低维自旋电子材料的理论设计与调控

自旋电子器件利用电子的自旋进行信息的传递、处理与存储,是未来信息技术的重要载体.低维体系具有显著的量子耦合效应,是研究电荷/自旋相互作用机制、发展纳米自旋电子器件的重要载体.由于缺陷、杂质、界面以及边界效应等提供的冗余自由度,使得长程有序磁性体系的制备、维护和调控远无法达到器件化的基本条件,寻找具有高居里温度、高自旋极化率等特性的低维材料是目前面临的挑战.基于密度泛函理论、热动力学模拟等第一性原理方法的计算结果,应用合适的物理统计模型,可以加深对低维材料结构-机制-性能的认识,为自旋电子学材料的发展提供理论支持,并通过应力和电荷掺杂,对低维材料的磁性进行调控.     

基于第一性原理计算的低维功能材料分子设计

低维材料具有高比表面积以及独特的物理化学特性,是未来能源、信息等技术领域的重要研究内容,但如何实现特定结构和功能是其实际应用的基础.分子是保持化学结构和特性的最小单元,从分子基元出发,可以实现低维材料结构预测以及功能导向的理论设计.本文综述了低维功能材料理论设计方面的研究进展,结合分子设计策略和第一性原理电子结构计算方法,针对特定结构和性能开展理论设计,预测了复杂二维单质晶体结构以及一系列低维新型光催化材料和自旋电子学材料,并揭示了低维材料功能和分子基元物性之间的对应关系,总结和展望了低维功能材料分子设计的优势与挑战.     

二维过渡金属二硫属化合物的应力调控

二维过渡金属二硫属化合物(TMDs)因其优异的性质,在光电器件、能量存储、催化等领域具有重要的应用价值.调节材料的晶格结构可以有效地调控其性质并扩展其应用领域,而应力调控是一种高效调节二维TMDs晶格结构与性质的重要方法.在过去的几年中,研究人员不断丰富应力调控二维TMDs的策略,拓展其在柔性光电器件、传感器、催化以及储能等领域的应用.本文主要综述了应力调控二维TMDs结构的各种策略、性质的调控效果以及在器件中的应用,展望了应力调控二维TMDs的发展趋势,并指出了未来研究中存在的挑战.     

二维过渡金属二硫化物的能带调控

二维过渡金属二硫化物(transition metal dichalcogenides, TMDCs)因其原子级平坦的表面、可调的能带结构等优势而在光学、电学、热学等领域受到广泛关注,并且为解决传统硅基晶体管尺寸进一步微缩面临的挑战提供了新的机遇.能带工程是调控二维TMDCs材料电子结构并研究其物理学特性的重要手段.本文从本征调控和外部调控两个方面综述了近年来二维TMDCs材料中的能带调控策略,主要包括本征层数调控、零维点缺陷调控(晶格空位构筑、掺杂/合金化)、施加应变、构筑异质结等.在现有研究成果的基础上,对未来的研究方向进行了展望.     

低维金属卤化物的结构与光学调控:化学合成与物理高压

金属卤化物作为一类新型光电材料,在发光二极管、太阳能电池、光电探测器、激光器等领域具有重要的应用前景.其晶体结构丰富且易被调节,通过在分子尺度上的控制,可由三维(3D)逐渐扩展至二维(2D)、一维(1D)及零维(0D).与三维金属卤化物相比,低维金属卤化物通常展现出更大的结构扭曲、更强的量子限域效应以及显著提升的激子结合能,使其成为在照明和显示领域备受关注的高效发光材料.现阶段,低维金属卤化物结构和光学性调控在依赖于传统化学手段的同时,也能够通过高压等物理手段完成.与传统化学调控手段不同,高压技术能够在不改变化学组分的前提下,对金属卤化物的结构和性能进行连续调制.本文首先介绍了传统化学手段对金属卤化物的结构和光学性质调控,随后讨论了高压技术在金属卤化物结构演变和光学性质优化方面的应用,重点阐述了其结构与光学性能之间的内在联系.本文为发光低维金属卤化物的合理设计与精准合成提供了重要的思路.     

自组装低维无机/有机异质结纳米材料

一维有机-无机异质结纳米材料因自身具有突出的光学和电学的性能而备受关注.在这种异质结材料内部,有机和无机的组分相互作用形成多个功能界面.这种新材料不仅保留了原来单组分的本征特性,还会通过界面强的作用产生新的特性,真正实现"1+12"的协同性能.认识和解释分子自组装的控调规律;通过分子结构的裁剪和作用力的调控实现小尺度低维分子聚集态异质结构的大面积、高有序组装;理解分子聚集态尺度下分子间弱相互作用产生的协同驱动机制和通过杂化/异质自组装优化原有功能,获得新结构的分子低维聚集态结构并在分子自组装体水平上研究结构变化导向的特殊性质,对基础科学研究的发展具有重大的科学意义.在本文中,我们主要讨论了制备异质结纳米材料的方法以及这些材料在电子和光学领域的应用.     

面向微电子应用的二维过渡金属硫族化合物制备进展

二维原子晶体材料所独有的结构特性带来了诸多优异的性质.与石墨烯相比,二维过渡金属硫族化合物(TMDs)拥有不同大小且可调控的带隙,在微电子和光电器件领域有着广阔的应用前景.本文对二维TMDs材料"自上而下"和"自下而上"的制备方法进行了总结,对比了机械剥离、液相剥离和化学气相沉积等常见制备技术,并归纳了各自的优缺点.同时基于未来晶圆级二维TMDs器件,重点介绍了化学气相沉积法及其面向应用需要解决的问题.最后总结了二维TMDs材料在微电子器件应用中的研究进展.     

二维材料中的缺陷及其拓扑、几何效应

晶体材料中的缺陷会引发局部的形变与应力,从而对材料力学性质、输运行为等物理特性产生影响,这在低维材料中尤为显著.近几年来在石墨烯等二维材料的相关研究中发现了多种类型的缺陷,这些缺陷对其材料性能具有一定的调控功能,且与块体材料中的行为有一定区别,因而其物理机制值得探究.本文将介绍相关的研究进展,特别是缺陷在影响材料行为时的几何与拓扑效应,并讨论其在二维材料晶体生长、低维结构材料设计等方面的意义.     

自组装低维无机/有机异质结纳米材料简

一维有机-无机异质结纳米材料因自身具有突出的光学和电学的性能而备受关注. 在这种异质结材料内部,有机和无机的组分相互作用形成多个功能界面. 这种新材料不仅保留了原来单组分的本征特性,还会通过界面强的作用产生新的特性,真正实现“1+1>2”的协同性能. 认识和解释分子自组装的控调规律;通过分子结构的裁剪和作用力的调控实现小尺度低维分子聚集态异质结构的大面积、高有序组装;理解分子聚集态尺度下分子间弱相互作用产生的协同驱动机制和通过杂化/异质自组装优化原有功能,获得新结构的分子低维聚集态结构并在分子自组装体水平上研究结构变化导向的特殊性质,对基础科学研究的发展具有重大的科学意义. 在本文中,我们主要讨论了制备异质结纳米材料的方法以及这些材料在电子和光学领域的应用.     

具有钙钛矿结构的分子铁电体研究进展

铁电材料是一类重要的功能性材料,由于其特殊的可翻转的自发极化,铁电材料在能源、信息、传感、医学等领域都有着广泛的应用.自20世纪以来,具有钙钛矿结构的铁电材料由于其优异的性质一直活跃在应用的舞台上,而其中应用较为广泛的几乎都是无机钙钛矿材料.近年来,随着科学技术的发展,人们发现了众多具有钙钛矿结构的分子铁电体.这些新型的分子铁电体具有较低的声阻抗、容易进行结构设计和调控、容易实现多种功能特性等优点,有望在柔性电子学、薄膜器件等应用中成为无机钙钛矿铁电材料的有益补充.本文结合分子钙钛矿铁电体的设计思路,对近年来其在压电、能隙调控、光电等功能特性方面取得的进展进行了介绍.     

玻璃球上的魔法:二维原子晶体的可控带隙生长

正对于半导体材料,带隙是一个非常重要的性质标签~([1])其表示半导体中电子被激发到能参与导电的状态所需要的最小能量,决定了材料的众多基本物理特性,如光子的吸收激发和电子传输等,带隙的精确调控有利于获取具有特定性质的订制材料.目前报道的二维原子晶体带隙调控方法主要分为化学调控及物理调控两大类,其中化学调控     

二维层状材料原位电子辐照研究

纳米结构的高精度可控加工是制约器件小型化发展的重要限制因素之一,而基于透射电子显微镜的电子辐照有望在加工精度上推动纳米加工的进程.透射电子显微镜中高能电子束不仅能用于原子结构成像,还可用于原位辐照加工.因此,基于透射电子显微镜的电子辐照效应研究既有利于从原子尺度上探索材料在电子辐照作用下的结构稳定性及结构演变规律,又有利于加深对电子辐照过程的理解,为纳米结构的高精度可控加工提供理论依据和实验基础.本文将简要介绍几种常见的电子辐照效应,并综述近年来利用透射电子显微镜在石墨烯、氮化硼、过渡金属硫族化合物等二维层状材料原位辐照方面的研究进展,为进一步研究二维材料结构稳定性和精准、可控加工低维纳米结构提供参考.     

半导体超晶格与量子微结构研究30年

半导体超晶格与量子阱系指对电子具有一维量子限制作用的多层超薄异质结人工材料,量子微结构泛指对电子具有二维和三维量子约束性质的量子线与量子点介观系统.这类低维体系的研究是近30年来半导体科学技术中,尤其是半导体物理学领域内一个发展最迅速的活跃前沿.它的研究兴起,不仅对信息科学技术,而且对低维物理、材料科学以及纳米技术的发展,正在产生着革命牲的影响.本文着重回顾与评述了30年来半导体超晶格与量子微结构在材料生长工艺、体系维度变化、物理效应产生以及新型器件应用等方面所取得的一系列重大进展,并对其在21世纪的发展作了初步展望.     

表面等离激元的调控研究与应用

随着对表面等离激元(SPPs)研究的日益深入和高精度纳米加工技术的不断进步, 表面等离激元亚波长光学得到迅速的发展. 由于SPPs具有表面局域和近场增强等特性, 在纳米光子学、能源、传感探测、生命科学等领域均有重要应用. 基于SPPs的特点, 介绍了材料、结构、材料和结构的复合以及柱面矢量光场对SPPs的调控特性及其应用.     

石墨烯片层孔道设计及其结构调控

石墨烯——最薄的二维碳材料,因其具有卓越的机械、光学、电子和热性能,使其在复合材料、电子器件、能源储存和吸附分离等许多领域都具有广泛的应用.石墨烯筛(graphene nanomesh)作为一种在石墨烯片层引入纳米孔的多孔石墨烯,除了具有石墨烯本身固有的特性之外,其可调控的孔结构设计为石墨烯筛功能性应用提供了新的选择.本文综述了常见的石墨烯筛合成方法并展望了其未来发展前景.     

二维过渡金属硫族化合物纳米异质结气体传感器研究进展

二维过渡金属硫族化合物(2D TMDs)在气体传感方向的应用中具有显著的"先天"优势,表现出如灵敏度高、响应速度快、能耗低以及能在室温下工作等诸多优点.相对单一的2D TMDs而言,基于2D TMDs纳米异质结的气体传感器展现出更加优越的气体传感性能.本文将系统总结2D TMDs纳米异质结气体传感器的研究进展,尤其是2D TMDs与金属氧化物、金属硫化物、碳基纳米材料以及量子点之间形成的纳米异质结设计、构效关系以及传感机理等关键科学问题.传感材料和传感机制上的创新对提升传感性能并拓展传感功能具有重要的科学意义.通过对纳米异质结气敏机理的深入探究,有望实现纳米异质结结构的人为设计和可控制备,提高室温下对目标气体的高灵敏选择性识别和检测.在纳米异质结的结构设计上,以TMDs材料为导电主体,在其表面生长各种纳米结构,通过对纳米异质结表面酸碱性、功函数、气体分子极性以及纳米异质结与气体分子之间的氧化还原反应性质进行调控,来构筑基于TMDs的纳米异质结.此外,控制负载在二维TMDs上纳米颗粒尺寸小于两倍电子耗尽层厚度,充分发挥纳米颗粒量子限域效应,以纳米颗粒充当传感的"天线分子"或"探针分子",实现对目标气体分子的高灵敏选择性识别和检测.     

轻质复合材料及结构热膨胀调控设计研究进展

热膨胀系数是材料热物理性能的重要参数.在温度剧烈变化服役环境下,航空航天工程中卫星、高超声速飞行器以及精密仪器仪表,微电子封装中大量结构的热变形需要精确的控制.发展热膨胀可调控的材料具有重要的科学意义和工程应用价值.轻质复合材料凭借其轻量化,力学性能优异且热膨胀系数可设计的优点已成为热变形控制领域的重要材料.本文首先概括了材料和结构的热变形控制在工程中的重要应用以及已有低、负膨胀均质材料的研究现状.其次详细介绍了层合、颗粒增强及拓扑优化复合材料的热膨胀设计研究成果.最后重点综述了轻质点阵复合材料的几何结构设计方法,热膨胀调控机理,制备工艺及实验表征的最新研究成果.     

Si/SiO_2异质界面的超精细硅量子线

作为半导体科学技术研究前沿领域的硅低维量子结构,它无论在低维物理基础研究,还是在技术应用上,都具有十分重要的意义.硅量子线作为纳米电子学的基础,将发展实现特大规模集成电路和开拓新一代硅量子效应的器件;同时,这种人工设计的一维微结构材料的能带结构不同于天然硅材料,可望获得高的发光效率,用于发展硅基集成光电子技术.国际上采用先进的材料生长手段和各种亚微米级以至纳米级的超微细     

二维催化材料在电解水中的研究进展

氢能是一种高热值、无污染的洁净能源.电解水制氢被认为是一种有效利用可再生能源,如风能、太阳能等,实现能量储存和转换的前沿科技.二维材料独特的结构和电子特性使其在催化电解水反应中具有广阔的应用前景.本文系统综述了二维材料在催化电解水反应中的两个半反应——阴极析氢反应(HER)和阳极析氧反应(OER)中的关键科学问题和最新进展,并展望了该领域所面临的挑战和机遇.     

过渡金属硫属化合物层间异质结构的可控制备和能源应用

随着石墨烯及其优异性质被发现以来,二维层状材料成为了材料科学领域研究的热点.二维层状材料每个片层内的原子通过化学键连接,片层间以弱范德华力相互堆垛.这种几何结构使得二维层状材料在晶格不匹配和生长方法不兼容的情况下,彼此之间仍然能够相互混合和匹配,从而衍生出很多范德华层间异质结构.这种异质结构利用了不同堆垛材料迥异的物理和化学性质,在电子、光电子器件、可再生能源储存和转化等领域得到了广泛的应用.需要指出的是,大面积、大畴区、可控制备本征层间异质结构是实现其实际应用的首要条件.本文总结了基于过渡金属硫属化合物(MX_2)和石墨烯(graphene)层间异质结构的最新研究成果,重点描述了MX_2/graphene和MX_2/MX_2层间异质结构的化学气相沉积(CVD)可控制备、新奇物理性质探索以及这两类异质结构在能源领域(电/光催化析氢反应)中的应用,并讨论了所存在的问题和未来发展方向.