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我院刘世元教授团队在《Nanoscale》上发表封面论文,揭示新型低对称性半导体材料光学各向异性

作者:郭正峰编辑:吴仰天发布:2022-09-06点击量:

9月3日,英国皇家化学会(RSC)旗下纳米类高水平期刊《Nanoscale》(影响因子:8.307)在线刊发了我院刘世元教授纳米光学测量研究中心团队利用成像光谱椭偏技术定量表征新型低对称性半导体材料光学各向异性并揭示其物理机制的研究成果,该工作以“Giant in-plane optical and electronic anisotropy of tellurene: a quantitative exploration(定量探索碲烯平面内巨大的光学和电学各向异性)”为题被选为封面论文。我院博士生郭正峰为该论文第一作者,刘世元教授、谷洪刚讲师为通讯作者。

材料的结构往往决定了性质;对于低对称性半导体材料来说,材料的对称性破缺导致了各向异性。低对称性半导体材料的各向异性为理解并调控电学、光学、热学和光电子等相关性质提供了一个额外的维度,也可以基于各向异性设计与制作相应的电学、光学、热学和光电子等器件。近来,研究低对称半导体材料的光学各向异性并探索其应用成为研究的一大热门。然而,目前针对低对称性半导体材料的研究主要集中于定性探讨其光学各向异性现象,但对于这类材料的光学各向异性定量表征并揭示其物理机制仍鲜有报道。

研究团队利用成像穆勒矩阵椭偏仪定量表征了碲烯(tellurene)纳米片的各向异性光学性质。如图a的复折射率椭球所示,由于碲烯的光轴(图a的c轴方向)位于平面内,导致其存在巨大的平面内光学各向异性。成像穆勒矩阵椭偏仪的拟合分析获取了碲烯的介电张量,结果表明碲烯垂直光轴方向的介电函数(图b的er,o和ei,o)明显地不同于平行于光轴方向的介电函数(图b的er,e和ei,e),定量地表明碲烯的强烈的光学各向异性。此外,研究团队还进一步获取了碲烯的双折射Dn和二向色Dk,如图c所示。碲烯在测量的波长范围几乎始终偏离零点,并且双折射Dn绝对值最大为0.48,二向色Dk在整个测量范围内大于0.4且最大值达到1.38,再一次定量地表明碲烯的巨大的光学各向异性。较大的双折射Dn和二向色Dk使得碲烯具有极大的潜力制备偏振敏感的光学器件,诸如波片、偏振片等。进一步地,研究团队还计算了电学各向异性用以解释碲烯巨大光学各向异性的起源。由于碲烯平行光轴方向和垂直光轴方向原子排布的差异,导致沿上述两个方向的电子分布概率的巨大差异,如图d所示。在入射光的电场分量的激发下,碲烯内部的原子核和电子将会发生相对移动,即电子极化,如图e所示。由于电子分布的各向异性将会导致电子极化的各向异性,加之各向异性电子极化则可以通过介电张量定量表征,而介电张量则是定量表征光学各向异性的主要工具。因此,碲烯低对称的晶体结构导致了其巨大的电学各向异性,并最终导致了强烈的光学各向异性。

碲烯的复折射率椭球示意图(a)、成像穆勒矩阵椭偏仪获取的垂直和平行光轴的介电函数(b)和双折射Dn和二向色Dk(c);价带顶的电荷密度分布,左图:垂直光轴方向;右图:平行光轴方向(d);电子极化示意图(e)

研究团队在定量表征新型低对称性半导体材料光学各向异性研究方面取得了丰硕成果,近期还分别在美国化学会(ACS)旗下材料旗舰期刊《ACS Materials Letters》(影响因子:11.170)、Wiley出版集团微纳米材料顶刊《Small》(影响因子:15.153)和施普林格(Springer)出版集团纳米领域高质量期刊《Nano Research》(影响因子:10.269)分别以“Complete Dielectric Tensor and Giant Optical Anisotropy in Quasi-One-Dimensional ZrTe5(准一维ZrTe5的完整介电张量与巨大的光学各向异性)”、“Birefringence and Dichroism in Quasi-1D Transition Metal Trichalcogenides: Direct Experimental Investigation(准一维过渡金属三硫化合物的双折射与二向色:直接的实验研究)”和“Optical and electronic anisotropy of a 2D semiconductor SiP(二维半导体SiP的光学和电学各向异性)”为题发表了系列学术论文,分别定量表征了五碲化锆(ZrTe5)、三硫化锆(ZrS3)与磷化硅(SiP)的光学各向异性。

上述研究工作得到了国家杰出青年科学基金(编号:51525502)和国家自然科学基金重大科研仪器研制项目(编号:51727809)等项目的支持。同时感谢南京工业大学王琳教授团队、中科院半导体所魏钟鸣研究员团队以及我校光电学院叶镭教授团队在低对称性半导体材料制备方面的大力支持。


封面论文:

https://doi.org/10.1039/D2NR03226K

系列论文:

https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.1c00026

https://doi.org/10.1002/smll.202100457

https://doi.org/10.1007/s12274-022-4481-5


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