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常压镍基高温超导电性的发现, 为深入地探索镍基超导机理带来了新平台. 然而, Ruddlesden-Popper相镍氧化物在热力学上处于亚稳态, 对其结构和氧含量的精准控制极具挑战. 本文介绍了利用强氧化原子逐层外延生长技术在LaAlO3和SrLaAlO4衬底上制备单相、高质量的Ln3Ni2O7 (Ln为镧系元素)薄膜的系统方法. 其中, (La, Pr, Sm)3Ni2O7/SrLaAlO4超导薄膜的超导起始转变温度(Tc,onset)达到50 K. 阳离子化学计量偏差、逐层原子覆盖度、薄膜与衬底界面重构和氧化条件是影响薄膜Ln3Ni2O7晶体质量和超导性能的4个重要因素: 1)精准的阳离子化学计量控制会抑制晶体杂相的产生; 2)原子逐层的完整覆盖和3)优化的界面重构可以减少薄膜的堆垛层错; 4)准确的氧含量调控则是实现超导单转变和高Tc,onset的关键. 这些发现对各类氧化物高温超导薄膜的逐层外延生长具有借鉴意义.
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压力下双层镍氧超导体展现出高达80 K的超导临界温度, 使Ruddlesden-Popper (RP)相层状镍氧化物成为研究非常规高温超导机制的新平台. 本文从弱耦合理论计算角度出发, 系统回顾了近期在RP相层状镍酸盐中非常规超导配对机制的理论研究进展, 内容涵盖配对对称性、主导轨道成分及其自旋涨落特征等方面, 涉及加压条件下的La3Ni2O7, La4Ni3O10, La5Ni3O11块材以及常压条件下的La3Ni2O7薄膜等多个体系. 这些材料普遍表现出以Ni-$3{\mathrm{d}}_{z^2}$与$3{\mathrm{d}}_{x^2-y^2}$轨道为主导的低能电子自由度. 在RP块材中, 无规相近似、泛函重整化群和涨落交换近似等弱耦合方法普遍支持一种由自旋涨落介导、以层间${\mathrm{d}}_{z^2}$轨道为主导的${\mathrm{s}}^{\pm}$波配对机制. 其中, La3Ni2O7块材的超导可能与费米面上γ口袋的出现密切相关, 该口袋源于${\mathrm{d}}_{z^2}$轨道成键态的金属化过程. 另一方面, La4Ni3O10的超导特性主要取决于洪特耦合强度和掺杂浓度, 而非能带细节; 而La5Ni3O11则因层间约瑟夫森效应, 呈现出穹顶型的压力-超导相图. 对于La3Ni2O7薄膜, 理论研究表明其可能存在${\mathrm{s}}^{\pm}$波与${\mathrm{d}}_{xy}$波竞争的配对特征. 此外, 常压下的自旋密度波序与超导存在紧密联系. 整体而言, 弱耦合理论不仅解释了实验现象, 还为在常压下实现高温超导提供了理论思路.
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近期, 双层镍氧化物La3Ni2O7在压力下呈现的高温超导电性引发了广泛关注, 进一步推动了镍基超导领域的研究热潮. 对不同非常规超导体开展系统的比较研究, 有助于深化对高温超导机制的理解. 相较于铜基超导体, 镍基体材料在晶体结构、电子结构与物性行为上存在显著差异, 其实验研究亦面临更多挑战, 例如静水性对零电阻、抗磁性测试的影响, 单晶氧空位缺陷以及压力下诱导的结构相变等. 本文针对三层镍氧化物体材料, 总结了高温超导研究进展及相关挑战, 为后续镍氧化物新超导体系的研究提供了参考.
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近年来, 无限层镍氧化物薄膜作为首个实现超导电性的镍氧化物体系, 引起研究者广泛关注. 该材料通过将钙钛矿结构前驱体去除顶角氧获得. 传统的CaH2封管还原法虽简单有效, 但属于非原位手段且容易造成表面非晶化, 不适用于表面敏感实验的研究. 为了解决该问题, 本文在超高真空腔体中建立了3种不同的原位原子氢还原方式(科研用射频等离子体裂解源、工业用射频等离子体裂解源和热裂解源), 系统探索各自的最优还原条件, 并比较不同还原方式对薄膜表面形貌和超导转变温度等性质的影响. 多种原位还原方式的优化和对比对于进一步提升无限层镍氧化物的表面质量及超导性能至关重要. 结果表明, 3种原位手段在降低薄膜表面粗糙度方面相比于CaH2还原表现出优势, 工业用射频等离子体裂解源和热裂解源可实现优于CaH2的超导性能. 研究还系统介绍了各还原方式的参数优化结果, 为实现高质量无限层镍氧化物薄膜的可控还原提供了重要参考.
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随着高速成像、航空航天及光通信等领域的快速发展, 对覆盖宽光谱范围且具备高性能的光电探测器需求日益迫切. 二维材料因其独特的结构维度、可调的电子结构以及优异的载流子输运特性等, 被视为宽谱光电探测的理想候选材料. 然而, 实现兼具高响应度与高速响应的宽谱探测器仍面临诸多挑战. 本文首先介绍了二维材料的光电特性基础, 包括带隙调控机制与光谱响应范围、载流子输运及复合过程、光吸收特性等, 为理解其宽谱探测能力奠定理论基础. 随后, 系统地梳理了窄带隙二维材料、二维拓扑材料以及二维钙钛矿材料体系在宽谱探测中的研究进展. 接下来重点探讨了异质集成、缺陷调控、光场增强以及应变调控等四类提升二维材料光电探测性能的有效途径. 最后, 对二维材料宽谱光电探测器在高性能、低功耗、多功能化及规模化应用方面的挑战与发展前景进行了展望, 指出多种策略的协同集成有望推动新一代宽谱光电探测器的实用化进程.
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随着大数据和人工智能技术的飞速发展, 图像传感器向着多光学维度高质量成像和智能化信息处理方向发展. 传统的图像传感器架构由于感存算分离在处理指数级增长的视觉信息时面临存储墙和功耗墙瓶颈. 近年来, 基于二维材料的光电探测器在性能提升方面取得了显著的进展, 并与传感器内计算技术相结合, 为图像在传感器内智能处理开辟了新路径. 本文系统地综述了高性能二维材料光电探测器及图像智能处理技术的最新进展. 首先, 介绍了二维材料光电探测器的感知特性及其关键性能指标; 随后, 探讨了探测器内图像预处理方法; 接着, 总结了基于二维材料器件的传感器内计算技术及其在各类神经网络中的创新应用; 最后, 分析了利用二维材料开发新一代图像处理器件所面临的挑战与机遇.
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二维磁性材料是指厚度极薄且能够维持长程磁有序的纳米材料. 这类材料展现出明显的磁各向异性, 并由于量子限制效应与高比表面积特性, 导致电子能带结构与表面状态发生显著变化, 因此具有丰富而可调控的磁性, 并在自旋电子学领域展现出巨大的应用潜力. 二维磁性材料包含层间通过弱范德瓦耳斯力堆叠而成的层状材料和三维方向均通过化学键结合的非层状材料. 当前大多数研究都集中在二维层状材料, 而这些材料的居里温度普遍远低于室温, 且空气稳定性差. 相比之下, 非层状结构增强了材料的结构稳定性, 同时表面丰富的悬挂键增加了修饰其物理性质的维度. 这类材料正日益受到学术界的广泛关注, 并且它们的合成与应用已取得了重大进展. 本综述首先梳理了各种二维非层状磁性材料的制备方法, 并系统介绍了近5年来在各类材料中获得的二维非层状本征磁性材料以及它们在超薄极限下涌现出的一系列新奇物理现象, 同时也讨论了理论计算在揭示这些新奇现象时的关键作用以及修饰磁性的一些重要手段. 最后展望了二维非层状磁性材料在自旋电子器件中的应用潜力与发展方向.
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二维(two-dimensional, 2D)异质结因其能整合不同组分的材料并产生新颖物理现象, 已成为构筑下一代光电子与微电子器件的理想平台. 化学气相沉积(chemical vapor deposition, CVD)技术是实现其大面积、高质量、可控制备的关键途径. 本综述系统梳理了CVD法制备2D异质结的最新进展, 重点阐述了通过前驱体设计、温度场调控、气体诱导及衬底工程四大核心策略, 在精准调控异质结结构(垂直/横向)、界面、组分及结晶质量方面的机理与成果. 目前该技术仍面临较大挑战, 未来通过融合原位表征、多尺度模拟与人工智能优化, 有望实现从“经验试错”到“精准设计”的跨越, 推动2D异质结在量子计算、柔性电子等前沿领域的实际应用.
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原子级厚度的二维过渡金属硫化物(2D-TMDs)材料展现出丰富的物理性质, 如量子自旋霍尔效应、超导电性、电荷密度波、铁电性和铁磁性等, 而受到了广泛的关注. 2D-TMDs材料通过不同的层间堆叠方式和元素配位几何, 可以呈现出物理性质迥异的晶相结构. 通过晶相工程改变2D-TMDs材料的晶相结构是实现其电子结构、量子态及功能特性调控的有效策略. 本文聚焦于热力学亚稳相2D-TMDs的制备, 详细总结了利用物理化学手段诱导晶相结构转变的调控机理和直接相选择合成特定晶相结构的技术进展, 及其对材料电子结构、超导电性、磁性、铁电性等物性的影响. 最后, 对利用晶相工程进行2D-TMDs结构和物性调控的研究现状和未来发展进行总结和展望.
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偏振探测是获取光矢量信息的重要手段, 广泛应用于光通信、智能感知与生物传感等领域. 二维范德瓦耳斯材料因其独特的各向异性与可调电学特性, 为实现高性能偏振探测提供了新的材料平台, 但这类材料存在本征吸收弱、响应效率有限等局限性. 等离激元结构可在微纳尺度实现强局域光场调控, 是突破上述局限性、提升探测性能的重要手段. 本文系统梳理了等离激元微纳结构与范德瓦耳斯材料的光学耦合机制, 分析了不同类型等离激元结构在各类偏振光探测中的作用与优势. 最后, 讨论了该方向在偏振敏感光通信、片上光计算与信息处理、仿真视觉与图像识别等前沿领域的应用前景, 展望了未来研究面临的机遇与挑战.
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