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光子石墨烯中赝磁场作用下的谷霍尔效应

物理学报 2017年第14期66卷 348-353页

作者：邓富胜孙勇刘艳红董丽娟石云龙山西大同大学固体物理研究所大同037009 山西大同大学微结构电磁功能材料省市共建山西省重点实验室大同037009 山西大同大学新型微结构功能材料山西省高等学校重点实验室大同037009 同济大学先进微结构材料教育部重点实验室上海200092

将石墨烯中赝磁场的产生机理运用于光子石墨烯,通过在光子石墨烯中引入晶格有规律单轴形变的方式,理论分析得到了谷依赖的均匀赝磁场,并通过数值模拟的方法观察到明显的谷霍尔效应.这种谷霍尔效应的显著程度随晶格形变度的增加而加强.... 详细信息

将石墨烯中赝磁场的产生机理运用于光子石墨烯,通过在光子石墨烯中引入晶格有规律单轴形变的方式,理论分析得到了谷依赖的均匀赝磁场,并通过数值模拟的方法观察到明显的谷霍尔效应.这种谷霍尔效应的显著程度随晶格形变度的增加而加强.在具有一定损耗的电介质材料构成的形变光子石墨烯中仍可观察到明显的谷霍尔效应.随着电介质材料损耗的增加,谷霍尔效应导致的波束转弯效果依然能够保持,只是强度逐渐变弱.类似于自旋电子学中的自旋霍尔效应,这种光子石墨烯中等效赝磁场作用下的谷霍尔效应在未来谷极化器件的设计和应用中具有重要意义.

关键词：光子晶体光子石墨烯赝磁场谷霍尔效应

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人工结构赝磁场的研究进展

科学通报 2022年第12期67卷 1223-1231页

作者：温辛花邱春印武汉大学物理科学与技术学院武汉430072

作为人工规范场,赝磁场可像真实磁场一样调控电子动力学,受到了广泛的关注.对于不与磁场响应或者与磁场弱响应的经典波系统,赝磁场提供了一种调控波场的新机制,带来了许多与真实磁场可类比的物理性质,如朗道能级、类量子霍尔效应等.特别... 详细信息

作为人工规范场,赝磁场可像真实磁场一样调控电子动力学,受到了广泛的关注.对于不与磁场响应或者与磁场弱响应的经典波系统,赝磁场提供了一种调控波场的新机制,带来了许多与真实磁场可类比的物理性质,如朗道能级、类量子霍尔效应等.特别地,声学、光学等人工结构材料具有结构可调、易于制备和表征等优良特性,为赝磁场的研究提供了优秀的平台.本文将介绍人工结构赝磁场的研究进展,重点关注赝磁场的构建以及相关的物理性质.

关键词：人工结构赝磁场朗道能级类量子霍尔效应

STM针尖操纵可控制备折叠石墨烯及其赝磁场研究

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STM针尖操纵可控制备折叠石墨烯及其赝磁场研究

作者：杨礼珍湖南大学

学位级别：硕士

石墨烯是一种具有单原子层厚度的二维材料,它拥有出色的力学、电学等性能。其中,由于石墨烯优异的柔韧性和面内刚度,使得利用多种手段协助构造出不同的石墨烯结构成为可能,并且可以随之改变其能带结构,调控其电学性质。本论文主要利用... 详细信息

石墨烯是一种具有单原子层厚度的二维材料,它拥有出色的力学、电学等性能。其中,由于石墨烯优异的柔韧性和面内刚度,使得利用多种手段协助构造出不同的石墨烯结构成为可能,并且可以随之改变其能带结构,调控其电学性质。本论文主要利用扫描隧道显微镜（STM）针尖操控石墨烯以制备独特的折叠石墨烯结构,并在其中构筑可调的赝磁场。本论文主要得到的研究结果如下:（1）通过STM发展了可控撕裂与折叠石墨烯的实验技术,制备得到了丰富的石墨烯纳米结构。通过有意增加STM针尖-石墨烯的相互作用,可控地将石墨烯片撕裂并折叠到台阶边缘,从而制备丰富的折叠石墨烯纳米结构,如石墨烯纳米岛和类纳米带等。同时,对制备的折叠石墨烯的形貌结构做了详细研究。（2）发展出一种制备具有Zigzag边缘终止的石墨烯纳米结构的实验方法。本研究发现通过STM撕裂与折叠石墨烯制备得到的石墨烯纳米结构,其撕裂方向主要沿着石墨烯蜂窝状晶格的Zigzag取向,导致产生的石墨烯纳米结构具有相同的指定边缘,且具有良好的Zigzag终止。理论模型表明,增强的针尖-石墨烯排斥力可以解释撕裂和折叠过程,而优先的Zigzag取向撕裂归因于石墨烯中该取向拥有最低断键能。本研究提供了一种简单且可控的方法来制备具有精确的Zigzag边缘终止的石墨烯纳米结构。（3）在折叠石墨烯中构筑出大小可调的赝磁场和赝朗道能级。折叠石墨烯结构的折叠弯曲边界提供了一个构筑应变诱导新奇物性的良好平台。研究发现石墨烯折叠边界具有非均匀的应变,表现为垂直折叠边界晶格受到拉伸,平行折叠边界晶格被轻微压缩。同时发现应变大小随着折叠边界宽度增加而减小。通过扫描隧道谱的测量,在受应变的石墨烯折叠边界处探测到了应变赝磁场导致的赝朗道能级结构,得到赝磁场大小为～10–60 T。本研究发现可以通过改变弯曲的折叠边的宽度来调控其中赝磁场的强度,而折叠边宽度的改变可从实验上折叠不同单位长度折叠面积来实现。该研究提供了一种新的途径来可控设计具有可调赝磁场和平带结构的系统,并用于研究应变和相互作用引起的新奇量子现象。

关键词：折叠石墨烯针尖操控应变赝磁场赝朗道能级扫描隧道显微镜

声子晶体中的散射效应诱导赝磁场与声朗道能级

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声子晶体中的散射效应诱导赝磁场与声朗道能级

作者：陈文灿华中科技大学

学位级别：硕士

赝磁场在物理学研究中备受关注,已成为一种新型调控经典波的机制。引入赝磁场可以在经典波体系中实现许多通常只存在于量子系统中的物理现象,如朗道能级和量子霍尔效应等,从而极大地扩展了操控经典波的方法。本文在二维声子晶体中设计... 详细信息

赝磁场在物理学研究中备受关注,已成为一种新型调控经典波的机制。引入赝磁场可以在经典波体系中实现许多通常只存在于量子系统中的物理现象,如朗道能级和量子霍尔效应等,从而极大地扩展了操控经典波的方法。本文在二维声子晶体中设计了一种新型结构,通过引入沿着x和y方向的散射体单胞参数线性变化,成功地创建一个对称规范场,并实现了大面积均匀的赝磁场。与现有工作中使用的合成朗道规范场不同,这种方法为有效矢势的选择空间提供更大的灵活性,为赝磁场人工声学器件的应用开辟了新的前景。本文从理论原理、有限元仿真和实验三个方面对这一创新性的研究进行了探索,并取得了以下成果:(1)本文针对二维类石墨烯蜂窝晶格声子晶体,提出一种全新的声子晶体超胞结构设计方法。该方法通过沿x和y方向引入散射体单元参数的线性变化,实现对称规范或任意非特殊规范下的赝磁场。相比现有工作中的合成朗道规范场,这种方法增加了有效矢势的选择范围,使得声子晶体结构更加灵活多变。类似于真实磁场诱导的朗道能级量子化现象,在赝磁场作用下实现声子晶体中的高度简并且平坦的声朗道能级。(2)针对这种声子晶体超胞结构,本文提出一种新的声波传输控制方法。该方法通过在狄拉克锥区产生离散的朗道能级,实现沿畴壁的单向传播,即量子霍尔输运。通过声子晶体模型设计,可以实现对声波传播方向的精确控制,且具有缺陷免疫特性。这种单向传输方式能够绕过拐角传播而不会反射,并能够选择性地激发不同的边缘态或局域态。与具有一个周期性方向的朗道规范不同,该方法可以轻松实现B和-B的赝磁场,且可以将二者拼接,使声波从一块晶体传播到另一块晶体,实现声波沿同侧边界或异侧边界传播,这种全新的传播方式将为赝磁场人工声学器件提供新的功能。综上所述,本文研究了在声子晶体中构建自由矢势下的赝磁场,并通过实验验证声学体系中的类量子霍尔效应。这为声子晶体的实际应用和优化提供了参考,为赝磁场人工声学器件的应用开辟新的前景。

关键词：声子晶体赝磁场声朗道能级对称规范类量子霍尔效应缺陷免疫

形变光子石墨烯中赝磁场控制的谷依赖光子传输行为

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形变光子石墨烯中赝磁场控制的谷依赖光子传输行为

第十七届全国晶体生长与材料学术会议(CCCG-17)

作者：邓富胜李运美孙勇石云龙江海涛常凯陈鸿同济大学大同大学中科院半导体所

石墨烯独特的能带结构中具有两个简并且不等价的狄拉克点(K和K’点),其附近形成两个不等价的谷。石墨烯中的这种谷自由度类似于电子自旋,可被用来设计基于石墨烯的谷电子器件,并且已经形成了一门新型学科被称作谷电子学。然而,实际有限... 详细信息

石墨烯独特的能带结构中具有两个简并且不等价的狄拉克点(K和K’点),其附近形成两个不等价的谷。石墨烯中的这种谷自由度类似于电子自旋,可被用来设计基于石墨烯的谷电子器件,并且已经形成了一门新型学科被称作谷电子学。然而,实际有限尺度的石墨烯边界处的粗糙或不纯等因素强烈影响其内部电子特性,使得石墨烯中谷依赖的电子输运特性一直难以被实验验证。光子石墨烯具有同电子石墨烯类似的能带结构,相比电子石墨烯而言,人工光子石墨烯具有灵活可调的参数及边界型态。本文主要利用微波实验平台,研究了形变光子石墨烯中赝磁场作用下的光子输运行为。

关键词：光子晶体狄拉克点赝磁场谷电子学

来源： cnki会议评论

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低维材料物性的非均匀应变调控

物理学报 2022年第12期71卷 283-296页

作者：王娅巽郭迪李建高张东波北京师范大学核科学与技术学院北京100875

探索低维材料的新奇物性是当前凝聚态物理和材料科学基础研究的一个重要前沿.应变是调控低维材料物性的一个重要手段.相比于块体材料,低维材料通常具有良好的力学柔韧性,并表现出敏锐的结构-电子响应关系,因此可以通过结构变形对材料电... 详细信息

探索低维材料的新奇物性是当前凝聚态物理和材料科学基础研究的一个重要前沿.应变是调控低维材料物性的一个重要手段.相比于块体材料,低维材料通常具有良好的力学柔韧性,并表现出敏锐的结构-电子响应关系,因此可以通过结构变形对材料电子性质进行有效调控.本文主要目的是介绍二维材料中通过非均匀应变获得新奇物性的研究进展.主要讨论两个效应,即赝磁场效应和挠曲电效应.具体来说,通过解析理论、实验进展、计算模拟以及围绕这些效应的应用等方面介绍相关研究进展.从计算模拟的角度看,由于非均匀应变破坏了晶体的平移对称性,基于周期性边界条件的量子力学计算方法如第一性原理不再适用.本文将介绍一个专门用来模拟非均匀应变的原子级计算方法,即广义布洛赫方法,并简要介绍该方法的一些具体应用.

关键词：二维材料应变调控赝磁场挠曲电广义布洛赫方法

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光子晶体增强石墨烯THz吸收

物理学报 2014年第5期63卷 392-396页

作者：谢凌云肖文波黄国庆胡爱荣刘江涛南昌大学物理系南昌330031 中山大学物理科学与工程技术学院广州510275 南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室南昌330063 南昌大学高等研究院微尺度科学实验室南昌330031

研究了光子晶体表面石墨烯在应力赝磁场作用下的太赫兹(THz)吸收.由于应力赝磁场的存在使得石墨烯中电子出现朗道能级并对THz波呈现出一个较强的吸收.而光子晶体和石墨烯形成了表面微腔结构使得石墨烯对THz波的吸收比无光子晶体时增强... 详细信息

研究了光子晶体表面石墨烯在应力赝磁场作用下的太赫兹(THz)吸收.由于应力赝磁场的存在使得石墨烯中电子出现朗道能级并对THz波呈现出一个较强的吸收.而光子晶体和石墨烯形成了表面微腔结构使得石墨烯对THz波的吸收比无光子晶体时增强了将近四倍.且可以通过改变应力赝磁场和间隔层厚度来调控石墨烯的THz吸收.

关键词：石墨烯光子晶体太赫兹赝磁场

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应变型声子晶体传播特性研究

应变型声子晶体传播特性研究

作者：罗继承湖南大学

学位级别：硕士

声子晶体作为凝聚态物理的一门新生领域,由于其存在有类似于半导体中微观电子的能带结构,受到了全世界各地专家学者们的高度关注和广泛研究讨论。声子晶体由于其对特定频率声波和弹性波完全抑制的禁带特性被广泛应用工业生产工程和人们... 详细信息

声子晶体作为凝聚态物理的一门新生领域,由于其存在有类似于半导体中微观电子的能带结构,受到了全世界各地专家学者们的高度关注和广泛研究讨论。声子晶体由于其对特定频率声波和弹性波完全抑制的禁带特性被广泛应用工业生产工程和人们的日常生活中振动噪声控制的各个场合。进一步拓扑这一概念被引入声子晶体领域,极大地推动了声子晶体的研究并诞生了拓扑声子晶体学这一新生领域。研究者们通过构造具有不同拓扑性质的声子晶体结构,发现其组合可以在共同界面处实现具有边缘传输特性的拓扑边缘态。随后受石墨烯应变工程的启发,研究者们在经典的中性玻色子准粒子中突破性地发现了带电粒子特有的磁致量子现象。本文将石墨烯应变工程理论引入固态声子晶体系统中,首先理论分析了通过合适的梯度应变可以诱导特定形式的矢量势并同时产生均匀的巨大赝磁场,进一步探讨了赝磁场下的所产生强场能带物理特性如朗道能级量子化,最后研究了外平面弹性波在赝磁场下的磁致量子传输现象。主要的研究内容如下:（1）将应变工程理论引入到固态声子结构中形成应变型声子晶体,求解其中狄拉克粒子的哈密顿量本征值得到其能带关系。并且进一步发现狄拉克锥的位移可以代表其中的矢量势变化,从而可以通过矢量势求解得出声子晶体系统中赝磁场的大小。（2）由于声子晶体的宏观结构可调性,我们设计出了具有梯度雪花臂角变化的应变型声子晶体。我们对臂角的偏离值与狄拉克点的位移变化进行研究发现其两者成线性关系,该特性使得具有均匀臂角梯度变化的应变型声子晶体结构中可以诱导产生均匀的高场强赝磁场。（3）通过设计具有不同臂角梯度的应变型声子晶体模型,我们比较研究了其在不同赝磁场强度下的能带特性。并且发现狄拉克锥附近线性的关系受赝磁场的调节形成了一族量子化的朗道能带能级。（4）通过有限元频域求解方法研究了矩形形状的应变型声子晶体的亚晶格偏振体态传输以及平行四边形状样品的磁致边缘态传输。并且通过引入IPR函数进一步证明了声子晶体中弹性波的类磁效应和磁致量子现象。

关键词：减震降噪应变工程赝磁场朗道能级类磁效应

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石墨烯纳米带的扫描隧道显微镜的研究

石墨烯纳米带的扫描隧道显微镜的研究

作者：仲张峰南京大学

学位级别：硕士

石墨烯是材料科学以及凝聚态物质领域的一种处于快速发展中的新材料。石墨烯作为世界上迄今为止发现的最薄最牢固的材料,这种严格意义上的二维材料展示出了超常的晶体学和电学特性,具有巨大的应用前景。石墨烯纳米带是除碳纳米管之外的... 详细信息

石墨烯是材料科学以及凝聚态物质领域的一种处于快速发展中的新材料。石墨烯作为世界上迄今为止发现的最薄最牢固的材料,这种严格意义上的二维材料展示出了超常的晶体学和电学特性,具有巨大的应用前景。石墨烯纳米带是除碳纳米管之外的另外一种准一维石墨类结构,展示出依赖于宽度和边缘结构的奇特的电子特性。石墨烯及其纳米带使得很多需要在极限条件下才能开展的量子相对论相关的实验在普通实验条件下就可实现,极大丰富了用实验来验证理论的手段。本文主要讨论了利用扫描隧道显微镜研究石墨烯纳米带的三个实验方面的工作：一、由宽度决定的多壁碳纳米带剥开形成的石墨烯纳米带的边缘结构的研究。二、扫描隧道显微镜观察到的石墨烯纳米带的库仑阻塞效应的研究。三、双层石墨烯中应力引起20T赝磁场现象的研究。利用扫描隧道显微镜,我们研究了由碳纳米管剖开得到的石墨烯纳米带与宽度有关的边缘结构。我们发现宽度在10nm以下的石墨烯纳米带的边缘结构一般接近armchair边,而宽度在20nm以上的纳米带的边缘结构一般接近zigzag边。宽度在10nm和20nm之间的纳米带的边缘结构相对比较随机。我们根据碳纳米管中应力的作用以及前人的理论计算解释了这一现象。我们展示了扫描隧道显微镜下观察到的基于垂直石墨烯双电阻结构的单电子隧穿效应。这种结构是通过将扫描隧道显微镜的针尖放在石墨烯纳米带之上,石墨烯纳米带通过下面的有机小分子悬挂在Au(111)单晶上而实现的。扫描隧道显微镜对石墨烯纳米带测量的结果展示了台阶状的Ⅰ-Ⅴ曲线。另外,在实验中,我们研究了当改变针尖和石墨烯纳米带间距时,扫描隧道显微镜所观察到的类似库仑阻塞效应的谱线的变化。更多的数值分析说明了石墨烯纳米带上振荡的谱线来源于库仑阻塞效应。我们利用扫描隧道显微镜观察到了双层石墨烯的扫描隧道谱中出现朗道量子化,经过分析认为这是由应力产生的20Tesla大小的赝磁场导致的。双层石墨烯谱线中观察到的振荡峰的峰位与之前的理论和实验结果相符合。这种应力产生的赝磁场使得通过施加应力控制双层石墨烯的电子性质成为可能,也使得人们可以创造条件来从实验上研究高磁场下材料的性质。

关键词：石墨烯石墨烯纳米带扫描隧道显微镜边缘结构多壁碳管库仑阻塞效应朗道能级赝磁场