关键词： 第一性原理   二维铁电材料   铁电隧道结   多铁隧道结   隧穿电致电阻效应   隧穿磁阻效应  

摘要： 随着信息技术的不断发展,对具有高输运性能和小尺寸的存储器件的需求日益增加。基于铁电材料设计的铁电隧道结（ferroelectric tunnel junctions,FTJs）以及多铁隧道结（multiferroic tunnel junctions,MFTJs）由于具有非易失性、低能耗、高密度等优势,在存储器件方面有着广阔的应用前景。传统隧道结常用三维（three-dimensional,3D）钙钛矿型的铁电材料作为中间势垒层,但其铁电性受到临界厚度的限制,不利于器件小型化。二维（two-dimensional,2D）铁电材料为解决这一问题提供了新的可能,利用2D铁电材料设计FTJ与MFTJ并研究其量子输运性质是目前的研究热点。隧穿电致电阻效应（tunnel electroresistance,TER）和隧穿磁阻效应（tunnel magnetoresistance,TMR）是衡量隧道结量子输运性能的重要参数,高的TER与TMR效应代表着隧道结具有高的输运性能。本论文采用密度泛函理论结合非平衡格林函数的第一性原理方法,从铁电材料和隧道结构建机制两方面入手,致力于设计具有小尺寸、高TER、TMR效应的FTJ与MFTJ。主要内容如下: （1）基于半羟基化石墨烷（SHLGA）的有机铁电隧道结设计及其输运特性研究。材料方面选择2D有机铁电材料-半羟基化的石墨烷（semihydroxylized graphane,SHLGA）为中间隧穿势垒层,掺杂B的石墨烯为左右电极,设计了一个二维有机铁电隧道结。利用铁电材料本身沿着输运方向的极化不对称优势构建FTJ,最终在费米能级处获得了7.55×10～4%的巨TER比率。研究表明,隧道结产生TER效应的机制是基于SHLGA独特的内建电场。SHLGA的三个极化方向中任意两个方向的夹角为120°,不同极化状态沿着FTJ输运方向的内建电场不同,进而导致不同极化下的势垒高度以及在费米能级处的电子态数目存在巨大差异,从而产生了TER效应。另外随着势垒层厚度的增加,隧道结不同极化状态的透射呈指数形式衰减,TER效应呈指数形式增加,合理设置势垒层厚度可以提高FTJ的输运性能。 （2）Fe/Pt Te2/In2Se3/Fe多铁隧道结的设计及其输运特性研究。以2D铁电（van der Waals,vd W）异质结Pt Te2/In2Se3为中间势垒层,铁磁金属Fe作为两侧电极,设计了Fe/Pt Te2/In2Se3/Fe多铁隧道结。构建机制方面,由于Pt Te2/In2Se3极化反转前后实现了绝缘-金属的转变,预计能实现高的TER比率。此外选用Fe作电极,改变铁电势垒层的极化方向的同时再设置铁磁电极的磁化取向,获得了四种电阻态。经过计算,在费米能级处最大得到了1.718×10～6%的巨TER比率以及323.39%的TMR比率。在磁平行排列的下极化状态下,该MFTJ具有接近100%自旋注入效率（spin injection efficiency,SIE）以及0.108Ωμm2的电阻面积（resistance-area,RA）,有利于对自旋信息的操纵、传输以及器件的集成。增加隧穿势垒层的厚度,该MFTJ的透射呈指数形式减小、TER效应呈指数形式增加,与此同时考虑TMR、SIE、RA随势垒层厚度的变化情况,推荐了N=8个矩形胞的Pt Te2/In2Se3势垒层厚度。利用二维铁电vd W异质结的绝缘-金属转变构建多铁隧道结可以获得优异的输运性能,在未来具有巨大的发展前景和研究潜力。

关键词： 二维拓扑量子材料   光电流   异质结   散射式扫描近场显微镜系统  

摘要： 石墨烯的出现,带动了二维材料的研究和应用,光电器件领域得到了迅猛发展。其中,由于具有独特的能带结构,二维拓扑材料得到了科研人员的关注,如拓扑绝缘体和拓扑半金属。本文以二维拓扑量子材料为核心,开展了可见光和太赫兹频段的场效应管器件光电流特性的相关研究。主要内容如下: 一、光电流产生机制和光电流器件的设计与测试方法。首先,详细阐述了光电流的产生机理,包括光热电效应、光电导效应和光伏效应等。其次,给出了光电流响应的重要指标,包括响应度和响应时间等。随后,利用电磁仿真软件设计了工作频率位于太赫兹频段的谐振天线结构。最后,分别搭建了可用于太赫兹和可见光器件测试的实验平台。 二、可见光波段光电流特性实验研究。首先,设计和制备了背栅结构,利用半导体分析仪测试了背栅石墨烯器件的IV曲线和转移特性曲线,成功实现了石墨烯的载流子浓度调控。其次,研究了基于拓扑绝缘体Bi2Te3的场效应管器件,当入射光波长为785 nm时得到了112.6 A/W的室温响应度和40 ms的快速响应。最后,研究了基于Pt Se2的垂直异质结隧穿器件,在入射光波长为405 nm和532 nm时获得了高达10～5量级的整流开关比。 三、太赫兹波段光电流特性实验研究。首先,研究了基于拓扑绝缘体Bi2Se3和狄拉克半金属Pt Se2的场效应管器件,在入射光频率为97.8 GHz时分别实现了3A/W和5.4 A/W的良好响应度和毫秒级别的快速响应,实现了太赫兹频点的室温自供能快速高效探测。随后,为了改善Pt Se2的太赫兹响应,研究了基于Pt Se2/Graphene异质结的场效应管器件。在入射光频率为97.8 GHz情况下,自供能工作模式时器件的响应度为1.97 A/W,外加1 m V源漏偏压时器件的响应度为3.928 A/W。最后,利用散射式扫描近场显微镜系统,在接触模式下对Pt Se2场效应管器件进行了近场光电流扫描,得到了器件的电流强度分布,分析了器件的光电流强度在电极和材料区域的分布规律及其产生原因。

关键词： 光纤激光器   可饱和吸收体   过渡金属硫族化合物   拓扑绝缘体   孤子  

摘要： 在光子学领域,高性能光纤激光器和孤子的发展受到了极大的关注。光纤激光器具有优异的效率、紧凑性和多功能性,使其成为遥感、空间通信、材料加工、医疗诊断和激光雷达等广泛应用的理想选择。在稀土元素中,铒(Er)由于其在1.5μm波长范围内的独特发射特性而成为令人信服的候选者。 由于被动锁模技术的出现,推进光纤激光技术的一个有前途的途径是使用低维材料作为可饱和吸收体(SA)。饱和吸收效应是一种随入射光强增加而吸收光强减小的非线性光学响应。SA通过这种效应完成被动锁模过程,从而产生超快脉冲。一些低维材料已经应用于1.5μm的锁模光纤激光器,并表现出独特的光学特性。例如,石墨烯、碳纳米管、拓扑绝缘体(TIs)、过渡金属卤族化物(TMDCs)和黑磷(BP)等,这些材料具有大的非线性敏感性、超快的载流子动力学和强的光-物质相互作用等有趣的特性。这些特性使它们成为光子器件的优秀候选者。除了在光纤器件中引入一种新的SA来产生锁模脉冲外,孤子之间的动态行为也引起了极大的兴趣。 本文聚焦了三种新型低维材料:CrTe2、SnTe、Ta2NiSe7,详细探究了他们的非线性光学性质,以及作为可饱和吸收体在掺铒光纤激光器中的性能表现,同时对光纤激光器中的束缚态孤子进行了观测和动力学分析。本文主要内容如下: (1)基于薄膜CrTe2-SA的掺铒光纤激光器。利用分子束外延(MBE)法生长了薄膜CrTe2,用双臂平衡探测法测得CrTe2-SA的调制深度达到43.5%,并在掺铒光纤激光器中得到了中心波长在1560 nm,脉冲宽度为316 fs的锁模脉冲输出。证明了 CrTe2作为可饱和吸收体的良好表现。 (2)基于薄膜SnTe-SA的掺铒光纤激光器。将SnTe薄膜转移到金薄膜上制备可饱和吸收锁模器件,其优异的非线性光学吸收效果超过了大多数已报道的二维材料。基于SnTe-SA,构建了掺铒飞秒光纤激光器(EDFL),获得了中心波长1560 nm、脉宽276 fs、最大平均功率14.2 mW的锁模孤子脉冲。同时,还观察到孤子间隔为1.01 ps的紧密束缚孤子。我们的工作表明,SnTe是一种很有前途的材料,用于制造超快光学器件,并为光纤激光器中束缚态孤子的动态分析提供了实验案例。 (3)基于Ta2NiSe7-SA的掺铒光纤激光器。Ta2NiSe7-SA具有很好的非线性吸收特性,调制深度为52.6%。与Ta2NiSe7-SA集成的激光器已被证明可以产生脉冲持续时间为225 fs的超快脉冲。信噪比(SNR)高达68.3 dB,输出功率为630 mW,表明Ta2NiSe7-SA在高功率下连续工作的稳定性。观察到Ta2NiSe7的一维稳态,表明单层Ta2NiSe7是二维TI。Ta2NiSe7-SA在激光器中的优异性能使Ta2NiSe7成为探索拓扑物理和开发超快光子器件的有前途的材料。

关键词： α-T3模型   石墨烯   电导   噪声  

摘要： 石墨烯的能带结构是由两个相交的狄拉克锥组成,T3晶格相比与石墨烯的蜂窝状晶格中心多了一个碳原子,其能带结构为两个狄拉克锥交点处增加一个平带。新型的二维材料α-T3模型通过改变中心碳原子与六边形边缘的两个碳原子之一的耦合强度,可以做到从赝自旋二分之一的石墨烯到赝自旋为一的T3晶格之间连续变化。对于α-T3模型来说,相对于势垒正入射时会发生克莱因隧穿,影响克莱因隧穿透射概率的参数主要有:入射准粒子的能量,速度势垒两侧准粒子的费米速度比值,势垒高度,势垒宽度,入射角度以及中心碳原子与边缘碳原子的耦合强度,当参数满足特定关系时会发生超克莱因隧穿效应。本文基于α-T3模型的克莱因隧穿现象,研究速度势垒调制对α-T3模型中透射率以及相关的量子输运特性的影响。本文具体安排如下: 首先介绍了二维材料近二十年来的发展历程,包括类石墨烯二维材料,多原子厚度二维材料,二维材料异质结,狄拉克粒子和α-T3模型等。然后主要介绍了速度势垒调制作用下输运性质涉及到的理论及方法,包括量子隧穿效应,散射矩阵理论,介观量子器件中的输运性质,速度势垒与电导噪声理论。接着介绍并研究了速度势垒调制下的α-T3模型的公式以及推导。从石墨烯准粒子的哈密顿描述到方势垒三个区域的波函数,并将其代入边界条件得出透射系数以及透射率与各参数的关系式。改变不同参数的参数值,通过软件仿真,得到透射概率与准粒子能量,势垒两侧费米速度比值,势垒宽度,耦合强度的关系示意图,进而根据图像对比分析各参数对量子输运特性的影响。之后介绍了速度势垒调制α-T3模型的背景,利用之前得到的电导和散粒噪声与透射概率的关系表达式进行数值积分得到电导和散粒噪声关于各参数的关系式。将不同参数设为多元函数,采用控制变量法选取一组参数为对照组,依次改变不同参数数值绘制与对照组的对比图像,进而分析不同参数对电导和散粒噪声的影响。最后对以上速度势垒调制下α-T3模型的量子输运特性研究以及分析进行总结,并对研究方向提出未来展望。