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外尔半金属调制的范德瓦尔斯声子极化激元色散性质

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物理学报 2023年

作者：顾梓恒臧强郑改革南京信息工程大学物理与光电工程学院江苏省大气环境与装备技术协同创新中心南京信息工程大学自动化学院

极性电介质支持的表面声子极化激元(Surface phonon polaritons， SPhP) 在红外波段增强光与物质相互作用过程中引起了广泛的关注，然而存在光场操控有限、调制波段限定在剩余射线带区域(Reststrahlen band， RB)的问题。我们提出了一... 详细信息

极性电介质支持的表面声子极化激元(Surface phonon polaritons， SPhP) 在红外波段增强光与物质相互作用过程中引起了广泛的关注，然而存在光场操控有限、调制波段限定在剩余射线带区域(Reststrahlen band， RB)的问题。我们提出了一种由双轴范德瓦尔斯材料(α-MoO3)和外尔半金属(Weyl semimetal， WSM) 组成的异质结构，用来研究各项异性SPhPs的主动可调谐性。在横磁(TM)波入射条件下，通过4×4传递矩阵法(TMM)准确地求解异质系统中的反射系数以及场分布，描述各项异性SPhP的色散性质。研究结果表明：模式杂化和色散操控可以通过方位角度及α-MoO3的厚度大小实现。更重要的是WSM中费米能级的大小能够启用动态色散曲线调节，而费米能级依赖于外界温度的变化。因此我们的研究有助于进一步优化和设计基于范德瓦尔斯材料的可控光电器件，在红外热辐射、生物传感等方面具有较好的应用前景。

关键词：外尔半金属表面声子极化激元各向异性色散关系

外尔半金属Co_(3)Sn_(2)S_(2)薄膜的制备和电磁性质研究

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南京大学学报（自然科学版） 2023年第4期59卷 705-712页

作者：李首翰崔驰李威杨燚黄润生南京大学物理学院南京210093 南京大学电子科学与工程学院南京210023

外尔半金属Co_(3)Sn_(2)S_(2)是一种新型的拓扑量子材料,具有独特的拓扑能带结构,被认为是一种非常有潜力的自旋电子材料,而制备电子器件的重要一步是该材料的薄膜化.采用磁控溅射方法分别在Si O_(2)(300 nm)/Si(100)和Al_(2)O_(3)(0001... 详细信息

外尔半金属Co_(3)Sn_(2)S_(2)是一种新型的拓扑量子材料,具有独特的拓扑能带结构,被认为是一种非常有潜力的自旋电子材料,而制备电子器件的重要一步是该材料的薄膜化.采用磁控溅射方法分别在Si O_(2)(300 nm)/Si(100)和Al_(2)O_(3)(0001)衬底上生长Co_(3)Sn_(2)S_(2)薄膜.X射线衍射(XRD,X-ray Diffraction)显示Co_(3)Sn_(2)S_(2)薄膜的结构随厚度而变化.在不同衬底上,Co_(3)Sn_(2)S_(2)薄膜的生长情况也不同,较薄的Co_(3)Sn_(2)S_(2)(<200 nm)适合生长在Al_(2)O_(3)(0001)衬底上,而较厚的Co_(3)Sn_(2)S_(2)(~5μm)适合生长在Si O_(2)(300 nm)/Si(100)衬底上.Co_(3)Sn_(2)S_(2)纵向电阻率随着厚度的增加而增加,对导电起主要作用的表面层厚度保持在一定尺度内.

关键词：外尔半金属 Co_(3)Sn_(2)S_(2) 磁控溅射法

外尔半金属纳米体系电子结构及其电磁调控研究

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外尔半金属纳米体系电子结构及其电磁调控研究

作者：罗淑珍吉首大学

学位级别：硕士

外尔半金属因其特殊的电子结构和表面态而具有三维无能隙线性色散能带结构、手性反常和负磁阻效应等诸多有趣的物理性质,其独特的光学性质和输运特性在纳米光电器件领域具有美好的应用前景。本论文基于紧束缚近似下的低能有效理论框架,... 详细信息

外尔半金属因其特殊的电子结构和表面态而具有三维无能隙线性色散能带结构、手性反常和负磁阻效应等诸多有趣的物理性质,其独特的光学性质和输运特性在纳米光电器件领域具有美好的应用前景。本论文基于紧束缚近似下的低能有效理论框架,研究外尔半金属纳米体系的电子能带结构及外场(电场、磁场和/或(非)共振光)调控。主要研究内容如下:第一章绪论部分,在简要介绍外尔半金属的发现及其研究进展基础上,介绍紧束缚模型和半导体带间相关跃迁理论,并给出本文的的主要研究内容及其科学意义。第二章基于紧束缚近似下的低能有效哈密顿模型,研究外加电场和/或磁场对外尔半金属电子能带结构的调控。研究结果表明:(1)仅在正向(负向)电场作用下,随着电场强度的不断增大,体系的外尔点逐渐向布里渊区边界(布里渊区中心)移动,当电场强度增大到一定程度时,可以实现半金属-半导体(绝缘体)转变;(2)仅在外加磁场作用下,外尔半金属可以形成分立的朗道能级,n=0的子带不随磁长度的增大而变化,n≠0的子带随着磁长度的增大不断向费米能级靠近,且相同指标导带和价带间的能隙不断减小;(3)在保持磁长度不变的条件下,体系的外尔点随着外加正向(负向)电场强度的增大逐渐向布里渊区边界(布里渊区中心)移动,在适当的外加电场作用下,n=0的子带由部分占据的价带变为第一导带(完全占据的第一价带)并可以实现半金属-半导体或半金属-绝缘体转变。第三章基于紧束缚近似下的低能有效哈密顿模型,研究外加电场和/或非共振圆偏振光作用下外尔半金属的电子能带结构。研究结果表明:(1)仅在外加正向(负向)电场作用下,随着外加电场不断增强,体系的外尔点逐渐向布里渊区边界(布里渊区中心)移动,在布里渊区kz=0处导带和价带逐渐向深能级(靠近费米能级)方向移动,子带间的能隙逐渐增大(减小),体系在正向电场作用下保持半金属性,在适当的负向电场作用下可以实现半金属-半导体转变;(2)仅在外加非共振右旋(左旋)圆偏振光作用下,体系的外尔点随着非共振右旋(左旋)圆偏振光引起的有效耦合能的不断增大逐渐向布里渊区边界(布里渊区中心)移动,体系在非共振右旋圆偏振光作用下保持半金属性,在适当的非共振左旋圆偏振光作用下可以实现半金属-半导体转变;(3)在负向电场和非共振左旋圆偏振光共同作用下,体系的外尔点随着负向电场和非共振左旋圆偏振光的增强逐渐向布里渊区中心移动,在适当的负向电场和非共振左旋圆偏振光作用下可以实现半金属-半导体转变。第四章基于紧束缚近似下的低能有效哈密顿模型和半导体带间跃迁理论,研究外尔半金属在外加电场和共振圆偏振光作用下的电子能带结构及其光学响应。研究结果表明,当外加电场引起的能量Δz在0.02～0.18 eV范围内时,体系的外尔点随着电场强度的增大逐渐向布里渊区中心移动,在布里渊区kx=0处,费米能级附近的导带和价带能隙逐渐减小,当电场强度增大到一定程度时,可以实现外尔半金属-直接带隙半导体转变,系统光学共振峰呈现先红移后蓝移的行为;当外加电场引起的能量Δz在0.2～2.0 eV范围内时,体系呈现直接带隙半导体特征,能隙随着外加电场强度的增大而增大,光学共振峰逐渐蓝移。第五章对本文的工作进行总结和归纳,并对外尔半金属的磁光响应、光电性质及其外部电磁调控方面进行展望。

关键词：外尔半金属电子结构电场调控磁场调控

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外尔半金属TaAs单晶的研究进展

材料导报 2017年第15期31卷 120-125页

作者：李雨萌田甜徐家跃上海应用技术大学材料科学与工程学院晶体生长研究所上海201418

外尔半金属是当两个自旋非简并能带在三维动量空间通过费米能级附近时,其低能准粒子激发具有外尔费米子的所有特征的一类材料体系。外尔费米子是狄拉克方程的无质量解,可以看作是在三维空间一对重叠在一起且具有相反手性的粒子。TaAs单... 详细信息

外尔半金属是当两个自旋非简并能带在三维动量空间通过费米能级附近时,其低能准粒子激发具有外尔费米子的所有特征的一类材料体系。外尔费米子是狄拉克方程的无质量解,可以看作是在三维空间一对重叠在一起且具有相反手性的粒子。TaAs单晶作为一种非磁性的外尔半金属,在其中能够观测到外尔费米子,并产生许多奇异的物理现象,如费米弧、负磁阻效应、量子反常霍尔效应等,使其在发展新型电子器件和拓扑量子计算等领域有着重要应用潜力。介绍了外尔半金属的相关基础理论和重要实验,重点探讨了TaAs单晶生长相关的技术问题,分析了化学气相传输法的优缺点。

关键词：外尔半金属 TaAs单晶晶体生长化学气相传输法

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外尔半金属MoTe2的量子输运性质研究

外尔半金属MoTe2的量子输运性质研究

作者：王新茹杭州电子科技大学

学位级别：硕士

本文研究了第II类外尔半金属T-MoTe的量子输运性质。外尔半金属T-MoTe的导带和价带间存在非闭合接触的外尔点。本研究通过施加压缩应变使其外尔点打开,并使光电流显著增加。这些研究成果对外尔半金属系统输运性质的研究具有重要意义,也... 详细信息

本文研究了第II类外尔半金属T-MoTe的量子输运性质。外尔半金属T-MoTe的导带和价带间存在非闭合接触的外尔点。本研究通过施加压缩应变使其外尔点打开,并使光电流显著增加。这些研究成果对外尔半金属系统输运性质的研究具有重要意义,也为基于T-MoTe材料的新型量子器件特别是光电器件的开发奠定了理论基础。在第一章,本文简要介绍了外尔半金属的研究进展,以及T-MoTe的物理性质和研究现状,指出了研究外尔半金属T-MoTe的重要意义。在第二章,本文介绍了量子输运性质的计算方法和Nanodcal量子输运计算软件。本研究将密度泛函理论与非平衡格林函数结合,研究了T-MoTe异质结系统的输运特性。在第三章,本文研究了压缩应变对T-MoTe异质结光电流效应的调控作用。本研究获得了应变作用下T-MoTe原胞的能带结构、Cu-MoTe-Cu异质结器件的传输特性和光电流。结果显示应变诱导的光电流显示出各向异性,反映了应变对能带(包括外尔点)的调控。当应变沿真空方向施加时,光电流被抑制到几乎为零。相反,在沿输运方向施加应变时,光电流会显著增加。因此我们发现通过调整应变的强度和方向,可以有效地调节基于MoTe材料的器件中的传输特性和光电流大小,这为新型光电器件的开发设计提供了新的选择。在第四章,本文研究了双层T-MoTe系统输运性质的研究。本研究中构造了两种不同堆叠方式的异质结模型,探究了系统输运性质的差异。我们首先分析了两种不同堆叠系统的能带结构和电子透射谱图,之后,进一步分析了AA型堆叠情况下层间距对系统能带结构的影响。首先,对比AA型和AB型两种堆叠系统的能带结构可以发现,两种不同的堆叠方式所对应的能带谱图也有所区别,包括外尔点的分布,并且这种差异可以通过电子透射谱反映。此外,对于AA型堆叠,层间距离改变会破坏原有的外尔点。当层间距减小到一定数值时,还会产生新的外尔点,这为外尔费米子系统输运性质的调控提供了新思路。本文的第五章对所做的工作进行了总结,阐述了其物理意义,并讨论了第II类外尔半金属更深层次的研究思路,分析了其研究前景。

关键词：密度泛函理论非平衡格林函数外尔半金属 Td-MoTe2

外尔半金属TaAs中太赫兹电场诱导的二次谐波产生

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中国激光 2023年第17期50卷 191-199页

作者：彭湃李治林汪信波中国科学院物理研究所北京100190 清华大学物理系北京100084

使用强场太赫兹泵浦二次谐波产生探测、研究外尔半金属TaAs中的三阶非线性响应过程。当泵浦太赫兹电场沿着TaAs(112)晶面的不同晶向时,强场太赫兹诱导的光学二次谐波信号展现出了不同的响应,这可以用泵浦太赫兹电场引入的三阶非线性极... 详细信息

使用强场太赫兹泵浦二次谐波产生探测、研究外尔半金属TaAs中的三阶非线性响应过程。当泵浦太赫兹电场沿着TaAs(112)晶面的不同晶向时,强场太赫兹诱导的光学二次谐波信号展现出了不同的响应,这可以用泵浦太赫兹电场引入的三阶非线性极化来定量地解释,其中较大的zzzz分量可能起着重要的作用。

关键词：非线性光学强场太赫兹二次谐波产生外尔半金属

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外尔半金属及其输运特性

物理学进展 2018年第3期38卷 101-131页

作者：张智强蒋庆东陈垂针江华苏州大学物理与光电能源学部苏州215006 长沙理工大学物理与电子科学学院长沙410076 斯德哥尔摩大学物理系瑞典斯德哥尔摩 10691 香港科技大学物理系香港九龙清水湾苏州大学高等研究院苏州215006

外尔半金属是继石墨烯以及拓扑绝缘体之后的又一个研究热点。相比于后两者,外尔半金属独特的三维无能隙线性色散能带结构使得它有很多奇特的性质,如：手性反常、手性磁效应、反弱局域化、手性朗道能级和负磁阻效应等。实际样品中无序总... 详细信息

外尔半金属是继石墨烯以及拓扑绝缘体之后的又一个研究热点。相比于后两者,外尔半金属独特的三维无能隙线性色散能带结构使得它有很多奇特的性质,如：手性反常、手性磁效应、反弱局域化、手性朗道能级和负磁阻效应等。实际样品中无序总是不可避免的,所以考虑无序对体系的影响是很有必要的。我们回顾了无序下第一类以及第二类外尔半金属的相变特性,并获得了完整的相图,这些无序诱导的相变丰富了拓扑安德森绝缘体和安德森金属绝缘体相变的物理内涵。我们同样回顾了长程短程无序影响下的第一类外尔半金属体系的输运,发现了一种不能采用玻尔兹曼输运方程来描述的输运过程。我们介绍Imbert-Fedorov位移这一光学中的效应在外尔半金属中的实现,这为更好地应用外尔半金属提供了更多的可能性,随后采用波包散射,我们解释了外尔半金属中的超高载流子迁移率问题的原因,最后我们给出一个简要的总结。

关键词：外尔半金属无序系统金属绝缘体相变输运性质 Imbert-Fedorov位移

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基于衰减全内反射的外尔半金属耦合性质研究

光学技术 2024年第3期50卷 320-324页

作者：顾梓恒臧强郑改革南京信息工程大学自动化学院江苏南京210044 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心江苏南京210044 南京信息工程大学物理与光电工程学院江苏南京210044

外尔半金属(WSM)具有独特的体能带结构以及非平庸的表面态,对其光学性能的揭示和研究对认识这类材料和拓展相关应用有具有重要意义。为了探究光与WSM的相互作用,提出了一种衰减全内反射结构用于研究WSM中表面等离激元(SPP)的色散和耦合... 详细信息

外尔半金属(WSM)具有独特的体能带结构以及非平庸的表面态,对其光学性能的揭示和研究对认识这类材料和拓展相关应用有具有重要意义。为了探究光与WSM的相互作用,提出了一种衰减全内反射结构用于研究WSM中表面等离激元(SPP)的色散和耦合性质。从介电函数张量出发,通过各项异性传输矩阵来求解麦克斯韦方程组,得到菲涅尔反射系数,研究WSM的色散曲线。在此基础上,引入亚波长厚度的极化晶体薄膜,通过介电函数近零(ENZ)模式和SPP的共同激发,得到两者的耦合杂化色散曲线。研究结果表明,色散关系的高频和低频分支在反交叉点都显示出强耦合。基于WSM的耦合杂化模式具有高度传播特性和亚波长光限制的特点,可以作为未来红外光电子器件的制备和应用提供理论依据。

关键词：衰减全内反射外尔半金属介电函数近零耦合

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外尔半金属中的手征涡旋效应

中国科学院大学学报（中英文） 2019年第5期36卷 598-604页

作者：吉轩廷朱振刚中国科学院大学物理科学学院北京100049 中国科学院大学电子电气与通信工程学院北京100049

实验表明,外尔半金属中不仅存在手征反常,也存在引力反常。引力反常会导致手征涡旋效应。因此,在外尔半金属中研究手征涡旋效应是必要的。作为石墨烯的三维类似物,外尔半金属也有可能出现强耦合。基于此,通过规范/引力对偶的方法研究强... 详细信息

实验表明,外尔半金属中不仅存在手征反常,也存在引力反常。引力反常会导致手征涡旋效应。因此,在外尔半金属中研究手征涡旋效应是必要的。作为石墨烯的三维类似物,外尔半金属也有可能出现强耦合。基于此,通过规范/引力对偶的方法研究强耦合下外尔半金属中的手征涡旋效应。在只考虑引力反常引起的手征涡旋效应的情形下,得到如下结论:1)手征涡旋效应可以由引力反常引起,在具有手征费米子的外尔半金属中存在,且与耦合强度成正比;2)手征涡旋效应与温度平方成正比。

关键词：外尔半金属手征反常引力反常手征涡旋效应