Manipulation of band gap in 1T-TiSe₂ via rubidium deposition

Yi Ou(欧仪), Lei Chen(陈磊), Zi-Ming Xin(信子鸣), Yu-Jing Ren(任宇靖), Peng-Hao Yuan(袁鹏浩), Zheng-Guo Wang(王政国), Yu Zhu(朱玉), Jing-Zhi Chen(陈景芝), and Yan Zhang(张焱)

Chin. Phys. B, 2024, 33 (8):  087401

对于半导体材料或者半金属材料而言，带隙是电子结构中决定材料物理性质的关键参数。1T-TiSe₂是一个广受关注的二维电荷密度波材料，其电子结构具有小带隙的半导体特征，所以被认为是寻找激子绝缘体相的候选材料。

过去对1T-TiSe₂电子结构的研究主要集中在面内方向，面外方向的能带色散研究较少。本文利用角分辨光电子能谱对1T-TiSe₂面外方向的电子结构进行了研究。数据表明1T-TiSe₂能带在面外方向具有较强的色散，考虑面外方向能带的色散，我们才能对1T-TiSe₂带隙进行准确的测量。在此基础上，本文继续研究了Rb表面沉积对1T-TiSe₂带隙的影响，发现其带隙大小随着Rb沉积的增加逐渐减少，并最终表现出带隙闭合的能谱特征。本文对1T-TiSe₂的面外方向电子结构进行了详细的刻画，并指出表面碱金属沉积是调控1T-TiSe₂带隙的有效手段。

Fig. 4. The gapless electronic state observed in rubidium-doped 1T-TiSe₂. (a) Schematic drawing of the band inversion in a non-interacting scenario. (b) is the same as (a) but considering the interaction between c_2,3 and v₁. (c) The second derivative images of the energy–momentum cuts taken at the (0,π) point in the pristine samples using 52 eV photon energy. (d) The EDCs extracted from the data in panel (c). (e) is the same as (c) but taken in the 110 s doped sample using 53 eV photon energy. (f) The EDCs extracted from the data in panel (e). (f) The second derivative images of the energy–momentum cuts at the (0, π) point taken in the heavily-doped sample using 21.2 eV photon energy.

Mode coupling with Fabry-Perot modes in photonic crystal slabs

Ken Qin(秦恳), Peng Hu(胡鹏), Jie Liu(刘杰), Hong Xiang(向红), and De-Zhuan Han(韩德专)

Chin. Phys. B, 2024, 33 (8):  084205

光子晶体平板具有可调控的能带结构和丰富的远场辐射偏振性质，因此可以在光场调控中发挥重要的作用。利用模式间的耦合可以实现各种新奇的现象，如连续谱中束缚态(BIC)、单向导模共振(UGR)、奇异点(EP)等。导模共振(GR)模式和法布里珀罗(FP)模式是光线之上的两类典型模式。由于FP模式的Q值较低，往往被当作某种背景而忽略了其共振属性。在构建模式耦合时，人们大多考虑的是GR 模式之间的耦合，对于FP模式鲜有关注。

本文探讨了光子晶体平板中FP模式相关的模式耦合。首先我们利用时域耦合模理论(TCMT)分析了弱调制光子晶体平板的透射特性，将平板的透射、反射行为看作入射、出射场与平板内FP模式的耦合。该观点被数值仿真结果和传输矩阵法的结果证实。接着我们利用GR模式和FP模式的耦合在动量空间实现了EP对，且观察到了连接EP对之间的费米弧。该费米弧对应的远场辐射偏振表现出非平庸的拓扑性质。该工作表明光子晶体平板中的FP模式可以作为真正的共振模式在模式耦合中发挥作用，以此丰富光场的调控手段。

Fig. 3. EP pairs and Fermi arc generated from the coupling of FP_TM,2 and  modes. Here the parameters of the PhC slab are set as ε₁ = 5.5, ε₂ = 1, h = 1.4a, d = 0.5a. The real part and imaginary part of the eigenvalues are presented in (a) and (b), respectively. The red surface corresponds to the upper band and the blue surface corresponds to the lower band. The black dash lines indicate the Fermi arc, and the two black dots indicate the EPs. (c) and (d) The far-field polarization patterns of the upper band and lower band, respectively. The polarization states are illustrated by the ellipses, with red color and blue color representing the right-handed and left-handed elliptical polarizations. The Fermi arcs and EPs are indicated by the black solid lines and black dots, respectively. Gray arrows on the gray contours encircling the EP pair and the Fermi arc indicate the polarization directions (the long axis of the ellipses). The evolution of the polarization orientation along the contour manifests a topological charge of −1/2.

Comparative study of nudged elastic band and molecular dynamics methods for diffusion kinetics in solid-state electrolytes

Aming Lin(林啊鸣), Jing Shi(石晶), Su-Huai Wei(魏苏淮), and Yi-Yang Sun(孙宜阳)

Chin. Phys. B, 2024, 33 (8):  086601

微动弹性带法（NEB）和分子动力学模拟（MD）是研究固体电解质中离子扩散动力学的两种重要方法。NEB方法基于过渡态理论，适用于原子结构规则有序、初态和末态确定且扩散路径明确的体系。然而，在研究多离子扩散或无序的体系时，NEB方法具有局限性。相比之下，MD模拟可以在原子尺度下跟踪离子的移动，不需要预定义的扩散路径，可以更有效地模拟复杂体系中的离子扩散。但是，由于受到亚纳秒级模拟时间的限制，MD通常都采用高温模拟，需要验证在外推至室温的过程中是否产生误差。

本研究选取了Na离子在MgO晶格中的扩散作为测试案例，对NEB和MD两种方法进行比较。研究表明，在MD模拟中总计12纳秒的有效模拟时间可以使扩散势垒收敛至大约0.01 eV的误差内，所获得的扩散势垒为0.31 eV，与NEB方法得到的数值相同。由两种方法推导出的室温扩散系数也处于同一数量级，验证了两种方法之间的一致性。这项工作为MD模拟提供了严格的评估，确认了文献中由该方法产生的大量数据的有效性。

Fig. 4. (a) Arrhenius plot of the diffusion coefficient D and temperature T. The data points with filled squares were obtained by averaging over 500 60-ps MD runs, while the data points with empty squares were obtained by averaging over 50 60-ps MD runs through dividing the 500 runs into 10 sets. (b) Convergence of derived E_a as a function of n, the number of MD runs.

Interface and mechanical degradation mechanisms of the silicon anode in sulfide-based solid-state batteries at high temperatures

Qiuchen Wang(王秋辰), Yuli Huang(黄昱力), Jing Xu(许晶), Xiqian Yu(禹习谦), Hong Li(李泓), and Liquan Chen(陈立泉)

Chin. Phys. B, 2024, 33 (8):  088201

在锂离子电池研究中，硅（Si）因其高理论容量和低工作电位，被广泛认为是一种极具潜力的负极材料。近年来，硅负极在固态电池中的应用前景备受关注，因为在固态电池中，硅负极的固体电解质界面（SEI）形成较少，同时硅颗粒破碎现象也有所减轻。然而，硅负极在高温环境下的应用仍面临重大挑战。针对这一问题，本文深入探讨了Si-Li₆PS₅Cl（LPSC）复合负极在80 °C高温下的失效机制，从界面稳定性和（电）化学-机械失效两个角度展开研究。

通过电化学、化学表征以及第一性原理计算，本文揭示了Li_xSi|LPSC界面的化学反应路径和界面生长动力学。研究发现，在Li_xSi|LPSC界面形成的Si和/或Si-P化合物对高温下的界面稳定性产生了不利影响。此外，硅在高温下的锂化过程导致体积膨胀过大，并引发电极内局部应力增加，从而破坏了Si-LPSC复合负极的结构。本文不仅阐明了高温下硅基负极在固态电池中的行为和失效机制，还为未来优化硅基负极在固态电池中的应用提供了重要的理论指导。该研究成果有望推动高性能固态电池的发展，为下一代电池技术的创新突破奠定基础。

Fig. 3. Exsitu XPS spectra of (a) Si 2p, (b) P 2p and (c) S 2p from Si-LPSC anodes before and after cycled at 30 °C and 80 °C respectively. (d) Normalized intensity of SiP and LiSiP fragments. (e) Calculated chemical reaction energy of Li_xSi (x = 0–4.4) and LPSC as a function of LPSC molar ratio. (f) Calculated band structure and density of state (DOS) of SiP.

Surface encapsulation of layered oxide cathode material with NiTiO₃ for enhanced cycling stability of Na-ion batteries

Zilin Hu(胡紫霖), Bin Tang(唐彬), Ting Lin(林挺), Chu Zhang(张楚), Yaoshen Niu(牛耀申), Yuan Liu(刘渊), Like Gao(高立克), Fei Xie(谢飞), Xiaohui Rong(容晓晖), Yaxiang Lu(陆雅翔), and Yongsheng Hu(胡勇胜)

Chin. Phys. B, 2024, 33 (8):  088202

钠离子电池是一种适合大规模电力系统的电化学储能技术。钠离子电池具有资源丰富、成本低廉等优势，其发展能够降低对稀缺锂资源的依赖，提高能源的可持续性和保障国家能源安全。与锂离子电池类似，正极材料对钠离子电池体系的工作电压、能量密度与循环寿命至关重要。为了获得具有更高能量密度的钠离子电池，设计具有高输出电压和高容量的O3型层状氧化物成为最有前景的开发策略之一。然而，在高电压下，层状氧化物存在不可逆相变、晶格氧释放等问题加剧，导致其结构快速衰退、电化学性能恶化。目前，提高能量密度和循环稳定性之间取得平衡仍然是钠离子电池开发中的挑战之一。

本研究提出了一种新颖的原位化学反应策略，通过二次热处理的方式实现钙钛矿相NiTiO₃对O3型钠离子电池层状氧化物的表面包覆，并深入研究了表面包覆提升材料结构稳定性的机理。球差校正扫描透射显微镜（STEM）和电子能量损失谱（EELS）的测试结果证实NiTiO₃包覆均匀在材料表面。进一步结合原位X射线衍射（in situ XRD）和原位微分电化学质谱（in situ DEMS），分析了材料在循环过程中的结构变化及气体演化，表明NiTiO₃包覆层有利于构建稳定的晶格结构，有效抑制晶格氧的释放，减少材料与电解液之间的副反应，从而提升材料的循环稳定性。这为设计新型高电压、高容量和高稳定的钠离子电池正极材料提供了新思路。该研究成果有望推动高能量密度和长循环寿命钠离子电池的发展，为实现钠离子电池的商业化奠定基础。

Fig. 6. The voltage profiles (a) and cycling performance (c) of NTO-LNFMT//HC full cell, the inset in panel (a) is the voltage profiles of HC anode; DSC profiles of P-LNFMT and NTO-LNFMT cathode materials charged to 4.3 V with a heating rate of 5 °C⋅min⁻¹ (b).

Piezoelectric fibers based on silk fibroin with excellent output performance

Wenqiang Zhen(甄文强), Jie Chen(陈杰), Suna Fan(范苏娜), and Yaopeng Zhang(张耀鹏)

Chin. Phys. B, 2024, 33 (8):  088701

周围神经系统对人体生理功能和活动的调节起主导作用，一旦遭受损伤，就会严重影响人体其他部位的机能，因而采用具有自供电功能的组织工程支架对其进行修复具有重要的临床意义和科学价值。丝素蛋白（Silk Fibroin，SF）不仅具有可调节的水溶性、优异的生物相容性和生物降解性，而且具有剪切压电和纵向压电特性，是构建可植入的生物压电支架的理想材料。

本文基于纯 SF-氯化钙-甲酸纺丝液体系，采用干法纺丝技术制备了纯SF压电纤维。通过调节钙离子与SF浓度，结合拉伸和乙醇处理，调控SF的凝聚态结构，实现了SF纤维β-折叠含量以及结晶度的提升，SF纤维的压电系数d₃₃提高到3.24 pm/V。基于此SF压电纤维的发电机最大电学输出可达27 V，可应用于人体手指关节弯曲运动的检测；在超声刺激下SF压电纤维促进了PC-12细胞的生长，有望用于自供电组织工程支架、生物传感以及神经修复领域。

Fig. 3. The piezoelectric performance of different SF fibers. (a)–(b) The output voltage of as-spun (a) and post-treated (b) SF fibers under machine tapping. (c) The d₃₃ coefficient of post-treated SF fibers. (d)–(f) Butterfly curves of different SF fibers: p-25%SF–12%CaCl₂ (d), p-30%SF–15%CaCl₂ (e), and p-35%SF–18%CaCl₂ (f).

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