二維人造納米體系光學與磁學性質的理論研究

《二維人造納米體系光學與磁學性質的理論研究》是依託復旦大學，由盛衛東擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：二維人造納米體系光學與磁學性質的理論研究
• 依託單位：復旦大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：盛衛東

項目摘要

石墨烯作為第一種人造單層二維材料，不僅在概念上突破了傳統低維結構的極限，帶來了許多新奇的物理現象，而且在納米電子與光學器件中有著廣泛的套用前景。在本項目中，我們將研究以石墨烯為代表的人造二維納米體系的光學性質與磁學特性。針對石墨烯納米結構中的強關聯電子體系，我們將發展一套能夠處理千萬以上多電子基矢的組態相互作用方法來計算其基態和激發態能譜。進一步我們將突破傳統獨立多激子態的框架研究其中的光吸收過程，並重點闡明庫倫相互作用對光吸收譜的影響。對於磁學性質，我們將研究石墨烯納米結構中長程與短程電子間相互作用對電子自旋分布的不同影響，進而闡明其中反鐵磁態形成的機制。進一步我們將探討在石墨烯納米片中實現外電場誘導下的反鐵磁到非磁態或者非磁到鐵磁態的磁性相變的可能性。最後，在對石墨烯納米體系研究的基礎上，我們將進一步探討其他人造二維材料比如二硫化鉬和矽烯納米結構中的光學性質與磁學特性。

結題摘要

針對石墨烯納米量子點，我們系統地研究了其光學能隙與準粒子能隙和激子效應之間的關係。我們採用的數值計算方案是組態相互作用方法，經過長期的最佳化，我們能夠在有限的時間中處理千萬級別的不同組態。我們的結果表明，如果石墨烯納米量子點用Hubbard模型來描述並忽略其中電子關聯相互作用的話，它的光學能隙將和用緊束縛方法得到的單粒子能隙精確地相等。這實際上是第一次成功地將庫普曼定理拓展至小量子體系的光躍遷過程中。在通常的自旋電子學器件中，體系的磁性狀態一般是由鐵磁性的入射端或者採用類似晶體三極體中施加柵極電壓來調控的。在入射端附加鐵磁性材料雖然簡單方便，但造成器件整體小型化困難，而加入額外的柵極又增加了器件的複雜程度。我們提出了可以直接利用施加在二端石墨烯納米結上的偏壓來控制體系的磁性狀態，從而達到調控器件的輸運特性。針對具有扶手椅邊界的三角形石墨烯納米量子點，我們系統地研究了其自旋單態暗激子形成的物理機制，特別是與電子間相互作用強度之間的關係。我們採用組態相互作用方法來求解具有可變相互作用強度的多電子體系。經過長期的算法最佳化，我們自主開發的數值計算方案能夠利用有限的計算資源處理超過2千萬個不同的電子組態，從而得到準確的激子能級譜。通過計算每一個激子態的複合幾率，我們可以進一步確定其中的暗激子能級。研究發現激子能譜由單重和雙重簡併態構成，並且所有的單重簡併態都是暗激子態。我們重點探討了激子態簡併度和體系對稱性的關係，發現簡併度和電子空穴對稱性無關，主要是由三角形量子點的旋轉對稱性所形成，並且石墨烯子晶格對稱性破缺也不足以破壞所有的暗激子態。我們最近在人造二維納米結構的新成員—黑磷量子點的研究中取得了初步的突破。我們系統地計算了三角形黑磷量子點中激子結合能隨襯底有效介電常數的依賴關係，發現了其光學能隙可以由靜電禁止強度有效調控。