自旋电子学的发展及应用

本概括性地介绍了自旋电子学的发展历程以及最新的研究进展。同时简要介绍了自旋电子学的应用实例．     

热电材料中自旋轨道耦合效应对电输运的影响

自旋量子效应对材料电输运性质的影响,是一个物理和材料领域的基础问题。热电材料能够实现电能和热能相互转换,其往往含有重元素,自旋轨道耦合效应对电性能的影响不容忽视。自旋轨道耦合造成的Zeeman型能带劈裂效应降低能带带边的简并度和能态密度,对热电材料的输运性质不利;而自旋熵和Rashba型自旋劈裂效应对热电性质有益,其中的Rashba自旋劈裂效应能够产生新奇的低维化电输运。拓扑绝缘体中非平庸电子结构对电输运调控提供新的方向。     

基于非共线自旋源的自旋轨道力矩驱动磁畴壁运动

通过电学有效驱动磁畴壁运动是自旋电子学领域的重要研究内容之一,其中零磁场下基于自旋轨道力矩效应驱动磁矩翻转是一种重要的磁畴壁运动调控方式.为了进一步实现低功耗、高速度、高效率的磁畴壁运动,本文研究了非共线自旋源所产生的区别于传统型自旋轨道力矩对磁畴的驱动行为.我们利用微磁学模拟研究了自旋流中类Rashba的S_y、类Dresselhaus的S_x和垂直于膜面的S_z三种自旋极化下自旋轨道力矩驱动磁畴壁运动,阐明了对布洛赫畴壁(Bloch wall)、奈尔畴壁(Néel wall)和头对头畴壁(head-to-head wall)的驱动及畴壁性质的影响,探究了Dzyaloshinskii-Moriya相互作用下磁畴壁运动中倾斜角的影响.本文对于理解基于非共线自旋源的自旋轨道力矩驱动磁畴壁运动具有一定意义,可为新型自旋电子器件的开发和应用提供物理基础.     

有机自旋电子学的应用研究进展

自从2004年第一个有机自旋阀器件报道以来, 有机自旋半导体器件的研究引起了广泛的关注, 并取得了很大的进展. 本文阐述了与有机自旋电子学相关的一些概念、原理, 并重点介绍了有机自旋电子学的三个重要的应用研究方向: 有机自旋阀器件、自旋注入有机电致发光器件和有机磁阻器件的实验结果以及目前的理论解释.     

钙钛矿太阳能电池中有机空穴传输材料掺杂方法研究进展

新一代有机无机杂化钙钛矿太阳能电池展示出高光电转换效率(＞25％)、低材料成本和简易制作工艺等优势,被认为是最有应用前景的新一代光伏技术.钙钛矿太阳能电池的未来规模化应用对其稳定性提出了更高的要求.其中空穴传输层是高效率钙钛矿太阳能电池不可或缺的组分,对提升器件的稳定性起至关重要的作用.近年来,随着新型空穴传输材料的开...     

电场调控磁性的研究进展:材料、机制与器件

电控磁效应利用电场作用实现对材料磁学特性的调控,对推动低能耗、高速度、高密度自旋电子学器件的发展具有重要意义.本文将以电控磁的机制为主线展开,按照载流子调控、应变、交换耦合、轨道重构和离子迁移5种机制,从材料、性能和器件应用的角度对电场调控磁性领域的研究进展进行系统总结和归纳,以期尽量全面地为读者呈现出该领域的发展现状...     

CeF_3中Ce~(3+)离子自旋-轨道耦合对磁光效应的影响

自旋-轨道耦合对磁光效应的作用目前还不太清楚,这方面的研究还很少见。通常认为自旋-轨道耦合对磁光效应是个非常重要的因素,Liu,Zuo和Le指出铁磁材料的磁光效应主要起源于自旋-轨道耦合对激发态的劈裂。然而,理论研究表明,铁磁材料Ce:YIG中Ce~(3+)离     

奇宇称晶场和自旋-轨道耦合对钡铁氧体中Ni2+离子磁光效应的影响

用量子理论定量计算了进入２ｂ座的Ｎｉ＾２＋离子ｄ－ｄ跃迁造成的磁光偏转值,结果表明掺Ｎｉ钡铁氧体的磁光偏转主要不是ｄ－ｄ跃迁造成的,计算了Ｆａｒａｄａｙ旋转与基组态及激发组态自旋－轨道耦合强度的关系,其结果是基组态的自旋－轨道耦合对其磁光偏转起决定作用,用激发组态的影响不大,且磁光偏转与基组态自放心－轨道耦合强度不成正比。     

三维有序大孔钙钛矿材料的制备

以制备三维有序大孔(3DOM)La_0.8Sr_0.2MnO₃和La_0.7Ca_0.2Sr_0.1MnO₃钙钛矿材料为例, 研究3DOM钙钛矿热致变色材料的制备方法. 采用自组装方法将粒径约为220 nm的聚苯乙烯(PS)微球组装成三维有序排列的胶体晶体模板, 以La(NO₃)₃·6H₂O, Ca(NO₃)₂·4H₂O, Sr(NO₃)₂, Mn(CH₃COO)₂·4H₂O、乙醇等配制的混合金属硝酸盐溶液为前驱填充于PS胶晶模板间隙中, 经干燥和煅烧除去微球模板后得到三维有序大孔(3DOM)La_0.8Sr_0.2MnO₃和La_0.7Ca_0.2Sr_0.1MnO₃材料. 结果表明, 由于填充次数不同, 得到3DOM材料的骨架厚度不同, 其孔径收缩率也相差较大. 同时, 由于制备方法不同, 3DOM和块体La_0.8Sr_0.2MnO₃材料的居里温度也相差较大.     

钙钛矿相变材料的智能光伏玻璃应用

结合了智能玻璃和半透明光伏电池优势的智能光伏玻璃,在未来可以减少建筑、汽车、飞机等场景内部因照明、供热、空调系统等引起的能源消耗,在节能产能方面发挥重要作用.相比于氧化钒、聚合物凝胶颗粒、液晶、离子液体等热致变色材料,钙钛矿材料具有快速热致变色响应、高可逆循环周次的同时,还可实现稳定的光电转换效率输出.同时,由于钙钛矿材料是固相材料,其更有利于组装而无须考虑液晶等液相材料的封装问题.因此,钙钛矿材料的热致变色特性及其在智能光伏玻璃中的应用成为目前研究的热点.本文从钙钛矿材料丰富的、不同类型的相变行为出发,介绍了应用于智能光伏玻璃中的有机-无机混合钙钛矿材料和全无机钙钛矿材料及其不同的热致变色机理,并讨论了目前的挑战和未来的一些发展方向.     

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.     

自旋-轨道耦合对碳纳米管量子点Kondo效应的影响

中国科学院近代物理研究所房铁峰和左维与兰州大学罗洪刚合作,研究了自旋-轨道耦合作用对Kondo效应的影响.他们发现,自旋-轨道耦合作用可使量子点中单个电子的简并度大大升高,破坏了其SU(4)对称性,使Kondo效应的零场共振峰发生分裂.在外加磁场条件下,     

腔内自旋与微波相互作用的电检测

聚焦界面自旋动力学和自旋传输特性,自旋电子学发展针对自旋产生、探测、调控的技术方法,为自旋电子器件的开发提供了物理基础,是自旋电子学研究的根本任务.借鉴腔量子电动力学的思想和方法,在微波谐振腔内实现室温下的磁子-微波强耦合,为实现信息和能量在自旋与电磁波之间的相干传输提供了可能,同时为调控自旋提供了新方法.本文简要介绍...     

基于钙钛矿量子点的电致发光二极管研究进展

钙钛矿量子点因其优异的光电特性,在新型显示和固态照明等领域有着广泛的应用潜力.近年来,钙钛矿量子点成为光电领域的研究热点,钙钛矿量子点发光二极管的器件效率也有了突飞猛进的发展.本文综述了基于钙钛矿量子点的电致发光器件研究进展,分析了制约钙钛矿量子点电致发光二极管效率的主要因素,并对钙钛矿量子点电致发光器件效率提升的策略...     

有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池的研究进展

2009年CH3NH3PbI3太阳能电池问世,因其具备制备工艺相对简单、光电转换率高等优点,引起了国内外研究者极大的关注.近几年,有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池发展迅速,光伏性能不断得到提高.然而CH3NH3PbI3电池器件受钙钛矿材料本身禁带宽度的限制,对太阳光的吸收光谱不够宽,并且其重要组成部分的Pb元素,具有一定毒性.因此制备带隙更窄、环境友好及化学稳定性好的有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池具有重要的应用价值.本文评述了以寻找Pb的替代元素、提高入射光吸收效率、改善太阳能电池光伏性能为目标所进行的钙钛矿材料禁带宽度调控方面的研究成果,比较了有机、无机空穴传输材料和无空穴传输材料钙钛矿太阳能电池的光伏性能,讨论了界面结构在电子和空穴输运过程中的重要性.介绍了目前在CH3NH3Pb I3及类似有机金属卤化物钙钛矿材料的原子结构、能带结构和禁带宽度等理论研究方面的进展,讨论了常见计算方法的优缺点和需要注意的问题,为开展有机金属卤化物钙钛矿的理论研究提供了思路.最后提出该领域目前存在的问题以及对未来的展望.     

原儿茶酚3,4-双加氧酶复合物中自旋-轨道耦合与零场分裂的计算

采用密度泛函理论(DFT)探讨了高自旋原儿茶酚3,4-双加氧酶(3,4-PCD)活化底物儿茶酚(PCA)复合物的磁性电子结构特征及电子轨道起源.计算的g-张量表明,从配体到金属电荷转移(LMCT)主要来自于配体PCA和Tyr408的型轨道转移电子到Fed轨道,导致沿x轴方向极化(PCA)或沿y轴方向极化(Tyr408).x和y轴方向的极化要求沿z轴方向,Lz(z=z′),产生较大的自旋轨道耦合(SOC)矩阵元,并且因单中心重原子效应Fe导致gz′=2.0158,即在z方向较大地偏离于ge=2.0023.由于△S=-1自旋翻转激发态混入六重基态,得到较大的零场分裂参数D=+1.147cm-1.SOC计算表明高自旋(S=5/2)基态3,4-PCD-PCA是弱的自旋翻转复合物(SOC=31.56cm-1).     

钙钛矿太阳能电池的内建电场调控策略研究进展

钙钛矿太阳能电池(perovskite solar cells, PSCs)作为一种高效率、低成本的光伏器件引起了国内外学者的广泛关注.电池内部的载流子分离和传输是器件工作的核心过程,直接关系到器件的光电转化效率.异质结形成的内建电场主导着载流子的行为,其强度大小决定器件中电子和空穴的分离效率,所以对内建电场的调控和优化可以从根本上提升电池的性能.本文首先对钙钛矿太阳能电池中的内建电场以及载流子分离机制进行介绍,然后对目前常见的钙钛矿太阳能电池内建电场的调控策略及其对器件性能的影响进行总结,主要包括通过掺杂、构建三维/二维钙钛矿异质结、构建偶极层等调控钙钛矿太阳能电池的内建电场.最后,对钙钛矿太阳能电池的内建电场调控技术进行评价,并对未来该领域的发展进行展望.     

拓扑量子材料的研究进展

拓扑量子材料近年来已经成为凝聚态物理领域研究的国际前沿课题。在过去的几十年中凝聚态物理学者对量子霍尔效应进行了广泛研究,提出了一种基于拓扑序的研究范式,并且将拓扑这一数学概念与能带理论相结合,成功将其引入到固体电子材料的理论、计算与实验研究之中。拓扑材料具有奇特的表面态和低能耗的电子输运等性质,这些效应是由于拓扑量子态受到严格的对称性保护,对于普通的材料杂质、缺陷或无序具有很高的鲁棒性,并可以通过量子调控或相变改变其拓扑性质。这一新兴研究领域为未来的电子材料和器件,乃至基于量子拓扑体系与计算的信息技术创新探索提供了多种可能。对整个材料学的发展而言,拓扑概念的引入使人们对物质的研究更加深入,并且开始使用更加先进的数学工具描述新材料的属性。文章从拓扑绝缘体和拓扑半金属等材料计算科学的角度探讨拓扑量子材料的一些基本概念以及近年来国内外的研究进展。