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.     

二维过渡金属硫族化合物的研究进展

二维过渡金属硫族化合物(transition metal dichalcogenides, TMDCs)是继石墨烯之后的新型范德瓦耳斯材料,由于其天然的二维特性以及强自旋轨道耦合作用(spin-orbital coupling, SOC),导致诸如金属-绝缘体转变、电荷密度波(charge density wave, CDW)、能谷电子学、非常规超导电性等新颖物理性质的出现,使得这类材料成为研究低维量子物理的又一理想平台.其中能谷电子学与拓扑超导已经成为近年来凝聚态物理前沿研究的热点方向.本文在综述TMDCs材料的结构与基本物理性质的基础上,重点介绍了最近发展的用于生长原子层厚度的TMDCs材料的熔盐辅助化学气相沉积方法、在Se掺杂的MoSexTe_(2-x)薄膜中实现的T_d相到1T′相再到2H相的结构相变与超导增强现象,以及在少层T_d-MoTe_2中发现的非对称性SOC作用引起的类伊辛超导现象.最后,展望了TMDCs材料的潜在应用与可能存在的拓扑超导.     

二维材料异质结的可控制备及应用

二维材料异质结是由石墨烯、六方氮化硼、过渡金属二硫族化合物、黑磷等二维材料通过面内拼接或层间堆叠形成的,并由此可分为二维材料面内异质结和垂直异质结.二维材料面内异质结可以实现区域内载流子的特殊传输行为;而垂直异质结中的层间量子耦合效应能够导致新颖的物理特性,通过调节异质结构界面可调制器件的电学及光学性能.目前,随着电子器件、光电器件等对集成性、功能性的要求不断提高,二维材料异质结越来越多地受到研究者的关注,实现二维材料异质结结构(包括界面)的有效调控是构筑高性能、高集成器件的前提.本文主要对比各类二维材料异质结的制备方法,介绍主流的几类二维材料异质结基电子器件和光电器件的结构、工作原理和性能,展望有前景的新型制备方法,并指出二维材料异质结在实际应用中面临的挑战.     

二维材料限域水的扫描探针技术研究进展

界面水在自然界和工业发展中无处不在,其结构以及动态性质在众多的界面反应中起着重要的作用.因此,研究固体界面上水的微观结构和动态行为对理解水-固界面上诸多奇特的物理与化学性质十分关键.二维材料限域水是近年来新兴的一类界面水研究对象,即利用超薄的二维材料作为覆盖层,以扫描探针显微镜(scanning probe microscopy, SPM)技术对基底上的水分子进行表征,突破了长期以来SPM对界面水研究中易产生扰动的限制,开辟了在大气条件下研究界面水的新道路.本文简述了近年来SPM在二维材料限域水领域的研究进展,包括对限域水结构的成像、动态行为的探测、限域水的纳米操纵,以及限域水对上层二维材料性质的影响等,同时对二维材料限域水SPM研究面临的挑战和未来的研究方向,以及相关的应用前景作了展望.     

二维材料的新机遇

<正>随着传统半导体器件微型化达到物理极限，摩尔定律已经走到尽头，传统材料难以满足未来大数据时代日益增长的计算需求。二维材料以其独特的优势，成为有希望取代传统硅基半导体材料的候选者之一。此外，二维材料也展现出了诸如拓扑、强关联、超导等新奇的物理效应，近年来的研究还发现这些新奇物性可以被大范围、精准调控。二维材料已经成为凝聚态物理研究的绝佳平台。     

石墨烯霍尔元件

回顾了石墨烯霍尔元件的现状,并展望了其应用前景.石墨烯霍尔元件能够充分发挥石墨烯材料迁移率高和单原子薄层等优势,规避其没有带隙或者小带隙的缺陷,其主要的性能包括灵敏度、线性度、分辨率、温度稳定性等都超过了基于传统半导体材料的霍尔元件,而且制备工艺简单,容易得到高性能的石墨烯磁敏传感器.基于化学气相沉积(CVD)生长并转移到绝缘基底上的石墨烯材料,批量制备出高质量性能均匀的石墨烯霍尔元件.通过低温的器件加工工艺,将石墨烯霍尔元件集成到硅基互补性金属氧化物半导体(CMOS)电路中,实现了高性能混合霍尔集成电路,展示了石墨烯霍尔元件与硅基CMOS集成电路良好的工艺兼容性.     

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     

石墨烯和氮化硼层内异质界面生长机理

石墨烯打开了二维材料研究的大门,是被研究最为广泛的二维材料.石墨烯纳米带可以获得一定大小的带隙.因此,石墨烯纳米带嵌入到氮化硼介电层形成石墨烯和氮化硼横向异质结(G/h-BN)界面有望得到纯二维集成电路.本文回顾了G/h-BN界面的生长研究方法的发展,并结合石墨烯成核的微观机理,对比探讨了G/h-BN界面成核生长机理,凝练提出了控制G/h-BN界面的关键参数,为G/h-BN界面器件设计提供了方法和机理参考,并为其他二维材料界面提供研究思路.     

二维金属性过渡金属硫属化合物的可控制备和潜在应用

二维金属性过渡金属硫属化合物(metal transition metal dichalcogenides, MTMDCs)由于其独特的物性(如电荷密度波相转变、超导和磁性等),以及在先进纳米电子学和能源相关领域的应用潜力而受到研究者的广泛关注.为了实现基本物性研究和多方面的应用探索,化学气相沉积(CVD)技术被引入到高质量二维MTMDCs材料的制备中,成功地合成了厚度可调的超薄MTMDCs纳米片、大面积均匀的超薄薄膜、垂直取向的纳米片阵列和高质量的纳米片粉体等. CVD方法可以兼顾大畴区、层厚可调和高晶体质量的材料制备需求,还能与目前的半导体工艺相兼容,因而受到人们广泛关注.二维MTMDCs材料具有高的电导率,可以作为单层/少层半导体性过渡金属硫属化合物(transition metal dichalcogenides, TMDCs)的电极材料,改善晶体管器件的电极接触,从而提升器件性能.此外,二维MTMDCs纳米片也可作为高效的催化剂应用于电化学析氢反应,其催化性能显著优于单层/少层MoS₂等半导体性TMDCs催化剂.本文综述了二维MTMDCs材料的CVD制备...     

二维材料功能化隔膜在锂电池中的应用

功能化隔膜对于锂二次电池的安全性能和电化学性能有着重要影响.相比于其他改性传统聚烯烃隔膜的材料,二维材料具有超薄的片层结构、高机械强度、高比面积以及可调的表面化学性质等优势.本文综述了不同类型二维材料功能化隔膜在解决锂硫电池中多硫化物的穿梭效应、锂金属电池中负极枝晶生长问题,以及锂离子电池中传统聚烯烃隔膜润湿性和热稳定差等问题的研究进展.最后,讨论了二维材料在锂电池隔膜中面临的机遇和挑战.     

硅基低维发光材料的研究进展

20世纪90年代,作为硅基光电子学的一个主导发展方向,硅基低维发光材料的研究取得了一系列重要进展。一方面,硅基超晶格、量子阱以及多孔硅的研究不断深化,具有潜在的发展优势。另一方面,由各种成膜技术形成的各种纳米晶硅薄膜、硅基纳米微粒以及由自组织生长方法制备的硅基量子点的研究崭露头角,亦呈现出良好的发展势头。本文综合评述了各类硅基低维材料在发光特性方面的研究进展。     

基于二维材料纳米孔的生物传感器:计算和模拟研究进展

近年来,基于纳米孔的生物传感器被广泛用于DNA、RNA和蛋白质等生物分子的检测和分析.以DNA测序为例,纳米孔测序摒弃了样本扩增和荧光标记等步骤,与传统测序技术相比,在成本、读取长度和效率等方面具有明显优势.过去10年间,拥有优异力学、电学、光学等性质的石墨烯和其他二维材料受到了纳米孔传感器领域研究人员的关注.一方面,这是因为它们极低的厚度有望提供远高于氮化硅、氧化硅等传统固态纳米孔材料的空间分辨率;另一方面,除常用的离子电流测量外,导电二维材料的应用还提供了膜内横向电流这一带宽更高的测量途径.在纳米孔传感器的研制过程中,能实时"观测"纳米孔内原子、分子尺度相互作用规律的理论和计算模拟工具发挥了重要作用,包括预测分析原理、优化器件性能、解释实验现象等.本文从计算和模拟角度出发,综述了过去10年间基于二维材料纳米孔生物传感器研究的关键历程,分析了制约二维材料纳米孔传感器性能的关键因素,讨论了该领域目前所面临的挑战和可能的解决方法,最后展望了未来值得努力的方向.     

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.     

二维材料气体分离膜及其应用研究进展

二维材料气体分离膜由于其独特的分子输运特性,在渗透率、选择性方面表现出优于传统薄膜的优势,具有巨大的发展潜力.石墨烯类、二维金属有机骨架、二维过渡金属碳化物/碳氮化物等二维材料中存在的亚纳米尺度空间为分子输运提供了特殊的通道,包括纳米孔和纳米通道,它们是高渗透性和高选择性分子筛选的根本原因.然而,二维材料薄膜在复杂工业环境中的不稳定性、难以进行大面积制备等使其实际应用受到了很大的局限,目前二维材料膜尚未大规模应用于工业生产中.本文选择性地对当前研究的热点二维材料气体分离膜研究现状进行总结,同时对其在CO₂捕获和分离、H₂分离和提纯、天然气提氦等领域的具体应用进行阐述,并且探讨了二维材料气体分离膜当前所面临的挑战与未来发展前景.     

硅基SiNxOy薄膜的光致发光

为了实现硅基光电子集成,人们正在致力于探求合适的硅基发光材料.由于SiO_2薄膜是硅集成电路中重要的掩蔽膜和介质膜,因此人们正在将它作为一种有前途的发光材料进行研究,并获得了一些有价值的结果众所周知,SiN_xO_y薄膜也是硅集成电路中重要的掩蔽膜和介质膜,由于它比SiO_2薄膜具有更多的优点,并在超大规模集成电路中得到了越来越多的应用,所以研究SiN_xO_y薄膜是否可以成为一种合适的硅基发光材料也就显得十分有意义了.就我们所知,还没有文献报道SiN_xO_y薄膜光致发光(PL)特性的研究.     

SOI材料和器件抗辐射加固技术

绝缘体上硅(SOI)技术是一种在硅材料与硅集成电路巨大成功的基础上发展起来的,有独特优势的并且能够突破传统硅集成电路限制的新技术.绝缘埋层(BOX)的存在使得SOI技术从根本上消除了体硅CMOS中的闩锁效应.在同等工艺节点下其单粒子翻转截面较体硅CMOS技术小了1~2个数量级,抗瞬时剂量率的能力也提高了2个数量级以上.这些固有优势使得SOI技术在军事和空间应用中具有举足轻重的地位.然而,在空间和核爆等电离辐射环境下,辐射将会在BOX层中引入大量的陷阱电荷.这些辐射感生的陷阱电荷会导致SOI器件和电路性能的退化,从而严重阻碍和制约了SOI技术在抗辐射加固中的应用.另一方面,SOI器件的寄生三极管放大效应会削弱SOI技术在抗单粒子辐射和瞬态辐射方面的优势,这使得抗辐射SOI器件与电路的加固设计面临着严峻的挑战.本文介绍了SOI器件中3种主要的电离辐射效应并对比了体硅器件和SOI器件辐射效应的差异.针对寄生双极晶体管导致SOI器件单粒子效应和剂量率效应敏感性增强的问题,提出了相应地减弱寄生双极晶体管效应的加固方法.针对SOI器件抗总剂量效应差的问题,分别从材料工艺和器件结构两个层次介绍了SOI器件的总剂量加固技术.     

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.     

第四主族金属硫族化合物二维材料研究进展

第四主族金属硫族化合物具有丰富的晶体结构与组成.理论计算预测这类材料的二维晶体具有优异的热电、铁电、压电等性能.但是,目前这类材料的二维结构与性质研究的实验工作尚未系统展开.本文以这类材料二维结构与性质的关联性为切入点,系统展示了这类材料二维结构的合成进展,总结了其二维尺度上的独特性质,并对这类材料的发展前景及挑战进行了展望.     

低维材料中的缺陷效应与电子态调控

低维材料具有大的比表面积、独特的电子结构和优异性能,在新能源、信息等领域具有重要的应用前景.低维材料所具有的特殊电子态可以突破传统半导体材料的尺寸极限,是后摩尔时代重要的候选材料.如何有效地调控低维材料电子结构以满足特定功能的需要是实现这一应用的关键.本文从一维纳米管和二维层状材料中的"缺陷效应"出发,对我们课题组在低维材料电子结构调控方面的研究结果进行综述,揭示空位和吸附原子等点缺陷以及表面修饰和内部填充等对材料的电子结构、电子自旋极化和激发态特性的调控机制与规律,为低维材料在新型电子器件等领域的应用提供依据.     

半导体薄膜材料发光特性研究的新方向

硅基低维材料的可见光发射和ＧａＮ基材料的蓝绿光发射是９０年代半导体薄膜材料发光特性研究的两个新方向。本文从能带工程的角度出发，介绍了硅基低维材料的可见光发射机理；从器件应用的角度出发，介绍了ＧａＮ基材料的蓝绿光发射性质。