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二维半导体材料凭借其独特的物理特性与优异的电学性能, 在后摩尔时代集成电路发展中展现出巨大潜力. 开发与二维材料兼容的极性调控方法, 已成为基于二维半导体构建互补逻辑电路、实现低功耗且高稳定性信息处理功能的关键, 有望为持续提升集成电路性能提供新路径. 本研究报道了一种基于一步退火工艺的二维半导体极性调控策略, Pd电极接触的WSe2晶体管的导电特性经退火由n型主导转变为p型主导; 而Cr电极接触的器件则始终保持n型主导的导电特性. 在此基础上, 通过在同一WSe2上选择性制备不同金属材料的源漏电极并结合一步退火工艺, 实现了互补晶体管的单片集成, 进而通过器件互联实现了反相器功能. 在2.5 V的电源电压(Vdd)下, 反相器增益达23, 总噪声容限达2.3 V(0.92 Vdd). 该研究为二维半导体的极性调控提供了全新的技术路径.
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压致变色有机发光材料是智能发光材料的重要分支, 凭借多色切换特性在显示、传感和生物医学等领域备受关注. 然而, 利用合理分子设计有效促进材料的压致光谱位移仍是该领域的重要挑战. 本研究首先基于二苯胺(DPA)给体与9-芴酮(FO)受体设计并制备了给体-受体型DPA-FO分子. 其荧光发射波长随压力变化的压力系数为10.7 nm/GPa, 展现出明显的压致变色效应. 为了优化该力敏发光特性, 我们基于区域选择性结构设计, 在给体中引入分子构象“锁”并增强给体推电子效应, 以9, 9-二甲基吖啶(DMAcr)作为给体基元, 设计合成了具有更强分子内电荷转移特性的DMAcr-FO分子. 该分子荧光发射波长的压力系数显著提升至17.5 nm/GPa. 进一步结构表征表明, 该现象源于DMAcr-FO更为显著的压致结构收缩. 本研究不仅有助于深入理解力敏智能有机发光材料的结构-性质关系, 也为新型压致变色发光材料的设计提供了新思路.
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Ruddlesden-Popper型双层镍酸盐材料La3Ni2O7在高压(>14 GPa)下表现出约80 K的超导转变温度($T_{\mathrm{c}}$), 引起了广泛关注. 该材料独特的双层结构赋予其不同于铜基超导体的电子结构特性, 其超导机理具有重要的研究价值. 实验发现该体系中存在电荷密度波与自旋密度波序, 可能与超导态存在竞争关系, 深入探究其形成机制对于理解该体系的超导本质具有重要意义. 本工作结合密度泛函理论与动力学平均场理论(DFT+DMFT), 在包含两个子格点Ni-eg轨道的低能有效模型基础上, 引入Hartree平均场处理近邻格点间库仑相互作用, 系统研究了非局域库仑相互作用对电荷有序行为与电子关联效应的影响. 计算结果表明, 当$V \leqslant $$ V_{{\mathrm{c}}1} \approx 0.46$eV时, 体系保持子格点对称性, 谱函数无显著变化; 当$V > V_{{\mathrm{c}}1}$时, 子格点对称性破缺, 体系进入电荷有序相, 且谱函数发生明显的重构. 进一步增大$V$至$V_{{\mathrm{c}}2} \approx 0.63$ eV后, 体系进入完全极化态, 其中一个子格点近乎空, 占据主要集中于另一子格点, 后者接近3/4填充. 本研究揭示了近邻库仑相互作用在驱动电荷不均匀分布及调控电子关联中的关键作用, 为全面理解La3Ni2O7中的低能有序态提供了新的视角.
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HfS2作为一种典型的IVB族过渡金属硫化物(transition metal dichalcogenides, TMDs)材料, 凭借其高载流子迁移率和层间电流密度特性, 在光传感、通信、成像等多个前沿领域展现出巨大的潜在应用价值. 近年来的研究揭示了压力对TMDs光谱响应范围和电输运性质的重要调控作用, 这激发了我们对HfS2光电性质进行压力调控的研究兴趣. 本研究采用金刚石对顶砧装置进行高压原位光电流、拉曼散射光谱、交流阻抗谱和紫外-可见吸收光谱测量, 并结合第一性原理计算, 系统探究了压力对 HfS2 电输运和光电性质的影响. 研究结果显示, HfS2 的光电流随着压力的增加持续增强. 30.1 GPa时, HfS2的光电流比初始值提高了5个数量级, 这一显著增强归因于S-S层间作用力增强导致的带隙和电阻减小. 此外, 光学测量实验及理论计算结果进一步表明, HfS2的晶体结构、禁带宽度及光学性质均可通过压力进行有效调控. 本研究为压力调控层状材料的光电性能提供了新思路.
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光电探测器在光通信、环境监测、医疗成像等多个领域发挥着关键作用, 开发高性能的光电探测器相关材料已经成为研究热点. A2BX6型空位有序双钙钛矿因其优异的光电特性备受关注, 然而实现其光电性能的连续调控与提升依然十分困难. 本文利用压力实现了Cs2TeCl6在高压下原位光电响应的有效调控. 实验研究表明, Cs2TeCl6的光电响应在高压下呈现非单调变化: 初始阶段光电流随压力增加而减弱, 但在21.7 GPa后出现显著逆转. 通过高压原位拉曼光谱和紫外-可见吸收光谱分析, 发现这一转变与材料进入强化压缩阶段密切相关. 在此阶段, 带隙减小速率加快, 显著改善了间接带隙材料的本征弱吸收特性, 使得原先无法激发的低能光子得以有效利用. 该工作不仅阐明了压力诱导的Cs2TeCl6微观结构与光电性能的内在关联, 还为通过应力工程调控此类钙钛矿材料光电特性提供了新的研究思路.
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对于双层Ruddlesden-Popper相镍酸盐La3Ni2O7, 近期的实验研究表明, 在超导区, 随着压力增大, 其超导转变温度从18 GPa压力下的83 K单调下降, 表现出近直角三角形的超导转变温度-压力相图, 与铜氧化物超导体和铁基超导体中掺杂或压力下的穹顶形超导相图不同. 解释该反常相图对揭示La3Ni2O7的超导机制至关重要. 由于电声耦合机制无法解释镍基超导体的高超导转变温度, 因此, 本文从巡游电子和局域自旋图像出发, 探讨超导转变温度的压力依赖性. 通过将理论结果与实验结果进行对比, 为揭示其超导机制提供线索.
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镍基超导体因其具有与铜基高温超导体相似的电子构型而受到广泛关注. 近期, 压力下双层镍氧化物La3Ni2O7中高达80 K的超导转变不仅引发了新一轮镍基超导研究的热潮, 也为非常规超导体的研究开辟了新方向. 层状镍基超导体在结构特征、超导性质以及电子结构方面与铜基、铁基超导体既具有相似性, 也存在显著差异. 对镍基超导体电子结构的深入研究有望揭示这些异同背后的物理机制, 为构建统一的理论模型提供关键依据, 从而推动非常规超导研究的发展. 此外, 非平衡态超快动力学的研究为非常规超导提供了新的视角和调控手段, 并逐渐成为非常规超导研究的重要手段之一. 本文聚焦于Ruddlesden-Popper相层状镍基超导体的电子结构与超快动力学研究, 系统回顾了角分辨光电子能谱和超快光反射率测量在镍基超导研究中的成功应用. 这些研究进展为理解非常规超导机制及其正常态性质提供了重要的实验信息.
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2023年, 具有双层镍氧面结构的La3Ni2O7单晶在高压下被发现具有高温超导电性. 随后, 大量理论与数值计算研究工作涌现, 旨在阐明这一新型高温超导体在不同方面的物理特性及其超导机理, 并据此探索和预测新型镍基高温超导材料. 由于La3Ni2O7镍氧化合物具有多轨道自由度的特征, 其电子关联效应复杂, 物理学家对其超导配对起源的理解存在分歧, 目前多种超导理论并存. 本文综述La3Ni2O7镍氧化物在理论和数值计算方面的若干近期进展, 并讨论其一些基本物性和可能的超导机理.
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人工视觉系统因在医疗诊断、机器视觉等领域具备广泛应用前景而备受关注, 但其发展长期受限于传统材料的物理瓶颈. 近年来, 二维半导体材料由于其出色的光电性能和原子级厚度, 被认为是构建人工视觉系统的革命性平台. 最新研究表明二维材料的可调谐带隙与高效光电转换特性已被成功应用于单目三维视差重建, 其动态成像速率可达传统器件的3倍以上. 尽管如此, 该领域仍面临显著挑战, 如二维材料大面积制备工艺复杂性, 宽光谱响应, 高帧率感知与低功耗平衡难题等问题. 这些问题的解决将推动人工传感系统向更智能、更精密的方向突破, 实现从仿生视网膜到类脑智能体的跃迁.
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二维半导体过渡金属硫族化合物凭借其层数依赖的带隙、强激子效应及独特的本征谷自旋极化等特性, 成为光电子学的研究热点. 转角堆垛形成的异质结中的层间激子与莫尔条纹成为了实现相关态涌现的有效平台, 并为探索量子多体物理与关联现象的研究提供了理想平台. 针对半导体过渡金属硫族化合物及其异质结的光电性质的高压调控, 本文首先介绍了高压技术, 之后分别讨论了单体与异质结的光电性质的高压演化, 并重点探讨了: 1)在原子尺度上诱导的结构相变与在电子维度上的能带演化; 2)层间相互作用的演化与对物性的调控机制; 3)对激子束缚态的调控与机制; 4)莫尔超晶格势场的演化. 特别揭示了高压在强化层间轨道杂化、诱发奇异量子相等方面的独特优势. 最后, 展望了该领域的未来研究方向, 为量子信息器件设计、强关联电子系统模拟及新奇激子物态研究提供新思路.
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