优秀!这位南大95后博士最新成果发表Science!

日本东京大学Yoshihiro Iwasa课题组、南京大学袁洪涛课题组、日本东京大学Takahiro Morimoto课题组等多个国际团队紧密合作在全球顶级科研期刊Science杂志发表了题为“A van der Waals interface that creates in-plane polarization and a spontaneous photovoltaic effect”的文章,联合团队化繁为简,使用范德华异质界面“对称性工程”的概念,对范德华人工界面体系的对称性进行调控,推动全新物理现象的呈现。

南京大学现代工程与应用科学学院17级直博生周令、东京大学应用物理系的硕士生Takatoshi Akamatsu、助教Toshiya Ideue为论文的共同第一作者,其中Toshiya Ideue博士为论文通讯作者。

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该文作者们在文章中提出了范德华异质界面上“对称性工程”的概念,如图1所示,WSe2具有三重旋转对称性,并且存在沿“扶手椅”方向的镜像平面,BP具有二重旋转对称性和相应的镜像平面。而在WSe2/BP的异质界面中,因为WSe2中的三重旋转对称性与BP中的二重旋转对称性不兼容,所以在界面上旋转对称性将完全丧失,进一步演生出面内电极化效应,并产生沿电极化方向的自发光电流。尽管在WSe2/BP界面上没有旋转对称性,但是在WSe2和BP的镜面平行的情况下,镜面对称性仍然可以得到保留。这个镜面对称性会限制面内电极化的方向,使电极化只能沿平行于镜面方向。最终,在WSe2/BP范德华异质界面上仅仅根据对称性的讨论,人们就可以预测自发光伏效应中电流的产生方向。

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通过光电流空间成像,发现在WSe2单层和BP中的光电流仅当激光照射在电极附近时出现,而在器件电极中心处消失,并呈现反对称的空间分布,说明这是典型的由肖特基势垒和光热效应驱动的光电流。与此形成鲜明对比的是,在WSe2/BP堆叠形成的异质界面器件中,人们可以清晰地观察到光电流出现在WSe2/BP的异质界面上,远离电极,而且光电流的数值更大,是验证自发光伏现象的重要证据。这一组对比实验清晰地显示,自发光伏效应仅能在WSe2/BP范德华异质界面器件中观测到,表明自发光伏效应源自WSe2/BP范德华异质界面上人为设计的对称性的变化。

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为了验证WSe2/BP范德华异质界面上自发光伏效应的方向,研究团队刻意地保留了WSe2/BP范德华异质界面的镜面对称性,并进一步测量了平行和垂直于镜平面的自发光伏效应光电流的空间分布。如图3(A-C)所示,构造的WSe2/BP范德华异质界面上所预期的电极化方向沿着E1-E2方向,测量结果表明,仅在使用E1-E2电极的测量几何下能观察到明显的自发光伏效应,而对于E3-E4电极该效应则很微弱。该结果验证了界面上的电极化的确是平行于E1-E2电极的方向,这与之前关于WSe2/BP范德华异质界面上对称性的讨论和设计原理是一致的。同时,图3D中的这个实验也排除了自发光伏效应来自外部机制的可能性,例如Dember效应(随机形成的类似p-n结的电势分布)或BP的各向异性等。

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文章最后,作者们构建了一种基于WSe2/BP界面的紧束缚模型,并在两层材料之间引入了层间耦合作用,计算异质界面的电极化和移位电流(shift current),以及自发光伏效应光电流的各向异性。计算结果和上述实验结论一致,定量地支持了“对称性工程”的人工范德华异质界面的设计理念。

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该合作研究中南京大学的研究人员得到了国家自然科学基金委、科技部重点研发计划、南京大学固体微结构物理国家重点实验室、江苏省“双创计划”、江苏省优势学科、江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室、南京大学中央高校基本科研业务费等项目的支持。

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袁洪涛是在新型场效应器件、新奇异质界面及低温物理/电子输运研究领域中非常活跃的青年科学家,尤其在液栅场效应晶体管器件的设计开发和低温电子输运方面做出了有特色性的科研成果。

他的主要研究包括:利用在栅压条件下离子液体可在半导体表面形成电双层结构的原理,开发出了以离子液体作为介质材料的电双层场效应晶体管(Electric-Double-Layer Transistor)原型器件,在多种半导体材料上实现了场效应晶体管的高性能化、低功耗化和高导通化;并进一步把这种新型原型器件扩展到强关联材料和其他量子材料体系中,观测到多种场效应诱导的奇异的界面物理现象,比如场效应诱导的绝缘体-超导相变、顺磁-铁磁相变、自旋极化以及自旋光电流的产生与调控等。电双层电场调制的工作吸引了众多国际国内同行的关注。

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