凝聚态材料光电性质研究课题组在相关实验和理论研究取得系列成果

近期，物理与天文学院凝聚态材料光电性质研究课题组（徐文、丁岚、肖宜明、张语军等）在三维狄拉克电子系统的等离激元性质、邻近效应下单层过渡金属硫化物的磁光、光电和电输运性质等的理论研究，以及在掺杂金刚石的太赫兹磁光物理性质、TiO超导薄膜的电输运和红外光电性质、黑磷量子点的太赫兹光电特性等实验研究方面取得了系列研究成果。2024年1月以来，在Physical Review B发表了三篇相关理论研究成果，在Optics Letters和Infrared Physics & Technology发表了三篇相关实验研究成果。

（1）黑磷量子点由于其独特的光响应特性在电子和光电子学领域受到了广泛的关注，但其低频电磁响应特性以及温度对这些性质的影响仍未得到充分的研究。利用变温太赫兹时域光谱测量，研究组研究了黑磷量子点的太赫兹透射系数与温度的依赖的关系，发现其太赫兹响应特性可以用德鲁德-斯密斯光电导公式来很好的描述。这些研究结果有助于深入了解黑磷量子点中载流子的低频电磁响应特性，为黑磷量子点在太赫兹光学和光电子学器件的应用打下了科学研究基础。该成果以题目“Temperature-dependent charge carrier behavior in phosphorene quantum dots probed by terahertz time-domain spectroscopy”发表在Optics Letters 49(2), 214-217 (2024).

（2）与传统多晶氧化钛（TiO）材料不同，立方TiO薄膜具超导性且超导转变温度可通过控制O浓度和薄膜厚度调控。研究组应用红外反射测量，研究了温度对立方氧化钛薄膜光电响应特性的影响，观察到温度诱导的超导-半导体-金属-半导体相变，光学测量得到的结果与电输运实验结果一致。此研究加深了对立方氧化钛薄膜基本物理性质的了解。该成果以题目“Observation of temperature induced phase transitions in TiO superconducting thin film via infrared measurement”发表在Infrared Physics & Technology 137, 105160 (2024)。

（3）金刚石是最重要的碳基电子材料之一。由于其硬度特性，金刚石表面抛光，在上面制备优良欧姆接触电极，并实施电输运测量具相当技术难度。利用太赫兹时域光谱（THz TDS）为无接触式光学测量手段的特点和测量优势，我们将THz TDS与强磁场和低温条件集成，对氮掺杂金刚石晶圆片在法拉第几何进行磁光偏振测量，得到了样品在80 K温度和0到8 T磁场下的左旋、右旋太赫兹磁光透射谱、动态介电常数谱、磁光电导率谱等。通过对实验结果的理论公式拟合，利用磁光技术确定了氮掺杂金刚石的关键电子学参数（如静态介电常数、电子浓度、电子弛豫时间、电子局域化因子），并在非回旋共振条件下实验得到了金刚石中的有效电子质量，进一步研究了这些电子学参数的磁场依赖关系。该工作得到的研究结果有益于深入了解氮掺杂金刚石的电和光电子学性质。该项成果以题目“Terahertz magneto-optical properties of Nitrogen-doped diamond”发表在Infrared Physics & Technology 138, 105237 (2024)。

（4）狄拉克电子系统是近年来凝聚态物理学的重点和热点研究材料之一。Na3Bi和Cd3As2是典型的三维狄拉克半金属材料，其狄拉克电子学特性与常规二维狄拉克系统（如石墨烯）具有很大的不同。研究组通过单电子模型的有效k · p 哈密顿量，得到了该系统的电子能谱和波函数，基于无归相近似（RPA）理论下由于电子-电子交互作用诱导的介电函数，研究了三维狄拉克系统的等离激元模式以及相关的多体物理性质。研究结果表明，由于此类三维狄拉克系统具有平面和垂直方向上电子结构的各向异性，其能谱和态密度与石墨烯以及三维电子气有着较大的差异，同时等离激元也具有各项异性的特点。通过调节载流子浓度能够有效的调控三维狄拉克系统的等离激元激发模式。该项成果以题目“Collective excitations in three-dimensional Dirac system”发表在Physical Review B 109, 115123 (2024).

（5）单层过渡金属硫化物（TMD，如MoS2）是典型的谷电子学材料，由于在信息处理和储存领域的重要应用，是极具研究价值的二维电子材料。当将单层TMD置于介电/磁性衬底上时，邻近效应（如Rashba自旋轨道交互作用、交换交互作用等）将极大的影响单层TMD中的电子的能带结构、自旋性质，并可能打破电子能谷的简并, 从而产生奇特的谷电子学效应性质。应用玻尔兹曼方程推导获得的动量平衡方程，我们理论研究了存在邻近效应时单层TMD的电输运性质，计算出在低温下由于电子-杂质相互作用引起的横向、纵向电子迁移率。理论预言可在该材料系统中，在零磁场通过电输运测量观测横向电流或Hall效应，且其Hall效应的强度可通过Rashba自旋轨道耦合参数，有效塞曼场强度和载流子浓度来调控。研究结果将有助于实验观测谷霍尔效应并能更加深入了解单层过渡金属硫化物在邻近效应下的物理性质。该项成果以题目“Longitudinal and transverse mobilities of n-type monolayer transition metal dichalcogenides in the presence of proximity induced interactions at low temperature”发表在Physical Review B 109, 195418 (2024).

（6）单层TMD的光电物理特性一直是该领域研究的热点。研究组研究了存在邻近效应引起的交换交互作用和垂直直流电场下单层TMD的磁光响应特性。通过求解薛定谔方程，得到了强磁场下单层TMD中电子的朗道能级和自旋极化性质。应用RPA介电函数理论下的Kubo公式，计算了单层TMD的纵向磁光电导率或光吸收系数，研究了它与辐照频率、磁场强度、外加直流电场以及有效塞曼场强度的依赖关系。研究结果表明，由朗道能级间的电子带内和带间跃迁能够引起在可见光和太赫兹波段的磁光吸收，其磁光吸收特性受到邻近效应参数和载流子浓度及磁场、直流电场强度的调节。研究结果能有益于进一步了解单层过渡金属硫化物的磁光性质并能极具潜力的应用在可见和太赫兹频段的磁光、自旋电子学和谷电子学器件中。该项成果以题目“Magneto-optical conductivity of monolayer transition metal dichalcogenides in the presence of proximity-induced exchange interaction and external electrical field”发表在Physical Review B 109, 165441 (2024).

以上研究成果为该课题组与比利时安特卫普大学、中国科技大学、深圳技术大学、重庆启晶科技发展有限公司、深圳网联光仪科技有限公司等国内外科研和企业单位合作完成。研究工作得到国家自然科学基金、云南省基础研究计划的资助。

论文链接：DOI:10.1364/OL.507725

论文链接：DOI: 10.1016/j.infrared.2024.105160

论文链接：DOI: 10.1016/j.infrared.2024.105237

论文链接：DOI: 10.1103/PhysRevB.109.115123

论文链接：DOI: 10.1103/PhysRevB.109.165441

论文链接：DOI: 10.1103/ PhysRevB.109.195418