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关键词： 杂化钙钛矿   手性   体光伏   光电探测   圆偏振光  

摘要： 二维有机-无机杂化钙钛矿具有较长的载流子扩散距离、高的吸收系数、可调节带隙和长载流子寿命等优异性能。其柔性的晶体结构和离子性质使其材料性能的设计和调节成为可能,包括手性。近年来,手性有机-无机杂化钙钛矿已经在自旋电子学和铁电学等领域展现出巨大的潜力。本文通过多种策略,设计了一系列手性二维有机-无机杂化钙钛矿,并对其自旋光电性能进行了研究。 （1）以手性二维单层钙钛矿（R/S-β-MPA）2Pb Br4（MPA为甲基苯乙胺）为模板,通过混合阳离子的策略设计合成了两例二维单层手极性的层间阳离子交替（ACI）型钙钛矿（R-β-MPA）EAPb Br4和（S-β-MPA）EAPb Br4,它们表现出了优异的光电性能。在此基础上制备的自驱动圆偏振光电探测器实现了0偏压下的左右旋圆偏光差别响应,其光电流不对称度达到了19%。此外,该圆偏振光电探测器还具有极快的响应速度,上升时间仅为300μs,这一优点可以与之前报道的最快的圆偏振光电探测器相媲美; （2）在工作（1）的基础上,利用层数调控的策略获得了首例手性二维双层ACI型钙钛矿（R-β-MPA）EA2Pb2Br7和（S-β-MPA）EA2Pb2Br7,在保留手性的同时,其无机骨架的扭曲程度进一步减小,光电性能进一步提升。除了在405 nm表现出了优越的光电响应外,在800 nm光源照射下也成功实现了双光子圆偏振光电探测,其探测度最高达1.23×10～9 Jones; （3）以Cs Pb Br3为模板,通过引入手性胺R/S-β-MPA成功合成了两例手性二维钙钛矿（R-β-MPA）2Cs Pb2Br7和（S-β-MPA）2Cs Pb2Br7。340nm光源激发下,两者表现出了明显的圆偏振发光能力。另外,在800 nm光源激发下,两者还表现出了良好的双光子荧光,在此基础上我们首次实现了基于手性二维有机-无机杂化钙钛矿的双光子圆偏振发光。

关键词： 微磁学模拟   自旋转移力矩   自旋转矩纳米振荡器   磁滴子   人工反铁磁结构   反铁磁材料   高频振荡  

摘要： 磁性元件在微波技术应用中发挥着重要作用,已用于相位移位器和循环器等被动设备。基于自旋转移力矩(STT)或自旋轨道力矩(SOT)效应的自旋转矩纳米振荡器(STNO)可以将直流电流转换为高频率微波信号,为发展纳米磁性有源微波元件提供了技术可能。其中在以具有垂直各向异性(PMA)的[Co/Ni]多层膜或Co Fe B等铁磁薄膜作为激发层的STNO中,若采用纳米触点电流注入方式,则可以激发出一种被称为磁滴子(droplet)型的自旋周期振荡,频率在GHz范围,为发展新型STNO提供了思路。此外,为提升进动频率,可以采用人工反铁磁结构(SAF)或反铁磁材料(AFM)实现亚太赫兹和太赫兹高频振荡。特别是反铁磁材料具有零杂散、抗磁场扰动鲁棒性和超快动力学等独特优势,预计在下一代超高频(THz)STNO等自旋电子学器件中有广泛应用。因此,深入研究和揭示这些材料和器件的动力学特性至关重要。本论文主要采用微磁学模拟技术,针对磁滴子型纳米振荡器动力学特性、SAF结构的太赫兹信号、反铁磁薄膜的铁磁共振特性等相关问题开展了系列研究,主要研究结果如下:(1)研究了电场和电流共同作用下磁滴子型STNO动力学行为特性。通过施加电场调节自由层垂直磁各向异性,获得了磁矩进动的频谱图,并且以磁矩振荡模式的不同可分为三个频率区域:局域磁滴子态、扭曲磁滴子态和可传播自旋波态。研究表明,磁滴子的进动频率小于体系的铁磁共振频率,并且随着磁各向异性场的减小而减小。当进动频率与铁磁共振频率接近时,此时磁滴子态转变为扭曲的磁滴子态。随着外加电场进一步增加,系统演变为可传播自旋波模式,并且频谱图上出现一系列频率跃变的分支。该频率跃变来源于系统尺寸受限情况下由样品边界对自旋波的反射所引起的往返运动,进而自旋波叠加产生驻波现象。通过理论分析,我们获得了自旋波态波节数。最后建立了振荡模式与电流和外磁场、以及样品尺寸的依赖关系。这种电场-电流协同调控的模式为设计和开发从局域振荡态到传播自旋波态的自旋纳米振荡器提供了一种新思路。(2)研究了奥斯特场对局域磁滴子和可传播自旋波模式的影响问题。研究了垂直流向的电流所产生的奥斯特场分布。发现由于奥斯特场的作用,低电流时系统产生了一种新的磁矩分布状态,我们称之为螺旋态。当电流增大超过阈值时,系统依然会产生磁滴子态;之后磁滴子态和螺旋态都可以通过增加电场转变为可传播自旋波态。此外,分析了电流和外磁场对自旋波态的作用,发现电流可以操控自旋波态的对称性,频率随磁场呈现线性关系。我们还探究了磁阻尼的影响问题。这些结果将有助于建立磁滴子局域态到可传播自旋波态的参数细节。(3)研究了垂直磁化的人工反铁磁(SAF)结构作为自由层的自旋阀动力学,无需磁场仅由电流STT驱动的磁矩进动和自旋波激发。我们发现在适当电流密度下可以激发出两种不同模式的磁矩稳定进动,并且快速傅里叶分析发现他们的频率均为亚太赫兹范围。进一步研究发现所激发的微波频率与电流密度关系之间存在一个拐点,该拐点恰好为这两种模式的过渡态。进而,建立了激发频率与两层铁磁层之间的反铁磁耦合强度,以及薄膜厚度之间的依赖关系,并给出了频率的唯象表达式。同时,我们还在人工三明治结构中研究了利用SOT效应驱动的无外场磁矩翻转;发现两铁磁层之间无论是铁磁耦合还是反铁磁耦合,借助层间DMI作用可以实现零场磁矩翻转。这些研究结果为探索太赫兹纳米振荡器和MRAM提供了新思路。(4)针对反铁磁材料晶体薄膜材料(以Mn F为例),采用原子尺度微磁学方法研究了反铁磁共振现象,模拟结果与实验和相关理论高度一致。在低场下存在两个频率响应分支,其中一支表现为随外磁场线性增加的右旋模式,另一支表现为随外磁场线性降低的左旋模式。当外磁场大于由垂直磁各向异性和交换耦合所决定的自旋翻转临界场时,则退化成一个右旋响应模式。我们把该反铁磁共振现象与经典力学中耦合摆模型相比较,并从LLG方程出发,解析导出可完美描述的类耦合摆理论模型,很好地揭示了模拟结果。综上,利用STT或SOT效应探寻激发高频微波信号的有效方法和器件设计,为开发各式各样高频振荡的新型自旋纳米振荡器开辟了一条新道路。

关键词： 光自旋霍尔效应   双重自旋分裂   全内反射   临界角  

摘要： 近年来,人们对光的自旋霍尔效应进行了深入的研究。光自旋霍尔效应指的是线偏振光在非均匀光学材料中传输时,分裂成两个相反的圆偏振光的现象,研究人员将光的自旋霍尔效应广泛应用于精密测量以及微纳材料表征等领域。在以往的研究中,由于传统界面的反射系数通常为实数,只考虑自旋-轨道作用的振幅,往往只能发现单一形式的分裂情况。有关光自旋霍尔效应的研究在应用中往往受到限制:例如空间光微分往往只能考虑一维情况。由于全内反射中反射系数是复数导致了其相位的变化,本文研究了全内反射模式下光的双重自旋分裂特性,主要工作包括: 第一,研究了光波在介质界面的传播理论。本文从光学偏振态出发描述了平面波的角谱传输理论。基于光束在界面上的反射和传输特性,建立了精确的三维光束空间传输模型揭示光双重自旋分裂的理论基础。揭示了其内在特性与反射系数之间的联系,得到了光自旋霍尔效应中光束在空间传输的基本理论框架。三维光束空间传输模型使得光束传输过程中的相位变化更加精确。 第二,利用上述理论研究了玻璃-空气界面中全内反射光的双重自旋分裂特性。本文首先研究和分析了线偏振光束在玻璃-空气界面中全内反射的模型,利用斯托克斯参数很好的反映出双重自旋分裂的情况。其次研究了在临界角附近入射时的分裂场演化以及双重自旋分裂位移,揭示了临界角附近的反射场偏振演化,发现了入射偏振对于反射光双重自旋分裂的影响。最后我们发现发射光束的双重自旋分裂特性,是由于临界角附近反射系数相位的变化引起的。 第三,研究了纳米金属薄膜结构中全内反射光的双重自旋分裂特性。首先,本文研究和分析了线偏振光束在玻璃-金属-空气结构中全内反射的模型,研究线偏振光在该结构全内反射后临界角以及共振角附近反射的双重自旋分裂规律。其次,研究分析了金属厚度以及入射偏振对于反射光双重自旋分裂的影响,发现在较小厚度时入射偏振对于双重自旋分裂的影响较为明显。

关键词： 量子行走   概率分布   量子纠缠  

摘要： 在一维晶格离散时间量子行走中，我们引入含时硬币算符，分别研究了由单个硬币算符和两个硬币算符直积作用下的概率分布及纠缠动力学行为。研究发现在改变硬币参数的情况下，单个硬币作用和两个硬币作用的量子行走都可以展示包括动力学局域化，量子弹道传输在内的丰富的动力学行为，而且硬币自由度和位置自由度之间的纠缠随演化时间的增加出现周期性振荡或者在较短时间内达到最大纠缠。特别是，在由两个硬币算符作用下的量子行走中，可以通过控制演化步数得到具有不同分布特征的概率分布，对进行量子操控具有重要意义。

关键词： 超大质量黑洞   潮汐瓦解   X射线   广义相对论   克尔黑洞  

摘要： 最近在活动星系核中发现X射线准周期爆发（QPEs）现象,目前仍然未知其驱动机制。现如今总共有5个这样的源被观测到。在基于QPEs是由星盘碰撞驱动的假设下,本研究完全基于相对论数值计算进行数值模拟,发现伴星轨道以及中心黑洞质量和自旋都可以通过QPEs的光子到达地球时间（TOA）约束出来。通过利用我们的模型对观测进行基于马尔科夫链蒙特卡洛（MCMC）方法的拟合,拟合结果表明伴星是一个接近为圆轨道（e.=0.05-0.02+0.02）以半长轴为365-49+54rg环绕中心黑洞（质量为M.=3.0-0.6+0.9×105M⊙）运动的双星系统。QPEs间的时间间隔以一长一短的形式周期性呈现,这可以由低离心率和伴星的轨道进动所解释。我们的研究表明GSN069中的QPEs现象可能是由一个红巨星被部分潮汐瓦解后遗留下的核随即与吸积盘准周期性碰撞而产生。对于像GSN069这样的星系,若X射线观测上QPEs的TOA的时间测量误差可以低于（?）100-150s,则黑洞的自旋也可以通过利用QPEs被约束出来。我们的结果展示了 QPEs可以作为一个探针测量中心黑洞的自旋以及测试黑洞无毛定理。

关键词： 自旋轨道力矩   电流比较器   可编程逻辑门   Verilog-A  

摘要： 如今,摩尔定律逐渐走向尽头,众多提升集成电路性能的新技术陆续被提出,自旋电子器件因其非易失、高耐久、低功耗等优势,成为各类新技术中的有力竞争者。比较器和逻辑门电路作为集成电路的基本单元,具有广泛的应用场景。本文结合自旋电子器件的优势,通过实验与仿真相结合的方式设计并验证了基于自旋轨道力矩器件的电流比较器和可编程逻辑门。首先,本文设计了两种结构的电流比较器。第一种为电流导线/自旋轨道力矩器件双层结构,其中,电流导线为金线,用于产生平面磁场,自旋轨道力矩器件的膜层结构为W/Co Fe B/Mg O/Ta。基于平面磁场和写电流共同调控自旋轨道力矩的物理原理,向自旋轨道力矩器件施加写电流时,器件的反常霍尔电阻将与金线中的电流成正比。将待比较的电流以不同的方向输入金线两端,根据反常霍尔电阻的正负即可判断两个电流的大小。第二种为电流导线/自旋轨道力矩器件/电流导线三层结构,上下平行排列的金线产生相反方向的平面磁场调控器件电阻,基于COMSOL仿真软件对方案进行了仿真验证,同时,利用Verilog-A硬件描述语言构建电流比较器物理模型,并基于此模型设计实现了一种三位全并行模数转换器。然后,本文在电流比较器工作的基础上设计了一种可编程逻辑门。对电流比较器上层金线结构进行改造,以上层金线作为逻辑输入,下层金线和器件写电流信号作为编程控制,器件的反常霍尔电阻作为逻辑输出。通过编程控制单个器件实现与、或、与非、或非、取反、传递六种常用逻辑功能。利用Verilog-A语言构建可编程逻辑门物理模型并进行验证,同时设计实现了一种编码电路。

关键词： 磁性   张量网络算法   阻挫系统   三角晶格  

摘要： 在低维阻挫系统中,自旋1/2(h=1)的反铁磁海森堡三角晶格模型相当重要。Anderson基于对该模型的基态研究首次提出了量子自旋液体的概念,这种超越朗道对称性破缺范式并具有分数化激发的奇异态迅速吸引了众多科学家的目光,进而使搜寻量子自旋液体成为凝聚态物理学领域的前沿工作。同时,三角晶格能够直观的展示系统的阻挫特性,为深入研究量子多体系统中的阻挫及量子涨落特性提供了良好的开端。经过数十年的研究,该模型的基态是120°磁序而不是量子自旋液体这一结论已普遍为物理学家所接受,但各种理论和数值方法得到的磁化强度值仍不尽相同。因此,应用当前二维量子多体系统中适用的张量网络算法再次研究该模型,给出其更为准确的磁化强度结果相当有意义。本文的研究内容为以下两部分:第一部分是通过基于投影纠缠单形态(PESS)的张量网络算法计算该模型的基态性质。PESS型试探波函数能够很好的描述体系的三体关联,在计算中我们将键维数D最大保留至13。研究结果表明系统的基态能量Eb=-0.18334(10)(J=1),与密度矩阵重正化群算法、格林函数蒙特卡洛算法所得结果一致。体系相应的磁化强度M=0.161(5),略小经典值的1/3,比我们统计到的之前所有工作的结果都要小(见表3-1),这意味着我们提供了一个新的磁化强度基准。我们还计算了自旋间的夹角和体系的多体关联,相邻自旋间的夹角均是120°,系统的三体关联随着键维数D的增加越来越明显,这些结果都与基态磁有序这一结论自洽;第二部分我们应用线性自旋波理论再次计算了该模型,得到系统的基态能量Eb=-0.179603(J=1)和磁化强度M=0.238697。比较可得,其磁化强度大约比我们的数值结果大48%,这是因为线性自旋波理论在计算时忽略了系统的量子涨落。作为半经典分析算法,自旋波理论在量子磁性领域发挥着重要作用,掌握该方法对以后的研究工作很有帮助。

摘要： 表象是指知觉在学生头脑中形成的感性形象，也就是当事物不在学生面前时，学生头脑中出现的关于事物的形象。表象包括想象表象和记忆表象，其中，想象表象是加工改造后所形成的表象，记忆表象是已经贮存的知觉再现。表象不但对学生的知觉具有奠基作用，而且对学生的思维具有促进作用。然而，在数学课堂教学中，表象常常被执教者忽视。对此，笔者认为，教师应走出忽视学生表象的误区，想方设法地丰富学生的各种表象，使学生所获取的数学知识能在生动、具体、形象的情境中得以重组与演练，从而加深学生对数学知识的理解，发展学生的数学思维。

关键词： 第一性原理   非平衡格林函数   二维MXene材料   异质结   磁性  

摘要： 二维MXene是一类新型过渡金属-碳/碳氮/氮化物材料,最早发现的MXene是TiCT,由美国Drexel大学Gogotsi课题组利用HF酸从三元层状前驱体MAX材料TiAl C中选择性蚀出Al原子后获得。近十年以来,人们对MXene材料从理论和实验方面进行了大量研究,发现其具有优异的力学、光学、磁学和热学等性质。前期对MXene的研究主要集中在电容器、电池、光催化和光电子器件等领域,但考虑到MXene材料表面官能团引起丰富的磁效应,还可以应用于开发新型的介观尺度的场效应晶体管、磁性读头、信息处理转换器和传感器等。基于以上考虑,本论文以设计新型MXene隧道异质结为目的,从寻找具有半金属性的MXene铁磁层材料出发,首先研究-OH,O,S,F,Cl和Br表面官能团修饰的二维单层MXene材料NdN,继而对双层FeNOH/TiCO(x=1.5,1)异质结的电子性质以及范德瓦尔斯(van der Waals,vd W)异质结CrNO/TiCO/CrNO的输运性质进行了相关研究,具体工作如下:(1)研究了MXene材料NdNT(T=OH,O,S,F,Cl和Br)的半金属性。通过热力学稳定分析表明NdN和NdNT(T=OH,O,S,F,Cl和Br)能够稳定存在。研究了表面官能团-OH,-O,-S,-F,-Cl和-Br对NdN电子结构的影响,发现在官能团存在时具有半金属特征,半金属带隙宽度高于1.70 e V,功函数范围为1.83～6.50 e V。在双轴应变下,发现NdNT(T=OH,O,S和Br)在压缩应变下从半金属转变为金属,在拉伸应变下从半金属转变为半导体,对于NdNF和NdNS来说,在一定压缩应变和拉伸应变都破坏了半金属性,使其从半金属转变为金属。最后,计算了NdNT(T=OH,O,F)不同比例x(x=0.5,1(I,II),1.5)表面官能团的电子性质,发现NdNO具有半导体特征,而NdNO(II)具有半金属的特征,其他不同比例官能团的结构显示了金属特性。本研究表明,新型镧系MXene材料在自旋电子器件中具有很高的应用潜力。(2)研究了双层FeNOH/TiCO(x=1.5,1)堆叠异质结的结构、磁性和电子性质。研究结果表明,双层FeNOH(x=1.5,1)具有半金属的特征,且具有较大的磁矩,分别为11μ和12μ。研究了四种不同的原子界面,分别为Bridge(H-O)、Top(H-O)、Bridge(O-O)和Top(O-O)。研究发现界面处的原子受到邻近原子的影响,表现出不同的弛豫行为。此外,界面对称性破缺引起的再杂化使得磁性原子的原子自旋磁矩发生变化,在界面处存在RKKY磁交换现象。电子结构分析结果表明,Bridge(H-O)和Top(H-O)界面仍然保持非常高的自旋极化率,高达90%以上,而Bridge(O-O)和Top(O-O)界面保持了100%的自旋极化率。表明在自旋电子器件的应用中,Bridge(O-O)和Top(O-O)原子端面可能比Bridge(H-O)和Top(H-O)原子端面在自旋电子器件的应用具有较好的优势。(3)研究了MXene基范德瓦尔斯(vd W)连接的异质结CrNO/TiCO/CrNO电子输运性质。在零偏压下,通过分析费米能级的电子透射谱系数和投影态密度,发现两个电极的磁场处于平行(Parallel configurations,PC)时电子透射谱系数比反平行(Antiparallel configurations,APC)时电子透射谱系数高约11个数量级,由此获得了超高隧道磁阻(Tunneling magnetoresistance,TMR)比1.92×10%。研究了不同偏压下的自旋电流和电子透射谱,当偏压从0 V增加到0.1 V时,CrNO/TiCO/CrNO磁隧道结保持良好的输运性质,估计TMR比保持在7.51×10%以上,可以认为该vd W型异质结具有优秀的磁隧道结的潜力。总的来说,本工作从二维层状材料MXene材料的半金属性出发,深入研究了MXene/MXene异质结和MXene/MXene/MXene磁隧道结的磁电性质和自旋电子输运性质,这为了解磁性的来源,异质结界面的磁性交换及界面自旋极化率以及磁隧道异质结的自旋电子输运效率有极大的帮助,也为实现二维自旋电子学器件的制备提供了理论指导。

关键词： 半导体自旋电子学   自旋调控   自旋霍尔效应  

摘要： 自旋调控是半导体自旋电子学的研究热点之一，研究者们通过调控材料组分、改变温度、磁场等方法进行自旋调控。自旋光电流是研究半导体自旋的有效方法。通过研究不同条件下的自旋光电流，一方面有助于探测外场对自旋调控的作用，另一方面有助于研究者们更好地探索自旋相关的物理性质。本文介绍了半导体自旋电子学的研究现状以及自旋光电流相关的效应，计算了包含自旋分裂的反常圆偏振光电流效应(anomalous circular photogalvanic effect，ACPGE)与光致反常霍尔效应(photo-induced anomalous Hall effect，PAHE)电流，并通过自旋光电流研究了自旋调控，通过圆偏振光电导研究了自旋霍尔效应。本文主要研究内容如下:　　1、理论研究了包含导带自旋分裂的ACPGE与PAHE电流。我们计算了不同晶向、应变、电场等不同条件下，仅包含导带自旋分裂与同时包含导带自旋分裂和逆自旋霍尔效应的ACPGE与PAHE电流。研究表明，一些条件下的ACPGE电流与晶向有关。无应变作用时，PAHE电流随光斑分布可能为电极处具有最大值的单峰项，也可能在电极两侧呈一正一负结构。应变能有效调制ACPGE和PAHE电流。　　2、研究了p型GaAs样品中均匀应变与梯度应变调制的ACPGE。我们通过改变应变中心的位置分离出均匀应变和梯度应变引起的ACPGE电流，它们分别为光斑的类正弦函数和单峰函数。该实验现象可以用包含自旋分裂的ACPGE模型解释。当样品存在体反演不对称或者应变引起的Dresselhaus自旋分裂时，左旋与右旋圆偏振光的光电流差沿[100]和[010]晶向分别指向和背向光斑中心，当样品沿[110]晶向切割时所测得的ACPGE电流是光斑位置的类正弦函数。在梯度应变作用下，圆偏振光的光电流差位于应变梯度不同处的分量具有不同幅值，因此产生了垂直于梯度的ACPGE电流，表现为光斑位置的单峰函数。　　3、研究了InGaAs/AlGaAs量子阱中应变调控的ACPGE与PAHE电流。对于1hh-1e能量跃迁的ACPGE，[110]晶向与[100]晶向切割的样品中测量表明，此ACPGE与晶向无关，且来源于自旋分裂与逆自旋霍尔效应的共同作用。均匀应变引起的能带劈裂使得ACPGE电流与光斑位置成类正弦函数。梯度应变引起的ACPGE电流可能来源于能带倾斜的影响，也可能来源于梯度应变引起的能带自旋分裂。对于PAHE电流，[110]晶向切割的样品中由均匀应变引起的PAHE电流占主导，而对于沿[100]晶向切割的样品由梯度应变引起的反常霍尔效应电流占主导。　　4、通过圆偏振光电导研究了Pt/GaAs中的自旋霍尔效应。我们测量了Pt/GaAs与GaAs体材料中的圆偏振光电导，并分离出由自旋霍尔效应引起的Pt自旋积累信号。我们建立了一个自旋相关的光吸收模型。由于自旋霍尔效应，电场引起自旋极化方向相反的电子分别积累在Pt的对边。圆偏振光被Pt中的自旋电子部分吸收后激发GaAs中的载流子，因而GaAs中左旋与右旋光生载流子的差正比于Pt边缘处所积累的自旋向上与向下的电子差。此外，所测得的自旋光电流圆极化度表明Pt和GaAs具有相似的自旋累积长度，这可能来源于Pt和GaAs之间的自旋扩散。