发表北大研究团队成果,缪峰教授课题组在Nature

热电效应是指在给定温度梯度下产生电势差的一种物理现象。通常用品质因子ZT =
S2σT/k,(其中S是Seebeck系数,σ代表电导率,T是温度,k则表示热导率)来表征材料的热电性能。具有高品质因子的热电材料能够有效地将废热转换为电能,具有广泛的应用前景,因此寻找具有高品质因子的热电材料是能源转换领域的一个研究热点。为了提高热电材料的品质因子,有两种途径:增强S2σ或者降低材料的热导率。

石墨烯(graphene)是一种由碳原子构成的单层蜂窝晶格结构的二维材料,因其具有高电子迁移率,高热导率以及光催化等特性,受到科学界的广泛关注。在可见光和近红外波段,它几乎完全透明,光垂直入射下,均匀的单层石墨烯只吸收2.3%的光。可见光和近红外波段固有的低吸收率,限制了石墨烯在光电器件上的应用。

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皇家赌场注册,早在1993年,麻省理工学院的Mildred Dresselhaus教授和她的博士生L. D.
Hicks曾预言二维量子限域效应引起的态密度增强现象会极大地提高材料的热电功率因子
(Phys. Rev. B 47, 12727
,这为获得高性能的热电材料提供了一个非常重要的理论指导。但是截至目前,一直没有实验确切地证实这个理论预测。即使在有些实验中半导体材料量子阱的宽度已经缩小至电荷的波尔直径尺度,仍然没有观察到热电性能的显著增强。最近,我校物理学院的梁世军副研究员和缪峰教授开展实验,同时与吉林大学张立军教授理论课题组合作,利用二维材料厚度和载流子浓度可控的特性,首次证实了著名的Hicks-Dresselhaus理论预言。

近日,北京大学物理学院朱星教授团队的方哲宇百人计划研究员和美国Rice大学Halas教授合作,在BaF2-In:In2O3衬底上加工制备了石墨烯纳米圆盘阵列,可以有效的增强石墨烯在中红外波段的光吸收,使吸收率从低于3%增加到30%。并且,通过改变纳米圆盘的尺寸和间隔,以及施加在衬底和旋涂在石墨烯表面的离子凝胶间的电压改变石墨烯载流子浓度、提高电子的费米能级,可以显著地影响石墨烯的吸收率。这种吸收增强效应,主要来自于三部分的贡献:一是载流子密度效应,掺杂的石墨烯打开了一个光子带隙,可以有效地激发等离激元,而不是电子空穴对(Landau
damping);二是石墨烯电子与光子耦合产生的局域表面等离激元共振;三是石墨烯纳米圆盘之间辐射场的耦合,增强了吸收。最后,通过增加金属反射膜可以使原来单层石墨烯的吸收增强一倍。这项研究成果,显示了纳米石墨烯阵列的光吸收增强和可调特性,揭示了其在光电器件中潜在的应用价值。

1929年,物理学家Hermann
Weyl预言了一种无质量的相对论粒子,即外尔费米子。直到近几年,外尔费米子才最终在凝聚态物理体系中被发现。通常的外尔费米子满足洛伦兹对称性,称为第一类外尔费米子。最近理论预言,在凝聚态物理中可以存在另一种打破洛伦兹对称性的第二类外尔费米子,对应的拓扑材料称为第二类外尔半金属。
第二类外尔半金属具有拓扑保护的不闭合表面态,体带中由于外尔点附近的能带发生显著的倾斜,理论预言会诱导各向异性的手征输运特性等新奇量子现象,掀起了人们广泛的研究兴趣。

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相关成果最近发表在《Nano
Letters》上(

我校缪峰教授课题组选取了第一种被理论预言的第二类外尔半金属:二碲化钨开展研究。WTe2是一种层状结构的过渡金属硫族化合物,最近因为实验上观察到的巨大不饱和磁阻已经受到了广泛的关注。其面内两个晶向相互垂直,由于a
轴方向钨链的形成,导致很强的面内各向异性。该课题组利用WTe2层状可剥离的特点得到不同层数的样品,采用可校准掩模蒸镀技术制作出高质量的WTe2薄膜器件,并发现研究WTe2手征输运特性的样品理想厚度为7-15nm。研究人员在电流平行于b轴的样品中,观测到了显著的纵向负磁阻效应(磁场与电流方向平行)。该效应对磁场与电流之间的夹角变化非常敏感,在完全平行时效应最为明显,而很小的角度就可以有效抑制该效应,分析表明该纵向负磁阻效应是由手征反常导致。同时,该课题组利用同样的制作工艺制备出电流平行于a轴的样品,发现手征反常特性消失,从而有力验证了WTe2作为第二类外尔半金属的特征。

热电测试结构的示意图; 常温下,7 – 29 nm的InSe功率因子随载流子浓度变化;
9层和36层的InSe态密度分布;
功率因子随样品的量子限域长度h0与热德布罗意波长ξ的比值h0/ξ的变化,随着h0/ξ减小而增强,尤其是在h0/ξ
< 1的区间有显著的增强,与插图中的理论预测是一致的。

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在拓扑电子学的研究中,如何有效调控拓扑输运特性是实现应用的关键。在观测到手征反常效应的基础上,该课题组利用薄膜器件可栅压调控的优势,首次实现了外尔半金属费米能在外尔点附近的原位调节,在WTe2器件中实现了手征输运特性的场效应调控。该工作不仅在凝聚态物理中为原位研究第二类外尔费米子提供了可通用的实验手段,并且对拓扑及手征电子学的应用研究有着重要的意义。

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