物理学院 School of Physics, Nanjing University

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物理学院第 201603 期工作简报(2016-3-30)(院办)

2016年03月30日

南京大学物理学院工作简报
第201603期(总第253期)
南京大学物理学院 2016-3-30

 
1、《Nano Letters》报道缪峰教授、王伯根教授课题组二维材料异质结红外探测器领域重要进展
物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、南京微结构科学与技术协同创新中心的缪峰教授课题组和王伯根教授课题组合作,在基于新型二维材料异质结的红外探测器研究领域取得重要进展,相关论文于2016217日发表在《Nano Letters》杂志上(Nano Letters, DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b04538 (2016))。该工作主要由南京大学和上海技术物理所合作完成,邢定钰院士指导并参与了本文的工作。该论文的第一作者是物理学院博士生龙明生,通讯作者是南京大学缪峰教授、王伯根教授及上海技物所胡伟达研究员。
以石墨烯为代表的二维材料因为原子级的厚度以及在电学、光学、热学、机械等方面的优异性能,有望在众多领域获得广泛的应用。目前已知或处于探索阶段的二维材料包括了从导体(例如石墨烯)、半导体(例如过渡金属硫族化合物)到绝缘体(例如氮化硼)的众多种类,这些材料还可以进行可控转移和堆垛,实现原子尺度的同质或异质结,从而为人们在信息器件领域实现可能的突破提供了重要的机遇。

ap-g-n探测器工作原理示意图;(bp-g-n器件光电响应率和比探测率随入射波长变化图(插图:器件显微镜照片);(c)器件时间响应图。

 
这项工作创造性地设计了一种被称为p-g-n的新型范德瓦尔斯异质结,即选取两种不同掺杂的半导体二维材料(p型和n型)和石墨烯(g),将石墨烯作为中间层堆垛实现原子层厚度的三明治结构(图a)。该结构中,原子层厚度p-n结因为强内建电场的存在,可以有效降低暗电流和提高响应速度;石墨烯因为具有零带隙和线性色散关系,能够有效实现宽波段吸收。在实验上,按照上述器件设计思路,这项工作结合机械解理、定向转移及微纳加工工艺,得到了高质量具有原子级平整界面的WSe2 (p)-graphene (g)-MoS2(n)异质结探测器器件,并观测到非常优异的性能(图b)。在可见光波段的激光照射下,p-g-n异质结探测器光电响应率达到4250 A/W,比探测率达到1015 Jones;在近红外波段和通信波段,响应率达到安每瓦的量级,比探测率达到1011Jones的量级,并在室温下实现了2.5 um的红外波段探测。此类探测器也表现出非常快的响应速度,实验分别观察到53.6us的上升时间和30.3us的下降时间(图c)。

 对于二维材料探测器,单一材料不是完美的选择,例如基于石墨烯的光探测器由于光生载流子寿命过短和暗电流过大等因素,响应率受限;单一过渡金属硫族化合物探测器由于带隙的限制,存在探测波段有限(红外吸收截止)的缺点。这项工作的意义在于,发现通过巧妙利用二维材料异质结可以完美地解决了这一系列问题,并表明二维材料异质结构有可能在未来电子及光电领域实现广泛的应用。

该项研究得到科技部量子调控国家重大科学研究计划(青年科学家专题)项目、江苏省杰出青年基金、科技部国家重点基础研究发展计划(973计划)、国家自然科学基金等资助。
附:
文章链接 http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.5b04538
缪峰教授课题组主页 http://nano.nju.edu.cn/
(南京大学新闻网http://news.nju.edu.cn/show_article_12_41349
 
2、“烟雾缠绕的巨龙”:量子力学与延迟选择实验
南京大学物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心的马小松教授课题组与德国马克斯普朗克量子光学研究所和奥地利维也纳大学团队合作,第一次总结了近100年来量子延迟选择实验的发展历程。综述的内容涵盖从爱因斯坦开始的理论萌芽,到最新的实验进展与成果。这项研究目前已经在物理学界最权威的综述型期刊《现代物理评论》(Reviews of Modern Physics)最新一期上发表。这也是继1985年陈金全先生团队,南京大学的物理学者第二次以第一作者在此期刊上发表文章。
从十七世纪开始,科学的发展和对光的本质的研究就紧密地联系在一起。牛顿(Isaac Newton)曾断言光是由粒子组成的;和他同时代的著名科学家惠更斯(Christiaan Huygens)持不同观点——他认为光的本质是波动。现代的量子物理学家认为,两者的观点都是正确的。光既可以被视为粒子,也可以被视为波。光的这两种不同特征会在物理实验中不同程度地表现出来,它取决于光的哪一种性质在实验中被测量。这种“波粒二象性”是量子力学最基础的原则之一。它挑战着人类的常识认知:一种物质是否可以同时具有两种相互冲突的性质?
二十世纪七十年代,美国的物理学家惠勒(John Archibald Wheeler)将这种量子力学中的最本质的不确定性比作“烟雾缠绕的巨龙”(Great smoky dragon):人们可以看到巨龙的尾巴,它是粒子产生的源头;也可以看到巨龙的头,它是实验测量的结果。但是巨龙的身体却是被烟雾缠绕着的,并且人们永远无法驱散这些烟雾:实验测量的方式决定实验所研究的现象。为了具象地展示这种物理概念,惠勒提出了著名的延迟选择思想实验。在这个思想实验中,对粒子性和波动性的界定被延迟到了测量阶段。因此,光子在实验中既能表现粒子性,又能表现出波动性。事实上,取决于测量的时间和方式,光也可以同时以这两种形态存在。
在过去的几十年间,量子物理学家们一直试图在实验上实现惠勒的理想实验,从而使波粒二象性有确实的实验依据。南京大学的马小松教授,普朗克量子光学研究所的Johannes Kofler,以及量子光学与量子信息研究所、维也纳大学量子科学与技术中心(奥地利)的Anton Zeilinger通过研究,总结了延迟选择实验的发展历程,并展现了物理学家在验证延迟选择实验这一领域已经取得的巨大成功。
尽管波粒二象性起源于爱因斯坦在1905年对光电效应的光子理论解释,直到最近,一系列延迟选择实验才在实验中实现。这篇综述的第一作者,南京大学的马小松说到:“随着实验技术的飞速发展,快速精确的单粒子量子态测量得以实现,这使得许多在量子物理发展过程中被激烈讨论过的理想实验最终得以实现。”
维也纳大学的Anton Zeilinger说到:“这类实验挑战着我们对于量子世界的认知,在量子通信中和量子计算中有着广泛的应用前景。”延迟选择实验和量子纠缠密切相关,在解决量子通信中的安全性问题中有着至关重要的影响。另一方面,延迟选择可以在特定情形下提升量子计算机的运算速率。这篇综述的作者们期望延迟选择实验一方面继续对量子物理基础的发展提供新的视角,另一方面也能够推动量子信息处理的发展及应用。
该项研究得到了青年千人计划、欧盟居里夫人基金等资助。
Publication
Delayed-choice gedanken experiments and their realizations. Xiao-song Ma, Johannes Kofler, Anton Zeilinger. Rev. Mod. Phys. 88, 015005 (2016)
马小松课题组主页:http://qoqi.nju.edu.cn/
(南京大学新闻网http://news.nju.edu.cn/show_article_1_41357)
 
3、肖敏、张春峰课题组实现超低阈值双光子激发激光器
我校肖敏教授领衔的微纳和超快光学团队在双光子激发激光器方面取得重要进展,成功利用钙钛矿半导体CsPbBr3量子点实现极低激发阈值的频率上转换激光器。研究成果以“Two-photon pumped perovskite semiconductor nanocrystal lasers”为题于2016年3月在线发表在J. Am. Chem. Soc.期刊上 (http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.5b12662)。
微纳激光器自问世以来一直被期待用于生物标定、光动力治疗等生物光子学领域,然而一般情况下泵浦光的波长短于激射波长,生物体对激发光的吸收和散射限制了载体操作的可能性。双光子激发的频率上转换激光器,利用在生物光学窗口的近红外光源作为激发光,可将激发光深入到生物组织内部,实现载体操作。然而,受制于材料极难兼有高效双光子吸收和易产生激光能级粒子数反转两个特性,双光子激发微纳激光器的阈值极高,实际应用无法实现。最近,课题组研究方向发现新型钙钛矿结构的半导体CsPbBr3量子点的双光子吸收截面极大,比传统CdSe量子点高出两个量级,且这一材料的发光性能很好,容易产生光学增益;在此基础上,将双光子激发的光学增益耦合到回音壁模式微腔中,成功实现了双光子激发的CsPbBr3量子点激光器,并利用瞬态吸收光谱揭示其激光增益产生机理,明确指出双激子的贡献。相比传统的量子点,激发阈值降低超过一个量级,解决了双光子激发激光面向应用的最大挑战,相比于谐波产生等传统频率转换方法,双光子激发激光器无需考虑相位匹配条件,极大的拓展这类相干光源的潜在应用场合。
论文的主要实验工作部分由物理学院的硕士生徐燕青同学和博士生陈奇同学共同完成,指导老师是张春峰副教授和肖敏教授,还得到吉林大学张宇老师课题组,团队成员王晓勇教授以及南工大邢贵川老师的鼎力合作。课题组长期致力于量子点材料在量子光源、激光和发光二极管、太阳能电池、全光开关等光电器件方面的应用基础研究,相关结果此前陆续发表在主流期刊上(Adv. Funct. Mater. 22, 3146(2012), Adv. Mater. 25, 4397(2013), APL 108, 061904(2016)),受到业内广泛关注。
此项工作得到了自然科学基金以及科技部重大研究计划的资助。
(吴雪炜供稿)
 
4、《Physical Review Letters》发表肖敏教授、王晓勇教授课题组在单纳米晶载流子倍增效应方面的研究成果
南京大学物理学院、南京微结构国家实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心的肖敏教授、王晓勇教授课题组在单纳米晶载流子倍增效应的研究方面取得重要进展,相关成果以“Carrier Multiplication in a Single Semiconductor Nanocrystal”为题,以南京大学为第一通讯单位发表在2016年3月9日的《物理评论快报》上(Physical Review Letters 116, 106404 (2016))。该论文的第一作者为南京大学物理学院2011级直博生胡逢睿,第一通讯作者为王晓勇教授,共同通讯作者为Brahim Lounis教授(法国波尔多大学)和肖敏教授。该论文的所有实验工作由物理学院的胡逢睿同学在张春峰副教授、吕碧沪同学和尹春阳同学协助下在南京大学独立完成,法国波尔多大学的Brahim Lounis教授贡献了理论模型对实验结果进行了定量分析。

400 nm266 nm激发下单纳米晶的(a)荧光图像,(b)荧光强度随时间变化,和(c)荧光衰减寿命。

半导体纳米晶在吸收一个能量大于其两倍带隙的光子时,有可能产生两个以上的电子-空穴对(单激子+高阶激子),这个载流子倍增效应(carrier multiplication – CM)作为一个独特的光电效应不仅引起了学术界在基础研究方面的广泛兴趣,而且会极大地提高光探测和太阳能电池等器件的光电转换效率。由于量子受限效应导致的增强载流子间相互作用,纳米晶中的高阶激子会在纳米时间尺度内通过非荧光发射Auger过程被消耗掉,因此对CM过程所产生的高阶激子只能通过超快光学手段来进行测量。另一方面,在高能光子激发下,纳米晶中的光生载流子容易被缺陷态捕获而产生带电现象,而带电激子和CM产生的高阶激子在目前普遍采用的系综瞬态吸收和荧光测量中会产生类似的Auger衰减信号,这个带电激子伪信号使得学术界在CM效应的存在以及其产生高阶激子的效率评估方面具有极大的争 议。

 在该项工作中,课题组分别采用波长为400 nm和266 nm的脉冲激光对荧光峰值为655 nm的同一个单CdSe纳米晶进行激发,其中400 nm光子能量为纳米晶带隙的1.64倍作为参考,而266 nm光子能量为纳米晶带隙的2.46倍可触发CM效应。实验过程中,首先得到了两个波长激发下相同样品区域内多个单纳米晶的空间荧光图像(图a),然后隔离开一个单纳米晶对其荧光强度随时间变化进行测量(图b),其中的“明”和“暗”强度分别来自于中性和单电激子的贡献。最后通过时间分辨、时间标签技术只选择对“明”强度光子进行荧光衰减曲线分析,可以完全屏蔽掉来自“暗”强度的带电激子所发射光子,在400 nm激发下得到了来自于单激子荧光复合的单指数衰减曲线,而在266 nm激发下额外观察到一个纳秒尺度的超快衰减信号(图c)。由于400 nm和266 nm的激光功率控制在每个脉冲在单纳米晶中最多产生0.1个激子,从而消除了单个纳米晶同时吸收两个光子的可能性,因此266 nm激发下所得到的超快衰减信号可以明确来自于CM过程产生的高阶激子。通过对大量单纳米晶在266 nm进行激发,对所获得的超快荧光衰减成分进行幅度和寿命分析,得到了光子能量在2.46倍纳米晶带隙时通过CM过程产生双激子的效率为20.2%。

该项工作的重要性在于以下两个方面。第一,通过将聚合物包裹的单纳米晶沉积于金属薄膜上,成功抑制了266 nm激发下的背景荧光,从而将单粒子光谱测量技术首次提高到紫外光激发的范畴,开辟了探索单个分子和纳米结构在该极端激发条件下光电特性的研究方向。第二,在学术界十余年来无一例外研究系综纳米晶CM效应的背景下,将CM的研究工作首次提高到单纳米晶的精度,不仅完全确认了CM效应的存在并且精确评估其高阶激子产生效率,而且揭示了通过单光子激发在单纳米晶中产生纠缠光子对的可行性。
该项研究工作得到了科技部国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金、江苏省杰出青年基金、江苏省“333高层次人才培养工程”和南京大学登峰人才计划B层次的资助。
(吴雪炜供稿)
 
5、张翼教授在《Nano Letters》发表关于二维材料WSe2的外延生长与相关物性测量的研究成果
物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心的张翼教授课题组与美国伯克利国家实验室先进光源、美国斯坦福大学沈志勋研究组、美国加州大学伯克利分校的Michael F. Crommie研究组和Feng Wang研究组合作,实现了二维材料WSe2的分子束外延生长,并结合多种探测手段对其能带结构、表面掺杂效应及光学响应特性进行了详细的表征与研究。研究成果以“Electronic Structure, Surface Doping, and Optical Response in Epitaxial WSe2 Thin Films”为题于2016年3月在线发表在Nano Letters期刊上(http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b00059)。
二维材料是近些年来凝聚态物理中的一个重要研究领域。其中以二硫化钼为代表的过渡金属硫化物在二维极限下展现出许多异于三维块材的奇异性质:例如间接到直接带隙转变、价带的自旋劈裂与完好定义的谷自由度。因此该类材料在光电器件方面有着重要的应用前景,同时也是研究自旋电子学与谷电子学的重要平台之一。
相对于其他过渡金属硫化物,WSe2被预言具有最大的自旋劈裂,因此是研究自旋电子学的理想平台。但是受样品尺寸、质量和制备手段的限制,实验上缺乏对WSe2的能带结构及其他相关物性的详细研究。同时,人们也希望能够获得大面积高质量的单晶样品,并能够通过维度、界面控制及掺杂等调控手段对其能带结构做进一步人工调控。

左图:单层WSe2的角分辨光电子能谱;右图:单层WSe2的扫描隧道谱

张翼教授与美国伯克利国家实验室先进光源和斯坦福大学的沈志勋研究组展开合作,首次利用分子束外延技术实现了单层到多层的高质量单晶薄膜WSe2在双层石墨烯衬底上的可控生长。同时,利用原位的角分辨光电子能谱技术,对其电子结构随层厚的演化进行了详细的研究。实验发现受衬底和界面的影响,单层和两层的WSe2表现出直接带隙,并且直接到间接的带隙转变发生在两层和三层之间,高质量的光电子谱还给出了单层WSe2价带的自旋劈裂大小的精确数值475 meV。另外,通过原位的表面掺杂,发现碱金属掺杂会对薄膜的能带结构产生扭曲和重整化,使得两层的WSe2又转变间接带隙。利用该高质量样品,张翼教授与加州大学伯克利分校的Michael F. Crommie研究组和Feng Wang研究组开展进一步合作,通过扫描隧道谱测量和光吸收谱分别测量了单层WSe2的准粒子能隙1.95 eV与光学激子能隙1.74 eV,并给出了中性激子结合能的大小0.21 eV。

 这项工作的意义在于通过实验手段给出了单层到多层WSe2的详细能带结构,讨论了衬底及界面对其能带结构和激子结合能的影响,并实现了通过表面掺杂对其能带结构进行人工调控。同时大面积高质量厚度可控的单晶WSe2薄膜的制备也为将来复杂异质结与实际器件的探索与制备铺平了道路。

该项研究得到了中组部青年千人计划、美国能源部基础能源科学等基金的资助。
 
6、《美国科学院院刊》刊登我院关于ZrTe5高压相的研究成果
物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心孙建教授课题组与协同单位中科院合肥物质科学研究院强磁场中心,以及美国卡内基研究所地球物理实验室合作,在高压下ZrTe5结构相变和超导行为的研究上取得进展,相关成果以《Pressure-induced superconductivity in a three dimensional topological material ZrTe5》为题,于近期在《美国科学院院报》(PNAS)上发表[Y. Zhou et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 113, 2904 (2016)]。该项研究工作由多方努力合作完成,物理学院多位老师和同学参与其中,我校主要负责其中的晶体结构预测和理论计算工作,物理学院硕士生吴珏霏为本文共同一作,孙建教授为共同通讯作者。
具有拓扑性质的半金属材料是最近凝聚态物理和材料科学领域的一个研究热点。层状的ZrTe5作为一种热电材料的同时,因其具有高磁阻、手性反常磁效应等性质而广受关注。最近的研究表明,单层ZrTe5拥有较大的能隙,且具有良好的弹性,这些独特性质使ZrTe5成为很有希望的量子自旋霍尔(QSH)材料。此外,由层状ZrTe5堆积而成的三维体块材料有可能间于强拓扑绝缘体(STI)和弱拓扑绝缘体(WTI)之间,其究竟是拓扑绝缘体还是半金属目前还没有定论。ZrTe5的上述性质使其成为研究拓扑相变的优秀平台。于此同时,高压是改变相互作用及其电子态的有效方法。高压下的晶体会展现出许多常压下所不具有的性质,如结构相变和能带性质的变化,甚至出现新的超导相等等。

图-1 ZrTe5在高压下的相图。实验测量发现6GPa左右出现第一个超导相,20GPa左右出现第二个超导相。

图-1是根据实验数据得出的ZrTe5的相图。在压力较低的范围内,随着温度的降低,ZrTe5在较低温度范围内会出现一个电阻的反常峰,这与之前的实验报道相吻合。而随着压力的升高,ZrTe5在较低温范围内出现的电阻反常峰逐渐被压制,当压力达到6GPa左右时,反常峰被完全压制的同时出现第一个超导相。随着压力的进一步增加,在20GPa左右开始出现第二个超导相,并且超导转变温度逐渐提升,在30GPa左右达到约6K的峰值。在压力更进一步提高后,超导开始温度又开始逐渐降低。

 

图-2 基于第一性原理计算的晶体结构预测结果。A.焓值-压强关系图,分别在5GPa和20GPa左右有两个高压相变; B. C2/m相晶体结构图;C. P-1相的晶体结构。

实验上并不知道这些超导相的晶体结构,即使通过高压同步辐射测量,仅依靠实验数据去解晶体结构也是非常困难的。孙建教授课题组在预测晶体结构及高压相变方面积累了一定的经验。他们通过基于密度泛函理论的第一性原理计算对ZrTe5在高压下的相变和晶体结构进行了分析(图-2),运用随机搜索方法预测了多种可能的晶体结构,经焓值计算后确定了C2/m和P-1两种相在高压下有机会成为稳定相,相变压强分别在5GPa和20GPa左右,与实验上吻合得很好。计算所得的声子谱也表明这两种结构在各自压强下是动力学稳定的。更为令人高兴的是,而后进行的高压同步辐射实验也确实测到了这两种结构。

 该工作表明,理论和实验的通力合作与协同创新可以大大提高研究工作的效率和水平。高压作为一种干净的手段,可以有效调节体系的电子性质而不引入杂质,用高压方法来研究材料的拓扑性质是一个很有前景的方向。

研究得到了中组部青年千人计划、科技部重大研究计划、国家自然科学基金委项目、江苏省杰出青年基金、江苏省双创人才等基金的资助。
(南京大学新闻网http://news.nju.edu.cn/show_article_1_41501)
 
7、南京大学物理学院赴美国物理学会年会(APS March Meeting)专场延揽海外高层次人才
南京大学物理学院主动邀请学校人才工作主管部门领导,共同组织招聘代表团前往美国巴尔的摩进行人才招聘工作。代表团由人力资源处王振林处长和物理学院李建新院长等组成,利用2016年美国物理学会年会(APS March Meeting)在巴尔的摩召开的有利时机,于美国东部时间3月16日,会同国内北大、清华、复旦、中科大等五校联合召开“China Night”专场人才招聘及宣讲会,进行海外高层次人才招聘及人才政策宣讲活动。
招聘代表团在APS年会会场及布告栏提前张贴宣传海报并积极向与会科学家散发南京大学相关人才招聘宣传材料。在“China Night”招聘现场专设南京大学人才招聘及宣传展台,与国内物理学科名校一道,积极延揽国际一流人才。王振林处长、李建新院长等在现场宣传介绍南京大学物理学院的人才需求情况与引进政策,耐心与海外学子就各种个性化需求进行探讨和深入交流。在海外高层次人才最为关注的职称、待遇、考核、博士后招聘等相关政策方面给予详细的解读,让海外学子充分感受到南京大学物理学院求贤若渴的诚意。
在“China Night”专场招待会上,物理学院李建新院长介绍了南京大学物理学院的历史沿革、发展现状和人才需求,充分展示了南京大学物理学院的人才政策与学科优势,反响积极热烈,受到了海外学子的欢迎与好评。
此次海外招聘,代表团还专门准备了预存南京大学物理学院概况和人才需求与政策等文件的U盘等宣传材料,在“China Night”招待会现场发放,为南京大学物理学院在海外学子中影响力的进一步扩展做了有益的尝试。
  (吴煜昊供稿)
 
8、清明节、“五一”国际劳动节放假的通知
根据《校长办公室关于2016年清明节、“五一”国际劳动节放假的通知》(南办发〔201613号)精神,2016年清明节放假时间为42日至44日,与周末连休,共3天,其中44日(星期一、清明节)为法定假节日;2016年“五一”国际劳动节放假补休时间为430日至52日,共3天,其中51日(星期日、五一国际劳动节)为法定假节日,52日(星期一)补休。
各系/中心要在放假前对本单位进行一次全面的安全检查,消除安全隐患,切实做好节日的安全保卫工作。
我院放假期间的值班安排如下(如遇紧急情况,请及时联系):
值班日期
值班人员
值班地点
联系电话
44
51
吴兴龙
物理楼420
8368630313851519591
刘金生
物理楼129
8359318413913908160
(院办供稿)

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