物理系周樹雲及合作者發表量子材料光誘導新奇物理效應綜述文章
基于脈沖串測試方案的負電容FinFET時域特性研究
4H-SiC肖特基勢壘二極管芯片橫向擴展電流研究
通過引入Au緩沖層提高鐵電薄膜的光電化學性能
可快速制備大晶粒鈣钛礦薄膜的限域補償退火方法
分子終端調控制備熱穩定鈣钛礦太陽能電池
大晶格失配和異價的Si和III-V族半導體帶階的直接計算
硫酸镉溶液濃度對Cd1-xZnxS薄膜形貌、成分和光學性質的影響
單壁碳納米管膜基場效應晶體管在低能質子輻照下的抗輻射特性
氮化硅芯片上的无磁光隔离器 助推量子光互联
官方微信
友情鏈接

北京大學《Nature》:高鵬研究員課題組實現界面局域聲子色散測量

2021-11-19

 

作为晶格振动的准粒子,声子直接影响凝聚态体系的热导率、电子迁移率等物性,并在传统超导、结构相变、光散射等物理机制中起着重要作用。上世纪50年代,诺贝尔物理学奖获得者麦克斯·玻恩(Max Born)与我国半导体物理奠基人黄昆先生合著的《晶格动力学理论》(Dynamical Theory of Crystal Lattices)奠定了声子学的理论基础;而单晶块材的声子结构也能够被光子、电子、中子等多种非弹性散射实验所测量。

在晶體的界面處,由于平移對稱性的破缺,界面聲子的局域行爲與體態明顯不同,這也正是表面、界面、低維納米材料呈現諸多獨特物性的根源之一。上世紀就被預言存在的界面聲子模式僅存在于界面附近的幾層原子內,迄今未曾被實驗直接觀測到,更無從測量其空間分布、色散關系等。

界面声子的能量同时依赖于空间与动量。为了探测界面声子色散,实验测量手段须达到纳米甚至原子级别的空间分辨率以及足够分辨第一布里渊区的动量分辨能力(纳米-1,即(10-9米) -1量级),同时对探测灵敏度和能量分辨率也提出很高的要求。然而,现有谱学手段均无法兼顾这些要求。2021年2月,北京大学物理学院量子材料科学中心高鹏课题组基于扫描透射电子显微镜发展了四维电子能量损失谱学(图1)(Nature Communications, 12, 1179 (2021),发明专利:ZL202011448013.7),能够根据实际问题的需要在空间分辨率和动量分辨率之间取得最佳平衡,使得在纳米尺度测量界面声子色散成为可能。尽管测不准原理限制了空间分辨率和动量分辨率同时达到最优,这一技术却已非常接近最优的理论极限。

图1 (a)四维电子能量损失谱学实验原理示意图;(b)实验测量与第一性原理计算得到的金刚石态密度;(c)实验测量与第一性原理计算得到的金刚石声子色散关系;(d)不同电压下空间分辨率与会聚角之间的关系(目前优化的空间分辨率和动量分辨率距离衍射极限理论上限仅差约15%);(e)不同电压下的、动量分辨率与会聚角之间的关系(内插图为金刚石的倒空间)

近日,高鹏课题组利用四维电子能量损失谱学技术,首次在晶体异质结界面处观测到界面声子的存在,并测量了其空间分布、局域态密度和色散关系。在大会聚角下,实验空间分辨率可达原子级,从而实现声子局域态密度的原子级测量,直接观测到局域在界面附近的增强和减弱的声子模式;在中等会聚角下,可同时达到1.5 nm以内的空间分辨率和金刚石1/4第一布里渊区边长的动量分辨率,从而首次实现了这些局域声子模式的色散关系测量。他们以立方氮化硼-金刚石界面为例,系统地展示了实验测量结果。根据理论计算,测得的金刚石氮化硼界面声子模式不仅对界面热导有显著贡献,也通过电声相互作用直接影响界面二维电子气的迁移率。这一成果有望未来在界面热传导、界面超导机理和拓扑声子学等领域中发挥重要作用。

图2 (a)实验测得的谱线随空间位置的变化,近似正比于声子局域态密度;(b)界面模式的色散关系;(c)界面增强的声子模式(上、中)和界面减弱的模式(下)示意图

2021年11月17日,相关研究成果以“测量界面声子色散”( Measuring phonon dispersion at an interface)为题,在线发表于《自然》(Nature);北京大学物理学院量子材料科学中心、电子显微镜实验室研究助理亓瑞时与物理学院2018级博士研究生时若晨为共同第一作者,高鹏为通讯作者。其他合作者包括北京大学研究生李跃辉、武媚、孙元伟、李宁,北京大学电子显微镜实验室杜进隆工程师,北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所刘开辉教授、陈基研究员,中國科學院金属研究所/沈阳材料科学国家研究中心陈春林研究员,加州大学伯克利分校王枫教授,南方科技大学量子科学与工程研究院俞大鹏院士和北京大学物理学院量子材料科学中心王恩哥院士。

上述研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、廣東省重點領域研發計劃,及量子物質科學協同創新中心、北京大學電子顯微鏡實驗室、北京大學高性能計算平台、北京石墨烯研究院、懷柔綜合性國家科學中心輕元素量子材料交叉平台等支持。

論文原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41586-021-03971-9

 

 

 

來源:北京大學量子材料科學中心

 

 

 

 

 



關于我們
下載視頻觀看
聯系方式
通信地址

北京市海淀区清华东路甲35号(林大北路中段) 北京912信箱 (100083)

電話

010-82304210/010-82305052(傳真)

E-mail

semi@semi.ac.cn

交通地圖
友情鏈接
中華人民共和國科技技術部
中國科學院
中國工程院
國家自然科學基金委員會
中國科學院大学
中國科學技術大學
中國科學院科技产业网
版权所有 九五至尊娱乐棋牌

備案號:,京ICP備05085259-1號 京公網安備110402500052 中國科學院半导体所声明