中国基于同步辐射光源的ARPES线站简介

角分辨光电子能谱(ARPES)凭借直接探测电子能量和动量的优势,在研究固体材料能带结构、费米面以及能隙等方面发挥着重要作用.近年来,通过追随国际领先水平,我国ARPES技术得到了飞速发展,其中与第一、二、三代同步辐射光源的结合更是帮助凝聚态物理和自旋电子学等研究方向实现了许多重大突破.本文从线站技术特点和主要成果两个角度简要介绍了目前中国主要的基于同步辐射ARPES光束线站:包括合肥光源角分辨光电子能谱线站,上海光源“梦之线”、BL03U、BL07U-Nano ARPES和BL07U-自旋分辨ARPES线站,同时还对基于未来合肥先进光源的新ARPES线站进行了展望.这些实验站将在新型量子材料探索与调控、微纳原型器件的研发等方面提供关键且不可替代的技术支撑.     

ZnO(000)表面的同步辐射角分辨光电子能谱研究

利用同步辐射角分辨光电子能谱(angle-resolved photoeletron spectroscopy,ARPES)并结合全势缀加平面波(full potential linearized augmented plane waves,FPLAPW)理论计算方法研究了ZnO(000)表面的价带电子结构及能带色散.通过垂直出射的ARPES得到ZnO体态沿ΓA方向的能带结构并确定了两个表面态,实验结果与理论计算结果较为一致.利用非垂直出射的ARPES得到这两个表面态沿ΓKM方向的二维能带色散.     

新型二维ZnO/InSe纳米复合材料电子结构与光催化性能的第一性原理研究

基于密度泛函理论方法,系统研究了新型二维ZnO/InSe异质结的电子结构和光催化性能。计算结果表明,二维ZnO/InSe异质结的晶格失配率为3.3%,形成能为-2.43eV,表明异质结的结构稳定。异质结表现为Ⅱ型能带对齐,价带和导带的带偏置分别为0.51和1.34eV,能够有效降低电子和空穴的复合率,提高ZnO/InSe异质结的光催化性能。二维ZnO/InSe异质结是带隙值为2.23eV的直接带隙半导体材料,对应有良好的可见光吸收范围,且光吸收系数高达10~5 cm~(-1),能够进一步提升光吸收效率。此外,异质结的带边位置分别跨过水的氧化还原电位,可用于光解水制备氢气。因此,二维ZnO/InSe异质结是一种有前景的可见光光催化材料。     

ZnO(000)表面的同步辐射角分辨光电子能谱研究

利用同步辐射角分辨光电子能谱(angle-resolved photoeletron spectroscopy,ARPES)并结合全势缀加平面波(full potential linearized augmented plane waves,FPLAPW)理论计算方法研究了ZnO(000(-1))表面的价带电子结构及能带色散.通过垂直出射的ARPES得到ZnO体态沿ΓA方向的能带结构并确定了两个表面态,实验结果与理论计算结果较为一致.利用非垂直出射的ARPES得到这两个表面态沿(-Γ)(-KM)方向的二维能带色散.     

应用TransMesh进行微观组织结构的有限元网格划分

介绍了使用开发的软件TransMesh和商业化有限元软件ABAQUS,对二维异质体材料微观组织结构进行面向对象的有限元网格划分技术.运用C语言和Python脚本语言,在有限元软件ABAQUS中成功地再现了二维异质体材料微观组织结构的体积代表单元(RVE).并通过软件TransMesh实现了参数化有限元网格划分.将ABAQUS与自主开发的TransMesh软件相结合,在国内率先系统地掌握了二维异质体材料微观组织结构的有限元网格划分技术,为微观组织结构的有限元模拟的顺利进行奠定了基础.     

理论计算在GaN范德华异质结的光催化的研究进展

近年来,后石墨烯时代许多新型二维材料表现出优异的物理化学性能,同时以二维半导体材料为基础构建的二维范德华异质结复合材料为改善光催化剂性能开辟了新的研究方向。二维范德华异质结光催化剂可以增强对可见光的吸收和降低电子和空穴的复合,极大提升光催化性能。氮化镓（gallium nitride,GaN）材料具有禁带宽度大、电子漂移速度快、抗腐蚀性强和耐高温等优点,这为其作为半导体光催化剂提供了可能。介绍了光催化剂材料筛选和二维GaN基范德华异质结研究进展等,通过第一性原理密度泛函理论对二维GaN基异质结体系的光催化性质进行研究分析。     

二硫化钼-硅异质结太阳电池的原位制备及器件模拟

 二维材料与晶体硅形成的异质结太阳电池是当前太阳电池研究热点之一,大多数研究都集中在石墨烯和硅形成的肖特基结太阳电池。为改善器件的能带结构,本研究采用具有一定禁带宽度的n-MoS₂二维半导体材料与p-Si 形成异质结太阳电池。通过实验研究了退火时间对MoS₂材料合成的影响,并对MoS₂-Si异质结的暗电流和光电流曲线进行测量和分析。通过异质结模拟软件wx-AMPS对MoS₂-Si异质结结构进行效率计算和能带分析,探讨了薄膜厚度和载流子浓度对器件开路电压的影响。     

拓扑半金属的角分辨光电子能谱研究

拓扑半金属是一类新奇的量子材料,它存在受拓扑保护的无能隙体态能带交叉和特征表面态.根据能带交叉的维度和简并度,拓扑半金属可以简单分为:零维的四重简并狄拉克半金属、二重简并外尔半金属、三重/六重/八重简并点半金属,和高维度的节线/节面半金属.近十年来,基于角分辨光电子能谱(ARPES)实验技术,人们可以直接测量拓扑半金属中的体态能带简并和特征表面态,清楚地揭示材料的拓扑本质.本文系统性回顾了使用ARPES研究各种类拓扑半金属的成果与进展,有助于理解其物理性质、拓扑起源以及探索更多新奇拓扑半金属.     

ZnO(000(-1))表面的同步辐射角分辨光电子能谱研究

利用同步辐射角分辨光电子能谱（angle-resolved photoeletron spectroscopy,ARPES）并结合全势缀加平面波（full potential linearized augmented plane waves, FPLAPW）理论计算方法研究了ZnO（0001^-）表面的价带电子结构及能带色散．通过垂直出射的ARPES得到ZnO体态沿ГA方向的能带结构并确定了两个表面态，实验结果与理论计算结果较为一致．利用非垂直出射的ARPES得到这两个表面态沿Г^- KM^-方向的二维能带色散．     

二维改性碳基材料用于高效光催化产氢

二维碳基材料,因导电性强、比表面积大、成本低廉等诸多优势,被广泛应用于光/电催化等新兴领域,尤其是光催化裂解水产氢技术,普遍被认为是解决当前能源短缺和环境污染问题的有效途径之一。虽然,近年来关于二维碳基材料在光催化产氢领域的研究层出不穷,但其固有的光生电子/空穴分离效率低、还原/氧化能力弱、界面传输速率慢等问题仍亟待解决。因此,如何显著增加二维碳基材料表面催化活性位点密度,提高其在光催化产氢过程中的电子传输速率和稳定性,具有重要的现实意义。以石墨炔(GDY)、氮化碳(C₃N₄)、共价有机框架化合物(COF)、过渡金属碳/氮化合物(MXenes)四种典型的二维碳基材料为研究对象,系统总结了掺杂/空位缺陷和异质结构建两种改性策略对二维碳基材料物理化学性质的影响关系,并深入剖析了其光催化产氢活性增强机制。最后,还对新型二维改性碳基材料的发展和挑战提出了展望,为高性能光催化产氢材料的设计、制备和应用提供理论指导。     

二维电子体系的关联和波函数

在新材料的探索中已制成一些具有二维特性的材料:半导体表面的反型层、积累层以及异质结界面,层状化合物,石墨夹层,液氦表面上吸附的电子单层,各种表面上的吸附层等等.这些二维结构的材料除了具有应用的前景外,人们还观察到一些新的现象:电子的Wigner晶格和dimple,二维晶格熔化过程中的Hexatic相,K-T相变,量子Hall效应等.因此近年来二维体系引起了人们的重视.但是,某些现象的物理原因现在还未弄清,分数的量子Hall效应是其中的一个,普遍认为这是外磁场中二维电子气相互作用的结果.Laughlin首先给出了外磁场中二维电子气的基     

拓扑绝缘体能带结构的角分辨光电子能谱研究

以拓扑不变量定义和区分的拓扑材料的发现标志着凝聚态物理学和材料科学的又一次革命.这些材料的拓扑表面态的鲁棒性、背散射禁戒和特殊的输运行为在自旋电子学、非线性光学、拓扑量子计算等广泛的领域有潜在的应用价值.角分辨光电子能谱(ARPES)既能直接观察k空间,又对表面电子态敏感,因此在拓扑材料的研究中一直处于举足轻重的地位.本文试从材料分类的角度对三维拓扑绝缘体和本征磁性拓扑绝缘体这两类材料的部分ARPES研究作一综述,使读者对这一领域的研究现状有一个基本的概念.     

二维异质结MoS_2/WSe_2能带排列的第一性原理研究

由于二维材料具有丰富的物理化学性质,比如在场效应管、薄膜电路等低微纳米器件上有巨大的潜在应用价值,从而吸引了研究者们的广泛关注和兴趣.本文中,我们采用第一性原理方法,对两种二维材料MoS_2和WSe_2组成的一种新形式的异质结进行能带排列方面的探索.首先,我们将两种材料堆叠成垂直方向,增大层间距,考察基本没有相互作用时的能带排列.然后,我们分别考察MoS_2/MoS_2-WSe_2以及WSe_2/WSe_2-MoS_2两种结构.结果发现,在组成异质结材料之后,层间的弱相互作用对两个组分材料的能带和态密度都有非常重要的影响.随着双层区域尺寸的增加,其价带顶和导带底都会有连续的变化,能带排列趋于安德森极限.此理论工作,将有助于人们理解各种类型的二维异质结能带排列情况,进而帮助理解低维器件的性能变化.     

异质结型有机太阳能电池材料的最新研究进展

作为一种低耗、高效的有机光伏器件,异质结型有机太阳能电池具有成本低、重量轻、柔韧性好等优点,已引起国内外的广泛关注.设计并合成性能优良、结构新颖的有机/聚合物电子给体和电子受体材料、提高光电转换率是太阳能电池研发的关键问题之一.本文简要介绍了异质结型有机太阳能电池的特点和工作原理,从聚对苯撑乙烯衍生物、苯并噻吩类以及苯并噻二唑类聚合物三个方面系统地综述了有机太阳能电池给体材料的研究进展.同时,依据有机太阳能电池受体材料的发展历程,较全面阐述了富勒烯衍生物、9,9-联亚芴基衍生物和苝二酰亚胺衍生物三类受体材料的结构特点及其在有机光伏器件中的应用与发展.最后,对异质结型有机太阳能电池发展趋势和应用前景做了展望.     

基于全反射的二维光子晶体异质结的光波单向传输研究

基于全反射原理,设计出一种实现光波单向传输的二维光子晶体异质结构。该异质结由两种结构相同、材料分布不同的二维四方晶格光子晶体叠加而成。文章分析了异质结接触面角度对光波单向传输的影响和光子晶体晶格常数对光波调节范围的影响。研究发现:光子晶体异质结接触面在满足全反射条件的基础上,即使两种光子晶体在所研究波段都是导带,光波亦可实现单向传输,降低了对结构的要求。并且,对于所选材料及结构,当异质结接触面与水平方向夹角为45°,单向传输效果最好。此外,光波单向传输范围随着晶格常数的增加向长波方向移动。     

MXenes基光催化剂制备的研究进展

二维材料因其载流子迁移和热量扩散都被限制在二维平面内,使得这种材料展现出许多奇特的性质而受到广泛关注.二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物 (MXenes) 是一种新型的二维层状结构材料,具有高电子传导率、较大的比表面积、较好的机械性能以及独特的层状结构,已被广泛应用于储能、催化、环境等领域.该文主要阐述了MXenes基光催化剂的不同制备策略并总结了不同制备过程中的优缺点.最后,对MXenes基光催化剂及其复合材料在新兴领域的未来发展和研究方向提出了独特的见解和展望.     

二维材料的非线性光学性质

二维材料由于其独特的结构与物理性质具有广阔的应用潜力,在光子学、光电子学、电子学等许多方面已经取得了很大的进展.最近,大数据、光网络、微型光开关等方面的应用需求直接或间接促进了二维材料非线性光学性质方面的研究工作.本文综述了二维材料(包括单层、少层和悬浮液等)的非线性光学性质研究进展:首先简单介绍了几种常见的二维材料(石墨烯、过渡金属硫族化合物、黑磷等)和非线性光学的基本理论,然后主要介绍了二维材料在不同非线性效应(参量过程包括二次谐波、三次谐波和四波混频等,非参量过程包括饱和吸收、双/多光子吸收和非线性折射等)中的发展现状,并在相应部分对这些微纳材料在非线性光学领域的应用前景和未来可能的研究方向进行了展望.     

各向异性二维材料的热输运及热辐射调控研究进展

二维材料体系中能量输运与宏观体材料存在显著差异.因此，二维材料的热输运和热辐射的研究对微纳器件热管理、辐射制冷等具有重要意义.本文首先总结了典型各向异性二维材料(如WTe₂、CrOCl、Ta₂NiS₅)的热学特性，分析了材料结构对热输运的影响，展示了在二维材料中调控热流的新机制；其次，针对高功率密度器件散热需求，总结了影响热界面材料性能的关键因素，回顾了利用二维材料各向异性的热输运特性提高聚合物复合材料热导率的新方法，包含空间取向调控、导热网络构建等；最后，围绕辐射制冷、红外伪装等领域应用需求，基于二维材料的独特晶体结构和电子结构，总结了通过离子插层方式调控发射率的新途径，全面分析了主客体结构、外加电场等对红外发射率的影响，展示了优化发射率调控能力的新途径.本文通过梳理相关研究进展，加深了对二维材料热输运和热辐射调控机制的理解，分析了材料制备、物性表征、机制探究中面临的挑战，展望了相关研究的发展方向.     

新型二维材料APO(A=Hf,Zr)光电性能的第一性原理研究

基于密度泛函理论方法,系统研究了二维(2D)APO(A=Hf, Zr)材料的结构稳定性、电子结构和光学性质。形成能、分子动力学模拟、声子色散关系和玻恩-黄力学稳定性判据均表明二维APO具有良好的结构、热力学和动力学稳定性。考虑自旋轨道耦合(SOC)效应,采用HSE06杂化泛函修正带隙的电子结构计算表明,二维APO材料为直接带隙半导体。二维HfPO沿X→Г方向有最小的电子有效质量(0.25 m₀),二维ZrPO沿X→S方向具有最大的空穴迁移率(299.17 cm²·V^-1·s^-1)。二维APO在可见光范围内具有非常优异的光吸收性能,其光吸收系数高达10⁵ cm^-1,并且不存在偶极禁阻跃迁。研究表明,二维ZrPO具有出色的光学性质,其载流子迁移率和光吸收系数均较高,是潜在的光探测器和光电存储器的材料,研究结果也可为二维APO材料的性质研究提供理论指导。     

不同掺杂元素对GaN基材料发光性能影响研究进展

由于GaN材料本身具有的极大优越性,如大禁带宽度、高临界场强、高热导率、高载流子饱和速率、高异质结界面二维电子气浓度等,决定了GaN基材料及其器件在发光半导体材料领域中的重要地位,而高质量GaN的掺杂制备一直是研究者关注的热点.本文根据近几年国内外对掺杂GaN基材料的研究成果,总结概括了IIA族、过渡族以及稀土族元素对GaN的掺杂,分析讨论了不同掺杂元素对GaN基材料发光性能的影响,并以Mg掺杂GaN为例,对比了各种掺杂技术的优缺点.