为了研究InGaN/GaN超晶格的应变调制效果和机理,实验设计制备了具有n型InGaN/GaN超晶格插入层的外延结构及其对照样品.变温光致发光谱测试表明引入n型InGaN/GaN超晶格插入层的样品发光波长更短且内量子效率提升,相应的电致发光谱积分强度也显著增加且半宽减小,说明引入超晶格应变插入层可以在一定程度上抑制影响发光效率的量子限制Stark效应.理论计算结果表明:在生长有源区量子阱前引入超晶格应变层,可以削弱有源区量子阱内极化内建电场,减弱有源区量子阱能带倾斜,增加电子空穴波函数交叠,提高发射几率,缩短辐射复合寿命,有利于辐射复合与非辐射复合的竞争,实现更高的复合效率,从而提高发光强度.本文从实验和理论两方面验证了超晶格应变调制插入层可以有效改善器件性能,为器件的结构设计优化指明方向.

锑化物超晶格红外探测器研究进展与发展趋势

锑化物超晶格红外探测器具有均匀性好、暗电流低和量子效率较高等优点,其探测波长灵活可调,可以覆盖短波至甚长波整个红外谱段,是实现高均匀大面阵、长波、甚长波及双色红外探测器的优选技术,得到了国内外相关研究机构的关注和重视,近年来取得了突破性的进展。文中从锑化物超晶格的基本技术原理出发,梳理总结了超晶格红外探测器的发展历程和当前进展,结合超晶格技术特点的分析,初步探讨了超晶格红外焦平面后续发展趋势。