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编辑推荐 | 2020年第5期

已有 2062 次阅读 2020-3-10 12:47 |系统分类:论文交流

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封面文章

HgCdTe薄膜的输运特性及其应力调控

张松然, 何代华, 涂华垚, 孙艳, 康亭亭, 戴宁, 褚君浩, 俞国林

物理学报.2020, 69(5): 057301

窄禁带直接带隙半导体材料碲镉汞 (Hg1xCdxTe) 在红外探测与自旋轨道耦合效应基础研究方面都具有重要应用意义的材料。碲镉汞是由均具有闪锌矿立方晶体结构的正禁带 CdTe 和负禁带 HgTe 按照比例形成的赝二元化合物材,具有禁带宽度随组分可调、光吸收率高、电子迁移率高和热产生率较低的优点。通过调控禁带宽度,可使其红外探测范围覆盖从近红外到甚长波红外波段 (0.7—30.0 μm)。由于上述的诸多优点,这一材料目前被广泛应用于各红外探测领域。此外,碲镉汞电子有效质量小,有效 g 因子大,具有很强的自旋轨道耦合作用,使它成为制备自旋器件的理想材料。在基础研究方面, HgCdTe 材料也具有重要的意义。2006年,张守晟团队预言了量子自旋霍尔绝缘体可于 HgCdTe 量子阱结构中实现,并随后在实验上验证了这一预言。近年来还有研究显示,通过调控应力有望在 HgCdTe 中实现拓扑绝缘体与拓扑半金属态。

半导体的电学性质可以通过多种手段调控, 包括栅压、光照以及应力调控。其中,栅压与光照都可直接调控载流子,而应力调控则是间接调控。此外,相比于前两者,要在低温下实现对样品的应力调控是极具挑战性的。传统的方法是在不同的衬底上生长同一材料,但这一方法具有很大的局限性,不仅耗时耗力,而且应力的调控完全取决于样品与衬底的晶格常数的关系,无法人为直接调控。Shayegan 等提出了利用压电陶瓷对低温下的样品进行原位应力调控的方案,并成功在AlAs量子阱输运测试中实现了有效的调控。此后,这一调控方案被用于多种材料的输运测试实验中,已报道过的有:GaAs量子阱、InGaAs量子点、 二维材料MoS2和InAs/GaSb 双量子阱结构等。

目前关于HgCdTe的输运性质调控主要是栅压与光照,魏来明等在受到微波辐照的HgCdTe薄膜中观测到了增强的退相干时间。Palm 等在 HgCdTe 基的场效应晶体管中观察到了反弱局域效应,并成功用栅压调控自旋轨道耦合强度。高矿红等实现了用栅压对 Hg0.78Cd0.22Te 薄膜反型层中的自旋分裂能在6.95—9.06 meV之间的调控。使用压电陶瓷对这一材料体系进行应力调控的研究还未有报道。文章对单晶生长的体材料 Hg0.851Cd0.149Te 进行阳极氧化以形成表面反型层,将样品粘贴在压电陶瓷上减薄后进行磁输运测试,在压电陶瓷未加电压时观察到了明显的 SdH 振荡效应。对填充因子与磁场倒数进行线性拟合,获得样品反型层二维电子气的载流子浓度为 ns=1.25×1016 m-2。在不同磁场下,利用压电陶瓷对样品进行应力调控,观测到具有不同特征的现象,分析应是样品中存在二维电子气与体材料两个导电通道。零磁场下体材料主导的电阻的变化应来源于应力导致的带隙的改变;而高场下产生类振荡现象的原因应为应力导致的二维电子气能级的分裂。


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图1 样品结构示意图,其中箭头表示对压电陶瓷施加正偏压时的应力方向


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图2 (a) 1.5 K温度下,HgCdTe样品在磁场中的SdH振荡图;(b) 去背底处理后的SdH振荡曲线


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图3 1.5 K温度下样品在不同磁场条件下电阻随压电陶瓷偏压的变化


同行评价

论文研究了窄禁带半导体HgCdTe表面反型层的电输运性质。磁电阻曲线呈现出明显的SdH振荡特性,表明反型层中形成了较高质量的二维电子气。通过压电陶瓷对样品中的应力进行调控,发现零磁场下样品电阻率对压电陶瓷上所加偏压呈现出线性依赖关系。在高磁场下,电阻率随压电陶瓷上所加偏压变化呈现出振荡特性,作者对该现象进行了定性解释。本文采用压电陶瓷来调控HgCdTe反型层中电输运性质具有突出的创新性:在基础层面为研究新奇的物理现象(如实现HgCdTe外尔半金属)提供了新的实验手段,在技术层面为优化HgCdTe基器件性能提供了一个新的维度。


编辑推荐


脉冲强磁场下的电极化测量系统

刘婉馨, 陈瑞, 刘永杰, 王俊峰, 韩小涛, 杨明

物理学报. 2020, 69(5): 057502

多铁性材料是当前物质科学研究的热点,具有重要的科学研究意义和应用前景。低温和强磁场实验环境为研究多铁性材料提供了一种有效途径。脉冲强磁场下的电极化测量系统能实现最高磁场强度60 T, 最低温度0.5 K的铁电特性测量。该系统采用热释电方法,具有磁场强度高、控温范围广、转角测量等特点,可用于强磁场下的磁电特性研究。文章介绍了该系统的测量装置和实验原理,并展示了其在多铁性材料研究中的一系列应用,揭示了脉冲强磁场电极化测量系统在磁电特性探索中的重要作用。


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图1 (a)电极化测量的电路图; (b)稳态和脉冲场下的电极化测量过程(折线部分表示该过程施加了偏置电压)


同行评价

本文介绍了脉冲强磁场下的电极化测试系统的科学意义、实验系统、测量过程和代表性的研究成果,并对国内外的脉冲场下的电极化系统进行了概述。审稿人认为搭建这套系统是非常有意义的,在强磁场、极低温下搭建这类可以面向国内外用户开放的测试系统具有很高的创新性。


编辑推荐


基于人工表面等离激元探针实现太赫兹波的紧聚焦和场增强

王晓雷, 赵洁惠, 李淼, 姜光科, 胡晓雪, 张楠, 翟宏琛, 刘伟伟

物理学报. 2020, 69(5): 054201

为提高太赫兹近场显微成像技术的分辨率,设计了一款在Teflon 探针的尖锥形表面镀上厚度渐变、具有相同占空比的超薄金属银制条带的探针,用于实现探针尖端处人工表面等离激元的激发和太赫兹波的亚波长聚焦。研究表明,对于频率为0.1 THz的入射波,厚度渐变镀银条带探针产生的紧聚焦光场的尺寸可稳定在20 μm左右(λ/150),探针尖端处最大电场强度为入射电场强度的849倍。研究还发现,周期性金属条带的数目和入射电场的偏振方向可对探针尖端处产生的紧聚焦光斑的尺寸和电场强度等进行灵活有效的调控。


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图1 厚度渐变镀银条带探针及不同平面处尖端结构放大示意图


同行评价

该文设计了一款在Teflon 探针的尖锥形表面镀上厚度渐变、具有的相同占空比的超薄金属银制条带的探针,用于实现探针尖端处人工表面等离激元的激发和太赫兹波的亚波长聚焦,旨在提高太赫兹近场显微成像的分辨率。其研究结果表明,周期性金属条带的数目可以在一定程度上影响探针尖端处产生的电场强度和紧聚焦光场的半高全宽。同时,还可通过改变入射电场的偏振方向,对探针尖端处产生的SSP紧聚焦光场的各个分量进行灵活地调控。论文具有一定的创新性,其结果对太赫兹领域的光场调控以及近场高分辨率显微成像有一定的指导意义和应用价值。


编辑推荐


石墨烯/柔性基底复合结构双向界面切应力传递问题的理论研究

白家豪, 郭建刚

物理学报. 2020, 69(5): 056201

界面力学性能是影响石墨烯/柔性基底复合结构整体力学性能的关键因素,因此对该结构界面切应力传递机理的研究十分必要。考虑了石墨烯和基底泊松效应的影响,文章提出了二维非线性剪滞模型。对于基底泊松比相比石墨烯较大的情况,利用该模型理论研究了受单轴拉伸石墨烯/柔性基底结构的双向界面切应力传递问题。在弹性粘结阶段,导出了石墨烯双向正应变和双向界面切应力的半解析表达式,分析了不同位置处石墨烯正应变和界面切应力的分布规律。导出了石墨烯/柔性基底结构发生界面滑移的临界应变,结果表明该临界应变低于利用经典一维非线性剪滞模型得到的滑移临界应变,并且明显受到石墨烯宽度尺寸以及基底泊松比大小的影响。基于二维非线性剪滞模型建立有限元模型 (FEM),研究了界面滑移阶段石墨烯双向正应变和双向界面切应力的分布规律。与一维非线性剪滞模型的结果对比表明,当石墨烯宽度较大时,二维模型和一维模型对石墨烯正应变、界面切应力以及滑移临界应变的计算结果均存在较大差别,但石墨烯宽度很小时,二维模型可近似被一维模型代替。最后,通过与拉曼实验结果的对比,验证了二维非线性剪滞模型的可靠性,并得到了石墨烯/聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 基底结构的界面刚度 (100 TPa/m) 和界面剪切强度 (0.295 MPa)。


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图1 弹性粘结阶段(εsx = 0.2%)时石墨烯正应变  (a)εx和 (b)εy以及界面切应力 (c)τzx 和 (d)τzy 的分布


同行评价

作者考虑了基底泊松效应引起的横向剪切力,建立了石墨烯/基底结构的二维非线性剪滞模型,并利用该模型研究了理论研究了受单轴拉伸石墨烯和柔性基底结构的双向界面切应力传递问题。模型的预测比一维模型更加准确,且与实验结构较为吻合。同时,模型的预测表明了石墨烯的滑移临界应变依赖于石墨烯的宽度。这些研究结果对于进一步研究石墨烯与不同基底之间的界面强度有着重要的指导意义。


编辑推荐    综述


腔光力系统制备微波非经典态研究进展

罗均文, 吴德伟, 苗强, 魏天丽

物理学报. 2020, 69(5): 054203

腔光力系统作为一种新型的混合量子系统,因其超强耦合度、低温超导条件下极低的噪声、较长的相干时间等优势而成为被广受关注的量子实验平台。文章简要介绍腔光力学及腔光力系统基本原理,对常见腔光力系统进行分类,详细介绍利用广义腔光力系统进行微波非经典量子态制备的相关进展,对其性能优势和待解决问题进行分析,最后总结相关应用场景并对未来的潜在应用领域进行了展望。


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图1 法布里-珀罗型腔光力系统原理图


同行评价

作者简要介绍了腔光力学及腔光力系统基本原理、分类,总结了利用广义腔光力系统进行微波非经典量子态制备的相关进展。本文总结的较为全面,包含了最新的相关研究进展,是一篇较好的综述论文。


编辑推荐


14nm FinFET和65nm平面工艺静态随机存取存储器中子单粒子翻转对比

张战刚, 雷志锋, 童腾, 李晓辉, 王松林, 梁天骄, 习凯, 彭超, 何玉娟, 黄云, 恩云飞

物理学报. 2020, 69(5): 056101

使用中国散裂中子源提供的宽能谱中子束流,开展14 nm FinFET工艺和65 nm平面工艺静态随机存取存储器中子单粒子翻转对比研究,发现相比于65 nm器件,14 nm FinFET器件的大气中子单粒子翻转截面下降约40倍,而多位翻转比例从2.2%增大至7.6%,源于14 nm FinFET器件灵敏区尺寸(80 nm×30 nm×45 nm)、间距和临界电荷(0.05 fC)的减小。不同于65 nm器件对热中子免疫的现象,14 nm FinFET器件中M0附近10B元素的使用导致其表现出一定的热中子敏感性。进一步的中子输运仿真结果表明,高能中子在器件灵敏区中产生的大量的射程长、LET值大的高Z二次粒子是多位翻转的产生诱因,而单粒子翻转主要来自于p,He,Si等轻离子的贡献。


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图1 65 nm平面工艺和14 nm FinFET工艺SRAM的中子MBU比例对比


同行评价

随着微电子器件集成度越来越高,其对单粒子效应的反应也越来越敏感,当器件特征尺寸减小到亚微米量级以下,中子引起单粒子效应受到国内外学者的重要关注。该文针对先进14nm FinFET工艺器件,基于新建成的国家重大科技设施“中国散裂中子源”开展中子单粒子效应趋势和机理研究,创新性较强。研究结果不仅对理解先进工艺电子器件的中子辐射效应机理具有重要意义,也可为该器件在航空、5G、大数据等暴露于大气中子环境的应用提供指导。该文采用了辐照实验与计算机模拟相结合的研究方法,不仅给出实验结果,也分析了效应发生的物理机制。


《物理学报》2020年第5期全文链接:

tttp://wulixb.iphy.ac.cn/custom/2020/5


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