一周晶体前沿（四十六）——声光电热磁晶体

近日，美国伦斯勒理工学院的Jian Shi与Yunfeng Shi教授团队对于热释电效应的材料厚度依赖性开展研究，并以三种不同材料为例，证明当热释电材料变薄时，其热释电系数迅速增加。相关内容以“Giant pyroelectricity in nanomembranes”为题，在Nature上发表。

Schematics of the microscopic mechanism of the primary pyroelectricity and dimensionality effect

摘要：

热电效应是指极性材料随时间温度变化而产生电的现象。当自支撑热释电材料薄膜厚度变小，并接近二维平面极限时，热释电行为将如何变化仍然未知。本文采用了三种模型热释电材料，其面外方向键合特性从范德华型(In₂Se₃)、准范德华型(CsBiNb₂O₇) 到离子/共价型(ZnO)，作者从实验上证明了尺寸对热释电的影响以及晶格动力学和热释电之间的关系。作者发现，对于这三种材料，当自支撑膜的厚度变小时，其热释电系数迅速增加。化学键沿平面外方向的材料表现出最大的尺寸效应。并且实验证明厚度减小的晶体中，声子动力学的变化可能对其热电性产生影响。本研究将促进超薄材料热释电的基础研究，并激发热释电效应在热成像和能量收集等潜在应用领域的技术发展。

文章信息：

Jiang, J., Zhang, L., Ming, C., et al. Giant pyroelectricity in nanomembranes[J]. Nature, 2022, 607, 480–485.

DOI: 10.1038/s41586-022-04850-7

TMD semiconductor moiré materials

摘要：

莫尔材料已成为探索强电子相关性和非平庸能带拓扑物理的平台。作者总结了半导体莫尔材料，特别是过渡金属二硫化物的最新进展。在简要概述了这类材料的一般特征之后，作者讨论了最近关于Hubbard物理、Kane–Mele–Hubbard物理和平衡莫尔激子的理论和实验研究。作者还评述了过渡金属二硫化物和其他半导体莫尔材料研究的未来机遇和挑战。

文章信息：

Mak, K. F., Shan, J. Semiconductor moiré materials[J]. Nature Nanotechnology, 2022, 17, 686–695. 

DOI: 10.1038/s41565-022-01165-6

IBM欧洲研究院的Jacqueline Geler-Kremer教授课题组基于BaTiO₃薄膜与硅波导的集成，制备了一种铁电多级非易失光学相移器。相关成果以“A ferroelectric multilevel non-volatile photonic phase shifter”为题，在Nature Photonics上发表。

Device geomerty, cross-section and general concept

摘要：

为了解决光计算问题，近年来出现了一种新型的可编程集成光子电路。光子神经计算和量子计算是光学系统应用于复杂光子电路的范例，它们在操作前和操作中可被重新配置。然而，目前仍然缺少实现高效可重构光网络架构的关键单元：非易失性光相移器。作者在本研究中实现了这种器件，它是一种基于BaTiO₃薄膜与硅波导的单片集成元件，并可与硅光子学相兼容。作者利用电信号控制BaTiO₃中的铁电畴，实现了模拟和非易失性光学相位调谐，并且没有引起吸收变化。作者进一步展示了一种八阶、长稳定寿命的光子器件，其可实现无损光学读出，且开关能量可低至4.6 pJ。本文结果为集成光子学工具包提供了一种新的模拟非易失性光子元件，可用于实现新一代节能可编程光子电路。

文章信息：

Geler-Kremer, J., Eltes, F., Stark, P. et al. A ferroelectric multilevel non-volatile photonic phase shifter[J]. Nat. Photon., 2022, 16, 491–497.

DOI: 10.1038/s41566-022-01003-0

英国牛津大学的Henry J. Snaith与Bernard Wenger教授课题组成功利用瞬态光电导技术实现了对金属卤化物钙钛矿薄膜中长程载流子迁移率的测量，相关研究成果以“Long-range charge carrier mobility in metal halide perovskite thin-films and single crystals via transient photo-conductivity”为题，在Nature Communications上发表。

Measurement and calculation of transient photo-conductivity (TPC)

摘要：

电荷载流子迁移率是半导体材料的一个基本特性，决定着许多电子器件的性能。对于金属卤化物钙钛矿，人们已经使用不同的技术对其电荷载流子迁移率进行了广泛的测量。迁移率通常利用瞬态方法进行估计，该方法通过假设脉冲光激发产生初始电荷载流子分布，并通过非接触或接触技术测量光电导率。对于纳秒到毫秒的瞬态方法，早期复合、激子-自由载流子比率阻碍了光激发载流子数量的准确测定。考虑了这两种效应后，作者利用瞬态光电导测量在很宽的光激发密度范围内估算了长程载流子的迁移率，确定了FA_0.83Cs_0.17Pb(I_0.9Br_0.1), (FA_0.83MA_0.17)_0.95Cs_0.05Pb(I_0.9Br_0.1)与CH₃NH₃PbI_3-xCl_x多晶薄膜的长程迁移率在0.3~6.7 cm²V⁻¹s⁻¹之间。作者还展示了其数据处理技术如何从非接触时间分辨微波电导率测量中更精确地估算迁移率。重要的是本文的结果表明，多晶薄膜的加工可以显著影响其长程迁移率。

文章信息：

Lim, J., Kober-Czerny, M., Lin, YH. et al. Long-range charge carrier mobility in metal halide perovskite thin-films and single crystals via transient photo-conductivity[J]. Nat. Commun., 2022, 13, 4201.

DOI: 10.1038/s41467-022-31569-w

近日，美国加州大学圣地亚哥分校的Alex Frano教授课题组利用布拉格相干衍射技术实现了介观反铁磁自旋结构的成像观察。相关内容以“Imaging mesoscopic antiferromagnetic spin textures in the dilute limit from single-geometry resonant coherent x-ray diffraction”为题，在Science Advances上发表。

Experimental setup and thermal evolution of antiferromagnetic RCXD patterns

摘要：

反铁磁畴和拓扑反铁磁结构的检测和操作是固体物理学研究的重要问题。相关研究的一个基本步骤是要确定用于探测反铁磁序参量介观结构的工具。在本文中作者证明了布拉格相干衍射成像可以扩展到使用共振磁 X 射线散射，并用于研究反铁磁有序参量的介观结构。作者对PrNiO₃中反铁磁转变的涨落状态开展研究，重点关注束斑中反铁磁畴被稀释的温度区间，此时调制反铁磁峰的相干衍射图案可被大大简化。作者证明，可以从单个衍射图案中提取这些畴的排列和大小，并且该方法可以扩展到时间结构光源，以研究稀畴的运动或者拓扑缺陷在反铁磁自旋结构中的运动。

文章信息：

Bluschke, M., Basak, R., Barbour, A., Warner, A. N., Fürsich, K., Wilkins, S., Roy, S., Lee, J., Christiani, G., Logvenov, G., Minola, M., Keimer, B., Mazzoli, C., Benckiser, E. & Frano, A. Imaging mesoscopic antiferromagnetic spin textures in the dilute limit from single-geometry resonant coherent x-ray diffraction[J]. Science Advances, 2022, 8, eabn6882.

DOI: 10.1126/sciadv.abn6882

• 王立群, 严佳新, 卢欣 等. 光子晶体多组元缺陷态问题研究[J]. 人工晶体学报, 2022, 51(6): 986-995.

• 武圆梦, 胡俊杰, 王淼 等. Fe掺杂GaN晶体非极性面的光学各向异性研究[J]. 人工晶体学报, 2022, 51(6): 996-1002.

• 尹佳奇, 余春燕, 翟光美 等. 铟镓共掺杂对n-ZnO纳米棒/p-GaN异质结生长行为和光电性能的影响[J]. 人工晶体学报, 2022, 51(6): 1012-1019.

• 贾维海, 杨昆, 王智 等. 完全Heusler合金Cr₂ZrSb/Sc₂FeSn(100)异质结的结构、电磁特性及电子性质[J]. 人工晶体学报, 2022, 51(6): 1020-1027.

• 程媛媛, 黄瑜佳, 朱归胜 等. 溅射温度对ITO/Ag/ITO多层复合薄膜的结构和光电性能的影响[J]. 人工晶体学报, 2022, 51(6): 1028-1033.

• 张博, 蔺明宇, 孙淑艳 等. SiW₁₂、CsPbI₃协同提高TiO₂纳米管光电转换效率的研究[J]. 人工晶体学报, 2022, 51(6): 1034-1041.

• 吴新栋, 张潮, 刘晓霖. 钙钛矿及类钙钛矿热致变色单晶材料的研究进展[J]. 人工晶体学报, 2022, 51(6): 1099-1109.