准二维半导体材料新奇激子效应的第一性原理研究

来源 :清华大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liuligen
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
基于新奇的量子特性以及潜在的高功率-体积比,二维半导体材料被认为是实现下一代电子学、自旋电子学以及能量转换量子功能器件的理想体系。二维半导体材料的重要特征之一是激子效应的显著增强,其决定了材料的光学特性以及在光电器件领域的应用能力。基于第一性原理密度泛函方法及多体微扰理论,本论文揭示了二维激子所遵循的普适性标度律,提出了在二维半导体及二维磁性绝缘体中实现激子绝缘体的理论方案。具有光学活性的激子称为亮激子,在基础物理和器件应用领域都受到广泛关注。通过对23种二维半导体材料的系统性计算,我们发现对于二维体系中的亮激子,存在激子束缚能(Eb)和体系准粒子能隙(Eg)间的线性标度律Eb≈Eg/4,且不依赖于材料的晶格或电子结构特征。通过推导二维半导体极化率关于准粒子能隙的简单表达式,并利用二维屏蔽氢原子模型,我们可以解析地得到这一线性关系。这一结果有助于深入理解量子限制效应对激子效应的影响,也为基于激子效应的器件发展提供了指导。相对地,光学非活性激子称为暗激子,由于不与光场产生直接作用,因而较少受到关注。然而光学相互作用的缺乏使得暗激子具有一些亮激子所不具备的新奇性质,比如显著增加的元激发寿命。我们提出通过在二维直接带隙半导体中引入暗激子,可以实现激子束缚能和准粒子能隙的解耦合,从而在二维体系中实现激子绝缘体(激子的波色-爱因斯坦凝聚)。通过控制带边电子态的宇称,我们可以实现本征的光学暗态。同时我们提出了两个可能的实际激子绝缘体——二维砷化镓(Ga As)以及可剥离制备的单层三硫化钛(Ti S3)。自旋极化二维体系的激子效应同样值得关注。通过理论计算,我们在二维过渡金属铁磁绝缘体1T-MX2(M=Co,Ni;X=Cl,Br)中发现了一种新的电子态,称为“半激子绝缘体”。它的一个自旋具有激子绝缘体基态,而另一个自旋仍表现为的能带半导体。这种差异是由于两个自旋通道中轨道占据方式不同,使激子束缚能与准粒子能隙的竞争呈现不同结果导致的。我们指出,半激子绝缘体在实验上可以通过光吸收谱或角分辨光电子谱(ARPES)进行观测。该理论将磁性引入激子绝缘体的研究中,表明强关联体系同样可以存在自发激子凝聚,为进一步理解多体相互作用提供了新的思路。
其他文献
钢-混凝土组合结构能够充分利用钢材和混凝土各自的优势,具有优越的综合力学性能,其在对结构安全性、经济性有较高要求的海上超大型平台中具有良好的应用价值和广阔的发展潜力。论文围绕钢-混凝土组合结构在海上超大型浮式平台中的应用展开深入研究,提出了多种新型超大型浮式平台组合结构方案,开发了相应的水弹性响应分析程序包,并基于结构整体和局部构件研究,对结构受力性能进行深入分析,为钢-混凝土组合结构在海上超大型
二维过渡金属硫族化合物(Transistion Metal Chalcogenides,TMCs)具有超薄的平面结构、丰富的元素组成和性质,为未来集成电路的构建提供了可选择的新材料。二维材料作为结构基元经过面内拼接或层层堆叠形成异质/相结构,此类结构蕴含着新奇的物理现象,可用于构筑新功能器件,为解决二维器件加工和实用化所面临的问题提供新思路。然而,二维异质/相结构的构筑与器件研究还面临诸多挑战,主
现代社会对无线通信技术的需求不断提升,然而频谱资源是有限的,这就对无线通信系统的精确度以及抗干扰性能提出了更高的要求。滤波器是无线通信系统中的核心器件,具有抑制特性的高温超导滤波器与双工器具有插入损耗低、带外抑制能力强的特点,这方面的研究对于未来无线通信系统有重要的应用价值。本论文系统地研究了高带外抑制性能的低频窄带、宽抑制性能的超宽带高温超导滤波器以及高隔离度的高频高温超导双工器,研究内容是目前
2010年,诺贝尔物理学奖授予石墨烯的发现者Andre Geim和Konstantin Novoselov,他们用最简单的机械剥离的办法将这种在理论上绝对零度时存在的神奇材料在常态下制备出来。自此开启了全世界科学家投身各类二维纳米材料研究的热潮。石墨烯——这种仅由单层碳原子所组成的二维纳米材料,亦可视为准二维的理想电子气体。作为零带隙半导体,其特殊的能带结构使之在电学、光学等多方面具有极其优异的物
在并行程序已广泛应用于各行各业的当代社会,保障并行程序的高效运行尤为重要。然而,系统软硬件故障和共享资源争抢等因素会导致并行程序出现性能故障,造成大量资源浪费,甚至带来无法估量的损失。因此,如何检测与规避并行程序的性能故障已成为亟待解决的重要问题。尽管国内外已有相关研究,但现有工作仍存在诸多不足,集中体现在:检测性能故障时,引入的性能开销过大,检测结果不易解读;规避性能故障时,对程序特征和系统特性
滤波器由谐振器级联而成。谐振器级联理论是滤波器设计的核心理论之一。单模谐振器级联理论已经发展成熟,高节数的单模滤波器拥有带边陡峭度高等良好性能,十分适合具有高品质因子的高温超导滤波器。较之单模谐振器,多模谐振器更加紧凑,具有小型化、集成度高等方面的优势,已经被广泛应用到多通带以及宽带等滤波器设计当中,是现代滤波器设计中的研究热点。然而长期以来,多模谐振器缺乏成熟的级联理论指导,导致多模滤波器难以通
Fe-Cr-Al合金因其良好的高温抗氧化性和力学性质被用做高温结构材料。近年来,由于Zr合金包壳材料中存在氢脆和高温氧化等问题,人们提出了Fe-Cr-Al合金的新应用――新型核包壳材料。随着Fe-Cr-Al合金应用领域的扩展,对其性质的优化成为重要的课题。虽然对于Fe-Cr-Al合金的研究开始于1930年左右,但目前仍缺乏对其三元相图和弹性性质的系统地理论研究。在本论文中,我们用第一性原理计算、集
滤泡辅助性T(Tfh)细胞在有效体液免疫的形成、高亲和力抗体的生成以及对病原体的清除的过程中发挥着重要的作用。滤泡辅助性T细胞定位于B细胞滤泡中,并向B细胞提供多种信号包括细胞因子和表面相互作用等以形成生发中心,其中生发中心B细胞将经历多轮增殖、体细胞高频突变、亲和力成熟、抗体类型转换,最终分化成具有高亲和力的浆细胞和能长时间存活的记忆B细胞。滤泡辅助性T细胞由幼稚T细胞发育而来,其分化发育过程是
随着人类基因组计划的完成和高通量测序成本的不断降低,基因分型和单倍型分析成为解决一些问题的基础性技术手段。本论文在优化基因型和单倍型定量分析准确性的基础上,关注了在胎儿基因型定量分析的无创产前检测领域的应用。在基因型与单倍型定量研究部分,我们首先以高通量测序与基因芯片作为研究工具,共对4个健康人样本进行平均深度大于100×的全基因组测序和基因分型。探讨对测序数据的分析方法,建立了准确有效的基因分型
放射疗法是一种众所周知的非侵入性治疗方法,临床中超过50%的癌症患者采用放疗手段。在理想的放射疗法中,在肿瘤内接受放疗剂量,同时周围的健康组织能够免受辐射损伤。为了实现这一目标,可以通过与纳米医学相结合来改善放射疗法。纳米颗粒是一种非活性物理放射增敏剂,在肿瘤部位,纳米颗粒周围的沉积辐射剂量会局部增加。最近,具有诊断和治疗功能的铋基纳米颗粒由于高原子序数,低毒性和低成本作为放射治疗和成像中的治疗剂