研究领域

  • 自旋量子调控
  • 石墨烯
  • 纳米材料物理与器件

 

金刚石NV色心是指在金刚石晶格中,由取代了C原子的N 原子和邻近的C空位连接的三个C 原子组成的一个复合结构,具有C3V对称性。由于其特殊的能级结构和优良的物理性质使其具有单电子的性质:在激光激发下每次只释放一个荧光光子,室温下是稳定的单光子源,而且其电子自旋可以很好的调控:可以用激光很好的初始化和读取,而且容易在微波激发下会使自旋旋转。另外,其电子自旋可以和邻近的N, C等核自旋进行耦合,实现量子逻辑操作和量子存储等量子运算。由于这些优良的性质,金刚石NV色心被认为是量子计算,量子信息,量子密码,量子克隆,单光子源以及磁力计等方向的最有希望的固态系统之一。

金刚石NV色心的物理结构和电子结构

图1:金刚石NV色心的物理结构和电子结构。(a)金刚石NV晶体结构,(b)NV色心的C3v对称性示意图,(c)描述了NV色心的电子结构,(d)NV色心的光致自旋极化模型。

实验装置

图2:实验装置(a)激光共聚焦系统,(b)微波和磁场系统

单NV色心激光共聚焦荧光成像。

图3:单NV色心激光共聚焦荧光成像。左图为NV色心共聚焦荧光成像图,右图为其二阶反关联函数图,由<0.5,知其为单色心。

连续的光探测磁共振谱

图4:连续的光探测磁共振谱。(a)荧光强度在无磁场时随微波频率的变化,在2.87GHz有很强的共振吸收,(b)荧光强度在有磁场时随微波频率的变化,在2.81GHz和2.95GHz均有有很强的共振吸收,这是由于NV色心基态激发态在磁场分裂的结果。

 

石墨烯(Graphene),又称单层石墨,是由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一个碳原子厚度的二维材料。

石墨烯的结构

石墨烯的晶体结构

石墨烯的特性

  • 石墨烯中的电子是有效质量为零的Dirac费米子
  • 半整数量子霍尔效应
  • 对外部静电势垒不敏感——克莱因洋谬
  • 电子传输平均自由程达到微米量级
  • 独特的介观效应
石墨烯的能带结构

 

Cu箔上石墨烯成核和生长研究

CVD(化学气相沉积)是近几年发展起来的制备高质量、大面积石墨烯的一种有效方法。其原理是在约1000℃还原气氛(氢气)下分解烃类(甲烷等),在铜、镍等金属表面外延生长得到石墨烯。其后通过特定的方法腐蚀掉金属衬底,可以将石墨烯转移到硅等满足需要的衬底上。目前,CVD制备的石墨烯在透明电极、高频器件等很多方面得到了广泛的应用。

STM

石墨烯STM图像

尽管CVD方法能在Cu箔表面生长出大面积高质量的石墨单层,但是因为多成核中心分别成核生长连成一片形成多晶材料,晶界处的结构缺陷对石墨烯的输运性质有不利的影响。因此我们通过控制石墨烯的成核和生长条件,制备出较大的单晶石墨烯,最大可接近毫米量级。

 

多成核中心成核生长

Cu箔上CVD方法制备出的大尺寸的石墨烯单晶

石墨烯单晶的Raman光谱及G峰、D峰和2D峰的Raman Mapping

石墨烯三维结构的制备与应用

由于结合了三维结构和石墨烯各自的特性,石墨烯三维结构拥有大的比表面积、大的孔隙率、高的孔隙率、高的电导率和热导率以及高的化学稳定性,因而最近几年引起了人们广泛的研究兴趣。近几年,人们已经发明了各种各样制备石墨烯三维结构的方法,并对其应用也展开了很多研究。在此基础上,我们针对石墨烯三维结构的电化学沉积和原位还原自组装方法的制备以及其在燃料电池催化电极、超级电容器电极和环境处理等方面的应用进行了一系列研究。

 

半导体纳米结构气相法制备

 

1959年,在加州理工学院的物理年会上,著名物理学家Richard P.Feynman做了一个富有想象力和前瞻性的报告"There's Plenty of Room at the Bottom",在报告中他预言:“毫无疑问,当我们得以对细微尺度的事物加以操纵的话,将大大扩充我们可能获得物性的范围”。Feynman的大胆预 言,揭开了人们认识和掌握纳米科技的序幕。在此后的几十年,由于微观测量和操纵技术的不断进步,Feynman的预言正在逐步成为现实。实际的测量表明, 在纳米尺度上,由于量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、表面及界面效应等与材料纳米尺寸相关效应的凸显,使得纳米体系的光、电、磁、热等物理性质和常规体材 料有很大的不同,出现许多新奇特性,例如与尺寸相关的激发和光反射、弹道输运,库伦阻塞以及金属-绝缘体转变等。

   纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(<100nm)或由它们作为基本单元构成的材料。因而按其维数可以划分为三类,即:(1) 二维纳米材料,如薄膜,分子束外延膜;(2)一维纳米材料,如纳米线、纳米棒、纳米管及量子线;(3)零维纳米材料,如纳米尺度颗粒、原子团簇、量子点 等。传统的集成电路生产方式将在纳米尺度下失效,而由一维纳米材料制作微型电路有望突破这个限制,因此引人注目。

   氧化物半导体是一类重要的功能材料,由于它们一般具有宽禁带以及良好的物理化学稳定性,所以被广泛地应用在透明电极、光波导、传感器、压电等领域。在这 之中,II-VI族金属氧化物ZnO尤其受到关注,因为它具有大的禁带宽度(3.37ev)和激子束缚能(60mev),以及和GaN非常相似的晶体结 构,被认为是一种可以替代GaN的优良的半导体材料。尤其是近年来在ZnO室温激光发射上的进展,更展现了其作为优良的光电器件的前景。

  将传统材料制成纳米结构,往往可以提升其物性,氧化物半导体也同样如此,由于其本身具有的良好物性,因此它的纳米结构的制备以及物性研究也是当前纳米研究的热点。

   我们对氧化物半导体纳米结构的研究主要集中在两个方面,纳米结构的制备和物性研究。在制备方面,目前制备金属氧化物纳米结构的方法很多,如热蒸发、溶胶 -凝胶、模板、激光辅助催化生长等,通过这些方法很容易制备出许多氧化物的纳米结构。但仍然存在许多问题需要解决,首先是新的氧化物一维纳米结构的制备, 例如高熔点金属氧化物的制备仍然是个难点。探索更好,更 有效的纳米结构制备方法,仍是将来一段时间纳米材料研究的中心课题之一。其次,氧化物半导体一维材料的掺杂问题。通过引入杂质,可以有效地控制材料的光、 电、磁等性能,是制备高效半导体器件的基础。目前氧化物一维纳米结构的掺杂问题研究不多,进一步的工作有待开展。再次,如何更好地控制产物的形貌和尺寸, 得到均匀一致甚至排列规则的纳米材料?这对将来的实际应用具有重要意义,但现有的制备方法仍不能很好地解决这个问题,离可控生长还有不少距离。我们最近成 功地制备出ZnO、SnO2、In2O3等 金属氧化物的纳米线和纳米带,并且在ZnO纳米线和纳米带掺杂的方面取得一定进展。运用简单的催化生长方法,我们还制备出具有新颖的超晶格结构的纳米线, 并且有望将这种方法拓展到一系列具有超结构的金属氧化物纳米的制备。在物性研究方面,我们侧重研究金属氧化物一维纳米结构的光学和电学性质,在现有的工作 基础上,我们正努力实现对单根纳米线(带、管)的测量,以期实际检测其相关的量子效应。

  准一维氧化物半导体纳米材料的制备和物性研究是一个正在蓬勃发展的研究领域,它的进展将会丰富纳米科技的内涵并对将来纳米科技的应用具有重要的影响。

金属及化合物纳米结构电化学方法制备

多孔氧化铝模板具有高纵横比、高有序性、纳米孔洞尺寸可调、耐高温、绝缘性好、模板容易制备及在孔洞中形成的纳米管或纳米线易从孔洞中分离出来等特点,成为组装纳米材料的理想模板。
   用电化学沉积的方法在具有纳米孔径的模板中制备金属纳米线阵是一个比较热门的研究课题。我们采用直流电化学沉积了金属纳米线,如Cu、Ag、Fe、 Co、Ni等。此方法的一个突出优点是:纳米线的长度可以通过改变实验参数加以控制。例如可通过控制沉积金属的量未获得具有不同长径比的金属纳米线阵列。 金属纳米线的长度或长径比对光学、磁学性质有重要影响。
用电化学沉积法制备II-VI和相关的I-III-(VI)2化合物尤其是在碲化物、硒化物和硫化物方面已经进行了很广泛的研究。用电化学沉积法制备的CdTe和CuInSe2在薄膜太阳能电池方面已经有了很成功的应用;与模板法相结合,对碲化物、硒化物和硫化物纳米线的制备和物性的研究也有较多报道。但是用电化学沉积法制备氧化锌纳米材料方面的研究还很少。
ZnO属于II-VI族宽禁带氧化物半导体,因它优良的光、电、压电性质,可用于发光二极管、透明电极、场发射器件、光电池、气体传感器等光电器件方面 已得到广泛应用。一维的异质结材料在纳米电子器件、纳米光学器件等功能器件方面有潜在的应用前景。我们用电化学方法制备了ZnO薄膜、掺杂ZnO薄膜,并 与模板法相结合,制备了ZnO纳米线、掺杂ZnO纳米线和磁性材料/半导体异质结,进行了相关物性的研究