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获取闪电的能量
热度 2 tang1997 2015-12-15 15:47
闪电的能量十分强大。获取闪电的能量无外乎先储存起来，再慢慢释放。储存它的能量用一种绝缘体，通入强大的能量可以变为导体的物质。例如空气。一个绝缘容器由玻璃构成，通入空气。上有大极板，与避雷针相连。
个人分类: 研究|2105 次阅读|1 个评论
[转载]金属 绝缘体二氧化钒的“三相点”
hanlingeorge 2013-10-8 09:22
金属 绝缘体二氧化钒的“三相点” Nature 2013 500 (7463) Letter p.431发表日期：2013年8月22日 二氧化钒(VO2)因其在涉及几个竞争相的金属和绝缘体状态之间独特的相变而在超快光开关和电开关应用方面让人们感兴趣。对一个系统中（在该系统中金属-绝缘体转变通过调整温度和应力得到精细控制）的单晶VO2纳米束所做的这项研究，确定了以前难以捉摸的“三相点”（一个金属相和两个绝缘相能够共存的转变温度）为65 °C。其他所谓的关联材料，包括“水锰矿”和“磷族元素化物”，也有我们很不了解的、涉及多种成分的“应变-临界相变”，而这项工作演示了一个应能广泛适用于这些情况的方法。
1606 次阅读|0 个评论
【广告贴】戴德昌的拓扑绝缘体和室温超导科普
热度 3 physicsxuxiao 2013-4-11 22:47
反对忽悠，提倡客观，请大家往戴德昌博主处一观： 中美大PK：拓扑绝缘体反常量子霍尔效应 vs 室温超导，哪个更牛？ http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=99360do=blogid=679345
个人分类: 乱七八糟|4058 次阅读|8 个评论
中美大PK：拓扑绝缘体反常量子霍尔效应 vs 室温超导，哪个更牛？
热度 30 laserdai 2013-4-11 21:22
中国最近几十年来的经济发展十分迅猛，现在已经是世界第二，美国是世界第一，中国要想成为世界第一，就必然有一场中美大PK。 相对应，中国的科技发展也是十分迅猛，但是美国仍然是世界第一，中国要想成为世界科技第一，就必然有一场中美大PK。 现在就有一场科学最前沿的中美大PK正在进行当中：同样是拓扑绝缘体方面，中国做反常量子霍尔效应，美国做超导效应。下面给与解说和评述。 先科普：1. 什么是拓扑绝缘体？ 拓扑绝缘体 是一种具有新奇量子特性的物质状态，为近几年来物理学的重要科学前沿之一。 拓扑绝缘体 是一种新的宏观量子物态。 最简单地说：拓扑绝缘体材料的内部是不导电的，表面是导电的。关键在于表面的导电怎样导法，是典型的金属型导电，还是超导导电？　　　　 　 　　 传统上固体材料可以按照其导电性质分为绝缘体和导体（半导体也是绝缘体），其中绝缘体材料在其费米能处存在着有限大小的能隙，因而没有自由载流子；金属材料在费米能级处存在着有限的电子态密度，进而拥有自由载流子。而拓扑绝缘体是一类非常特殊的绝缘体，从理论上分析，这类材料的体内的能带结构是典型的绝缘体类型，在费米能处存在着能隙，然而在该类材料的表面则总是存在着穿越能隙的狄拉克型的电子态，因而导致其表面总是金属性的，可以导电。拓扑绝缘体这一特殊的电子结构，是由其能带结构的特殊拓扑性质所决定的。　 拓扑绝缘体材料的表面和边界是 能带结构表现为存在“狄拉克锥”，即能带有上下锥形相连的结构，处于锥边缘态的电子自旋会呈现涡旋排列，形成所谓自旋流并在磁场下表现出自旋霍尔效应。这也接近于普通的导电机理，但是也可以是超导体。　 拓扑绝缘体是这几年凝聚态物理学兴起的热点领域，其中涉及许多重要的物理现象和物理机制，同时意味着广阔的应用前景。比如通过研究拓扑绝缘体中电子自旋的运动方式，我们就可以设法控制和识别电子的自旋。 目前半导体器件仅仅是利用了电子的电荷性质，而且越来越小的电路元件使得电子的量子效应越明显，摩尔定律似乎已经走到了尽头。要想获得更多的信息处理容量，利用电子的另一个性质——自旋是一个非常明智的选择。 2. 什么是 霍尔效应 ？ 霍尔效应是电磁效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机制时发现的。当 电流 垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于 磁场 和电流方向的两个端面之间会出现 电势差 ，这一现象就是 霍尔效应 。这个电势差也被称为霍尔电势差。 霍尔于1880年发现 反常霍尔效应 ，就是不需要外加磁场 。 1980年，德国科学家冯·克利青 （Klaus von Klitzing） 发现 整数量子霍尔效应 ， 于1985年获得诺贝尔物理学奖。 1982年，美国科学家崔琦 （Daniel CheeTsui） 和施特默 （Horst L. Stormer） 发现 分数量子霍尔效应 ， 不久由美国物理学家劳弗林（Rober B. Laughlin）给出理论解释，三人共同获得1998年诺贝尔物理学奖。 在量子霍尔效应家族里，至此仍未被发现的效应是“ 量子反常霍尔效应 ”——不需要外加磁场的量子霍尔效应。 这里 请大家记住： 这个‘ 量子反常霍尔效应 ’是已经清楚知道存在的，没有原理上的任何问题，就差实验观测证实了。 3. 什么是 超导效应 ？　 就是说，普通的导体在一定温度下，电阻突然消失的现象。　　　 　 　 　　 1911年， 荷兰莱顿大学 的卡末林—昂内斯意外地发现，将汞冷却到-268.98℃时，汞的电阻突然消失；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡末林—昂内斯称之为超导态。卡茂林由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。 高温超导体：1986年1月 在美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验室中工作的科学家柏诺兹和缪勒，首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体，将超导温度提高到30K；紧接着，日本东京大学工学部又将超导温度提高到37K。 1987年1月初 日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到43K；不久日本综合电子研究所又将超导温度提高到46K和53K。 中国科学院物理研究所 由 赵忠贤 的研究组，获得了48.6K的锶镧铜氧系超导体，并看到这类物质有在70K发生转变的迹象。 1987年2月16日 美国国家科学基金会宣布， 朱经武 获得转变温度为98K的超导体。 1987年2月20日 中国 也宣布发现100K以上超导体。1987年3月3日，日本宣布发现123K超导体。 最近几年，日本人报道了新的铁基超导体，中国注入大批科研资金，跟风开展铁基超导研究。 超导方面有重大意义的原创工作还有两件：一是室温超导体， 这样才能真正进入实用， 二是，超导的基本原理， 这个方面至今远远没有解决。尽管给了好几次诺贝尔奖，但是那些理论成果都是盲人摸象，没有解决其真正问题。　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　 因为，拓扑绝缘体的表面导电性，可否有超导特性，应该有，但是不确定。如果证实有，那就是比较牛 ！这才是重大原创！ 　　　 　 　 　 　 下面开始解说这个中美大PK。 　　 　 中方：拓扑绝缘体方面的反常量子霍尔效应。 参与单位：清华大学和中科院北京物理所。领衔主演： 薛其坤 中国团队经过数年不懈探索和艰苦攻关，最近成功实现了“量子反常霍尔效应”。这是国际上该领域的 一项重要科学突破 ，该物理效应从理论研究到实验观测的全过程，都是由我国科学家独立完成。 该结果于2013年3月14日在Science上在线发表 杨振宁4月10日称赞其是诺贝尔奖级的成绩。 请注意：这是 一项重要科学突破， 地地道道的中国的本土工作。 但是没有任何悬念！ 　 美方：拓扑绝缘体方面的超导效应。 　 参加单位： 美国伊利诺伊大学香槟分校（ University of Illinois at Urbana-Champaign ）与布鲁克海文国家实验室（ Brookhaven National Laboratory ）。 美国 团队 已经测量了 拓扑绝缘体 块体材料的超导表面状态，因为此处电荷载体已被成功地耗尽。此项研究论文发表在4月9日的《自然通讯》（ Nature Communications ）杂志。 ——Sungjae Cho, Brian Dellabetta, Alina Yang, John Schneeloch, Zhijun Xu, Tonica Valla, Genda Gu, Matthew J. Gilbert, Nadya Mason. Symmetry protected Josephson supercurrents in three-dimensional topological insulators . Nature Communications , Volume: 4, Article number: 1689. DOI: 10.1038/ncomms2701 . Published 09 April 2013. 请注意：这项结果有悬念， 如果 后来能被证实是正确的，将来很有希望实现室温超导，那时候这件工作 一定会得到诺贝尔奖。算不上是 地地道道的美国的本土工作，作者中有中国人。 　 博主简单评述 ： 1. 这次中国团队的工作，我觉得跟诺奖完全无关。 2. 美国团队的工作需要别的团队证实是正确的，如果证实错误，那就是乌龙一个；如果证实争正确了，并且将来实现了更高 温度的超导，接近或者达到室温，那么这份工作肯定要授给诺奖。因此还需要继续前进。 3. 拓扑绝缘体现在这么热，股票市场的科技股都因为这个概念大涨。这个领域的开创者有好几位，相信将来一定会给诺奖，比较有希望的是 其中一位 华人，张首晟，以前我的博文里面多次提到过的： 由张首晟获2012年狄拉克奖叹落后的中国的科学研究前沿 庄小威 PK 张首晟，饶毅 PK 施一公，北大 PK 清华 一篇 2012 诺贝尔物理奖预测 一些诺贝尔奖级别的成果和工作 4. 科学最前沿的研究，拼的纯粹是智商，无关乎情商。尽管，我也殷切希望中国尽快能有重大原创性工作出出来。　　　　　　　 参考文献： “量子反常霍尔效应”研究获突破 http://paper.sciencenet.cn/htmlpaper/201331513142223128244.shtm 杨振宁盛赞中国科学家实验发现量子反常霍尔效应 http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2013/4/276620.shtm 薛其坤院士解释量子反常霍尔效应 http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2013/4/276680.shtm 【微博】清华可能要摊上大事了 http://blog.sciencenet.cn/blog-40615-678947.html 拓扑绝缘体的超导特质证明 tp://blog.sciencenet.cn/blog-212210-679197.html 　　
个人分类: 科普|20618 次阅读|99 个评论
[转载]什么叫半导体？
chnfirst 2013-2-20 22:41
http://wenda.tianya.cn/question/4bdbbe3709f641f6 什么叫半导体？ 导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，叫做半导体． 例如：锗、硅、砷化镓等． 半导体在科学技术，工农业生产和生活中有着广泛的应用．（例如： 电视、半导体收音机、电子计算机等）这是什么原因呢？下面介绍它 所具有的特殊的电学性能． (2)半导体的一些电学特性 ①压敏性：有的半导体在受到压力后电阻发生较大的变化． 用途：制成压敏元件，接入电路，测出电流变化，以确定压力的变化． ②热敏性：有的半导体在受热后电阻随温度升高而迅速减小． 用途：制成热敏电阻，用来测量很小范围内的温度变化． 添加评论 评论读取中... 请登录后再发表评论! 取消 不惊不休 | 2008-11-16 09:36:32 有 0 人 认为这个回答不错 | 有 0 人认为这个回答没有帮助 半导体材料（semiconductor material） 　　导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料，其电导率在10（U-3）～10（U-9）欧姆/厘米范围内。半导体材料的电学性质对光、热、电、磁等外界因素的变化十分敏感，在半导体材料中掺入少量杂质可以控制这类材料的电导率。正是利用半导体材料的这些性质，才制造出功能多样的半导体器件。 半导体材料是半导体工业的基础，它的发展对半导体技术的发展有极大的影响。半导体材料按化学成分和内部结构，大致可分为以下几类。1.元素半导体有锗、硅、硒、硼、碲、锑等。50年代，锗在半导体中占主导地位，但 锗半导体器件的耐高温和抗辐射性能较差，到60年代后期逐渐被硅材料取代。用硅制造的半导体器件，耐高温和抗辐射性能较好，特别适宜制作大功率器件。因此，硅已成为应用最多的一种增导体材料，目前的集成电路大多数是用硅材料制造的。2.化合物半导体由两种或两种以上的元素化合而成的半导体材料。它的种类很多，重要的有砷化镓、磷化锢、锑化锢、碳化硅、硫化镉及镓砷硅等。其中砷化镓是制造微波器件和集成电的重要材料。碳化硅由于其抗辐射能力强、耐高温和化学稳定性好，在航天技术领域有着广泛的应用。3.无定形半导体材料 用作半导体的玻璃是一种非晶体无定形半导体材料，分为氧化物玻璃和非氧化物玻璃两种。这类材料具有良好的开关和记忆特性和很强的抗辐射能力，主要用来制造阈值开关、记忆开关和固体显示器件。4.有机增导体材料已知的有机半导体材料有几十种，包括萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，目前尚未得到应用 。 　　 特性和参数 半导体材料的导电性对某些微量杂质极敏感。纯度很高的半导体材料称为本征半导体，常温下其电阻率很高，是电的不良导体。在高纯半导体材料中掺入适当杂质后，由于杂质原子提供导电载流子，使材料的电阻率大为降低。这种掺杂半导体常称为杂质半导体。杂质半导体靠导带电子导电的称N型半导体，靠价带空穴导电的称P型半导体。不同类型半导体间接触（构成PN结）或半导体与金属接触时，因电子（或空穴）浓度差而产生扩散，在接触处形成位垒，因而这类接触具有单向导电性。利用PN结的单向导电性，可以制成具有不同功能的半导体器件，如二极管、三极管、晶闸管等。此外，半导体材料的导电性对外界条件（如热、光、电、磁等因素）的变化非常敏感，据此可以制造各种敏感元件，用于信息转换。 　　半导体材料的特性参数有禁带宽度、电阻率、载流子迁移率、非平衡载流子寿命和位错密度。禁带宽度由半导体的电子态、原子组态决定，反映组成这种材料的原子中价电子从束缚状态激发到自由状态所需的能量。电阻率、载流子迁移率反映材料的导电能力。非平衡载流子寿命反映半导体材料在外界作用（如光或电场）下内部载流子由非平衡状态向平衡状态过渡的弛豫特性。位错是晶体中最常见的一类缺陷。位错密度用来衡量半导体单晶材料晶格完整性的程度，对于非晶态半导体材料，则没有这一参数。半导体材料的特性参数不仅能反映半导体材料与其他非半导体材料之间的差别 ，更重要的是能反映各种半导体材料之间甚至同一种材料在不同情况下，其特性的量值差别。 　　 种类 常用的半导体材料分为元素半导体和化合物半导体。元素半导体是由单一元素制成的半导体材料。主要有硅、锗、硒等，以硅、锗应用最广。化合物半导体分为二元系、三元系、多元系和有机化合物半导体。二元系化合物半导体有Ⅲ-Ⅴ族（如砷化镓、磷化镓、磷化铟等）、Ⅱ-Ⅵ族（如硫化镉、硒化镉、碲化锌、硫化锌等）、 Ⅳ-Ⅵ族（如硫化铅、硒化铅等） 、Ⅳ-Ⅳ族（如碳化硅）化合物。三元系和多元系化合物半导体主要为三元和多元固溶体，如镓铝砷固溶体、镓锗砷磷固溶体等。有机化合物半导体有萘、蒽、聚丙烯腈等，还处于研究阶段。此外，还有非晶态和液态半导体材料，这类半导体与晶态半导体的最大区别是不具有严格周期性排列的晶体结构。 　　 制备 不同的半导体器件对半导体材料有不同的形态要求，包括单晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等。半导体材料的不同形态要求对应不同的加工工艺。常用的半导体材料制备工艺有提纯、单晶的制备和薄膜外延生长。 　　所有的半导体材料都需要对原料进行提纯，要求的纯度在6个“9”以上 ，最高达11个“9”以上。提纯的方法分两大类，一类是不改变材料的化学组成进行提纯，称为物理提纯；另一类是把元素先变成化合物进行提纯，再将提纯后的化合物还原成元素，称为化学提纯。物理提纯的方法有真空蒸发、区域精制、拉晶提纯等，使用最多的是区域精制。化学提纯的主要方法有电解、络合、萃取、精馏等，使用最多的是精馏。由于每一种方法都有一定的局限性，因此常使用几种提纯方法相结合的工艺流程以获得合格的材料。 　　绝大多数半导体器件是在单晶片或以单晶片为衬底的外延片上作出的。成批量的半导体单晶都是用熔体生长法制成的。直拉法应用最广，80％的硅单晶、大部分锗单晶和锑化铟单晶是用此法生产的，其中硅单晶的最大直径已达300 毫米。在熔体中通入磁场的直拉法称为磁控拉晶法，用此法已生产出高均匀性硅单晶。在坩埚熔体表面加入液体覆盖剂称液封直拉法，用此法拉制砷化镓、磷化镓、磷化铟等分解压较大的单晶。悬浮区熔法的熔体不与容器接触，用此法生长高纯硅单晶。水平区熔法用以生产锗单晶。水平定向结晶法主要用于制备砷化镓单晶，而垂直定向结晶法用于制备碲化镉、砷化镓。用各种方法生产的体单晶再经过晶体定向、滚磨、作参考面、切片、磨片、倒角、抛光、腐蚀、清洗、检测、封装等全部或部分工序以提供相应的晶片。 　　在单晶衬底上生长单晶薄膜称为外延。外延的方法有气相、液相、固相、分子束外延等。工业生产使用的主要是化学气相外延，其次是液相外延。金属有机化合物气相外延和分子束外延则用于制备量子阱及超晶格等微结构。非晶、微晶、多晶薄膜多在玻璃、陶瓷、金属等衬底上用不同类型的化学气相沉积、磁控溅射等方法制成。 http://zhidao.baidu.com/question/2690163.html （semiconductormaterial）导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料，其电导率在10（U-3）～10（U-9）欧姆/厘米范围内。半导体材料的电学性质对光、热、电、磁等外界因素的变化十分敏感，在半导体材料中掺入少量杂质可以控制这类材料的电导率。正是利用半导体材料的这些性质，才制造出功能多样的半导体器件。半导体材料是半导体工业的基础，它的发展对半导体技术的发展有极大的影响。半导体材料按化学成分和内部结构，大致可分为以下几类。1.元素半导体有锗、硅、硒、硼、碲、锑等。50年代，锗在半导体中占主导地位，但锗半导体器件的耐高温和抗辐射性能较差，到60年代后期逐渐被硅材料取代。用硅制造的半导体器件，耐高温和抗辐射性能较好，特别适宜制作大功率器件。因此，硅已成为应用最多的一种增导体材料，目前的集成电路大多数是用硅材料制造的。2.化合物半导体由两种或两种以上的元素化合而成的半导体材料。它的种类很多，重要的有砷化镓、磷化锢、锑化锢、碳化硅、硫化镉及镓砷硅等。其中砷化镓是制造微波器件和集成电的重要材料。碳化硅由于其抗辐射能力强、耐高温和化学稳定性好，在航天技术领域有着广泛的应用。3.无定形半导体材料用作半导体的玻璃是一种非晶体无定形半导体材料，分为氧化物玻璃和非氧化物玻璃两种。这类材料具有良好的开关和记忆特性和很强的抗辐射能力，主要用来制造阈值开关、记忆开关和固体显示器件。4.有机增导体材料已知的有机半导体材料有几十种，包括萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，目前尚未得到应用。 === 以非晶态半导体材料为主体制成的固态电子器件。非晶态半导体虽然在整体上分子排列无序，但是仍具有单晶体的微观结构，因此具有许多特殊的性质。1975年，英国W.G.斯皮尔在辉光放电分解硅烷法制备的非晶硅薄膜中掺杂成功，使非晶硅薄膜的电阻率变化10个数量级，促进非晶态半导体器件的开发和应用。同单晶材料相比，非晶态半导体材料制备工艺简单，对衬底结构无特殊要求，易于大面积生长，掺杂后电阻率变化大，可以制成多种器件。非晶硅太阳能电池吸收系数大，转换效率高，面积大，已应用到计算器、电子表等商品中。非晶硅薄膜场效应管阵列可用作大面积液晶平面显示屏的寻址开关。利用某些硫系非晶态半导体材料的结构转变来记录和存储光电信息的器件已应用于计算机或控制系统中。利用非晶态薄膜的电荷存储和光电导特性可制成用于静态图像光电转换的静电复印机感光体和用于动态图像光电转换的电视摄像管的靶面。 具有半导体性质的非晶态材料。非晶态半导体是半导体的一个重要部分。50年代B.T.科洛米耶茨等人开始了对硫系玻璃的研究，当时很少有人注意，直到1968年S.R.奥弗申斯基关於用硫系薄膜制作开关器件的专利发表以后，才引起人们对非晶态半导体的兴趣。1975年W.E.斯皮尔等人在硅烷辉光放电分解制备的非晶硅中实现了掺杂效应，使控制电导和制造PN结成为可能，从而为非晶硅材料的应用开辟了广阔的前景。在理论方面，P.W.安德森和莫脱，N.F.建立了非晶态半导体的电子理论，并因而荣获1977年的诺贝尔物理学奖。目前无论在理论方面，还是在应用方面，非晶态半导体的研究正在很快地发展著。 分类 目前主要的非晶态半导体有两大类。 硫系玻璃。含硫族元素的非晶态半导体。例如As-Se、As-S，通常的制备方法是熔体冷却或汽相沉积。 四面体键非晶态半导体。如非晶Si、Ge、GaAs等，此类材料的非晶态不能用熔体冷却的办法来获得，只能用薄膜淀积的办法(如蒸发、溅射、辉光放电或化学汽相淀积等)，只要衬底温度足够低，淀积的薄膜就是非晶态结构。四面体键非晶态半导体材料的性质，与制备的工艺方法和工艺条件密切相关。图1 不同方法制备非晶硅的光吸收系数 给出了不同制备工艺的非晶硅光吸收系数谱，其中a、b制备工艺是硅烷辉光放电分解，衬底温度分别为500K和300K，c制备工艺是溅射，d制备工艺为蒸发。非晶硅的导电性质和光电导性质也与制备工艺密切相关。其实，硅烷辉光放电法制备的非晶硅中，含有大量H，有时又称为非晶的硅氢合金；不同工艺条件，氢含量不同，直接影响到材料的性质。与此相反，硫系玻璃的性质与制备方法关系不大。图2 汽相淀积溅射薄膜和熔体急冷成块体AsSeTe的光吸收系数谱 给出了一个典型的实例，用熔体冷却和溅射的办法制备的AsSeTe样品，它们的光吸收系数谱具有相同的曲线。 非晶态半导体的电子结构 非晶态与晶态半导体具有类似的基本能带结构，也有导带、价带和禁带(见固体的能带)。材料的基本能带结构主要取决於原子附近的状况，可以用化学键模型作定性的解释。以四面体键的非晶Ge、Si为例，Ge、Si中四个价电子经sp杂化，近邻原子的价电子之间形成共价键，其成键态对应於价带；反键态对应於导带。无论是Ge、Si的晶态还是非晶态，基本结合方式是相同的，只是在非晶态中键角和键长有一定程度的畸变，因而它们的基本能带结构是相类似的。然而，非晶态半导体中的电子态与晶态比较也有著本质的区别。晶态半导体的结构是周期有序的，或者说具有平移对称性，电子波函数是布洛赫函数，波矢是与平移对称性相联系的量子数，非晶态半导体不存在有周期性， 不再是好的量子数。晶态半导体中电子的运动是比较自由的，电子运动的平均自由程远大於原子间距；非晶态半导体中结构缺陷的畸变使得电子的平均自由程大大减小，当平均自由程接近原子间距的数量级时，在晶态半导体中建立起来的电子漂移运动的概念就变得没有意义了。非晶态半导体能带边态密度的变化不像晶态那样陡，而是拖有不同程度的带尾(如图3 非晶态半导体的态密度与能量的关系 所示)。非晶态半导体能带中的电子态分为两类：一类称为扩展态，另一类为局域态。处在扩展态的每个电子，为整个固体所共有，可以在固体整个尺度内找到；它在外场中运动类似於晶体中的电子；处在局域态的每个电子基本局限在某一区域，它的状态波函数只能在围绕某一点的一个不大尺度内显著不为零，它们需要靠声子的协助，进行跳跃式导电。在一个能带中，带中心部分为扩展态，带尾部分为局域态，它们之间有一分界处，如图4 非晶态半导体的扩展态、局域态和迁移率边 中的和，这个分界处称为迁移率边。1960年莫脱首先提出了迁移率边的概念。如果把迁移率看成是电子态能量的函数，莫脱认为在分界处和存在有迁移率的突变。局域态中的电子是跳跃式导电的，依靠与点阵振动交换能量，从一个局域态跳到另一个局域态，因而当温度趋向0K时，局域态电子迁移率趋於零。扩展态中电子导电类似於晶体中的电子，当趋於0K时，迁移率趋向有限值。莫脱进一步认为迁移率边对应於电子平均自由程接近於原子间距的情况，并定义这种情况下的电导率为最小金属化电导率。然而，目前围绕著迁移率边和最小金属化电导率仍有争论。 缺陷 非晶态半导体与晶态相比较，其中存在大量的缺陷。这些缺陷在禁带之中引入一系列局域能级，它们对非晶态半导体的电学和光学性质有著重要的影响。四面体键非晶态半导体和硫系玻璃，这两类非晶态半导体的缺陷有著显著的差别。 非晶硅中的缺陷主要是空位、微空洞。硅原子外层有四个价电子，正常情况应与近邻的四个硅原子形成四个共价键。存在有空位和微空洞使得有些硅原子周围四个近邻原子不足，而产生一些悬挂键，在中性悬挂键上有一个未成键的电子。悬挂键还有两种可能的带电状态：释放未成键的电子成为正电中心，这是施主态；接受第二个电子成为负电中心，这是受主态。它们对应的能级在禁带之中，分别称为施主和受主能级。因为受主态表示悬挂键上有两个电子占据的情况，两个电子间的库仑排斥作用，使得受主能级位置高於施主能级，称为正相关能。因此在一般情况下，悬挂键保持只有一个电子占据的中性状态，在实验中观察到悬挂键上未配对电子的自旋共振。1975年斯皮尔等人利用硅烷辉光放电的方法，首先实现非晶硅的掺杂效应，就是因为用这种办法制备的非晶硅中含有大量的氢，氢与悬挂键结合大大减少了缺陷态的数目。这些缺陷同时是有效的复合中心。为了提高非平衡载流子的寿命，也必须降低缺陷态密度。因此，控制非晶硅中的缺陷，成为目前材料制备中的关键问题之一。 硫系玻璃中缺陷的形式不是简单的悬挂键，而是“换价对”。最初，人们发现硫系玻璃与非晶硅不同，观察不到缺陷态上电子的自旋共振，针对这表面上的反常现象，莫脱等人根据安德森的负相关能的设想，提出了MDS模型。当缺陷态上占据两个电子时，会引起点阵的畸变，若由於畸变降低的能量超过电子间库仑排斥作用能，则表现出有负的相关能，这就意味著受主能级位於施主能级之下。用 D、D、D 分别代表缺陷上不占有、占有一个、占有两个电子的状态，负相关能意味著： 2D —→ D+D 是放热的。因而缺陷主要以D、D形式存在，不存在未配对电子，所以没有电子的自旋共振。不少人对D、D、D缺陷的结构作了分析。以非晶态硒为例，硒有六个价电子，可以形成两个共价键，通常呈链状结构，另外有两个未成键的 p电子称为孤对电子。在链的端点处相当於有一个中性悬挂键，这个悬挂键很可能发生畸变，与邻近的孤对电子成键并放出一个电子(形成D)，放出的电子与另一悬挂键结合成一对孤对电子(形成D)，如图 5 硫系玻璃的换价对 所示。因此又称这种D、D为换价对。由於库仑吸引作用，使得D、D通常是成对地紧密靠在一起，形成紧密换价对。硫系玻璃中成键方式只要有很小变化就可以形成一组紧密换价对，如图6 换价对的自增强效应 所示，它只需很小的能量，有自增强效应，因而这种缺陷的浓度通常是很高的。利用换价对模型可以解释硫属非晶态半导体的光致发光光谱、光致电子自旋共振等一系列实验现象。 应用 非晶态半导体在技术领域中的应用存在著很大的潜力，非晶硫早已广泛应用在复印技术中，由S.R.奥夫辛斯基首创的 As-Te-Ge-Si系玻璃半导体制作的电可改写主读存储器已有商品生产，利用光脉冲使碲微晶薄膜玻璃化这种性质制作的光存储器正在研制之中。对於非晶硅的应用目前研究最多的是太阳能电池。非晶硅比晶体硅制备工艺简单，易於做成大面积，非晶硅对於太阳光的吸收效率高，器件只需大约1微米厚的薄膜材料，因此，可望做成一种廉价的太阳能电池，现已受到能源专家的重视。最近已有人试验把非晶硅场效应晶体管用於液晶显示和集成电路。
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[转载]转载----在绝缘体上直接高温生长大面积石墨烯的机理
plgongcat 2012-7-10 09:00
在绝缘体上直接高温生长大面积石墨烯的机理 精选 已有 1740 次阅读 2012-7-6 12:22 | 个人分类: 投稿 | 系统分类: 论文交流 | 关键词:石墨烯 绝缘体 石墨烯是碳纳米电子学的核心材料，有望在高频晶体管等领域发挥重要作用。不 过，石墨烯晶体管目前尚处在原理论证的早期阶段，近期内尚不可能出现基于石墨烯晶体管的实用芯片。相比之下，另一方向，即作为透明电极这一被动元件，还是 很可能在短期内实现实用化的，三星等半导体公司正在抓紧研发。 毫无疑问，不管是那种电子应用，一般都希望将大面积、层数可控的石墨烯直接制备在绝 缘体或半导体上。但是，化学气相沉积法制被石墨烯一般需要金属催化剂，而后期这些催化剂与石墨烯的分离是个技术瓶颈。我们课题组是最早研究、实践在绝缘 体、半导体上直接生长石墨烯的课题组之一(Applied Physics Letters98(2011)252107)。最近，国际上从事这方面研究的课题组越来越多了，石墨烯的质量也不断提高。但是，关于其生长机理一直没有 明确的解释，大多数课题组以报道实验现象和结果为主。 今年，我们尝试解决这一问题，提出了非催化化学气相沉积石墨烯的机理，发表于2012年 Applied Physics Letters第100卷022102页。在碳纳米电子学界，长期以来许多人认为烃类没有金属催化剂的存在就不会分解，更不会形成石墨烯。经过仔细调研， 我们发现这种主流看法并不正确，因为早在二战以前，人们就已经用热解天然气的办法制备碳黑了，而这并不需要金属催化剂的存在。直到今天，这仍是工业界制备 碳黑的主流技术，当然具体细节改进了许多，但原理不变。碳黑是什么？这个名字听着不如石墨烯时髦和好听，但其实本质是一样的，都是sp2杂化的碳六角晶体 结构，区别是碳黑是一小块一小块杂乱堆积的，所以经常把它宏观上归类于无定形碳，但准确地说应该是纳米晶结构，我查阅了文献，这些早在二战以前就搞清楚 了。遗憾的是大家把它忽略了，所以认为没有金属就无法使烃类分解形成sp2结构，导致绝缘体上直接制备石墨烯长期以来被认为是个难题。近期个课题组相继报 道了一些结果，但大多被解释为绝缘体衬底催化生长所致。 如前所述，这种生长根本不需要催化，即使什么衬底都没有碳黑也照样生成，汽车轮胎里填充的 碳黑就是这么做出来的。现在，只需要放入一块能承受住高温的衬底，这些原本无所依靠的碳黑就会在表面自组织，形成具有一定织构的纳米晶石墨烯薄膜，而且是 连续、大面积的，层数宏观大体可控。衬底只是起个平面支撑作用，催化成分很少。不可否认，很多绝缘体确实有一定的催化石墨化作用，但大多需要在粉末状态。 要想催化，首先你得参与反应形成中间产物，然后再变回来。平面绝缘衬底的活性很差，把它的催化作用（即使有的话）说成主要因素非常勉强。 目前，催 化说没有强有力的证据可以支撑，而我们的理论不仅有早期文献可以支撑，而且在实验中可以轻易得到验证。比如，我们发现，不抛光的绝缘衬底上石墨烯生长比抛 光得快得多得多。这种现象，只能用我们的理论解释。由于石墨烯小块在落到衬底上以前就早形成了，所以当然粗糙的表面比较有利于它吸附，就长得快，当然由于 排列有序度差，这种薄膜长厚了以后是发黑的。相反，如果衬底催化作用是主要的，那衬底的粗糙度对薄膜生长速度的影响不会那么大，因为对单个原子来讲所谓粗 糙、平整的表面其实差别不太大。 本文引用地址： http://blog.sciencenet.cn/blog-604926-589435.html 由于石墨烯小块在反应气体中形成，这就从理论上限制了它的尺寸不可能太大，太大的石墨烯小块从物理上不稳定，（这 就是以前为什么有人预言石墨烯不会稳定存在）、化学上难实现。所以，在绝缘体上直接生长的石墨烯大多是小块拼成的，说得好听点叫纳米晶结构，用我们的理论 可以得到解释。这种纳米晶结构，我们已经用高分辨透射电镜、拉曼光谱、电子输运等手段证实了它的存在，详见Journal of Applied Physics111(2012)044103。 必须指出，我们不否认少许催化作用的可能性，但非催化机制绝对是主要的，这就是为什么这种石墨烯 可以在任何衬底上制成（得能受得了高温，千八百度！）。当然，没催化剂的生长比有金属催化剂的生长慢得多，需要的前驱物浓度也比较大，石墨烯结晶度也不 高。但是，它透明、导电，做电极足够了，（有时需要点掺杂），最重要的是不用把石墨烯从金属上拿下来转移，可以工业化应用！最近，我们首次把它长在了氮化 镓半导体表面，虽然还有一些问题需要改进，但很有前景，见工业杂志IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing,http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?tp=arnumber=6198364contentType=Early+Access+ArticlessortType%3Dasc_p_Sequence%26filter%3DAND%28p_IS_Number%3A5159394%29 最 后，我们的图像也不绝对排除以单个原子作为基本单元的生长模式，但是还是像前面所说的，那不是主要因素。但在分子束外延中当然就不一样了，石墨烯也可以用 分子束外延直接长到绝缘体上的，那时当然我们的理论就不适用了，那种石墨烯是从单个原子或至少是几个原子为基元长出来的。不过，由于没有催化剂的存在，它 也是纳米晶结构，而且质量和化学气相沉积的差不多。 总结一下，在大量实践的基础上，我们提出了在绝缘体上直接生长石墨烯的理论解释，希望对大家的碳纳米电子学研究有所帮助，并希望能对石墨烯透明电极的产业化有所贡献，早日用上石墨烯为电极的光电子器件！
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在绝缘体上直接高温生长大面积石墨烯的机理
热度 10 albertjefferson 2012-7-6 12:22
石墨烯是碳纳米电子学的核心材料，有望在高频晶体管等领域发挥重要作用。不过，石墨烯晶体管目前尚处在原理论证的早期阶段，近期内尚不可能出现基于石墨烯晶体管的实用芯片。相比之下，另一方向，即作为透明电极这一被动元件，还是很可能在短期内实现实用化的，三星等半导体公司正在抓紧研发。 毫无疑问，不管是那种电子应用，一般都希望将大面积、层数可控的石墨烯直接制备在绝缘体或半导体上。但是，化学气相沉积法制被石墨烯一般需要金属催化剂，而后期这些催化剂与石墨烯的分离是个技术瓶颈。我们课题组是最早研究、实践在绝缘体、半导体上直接生长石墨烯的课题组之一(Applied Physics Letters98(2011)252107)。最近，国际上从事这方面研究的课题组越来越多了，石墨烯的质量也不断提高。但是，关于其生长机理一直没有明确的解释，大多数课题组以报道实验现象和结果为主。 今年，我们尝试解决这一问题，提出了非催化化学气相沉积石墨烯的机理，发表于2012年Applied Physics Letters第100卷022102页。在碳纳米电子学界，长期以来许多人认为烃类没有金属催化剂的存在就不会分解，更不会形成石墨烯。经过仔细调研，我们发现这种主流看法并不正确，因为早在二战以前，人们就已经用热解天然气的办法制备碳黑了，而这并不需要金属催化剂的存在。直到今天，这仍是工业界制备碳黑的主流技术，当然具体细节改进了许多，但原理不变。碳黑是什么？这个名字听着不如石墨烯时髦和好听，但其实本质是一样的，都是sp2杂化的碳六角晶体结构，区别是碳黑是一小块一小块杂乱堆积的，所以经常把它宏观上归类于无定形碳，但准确地说应该是纳米晶结构，我查阅了文献，这些早在二战以前就搞清楚了。遗憾的是大家把它忽略了，所以认为没有金属就无法使烃类分解形成sp2结构，导致绝缘体上直接制备石墨烯长期以来被认为是个难题。近期个课题组相继报道了一些结果，但大多被解释为绝缘体衬底催化生长所致。 如前所述，这种生长根本不需要催化，即使什么衬底都没有碳黑也照样生成，汽车轮胎里填充的碳黑就是这么做出来的。现在，只需要放入一块能承受住高温的衬底，这些原本无所依靠的碳黑就会在表面自组织，形成具有一定织构的纳米晶石墨烯薄膜，而且是连续、大面积的，层数宏观大体可控。衬底只是起个平面支撑作用，催化成分很少。不可否认，很多绝缘体确实有一定的催化石墨化作用，但大多需要在粉末状态。要想催化，首先你得参与反应形成中间产物，然后再变回来。平面绝缘衬底的活性很差，把它的催化作用（即使有的话）说成主要因素非常勉强。 目前，催化说没有强有力的证据可以支撑，而我们的理论不仅有早期文献可以支撑，而且在实验中可以轻易得到验证。比如，我们发现，不抛光的绝缘衬底上石墨烯生长比抛光得快得多得多。这种现象，只能用我们的理论解释。由于石墨烯小块在落到衬底上以前就早形成了，所以当然粗糙的表面比较有利于它吸附，就长得快，当然由于排列有序度差，这种薄膜长厚了以后是发黑的。相反，如果衬底催化作用是主要的，那衬底的粗糙度对薄膜生长速度的影响不会那么大，因为对单个原子来讲所谓粗糙、平整的表面其实差别不太大。 由于石墨烯小块在反应气体中形成，这就从理论上限制了它的尺寸不可能太大，太大的石墨烯小块从物理上不稳定，（这就是以前为什么有人预言石墨烯不会稳定存在）、化学上难实现。所以，在绝缘体上直接生长的石墨烯大多是小块拼成的，说得好听点叫纳米晶结构，用我们的理论可以得到解释。这种纳米晶结构，我们已经用高分辨透射电镜、拉曼光谱、电子输运等手段证实了它的存在，详见Journal of Applied Physics111(2012)044103。 必须指出，我们不否认少许催化作用的可能性，但非催化机制绝对是主要的，这就是为什么这种石墨烯可以在任何衬底上制成（得能受得了高温，千八百度！）。当然，没催化剂的生长比有金属催化剂的生长慢得多，需要的前驱物浓度也比较大，石墨烯结晶度也不高。但是，它透明、导电，做电极足够了，（有时需要点掺杂），最重要的是不用把石墨烯从金属上拿下来转移，可以工业化应用！最近，我们首次把它长在了氮化镓半导体表面，虽然还有一些问题需要改进，但很有前景，见工业杂志IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing,http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?tp=arnumber=6198364contentType=Early+Access+ArticlessortType%3Dasc_p_Sequence%26filter%3DAND%28p_IS_Number%3A5159394%29 最后，我们的图像也不绝对排除以单个原子作为基本单元的生长模式，但是还是像前面所说的，那不是主要因素。但在分子束外延中当然就不一样了，石墨烯也可以用分子束外延直接长到绝缘体上的，那时当然我们的理论就不适用了，那种石墨烯是从单个原子或至少是几个原子为基元长出来的。不过，由于没有催化剂的存在，它也是纳米晶结构，而且质量和化学气相沉积的差不多。 总结一下，在大量实践的基础上，我们提出了在绝缘体上直接生长石墨烯的理论解释，希望对大家的碳纳米电子学研究有所帮助，并希望能对石墨烯透明电极的产业化有所贡献，早日用上石墨烯为电极的光电子器件！
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[转载]Quantum Gas_Y12M05W2
Veda 2012-5-11 14:22
2012-05-07 题目：用带间Bragg谱探测Bose绝缘体中准粒子的动力学 作者：Nicole Fabbri, Sebastian D. Huber, David Clément, Leonardo Fallani, Chiara Fort, Massimo Inguscio, Ehud Altman 来源： http://arxiv.org/abs/1109.1241v4 用实验和理论研究无耦合1D链中Mott绝缘体的动力学性质。对Bragg激发方案的理论分析说明带间跃迁谱抓住了绝缘体的单粒子Green函数的信息。尤其是，Mott态中量子涨落导致的粒子-空穴相干性在Bragg谱中清晰地看出并将其定量化。提出一种方案，直接测量完备的动量分辨谱函数，就像固体的ARPES得到的那样。 题目：新的拓扑结构暗示新的物质态 作者：Nils A. Baas 来源： http://arxiv.org/abs/1012.2698v3 将著名的Borromean Brunnian弦推广到更高阶形式。建议将冷气体中的Efimov态与Borromean Brunnian弦之间的联系推广到新的更高阶的联系。这产生新的可能的态的分级结构，其底部是Efimov态。 题目：物质波亮孤子在窄势垒处的碰撞 作者：John L. Helm, Thomas P. Billam, Simon A. Gardiner 来源： http://arxiv.org/abs/1203.3080v2 研究窄Gauss势垒微扰对聚焦非线性Schrodinger方程中快速移动亮孤子的影响。对于两个快速移动的亮孤子在势垒处发生的碰撞，给出一般性和综合性分析。在delta势垒的极限情形，采用准解析方法，用以说明出射波的相对模量对入射波的相对相位具有正弦依赖关系，并确定出射波的某一个，还是两个都是亮孤子。作者用数值模拟说明这种准解析结果在高速极限是成立的：在这个极限之外，非线性效应导致对相位依赖关系的偏离，作者确定了偏离值。最后用数值方法研究有限宽Gauss势垒的影响。作者认为他们的结果很重要，因为能用亮孤子描述大量的干涉实验。 题目：用可调冷费米原子模拟Friedmann-Robinson-Walker宇宙：与伽利略不变性不兼容 作者：Chi-Yong Lin, Da-Shin Lee, Ray J. Rivers 来源： http://arxiv.org/abs/1205.0133 在证明呈现“引力”的系列文章中，某些作者研究声速可调的BEC中产生声子的现象，重点是借此模拟FRW宇宙。其前提是，在这种系统中，无能隙模（声子）至少在小动量看起来是满足洛伦兹对称的。然而，在由Feshbach共振控制声速的冷费米气体中，由于有能隙模和无能隙模的相互影响，声子的产生是不可能摆脱伽利略不变性的。这些声子不遵从对FRW度规所预见的模式，与要达到的目的不相符。 题目：光腔中强关联波色子的超固体相 作者：Y.-Q. Li, L. He, W. Hofstetter 来源： http://arxiv.org/abs/1205.0813v1 题目：遵从内插统计的变形费米气体的高温行为 作者：Abdullah Algin, Mustafa Senay 来源： http://arxiv.org/abs/1205.0926v1 备注：Physical Review E 85, 041123 (2012) 题目：偶极BEC中的孤子分子 作者：Kazimierz ?akomy, Rejish Nath, Luis Santos 来源： http://arxiv.org/abs/1205.0982v1 题目：用矩阵乘积态研究非平衡动力学 作者：M. L. Wall, Lincoln D. Carr 来源： http://arxiv.org/abs/1205.1020 2012-05-08 题目：与超冷原子和分子偶极气体中介子凝聚的类似物 作者：Kenji Maeda (Univ. Tokyo), Tetsuo Hatsuda (RIKEN), Gordon Baym (Univ. Illinois) 来源： http://arxiv.org/abs/1205.1086 本文说明，致密核物质中介子凝聚的类似物能在具有大的磁或电偶极矩的费米原子或分子的超冷气体中实现。构造一种反铁层列-C相（antiferrosmectic-C），在密度大时，它的能量比费米气体的或铁向列相（ferronematic phase）的更低。反铁层列-C相（antiferrosmectic-C）指的是1D周期结构，其中费米子局域在层中，它们的赝自旋方向与层平面平行排布，层间依次交错。 题目：环状非线性格子上BEC的量子相变 作者：Zheng-Wei Zhou, Shao-Liang Zhang, Xiang-Fa Zhou, Guang-Can Guo, Xingxiang Zhou, Han Pu 来源： http://arxiv.org/abs/1205.1094 备注：Phys. Rev. A 83, 043626 (2011) 研究环上散射长度沿环周期调制的1D BEC中的相变。用修正Bogliubov方法在平均场近似下处理此非线性格子，发现当调制周期大于等于2时相变的级是不同的。基于时间演化块抽选算法（time-evolving block decimation algorithm ）所做的全量子化处理证实了平均场结果并揭示出系统所有的有趣的量子行为。该研究得到关于相变的竞争机理和该系统的量子属性的重要信息。 题目：无相互作用费米气体的动量分辨拉曼谱 作者：Pengjun Wang, Zhengkun Fu, Lianghui Huang, Jing Zhang 来源： http://arxiv.org/abs/1205.1110 备注：Phys. Rev. A 实验探查被俘获无相互作用$^{40}$K费米气体中的单体谱函数。实验结果与无相互作用区中预期的二次色散相符。与射频谱相比，拉曼谱展现出某些新特征。 题目：波色-费米混合物中在近似到相互作用半径的三次方时出现了孤子 作者：K. V. Zezyulin, P. A. Andreev, L. S. Kuz'menkov 来源： http://arxiv.org/abs/1205.1161 基于量子电动力学考虑玻色子和费米子的超冷混合物，分析小的扰动对系统的影响。若在相互作用分析中计入相互作用半径的三次方，可能会出现新型孤子解。若采用此近似，费米子之间的相互作用以显形式出现。研究了玻色子和费米子混合物中出现这类孤子的条件。发现对费米子之间的相互作用的限制条件，它对系统中出现这种微扰是必不可少的。展示了决定微扰到底是凝聚孤子还是稀薄孤子的条件。还考虑了在玻色子费米子混合物中实验探测新型孤子的必备条件。 题目：转移矩阵：一种几何的观点 作者：L. L. Sanchez-Soto, J. J. Monzon, A. G. Barriuso, J. F. Carinena 来源： http://arxiv.org/abs/1205.1318 备注：Physics Reports 513, 191 (2012) 对1D无损耗系统——包括各种例子，如超格子，光子晶体和光学共振腔——的转移矩阵研究做 出全面（comprehensive）和齐备（self-contained）的讨论。所有这些情形中，转移矩阵的代数性质与(2+1)维时空中洛伦兹群和构成abcd律结构的基础的幺模实矩阵的群相同，这解释了许多不清楚的细节。把转移矩阵作用量的几何解释阐释成到单位圆盘的映射，并运用一个简单的迹判据将这些系统分成三类，分别具有不同的几何和物理性质。将这种方法应用于实例，重点提出处理周期和准周期系统的备选方法。 题目：竞争序中非束缚巨涡旋 作者：Jonathan M. Fellows, Sam T. Carr, Christopher A. Hooley, J?rg Schmalian 来源： http://arxiv.org/abs/1205.1333 考虑一个具有两个序参量的2D系统，一个序参量的对称性是O(2) ，另一个的是 O($M$)，在参数空间的某个位置附近，两个序参量耦合成一个O($2+M$) 序参量。虽然O(2)对称部分产生涡旋激发，当趋近高对称点时，这些涡旋必将消失。发展了一种变分论证，表明涡旋核的尺寸以 $1/\sqrt{\Delta}$律发散，而O(2) 序的BKT转变 （Berezinskii-Kosterlitz-Thouless ）温度以$1/\ln(1/\Delta)$律减小到零，其中$\Delta$是到高对称点的距离。重整化群分析不仅证实了上述物理图像，而且进一步给出对数修正并证明在涡旋核内对称性完全恢复。 题目：用GHz声学声子动态调制光子晶体的纳米腔（nanocavity） 作者：Daniel A. Fuhrmann, Susanna M. Thon, Hyochul Kim, Dirk Bouwmeester, Pierre M. Petroff, Achim Wixforth, Hubert J. Krenner 来源： http://arxiv.org/abs/1205.1346 备注：Nature Photonics 5, 605-609 (2011) 光子晶体膜（PCM，Photonic crystal membranes）为单片（on-chip）调控光子的量子线路提供了一种用途广泛的平面的平台。一个主要的量子元件是由纳米腔和单个量子点（QD）组成的耦合系统，它形成了复杂的量子信息网络和单光子控制的腔量子电动力学（cQED）的基本构筑模块。至今仍方法无在系统相干时间内实现快速调节。 作者展示，用频率超过1.7GHz的表面声波（SAW）形成的单色相干声学声子——比别的方法快一个量级——进行动态调节。解决了光学模超出自身线宽8倍的周期调制（？），既保持模的空间形状又保持高的品质因素。既然PCMs囚禁（confine）光子和声子激发并将光学频率和声学频率耦合在一起，这项技术开启了通向相干声学控制光机晶体（optomechanical crystal）的道路。 题目：抖动光格子中的非阿贝尔规范场和拓扑绝缘体 作者：Philipp Hauke, Olivier Tielemann, Alessio Celi, Christoph ?lschl?ger, Juliette Simonet, Julian Struck, Malte Weinberg, Patrick Windpassinger, Klaus Sengstock, Maciej Lewenstein, André Eckardt 来源： http://arxiv.org/abs/1205.1398 具有时间周期的驱动提供了一种 简便（low-demanding）方法以在光格子中产生人造规范场。本文说明，对于操控2D光格子系统，这是一种功能强大且用途广泛的工具。展示怎样在抖动的kagom\'e 格子中调节阻挫和产生并控制能带接触点，如 Dirac锥。提出在受到抖动的自旋依赖六角格子中，实现拓扑绝缘体或量子自旋霍尔绝缘体。以方格子为例，描述怎样用超格子调制来实现 人造强磁场。最后，以受到抖动的自旋依赖方格子为例，发展了产生非阿贝尔强规范场的一种方法。 题目：振荡势垒散射作用：量子，经典以及半经典情形之间的比较 作者：Tommy A. Byrd, Megan K. Ivory, Andrew J. Pyle, Seth Aubin, Kevin A. Mitchell, John B. Delos, Kunal K. Das 来源： http://arxiv.org/abs/1205.1484 用三种不同的物理方法——量子的，经典的和半经典的——详细研究调幅势垒的散射作用。经典物理对被散射粒子的能量和动量给以限制，也提供了半经典理论的基础。用半经典方法有选择地加入量子力学效应，如干涉和衍射。发现量子的和半经典的动量分布很好地符合。该方法及其结果能用以理解涉及含时势——如量子抽运——的输运机理的量子特性和经典特性。 题目：波色气体的塌缩：运动学方法 作者：Shyamal Biswas 来源： http://arxiv.org/abs/0804.2990 备注：Pramana-Journal of Physics（一个印度杂志） 引入一种 Hartree-Fock 近似下的运动学方法，解析研究，被简谐势俘获并在低于凝聚温度时， 相互吸引波色子气体发生塌缩的临界粒子数对温度的依赖关系。用这种简易方法得到的温度依赖关系与标度理论得到的一致。 题目：以相互作用半径三次方建模得到准1D BEC中的类亮（bright-like soliton）孤子解 作者：P. A. Andreev, L. S. Kuzmenkov 来源： http://arxiv.org/abs/1105.5537v4 非线性 Schr\"{o}dinger 方程和对应的量子电动力学（QHD）方程广泛应用于对超冷波色子-费米子混合物和超导体的研究中。本文要说明，若考虑比 Gross-Pitaevskii (GP)近似更精确地相互作用形式，BEC中将存在新型孤子。使用的是以相互作用半径三次方(TOIR)建模的 QHD 方程组，只考虑到相互作用的一次方得到的就是GP方程。解析得到孤子解对粒子浓度的表达式并研究存在孤子解的条件。说明了相互作用为排斥时存在什么样的解。 实验中早已实现$10^{12}$-$10^{14}$ $cm^{-3}$量级的粒子浓度，若散射 长度为1 $\mu$m量级——可以用Feshbach 共振实现——就存在孤子解。这是存在新解的一种极限情形。对应的散射长度随粒子浓度增大而减小。研究TOIR近似的影响给出关于原子间相互作用势的更详细信息，能用于对势结构更详细的研究。 题目：凝聚态中多体系统的量子运动方程 作者：V.I. Gerasimenko, Zh.A. Tsvir 来源： http://arxiv.org/abs/1109.1998 用单粒子密度算符研描述量子多体系统的状态演化，这能构造，初始时刻存在粒子状态关联——例如表征凝聚态的关联——的标度极限下的运动方程。 题目：量子反常，普适关系和2D费米气体的呼吸模 作者：Johannes Hofmann 来源： http://arxiv.org/abs/1112.1384v3 备注：Phys.Rev.Lett.108,185303 (2012) 被简谐势俘获的2D费米气体，其经典的 SO(2,1) 对称性被量子效应破除。对称代数的反常修正有著名的接触型二体算符给定。考虑这个修正后，能推导系统的 virial 定理和均匀气体压强的一个普适关系。存在欠阻尼呼吸模与经典对称性有关。提供对这种振荡的反常频移的估计值并与最近的实验 作比较。把两者间的分歧归因于有限温度效应。 题目：周期介质和波导中对增益放大（gain enhancement）的基本限制 作者：Jure Grgi?, Johan Raunkj?r Ott, Fengwen Wang, Ole Sigmund, Antti-Pekka Jauho, Jesper M?rk, N. Asger Mortensen 来源： http://arxiv.org/abs/1202.4911v2 备注：Phys. Rev. Lett. 108, 183903 (2012) 补偿光学纳米结构中损耗的一种通用方法是在系统中附加增益材料（gain material）。利用慢光效应（slow-light effect），预计增益能被放大到块体值（bulk value）以上。作者说明，这种方法不能不加鉴别地继承：计入增益不可避免地修正色散律，因此降低了构成器件操作和增益放大基础的慢光性质。这种降低具有普遍性，作者以现下感兴趣的三种不同的系统（耦合共振器光波导，Bragg叠片，和光子晶体波导）证明之。然而，少量的额外增益可能是有益的。 题目：拓扑轨道梯子 作者：Xiaopeng Li, Erhai Zhao, W. Vincent Liu 来源： http://arxiv.org/abs/1205.0254 题目：受到自旋轨道耦合的强极化2D费米气体中的分子和极化子 作者：Wei Yi, Wei Zhang 来源： http://arxiv.org/abs/1204.6476v2 2012-05-09 题目:测量在光格子中波色子淬灭动力学中纠缠的增长 作者：A. J. Daley, H. Pichler, J. Schachenmayer, P. Zoller 来源： http://arxiv.org/abs/1205.1521v1 讨论一种方案，测量在光格子中波色原子的淬灭动力学过程中多体纠缠的增长。利用1D或2D装置制备同一个态的两份复本，作者说明怎样用复本间的隧穿耦合和格点占据数的宇称提取任意阶的Renyi 熵，正如实验中所做的那样。用Bose-Hubbard模型中的超流-Mott绝缘体淬灭以及硬核波色子中演示这些想法，并展示这种方案对测量中的瑕疵具有不敏感性。 题目：2D费米气体中低能标度不变 作者：Edward Taylor, Mohit Randeria 来源： http://arxiv.org/abs/1205.1525 最近关于2D费米气体的单极呼吸模显示与相互作用无关的标度不变行为，这促使作者推导了在整个 BCS-BEC 跨接区和任意温度都成立的两个精确结果。将模的频率相对两倍俘获阱频率的平移与d维$\gamma_d \equiv (1+2/d)P-\rho(\partial P/\partial\rho)_s$联系在一起。 接着展示，对标度不变的偏离的量度$\gamma_d$，就等价于体粘滞谱函数的低能求和规则。论证2D——其耦合常数对密度有对数依赖关系——是很特别的，并论证在BCS和BEC区$\gamma_2$都是小量，尽管 $P-2\varepsilon/d$——它对破除标度不变的二体束缚能标是敏感的——不是个小量。 题目：电磁声子超流中的耗散孤子和涡旋 作者：Elena A. Ostrovskaya, Jasur Abdullaev, Anton S. Desyatnikov, Michael D. Fraser, Yuri S. Kivshar 来源： http://arxiv.org/abs/1205.1570v1 研究的是，在受到和未受到简谐俘获势的两种情况和非共振空间不均匀光抽运条件下，微腔中激子-电磁声子BEC的空间局域化和动力学稳定性。采用开放-耗散的Gross-Pitaevskii 方程描述被非相干抽运的电磁声子凝聚物与激子库的耦合，揭示出，定态凝聚物发生空间局域化，将其归因于空间不均匀抽运所支撑的电磁声子流产生的等效自俘获，不管是否存在外势。准粒子间有排斥相互作用的电磁声子凝聚物的基态表示一个动力学稳定的耗散亮孤子。作者还研究以单荷涡旋形式存在的角动量非零的空间局域化结构得以保持的条件。 题目：波色-费米混合物中的多体效应 作者：Kazuto Noda, Robert Peters, Norio Kawakami, Thomas Pruschke 来源： http://arxiv.org/abs/1205.1578v1 备注：Physical Review A 85, 043628 (2012) 使用一般化的动力学平均场理论与数值重整化群的组合，研究载入光格子的相互作用波色子和费米子混合物的多体效应。存在波色子超流时，强关联效应呈现出来，这导致费米子态密度在费米能级附近出现重整化的峰结构。引人注目的是，这种强重整化效应不仅出现在费米子的金属相中，也出现于其绝缘相，如空带或满带极限。系统分析准粒子重量（weight）和超流动性强度之间的关系，表明重整化效应的确是波色子自由度导致的。这种重整化还与波色子超流动性和费米子密度波有序构成的超固态相有关系。这阐明了超固态相中峰结构的起源。 题目：激子-电磁声子超流中的Bénard-von Kármán涡街（vortex street） 作者：Hiroki Saito, Tomohiko Aioi, Tsuyoshi Kadokura 来源： http://arxiv.org/abs/1205.1611v1 2012-05-10 题目：三角格子上波色-波色混合物的量子相 作者：Liang He, Yongqiang Li, Ehud Altman, Walter Hofstetter 来源： http://arxiv.org/abs/1205.1806v1 用玻色子动力学平均场方法（BDMFT）研究三角格子上波色-波色混合物的零温量子相。考虑总填充因子等于1的情形，几何涨落来自不对称跳跃。得到的基态相图包括xy-铁磁，超流，超固态相。特别强调，对强不对称跳迁辨别出一个条纹SDW相。在SDW上面，普遍存在弱CDW序。 题目：1D声学格子中电磁声子凝聚物的空间相干性 作者：O. Tsyplyatyev, D. M. Whittaker 来源： http://arxiv.org/abs/1205.1827v1 讨论能确定1D线上电磁声子凝聚物的空间相干性的几种机理。考虑的机理包括电磁声子-电磁声子相互作用，无序散射和有限动量模的非平衡占据。分析了各种情形下，所得空间相干函数 g1(x) 的形状。将结果与声学格子中电磁声子凝聚物的实验数据 做比较，得出如下结论： g1(x) 的形状只能用非平衡效应解释，实验系统中大约有10个模被占据。 题目：用原子对分子做腔介无碰撞交感冷却（Cavity-meidated collisionless sympathetic cooling ） 作者：Guangjiong Dong, Chang Wang, Weiping Zhang 来源： http://arxiv.org/abs/1205.1876v1 在分子物理和化学中，将各种分子冷却到超低温是个困难但重要的具有挑战性的问题。分子的集体腔介冷却是个有前途的方法，它对分子能级无特别的依赖性， 原则上能应用于各种分子。然而，由于缺少启动所需的冷分子，使实验操作变得很困难。作者展示，在腔内用大量原子组成的系综将分子高效地集体交感冷却到亚-mK温是可行的。这种新型交感冷却的基础不是原子和分子之间的直接碰撞，而是利用它们与腔场的相互作用实现热化。判别出两种重要的机理，包括：（1）原子对抽运光的高效散射得出腔光场的剧烈放大；（2）原子和分子间的腔介集体相互作用。展示实现最大冷却功率的最优腔失谐，它对原子和分子数目具有依赖关系。确定分子抽运强度的阈值，当原子数远大于分子数时它对分子数无依赖关系。与单种分子的强冷却 相比，它能减小几个量级。用这种交感腔冷却方法在高品质腔内将分子冷却到亚-mK，在实验能验证的范围之内。 题目：腔中多组分系综的自组织和交感冷却（Selforganisation and sympathetic cooling ） 作者：Tobias Grie$\beta$er, Wolfgang Niedenzu, Helmut Ritsch 来源： http://arxiv.org/abs/1106.2340v1 作者预言，在高品质腔模内受到激光照射的可极化粒子的多组分系综能实现同时自组织和冷却。激光到腔中的共振集体散射所产生的光学势，在抽运功率以上使均匀粒子分布转变成所有组分的晶体序。外加任意质量和温度的其它粒子总是降低自建序所需的抽运功率并允许原子——它已实现高的相空间密度——与其它种类的原子，分子甚至可极化的纳米粒子，被同时俘获。集体散射使不同种类粒子无需直接碰撞就能交换能量。解析计算阈值条件，能量通量和得到的平衡态相空间分布，并展示，通过外加轻粒子形成的冷库，腔介能量转移增强了重粒子的冷却速率。大量的多体数值模拟支持给出的运动学解析模型。 题目：超冷原子旋转凝聚物中对称性自发破除 作者：Armen Sedrakian 来源： http://arxiv.org/abs/1205.1965v1 描述被俘获原子旋转凝聚物的新型平衡态， 当凝聚物的三个半长轴（major semi-axis）具有不同值，它表征为非零内部环量和O(2)旋转对称性的自发破除。凝聚物的宏观旋转由大量的量子化涡旋支持，后者的数密度是内部环量的函数。计算新型态的振荡模并判定与对称性丧失有关的Goldstone模。 讨论了实验证实新型态的可能方法。 题目：旋量BEC：关于对称性，磁性和量子动力学的研究 作者：Dan M. Stamper-Kurn, Masahito Ueda 来源： http://arxiv.org/abs/1205.1888v1 备注：综述，57pp 旋量BEC形成的一类量子流体既表现出磁序又表现出超流动性。本文综述为理解这些流体的静态和动力学性质已获得的实验和理论进展。研究了系统性质与原子态的旋转对称性以及相互作用之间的联系。在综述用于表征旋量气体的实验技术之后，讨论了它们的多体平均场基态——包括孤立情形和施加破除对称性的外场的情形。这些态做为出发点，用以理解低能动力学，自旋织构和拓扑缺陷，磁偶极相互作用的影响，以及自旋混合的各种非平衡集体现象。本文致力于在大量关于旋量波色气体的工作之间建起联系并阐明其中的连贯性，以便指出未解决的问题和今后的研究机遇。 题目：超冷原子中共振五体重组 作者：A. Zenesini, B. Huang, M. Berninger, S. Besler, H.-C. N?gerl, F. Ferlaino, R. Grimm, Chris H. Greene, J. von Stecher 来源： http://arxiv.org/abs/1205.1921v1 理论和实验结合研究Ce原子超冷气体中的五体重组。精细的理论模型与散射长度的灵活可调性，使作者能够计算和测量五体共振重组速率。新观测到的重组最大位置与最近的理论预言相符，对预言的与Efimov三体有关的一类普适团簇态是和强有力的支持。 题目：具有高角动量态的二分量Bose-Hubbard模型 作者：J. Pietraszewicz, T. Sowinski, M. Brewczyk, J. Zakrzewski, M. Lewenstein, M. Gajda 来源： http://arxiv.org/abs/1104.2512v3 研究旋量Cr原子的二组分超冷气体。将磁矩间的偶极相互作用用极弱磁场调至共振，就能使自旋翻转。由于每个格点都接近轴对称，总角动量是守恒的。因此，任何自旋的变化都伴随着轨道角动量的产生。这种方法能产生角动量非零的Wannier激发态。二组分波色气体的共振偶极耦合引入额外的控制自由度，这导致各种不同的稳定相。讨论了小粒子数情形下的相图。 题目：窄Feshbach共振费米海中的单个杂质：对极化子（polaronic）分支和二聚物（dimeronic）分支的变分研究 作者：Christian Trefzger (LKB - Lhomond), Yvan Castin (LKB - Lhomond) 来源： http://arxiv.org/abs/1112.4364v2 研究单个质量M的杂质浸没于质量m的粒子的费米海中。杂质与费米子通过s-波窄Feshbach共振相互作用，因此Feshbach长度 $R_*$自然地出现在系统中。用简单的变分方法，只考虑不超过一对粒子-空穴激发的情形，对极化子分支和二聚物分支确定相图，包括绝对基态，局部极小，热力学不稳定区（等效质量为负），以及复能量区（虚部为负）。还确定了闭通道的布居数，这是实验能测量的。最后辨别能得到解析结果的非平庸若吸引极限，尤其是极化子分支和二聚物分支的交叉点。 题目：具有时标分级结构的多体系统的Bogliubov理论的一种推广：第二Josephson振荡的量子力学 作者：M. P. Strzys, J. R. Anglin 来源： http://arxiv.org/abs/1112.5040v2 题目：1D费米子的力程效应（interaction-range effect） 作者：Martin Hohenadler, Stefan Wessel, Maria Daghofer, Fakher F. Assaad 来源： http://arxiv.org/abs/1201.3626v2 备注：Phys. Rev. B 85, 195115 (2012) 题目：幺正费米气体的普适状态方程 作者：R. K. Bhaduri, W. van Dijk, M. V. N. Murthy 来源： http://arxiv.org/abs/1201.6281v2 备注：To be published in Physical Review Letters 2011-05-11 题目：2D流动软核玻色子的平均场和稳定性分析 作者： Masaya Kunimi, Yusuke Kato 来源： http://arxiv.org/abs/1205.2126v1 解 Gross-Pitaevskii 和 Bogoliubov 方程，得到2D流流动软核波色子系统的稳定相相图，包括超流，超固和条纹相。得到每种相的激发谱。 题目：来自3D人造自旋-轨道耦合的拓扑四元凝聚（quaternionic condensation）和Hopf不变量 作者：Yi Li, Xiangfa Zhou, Congjun Wu 来源： http://arxiv.org/abs/1205.2162v1 研究被简谐阱俘获且受到 3D $\vec{\sigma}\cdot \vec{p}$ 型自旋-轨道（SO）耦合的二分量玻色子的非传统凝聚。凝聚波函数的拓扑在四元表示中一目了然，从坐标空间映射到四元相空间$S^3$展现skyrmion组态。自旋密度分布将坐标空间映射到具有非零Hopf不变量的$S^2$布洛赫球。 增大SO耦合强度，自旋织构从同心环分布演化到弱相互作用下的格子。强相互作用将凝聚变成自旋极化的平面波态，或者显示螺旋自旋旋转（helical spin spiral）的两个平面波的叠加态。 题目：快速旋转二组分波色气体中的量子霍尔（Hall）效应 作者：Shunsuke Furukawa, Masahito Ueda 来源： http://arxiv.org/abs/1205.2169 用环面上的精确对角化研究快速旋转二组分（或赝自旋-1/2）波色气体的腔关联相。若接触力与赝自旋无关，在填充因子 $\nu=k/3+k/3$ （每种分量的填充因子为k/3，k是整数 ）时，形成有能隙的自旋单重态。数值方法证明，k=2时有能隙态可用非阿贝尔自旋单重（NASS）态很好地描述，激发表现为非阿贝尔统计。通过改变组分间与组分内相互作用之比，发生从单组分复合费米子到NASS态的相变。 题目：在1D谐振子和格子的组合俘获势中两个原子的Born-Oppenheimer描述 作者：Ole S?e S?rensen, Klaus M?lmer 来源： http://arxiv.org/abs/1205.2231 在紧束缚，最近邻隧穿，和强吸引相互作用情形，相对运动和质心运动的时标不同，因此能像 Born-Oppenheimer近似那样将问题分解。 题目： 电磁声子凝聚物中超流动对形成涡旋的影响 作者：C. Anton, G. Tosi, M. D. Martin, L. Vina, A. Lemaitre, J. Bloch 来源： http://arxiv.org/abs/1205.2313v1 用抽运波矢为特定有限值的高斯型光学短脉冲，仔细分析在电磁声子光学参量振荡器（optical parametric oscillator，OPO）的信号态中电磁声子涡旋-反涡旋对的产生和湮灭。对发射的时间分辨干涉分析能提取被扰动凝聚物的相位并揭示脉冲探针产生的超流动动力学。当该流与OPO信号流反向时，导致拓扑缺陷的出现。 题目：二组分BEC中畴壁湮灭导致涡旋形成 作者：Hiromitsu Takeuchi, Kenichi Kasamatsu, Muneto Nitta, Makoto Tsubota 来源： http://arxiv.org/abs/1205.2328v1 理论研究相分离二组分BEC中畴壁碰撞产生的涡旋。 题目：BEC中的快子（Tachyon）凝聚 作者：Hiromitsu Takeuchi, Kenichi Kasamatsu, Makoto Tsubota, Muneto Nitta 来源： http://arxiv.org/abs/1205.2330v1 用原子BEC模拟膜宇宙学中膜对湮灭导致的快子（Tachyon）凝聚。 题目：具有人造自旋-轨道耦合的Bose-Hubbard模型：Mott绝缘体，自旋织构和超流动性 作者：William S. Cole, Shizhong Zhang, Arun Paramekanti, Nandini Trivedi 来源： http://arxiv.org/abs/1205.2319v1 题目：准1D波色气体热平衡态中的自发孤子 作者：T. Karpiuk, P. Deuar, P. Bienias, E. Witkowska, K. Pawlowski, M. Gajda, K. Rzazewski, M. Brewczyk 来源： http://arxiv.org/abs/1205.2363v1 1D气体中孤子自发形成的原因已被提到的有：Kibble-Zurek机理，快速蒸发冷却，和量子淬灭后的动力学过程。作者认为根本无需这些外力或微扰，弱相互作用的细长形波色气体在热平衡态中，孤子能自然形成。 题目：1D中相互作用无序玻色子的相变 作者：Zoran Ristivojevic, Aleksandra Petkovi?, Pierre Le Doussal, Thierry Giamarchi 来源： http://arxiv.org/abs/1205.2105v1 用波色化和重整化群研究1D中超流态到可压缩玻璃态的转变。 题目：自旋-轨道耦合的Mott绝缘体中的量子自旋模型 作者：Juraj Radic, Andrea Di Ciolo, Kai Sun, Victor Galitski 来源： http://arxiv.org/abs/1205.2110v1 题目：不稳定量子钟摆的非平衡动力学 作者：C.S. Gerving, T.M. Hoang, B.J. Land, M. Anquez, C.D. Hamley, M.S. Chapman 来源： http://arxiv.org/abs/1205.2121v1 题目：用于自旋电子学的涨落关系 作者：Rosa Lopez, Jong Soo Lim, David Sanchez 来源： http://arxiv.org/abs/1205.2266v1 备注：Phys. Rev. Lett
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[转载]计算能带图分析
热度 1 gfeng 2011-11-25 10:48
能带图的横坐标是在模型对称性基础上取的K点。为什么要取K点呢？因为晶体的周期性使得薛定谔方程的解也具有了周期性。按照对称性取K点，可以保证以最小的计算量获得最全的能量特征解。能带图横坐标是K点，其实就是倒格空间中的几何点。其中最重要也最简单的就是gamma那个点，因为这个点在任何几何结构中都具有对称性，所以在castep里，有个最简单的K点选择，就是那个gamma选项。纵坐标是能量。那么能带图应该就是表示了研究体系中，各个具有对称性位置的点的能量。我们所得到的体系总能量，应该就是整个体系各个点能量的加和。 记得氢原子的能量线吧？能带图中的能量带就像是氢原子中的每条能量线都拉宽为一个带。通过能带图，能把价带和导带看出来。在castep里，分析能带结构的时候给定scissors这个选项某个值，就可以加大价带和导带之间的空隙，把绝缘体的价带和导带清楚地区分出来。 DOS叫态密度，也就是体系各个状态的密度，各个能量状态的密度。从DOS图也可以清晰地看出带隙、价带、导带的位置。要理解DOS，需要将能带图和DOS结合起来。分析的时候，如果选择了full，就会把体系的总态密度显示出来，如果选择了PDOS，就可以分别把体系的s、p、d、f状态的态密度分别显示出来。还有一点要注意的是，如果在分析的时候你选择了单个原子，那么显示出来的就是这个原子的态密度。否则显示的就是整个体系原子的态密度。要把周期性结构能量由于微扰裂分成各个能带这个概念印在脑袋里。 最后还有一点，这里所有的能带图和DOS的讨论都是针对体系中的所有电子展开的。研究的是体系中所有电子的能量状态。根据量子力学假设，由于原子核的质量远远大于电子，因此奥本海默假设原子核是静止不动的，电子围绕原子核以某一概率在某个时刻出现。我们经常提到的总能量，就是体系电子的总能量。 这些是我看书的体会，不一定准确，大家多多批评啊！ 摘要：本文总结了对于第一原理计算工作的结果分析的三个重要方面，以及各自的若干要点用第一原理计算软件开展的工作，分析结果主要是从以下三个方面进行定性/定量的讨论： 1、电荷密度图（charge density）； 2、能带结构（Energy Band Structure）； 3、态密度（Density of States，简称DOS）。 电荷密度图是以图的形式出现在文章中，非常直观，因此对于一般的入门级研究人员来讲不会有任何的疑问。唯一需要注意的就是这种分析的种种衍生形式，比如差分电荷密图（def-ormation charge density）和二次差分图（difference charge density）等等，加自旋极化的工作还可能有自旋极化电荷密度图（spin-polarized charge density）。所谓“差分”是指原子组成体系（团簇）之后电荷的重新分布，“二次”是指同一个体系化学成分或者几何构型改变之后电荷的重新分布，因此通过这种差分图可以很直观地看出体系中个原子的成键情况。通过电荷聚集（accumulation）/损失（depletion）的具体空间分布，看成键的极性强弱；通过某格点附近的电荷分布形状判断成键的轨道（这个主要是对d轨道的分析，对于s或者p轨道的形状分析我还没有见过）。分析总电荷密度图的方法类似，不过相对而言，这种图所携带的信息量较小。 能带结构分析现在在各个领域的第一原理计算工作中用得非常普遍了。但是因为能带这个概念本身的抽象性，对于能带的分析是让初学者最感头痛的地方。关于能带理论本身，我在这篇文章中不想涉及，这里只考虑已得到的能带，如何能从里面看出有用的信息。首先当然可以看出这个体系是金属、半导体还是绝缘体。判断的标准是看费米能级和导带（也即在高对称点附近近似成开口向上的抛物线形状的能带）是否相交，若相交，则为金属，否则为半导体或者绝缘体。对于本征半导体，还可以看出是直接能隙还是间接能隙：如果导带的最低点和价带的最高点在同一个k点处，则为直接能隙，否则为间接能隙。在具体工作中，情况要复杂得多，而且各种领域中感兴趣的方面彼此相差很大，分析不可能像上述分析一样直观和普适。不过仍然可以总结出一些经验性的规律来。主要有以下几点： 1） 因为目前的计算大多采用超单胞（supercell）的形式，在一个单胞里有几十个原子以及上百个电子，所以得到的能带图往往在远低于费米能级处非常平坦，也非常密集。原则上讲，这个区域的能带并不具备多大的解说/阅读价值。因此，不要被这种现象吓住，一般的工作中，我们主要关心的还是费米能级附近的能带形状。 2） 能带的宽窄在能带的分析中占据很重要的位置。能带越宽，也即在能带图中的起伏越大，说明处于这个带中的电子有效质量越小、非局域（non-local）的程度越大、组成这条能带的原子轨道扩展性越强。如果形状近似于抛物线形状，一般而言会被冠以类sp带（sp-like band）之名。反之，一条比较窄的能带表明对应于这条能带的本征态主要是由局域于某个格点的原子轨道组成，这条带上的电子局域性非常强，有效质量相对较大。 3） 如果体系为掺杂的非本征半导体，注意与本征半导体的能带结构图进行对比，一般而言在能隙处会出现一条新的、比较窄的能带。这就是通常所谓的杂质态(doping state)，或者按照掺杂半导体的类型称为受主态或者施主态。 4） 关于自旋极化的能带，一般是画出两幅图：majority spin和minority spin。经典的说，分别代表自旋向上和自旋向下的轨道所组成的能带结构。注意它们在费米能级处的差异。如果费米能级与majority spin的能带图相交而处于minority spin的能隙中，则此体系具有明显的自旋极化现象，而该体系也可称之为半金属（half metal）。因为majority spin与费米能级相交的能带主要由杂质原子轨道组成，所以也可以此为出发点讨论杂质的磁性特征。 5） 做界面问题时，衬底材料的能带图显得非常重要，各高对称点之间有可能出现不同的情况。具体地说，在某两点之间，费米能级与能带相交；而在另外的k的区间上，费米能级正好处在导带和价带之间。这样，衬底材料就呈现出各项异性：对于前者，呈现金属性，而对于后者，呈现绝缘性。因此，有的工作是通过某种材料的能带图而选择不同的面作为生长面。具体的分析应该结合试验结果给出。（如果我没记错的话，物理所薛其坤研究员曾经分析过$\\beta$-Fe的(100)和(111)面对应的能带。有兴趣的读者可进一步查阅资料。） 原则上讲，态密度可以作为能带结构的一个可视化结果。很多分析和能带的分析结果可以一一对应，很多术语也和能带分析相通。但是因为它更直观，因此在结果讨论中用得比能带分析更广泛一些。简要总结分析要点如下： 1） 在整个能量区间之内分布较为平均、没有局域尖峰的DOS，对应的是类sp带，表明电子的非局域化性质很强。相反，对于一般的过渡金属而言，d轨道的DOS一般是一个很大的尖峰，说明d电子相对比较局域，相应的能带也比较窄。 2） 从DOS图也可分析能隙特性：若费米能级处于DOS值为零的区间中，说明该体系是半导体或绝缘体；若有分波DOS跨过费米能级，则该体系是金属。此外，可以画出分波（PDOS）和局域（LDOS）两种态密度，更加细致的研究在各点处的分波成键情况。 3） 从DOS图中还可引入“赝能隙”（pseudogap）的概念。也即在费米能级两侧分别有两个尖峰。而两个尖峰之间的DOS并不为零。赝能隙直接反映了该体系成键的共价性的强弱：越宽，说明共价性越强。如果分析的是局域态密度（LDOS），那么赝能隙反映的则是相邻两个原子成键的强弱：赝能隙越宽，说明两个原子成键越强。上述分析的理论基础可从紧束缚理论出发得到解释：实际上，可以认为赝能隙的宽度直接和Hamiltonian矩阵的非对角元相关，彼此间成单调递增的函数关系。 4） 对于自旋极化的体系，与能带分析类似，也应该将majority spin和minority spin分别画出，若费米能级与majority的DOS相交而处于minority的DOS的能隙之中，可以说明该体系的自旋极化。 5） 考虑LDOS，如果相邻原子的LDOS在同一个能量上同时出现了尖峰，则我们将其称之为杂化峰（hybridized peak），这个概念直观地向我们展示了相邻原子之间的作用强弱。 以上是本人基于文献调研所总结的一些关于第一原理工作的结果分析要点。期冀能对刚进入这个领域内的科研工作者有所启发。受本人的水平所限，文章的内容可能会有理论上的不足甚至错误之处，希望大家指出，共同发展第一原理计算物理的方法和研究内容。 smering是什么意思 我个人的理解是这样的：由于金属的能带有可能穿越fermi能级，从而引起总能计算时的不连续变化（这个我不知道为什么？）。为了避免这种情况，需要引入分数的占据态。在castep中0k下的计算，是将单电子能级采用Gaussian函数展宽，展开宽度就是smearing width。然而，由于展宽了单电子能级相当于增加了有限的温度，所以必须修正以得到0k下的结果。另外，smearing的另一个作用是可以增加总能计算的收敛性。
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[转载]口译语块4
syfox 2011-10-2 13:21
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Edinburgh 爱丁堡大学 Univ. Munich 慕尼黑大学 Univ. Pennsylvania 宾夕法尼亚大学 Univ. Toronto 多伦多大学 vocational school 职业学校 Yale 耶鲁大学 television and radio broadcasting university 电视广播大学 correspondence school 函授学院 night school for adults 成人夜校 amateur arts / athletic school 业余艺术 / 体育学校 middle / high school affiliated to … 附中 on-the-job training course 在职进修班 political and ideological education 政治思想教育 to become educated through independent study 自学成才 scholarship; fellowship; financial grant 奖学金 a grant-aided student 领取助学金的学生 board expenses 伙食费 food allowance 伙食补助 Ph. D. candidate 博士生 postdoctoral 博士后 graduation appraisal 毕业鉴定 graduate placement 毕业生分配 supervisor of Ph. D. candidate / doctoral advisor 博导 the national higher education exams for self- taught adults 自学考试 adult education 成人教育 update one's knowledge 充电 elementary education 初等教育 college town 大学城 college community 大学社区 associate degree 大专文凭 mark; grade 分数 academic record; school record 学习成绩 transcript 成绩单 paper （大学） ;thesis （研） ;dissertation （博）毕业论文 internship; field work 实习 graduation ceremony; commencement 毕业典礼 certificate 毕业证书 higher education 高等教育 the "211 Project" for higher education 高等教育 "211 工程 " institution of higher education 高等学府 comprehensive university 综合性大学 colleges of (liberal) arts 文科院校 college / university of science and engineering 理工科大学 teachers' college / normal college 师范学院 polytechnic university 工科大学 college of agriculture 农学院 medical school 医学院 institute of traditional Chinese medicine (TCM) 中医院 music school 音乐学院 academy of fine arts 美术学院 high scores and low abilities (university / college) entrance examination 高考 the college expansion plan 高校扩招 highschool equivalency 高中同等学力 radio and television university 广播电视大学 National Proficiency Test of Putonghua (Mandarin) 国家普通话水平考试 correspondence university 函授大学 professor 教授 associate professor 副教授 visiting professor; guest professor 客座教授 lecturer 讲师 assistant 助教 assistant for political and ideological work 辅导员 teaching and research section / group 教研室 / 组 pedagogy; teaching method 教学法 education circle 教育界 input in education 教育投入
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[转载]拓扑绝缘体
patrick2010 2011-7-20 19:58
拓扑绝缘体是一种内部绝缘，界面允许电荷移动的材料。 在拓扑绝缘体的内部，电子能带结构和常规的绝缘体相似，其费米能级位于导带和价带之间。在拓扑绝缘体的表面存在一些特殊的量子态，这些量子态位于块体能带结构的带隙之中，从而允许导电。这些量子态可以用类似拓扑学中的亏格的整数表征，是拓扑有序的一个特例。 拓扑保护的边缘状态（一维）在碲化汞 / 碲化镉量子阱中被预言， 随后由实验观测证实。 很快拓扑绝缘体又被预言存在于含铋的二元化合物三维固体中。 第一个实验实现的三维拓扑绝缘体在锑化铋中被观察到， 随后不同实验组又通过角分辨光电子谱的方法，在锑，碲化铋，硒化铋，碲化锑中观察到了拓扑保护的表面量子态。 现在人们相信，在其他一些材料体系中，也存在拓扑绝缘态。 在这些材料中，由于自然存在的缺陷，费米能级实际上或是位于导带或是位于价带，必须通过掺杂或者通过改变其电势将费米能级调节到禁带之中。 类似的边缘效应同样出现于量子霍尔效应之中，但仅在强垂直磁场，低温的二维系统中出现。 参见 Moore, Joel. The Birth of Topological Insulators. Nature. 2010, 464 (7286): 194. doi:10.1038/nature08916. PMID 20220837. Kane, C. L.; Mele, E. J.. A New Spin on the Insulating State. Science. 2006, 314 (5806): 1692. doi:10.1126/science.1136573. PMID 17170283. Kane, C.L.. Topological Insulator: An Insulator with a Twist. Nature. 2008, 4 (5): 348. doi:10.1038/nphys955. Witze, Alexandra. Topological Insulators: Physics On the Edge. Science News. 2010. Brumfield, Geoff. Topological insulators: Star material : Nature News. Nature. 2010, 466 (7304): 310–311 . doi:10.1038/466310a. PMID 20631773. Murakami, Shuichi. Focus on Topological Insulators. New Journal of Physics. 2010. 参考文献 ^ Kane, C. L.; Mele, E. J.. Z2 Topological Order and the Quantum Spin Hall Effect. Physical Review Letters. 30. September 2005, 95 (14): 146802. doi:10.1103/PhysRevLett.95.146802. ^ Bernevig, B. Andrei; Taylor L. Hughes, Shou-Cheng Zhang. Quantum Spin Hall Effect and Topological Phase Transition in HgTe Quantum Wells. Science. 2006-12-15, 314 (5806): 1757–1761 . doi:10.1126/science.1133734. PMID 17170299. ^ Konig, Markus; Steffen Wiedmann, Christoph Brune, Andreas Roth, Hartmut Buhmann, Laurens W. Molenkamp, Xiao-Liang Qi, Shou-Cheng Zhang. Quantum Spin Hall Insulator State in HgTe Quantum Wells. Science. 2007-11-02, 318 (5851): 766–770 . doi:10.1126/science.1148047. PMID 17885096. ^ Fu, Liang; C. L. Kane. Topological insulators with inversion symmetry. Physical Review B. 2007-07-02, 76 (4): 045302 . doi:10.1103/PhysRevB.76.045302. Shuichi Murakami. Phase transition between the quantum spin Hall and insulator phases in 3D: emergence of a topological gapless phase. New Journal of Physics. 2007, 9 (9): 356–356 . doi:10.1088/1367-2630/9/9/356. ISSN 1367-2630. ^ Hsieh, D.; D. Qian, L. Wray, Y. Xia, Y. S. Hor, R. J. Cava M. Z. Hasan. A Topological Dirac insulator in a 3D quantum spin Hall phase. Nature. 2008, 452 (9): 970–974 . doi:10.1038/nature06843. PMID 18432240. ^ Hasan, M. Z; C. L Kane. Topological Insulators. 1002.3895. 2010-02-20 . ^ Lin, Hsin; L. Andrew Wray, Yuqi Xia, Suyang Xu, Shuang Jia, Robert J. Cava, Arun Bansil, M. Zahid Hasan. Half-Heusler ternary compounds as new multifunctional experimental platforms for topological quantum phenomena. Nat Mater. 2010-07, 9 (7): 546–549 . doi:10.1038/nmat2771. ISSN 1476-1122. PMID 20512153. ^ Hsieh, D.; Y. Xia, D. Qian, L. Wray, F. Meier, J. H. Dil, J. Osterwalder, L. Patthey, A. V. Fedorov, H. Lin, A. Bansil, D. Grauer, Y. S. Hor, R. J. Cava, M. Z. Hasan. Observation of Time-Reversal-Protected Single-Dirac-Cone Topological-Insulator States in Bi2Te3 and Sb2Te3. Physical Review Letters. 2009, 103 (14): 146401 . doi:10.1103/PhysRevLett.103.146401. PMID 19905585. ^ Noh, H.-J.; H. Koh, S.-J. Oh, J.-H. Park, H.-D. Kim, J. D. Rameau, T. Valla, T. E. Kidd, P. D. Johnson, Y. Hu and Q. Li. Spin-orbit interaction effect in the electronic structure of Bi2Te3 observed by angle-resolved photoemission spectroscopy. EPL Europhysics Letters. 2008, 81 (5): 57006 . doi:10.1209/0295-5075/81/57006.
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[转载]vasp 与castep的区别
robin7777 2011-6-7 14:25
基本的原理差不多。有些算法有差别。 Castep: PW + Norm conserving PP or Ultrasoft PP vasp: PW + Ultrasoft PP or PAW potential -- vasp的pseudopotenital库要比castep的完整。 计算磁性vasp也要比castep的好，能处理好几种特殊的情况，比如： Non-collinear calculations 和spin orbit coupling vasp实现了L(S)DA+U或GGA+U， VASP还在MD方面的能力要比Castep强大的多，而且也好不逊色于CPMD。 （记得那个文献有提到说，vasp在对金属体系做MD要好于CPMD，在对半导体或绝缘体 体系做MD也与CPMD不相上下） Castep的一个好处，是实现在Material Studio中，建模和画图很方便。不过我也只用它 建模而以。鼠标点击，好像很容易入门。。 Castep能计算声子色散曲线（好像只能采用Norm conserving PP）。其实vasp也可以， 不过要结合其他的一个程序PHONON(名字好像是这个，可这个程序要money,只能下载到 demo版）。
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[转载]Abinit计算程序介绍
jwl189 2011-5-15 09:36
简介：ABINIT的主程序使用赝势和平面波，用密度泛函理论计算总能量，电荷密度，分子和周期性固体的电子结构，进行几何优化和分子动力学模拟，用TDDFT（对分子）或GW近似（多体微扰理论）计算激发态。此外还提供了大量的工具程序。程序的基组库包括了元素周期表1-109号所有元素。ABINIT适于固体物理，材料科学，化学和材料工程的研究，包括固体，分子，材料的表面，以及界面，如导体、半导体、绝缘体和金属。 功能： 可以计算很多物理属性： A. 计算倒格子中核与电子的总能量。 A.1. 计算使用平面波和赝势。 A.2. 总能量的计算使用密度泛函理论（DFT）。可以使用大多数重要的局域密度近似 (LDA)，包括Perdew-Zunger近似。可以使用两种不同的局域自旋密度(LSD)，包括Perdew Wang 92和M. Teter的LSD。还可以使用Perdew-Burke-Ernzerhof，revPBE，RPBE和HCTH等GGA (自旋极化和非极化)。 A.3. 自恰场计算生成DFT基态，以及相关的能量和密度。此后的非自恰计算可以对能带结构的大量k-点产生本征能量。态密度的计算即可以用四面体方法，也可以用模糊技术。 A.4. 程序可以使用多种不同的赝势。对整个周期表适用的有两种：Troullier-Martins型和Goedecker型（这种类型包括自旋-轨道耦合）。如果需要的话，有四个代码可以产生新的赝势。 A.5. 程序本身可以处理金属和绝缘体系。 A.6. 晶胞可以是正交或者非正交。计算可以输入任何对称性及相应的k-点集。 A.7. 电子体系可以用自旋极化和自旋非极化计算。一个特殊的选项可以有效地处理反铁磁性。可以对总能量计算非共线的磁性（不能用于力，张量，相应函数...）。可以禁止晶胞的总磁矩。 A.8. 总能量，力，张量和电子结构的计算可以考虑自旋-轨道耦合。 A.9. 能量可分解为不同的成分（局域势，XC，Hartree...）。 A.10. 计算内部电子本征值。 A.11. 230个空间群和1191个Shubnikov磁群的对称性分析。 B. 计算总能量和本征能量 B.1. 用解析公式计算Hellman-Feynman力。 B.2. 计算应力。 B.3. 极化的计算。 B.4. 响应的计算。 B.5. 计算近似的和准确的磁化系数矩阵和介电矩阵。 B.6. 解析计算电子本征能量的导数。 B.7. 计算光学传导性。 B.8. Born有效电荷的能带分解，以及局域化张量的计算。 C. 激发态 C.1. 用GW近似计算电离能和亲和能。 C.2. 用TDDFT计算原子和分子的（单重、三重）激发态和振荡强度。 D. 移动原子，改变晶胞参数 D.1. 用不同的方法寻找平衡构型。可以同时优化晶胞参数。优化过程中如果需要的话，可以固定指定的晶胞参数，角度，或原子位置。 D.2. 有两种算法进行分子动力学计算。 D.3. 自动分析键长键角。原子坐标的格式支持用可视化软件XMOL显示。 E. 分析和图形工具 E.1. 后期处理程序cut3d用于分析密度和势文件。它还可以改变文件格式，提取2D明面或者1D线。此外还可以分析波函文件。 E.2. 另一个后期处理程序aim，用于进行Bader的“原子中的分子”（AIM）密度分析。 E.3. 对可视化程序产生格式化数据：键结构（用XMGR显示），不同参数的总能量（用XMGR显示），电荷密度（3D轮廓线，先用cut3d，再用商业程序matlab；cut3d也可以产生2D密度图）。 E.4. 后期处理程序band2eps自动画出eps格式的声子散射曲线。
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实验室搬迁纪实---UCLA MBE Lab
balancewang 2011-5-12 15:25
实验室搬迁纪实---UCLA MBE Lab
实验室搬迁是个很浩大的工程，特别是大型精密仪器的拆迁，需要精心的策划和合理的安排。经过9天的努力，搬迁安装工作已基本完成，现在正好回顾一下，作为以后工作的参考，希望对别人也有点用处。 基本情况：原来3楼两个房间有3台固体源MBE（1台GaAs纳米线，1台GeMn稀磁半导体，1台拓扑绝缘体），需搬到一个大房间中（在另一栋楼的一层）。搬迁人员8个，其中有一个是请的MBE专家，另4个博士后加3学生。 老板要求必须在2个星期内全部恢复正常运行。时间紧，任务重！修博士1，2个月前就开始了初期的准备工作，包括实验室的设计，MBE摆放的具体位置，各种电源的需要，气路，水路怎么走等等，需要不停的跟相关人员（电工，水工，设备管理人员等）咨询讨论。这个前期准备至关重要，这项工作的好坏直接决定着搬迁是否能顺利进行。这点，修博士做了非常细致的工作，直接画出了新实验的平面设计图，并标出所有仪器摆放的位置尺寸，电源插头的位置，水电的接口位置，为这次圆满完成的搬迁工作奠定了坚实的基础。 有了全面细致的设计图，搬迁工作就有了核心。接下来就要详细的制定搬迁计划，那台先搬，那台后搬，怎么搬，设计好搬迁路线，详细列出搬迁所需要工具。根据新实验室的设计，GaAs那台在最里面，应先搬进去，然后是那台拓扑绝缘体的，最后是门口那台GeMn的。但拆仪器的工作可以同时进行，MBE专家临场指导。我，Liang，xinxin负责拓扑绝缘体的，发哥，xufeng负责GeMn的，Guan哥，jiapu负责GaAs的。其中GaAs和GeMn的MBE非常旧了，大概30年没有动了，线路混乱，工作量巨大。由于拓扑绝缘体MBE是去年5月份才开始搭建好的，没有太多变化，相对比较简单。我们先Vent整个MBE系统，卸载所有水路，等Vent好了后，我们就不停的卸载螺丝，当然这之前最重要的就是做标记，要拆的每根线标记号，要拆卸的每个法兰标记好，属于每个法兰的螺丝用手套装好，用胶布粘在旁边。专家说了，所有比较精密的部件都得卸下来，因为运输过程中难免有震动，当然最重要的莫过于各种Effusion Cell（固体源）。其他的则可以整体搬过去。整个MBE分成3大块，Chamber，transfer tube,power/control rack。所有卸下的窗口都要用铝箔纸密封好，卸下来的部件也要用铝箔纸包好。 我们搞定后，就帮其他2台MBE的拆卸。30年的沉淀了，这2台MBE的线混成一团，我们只能一根根的清理了，但整个程序都差不多，一步步来把这2台也分装好。其中，GaAs有毒，所以卸载时要带上防毒面具，带好手套。3台MBE都已经准备好搬迁了，早前也约好了重型的叉车，就开始搬迁了。我们开始把重型部件都运到一层，然后用叉车运到新实验室。叉车很给力的，虽然路不平，但一路还非常顺利。其实整个运输过程就花了大概3个多小时，接下来就是组装工作了。俗话说的好，拆东西容易，组装难啊！ 首先，按照设计图纸，把所有大部件的位置固定好。我们开始安装拓扑绝缘体MBE，开始装Effusion Cell，然后把chamber和transfer tube连起来，测试样品传输系统，然后把剩下的窗口都装好。其中要特别注意的是每个法兰都得用新的垫圈，放垫圈前用丙酮把端口擦干净，拧螺丝的时候力道要均匀，对角线交替拧，一般重复3-4次，最后挨个检查松紧。其实这个组装的过程是一个很好的修补仪器的机会。1，各种源可以加满；2，玻璃窗口被镀膜的可以去刻蚀掉；3， source shuttle 污垢可以去沙磨掉（sand blast）；如果shuttle被拆，装好后，先通气测试其是否正常工作；4，原来坏的东西这次有专家在必需花时间修好；5，chamber里的脏东西可以用吸尘器清理掉，这里强调一定要用开口比较细的塑料管（开口比较大的管可能会引起腔内颗粒飞扬到各个cell中去，引起交叉污染）。这次我们要专家帮我们修了很多东西，包括cracker，transfer的线，shuttle等。 组装好后，开始测试系统。首先看真空，cryo pump工作正常，ion pump也工作正常，真空好后，Rheed正常，RGA正常，再测试各个Cell的加温情况，与以前的记录数据想比较，我们有5个正常，还有一个不太正常，所以明天还得Vent再查看原因，初步分析测温系统那个地方有短路了。其他2台MBE也是类似的程序，基本能正常工作，至此，搬迁工作算是比较圆满的完成了，专家明天离开UCLA，9天3万多美金，好羡慕啊！有技术还是很好挣钱啊！当然了，有问题还可以电话咨询，Mike非常nice，事无巨细给你解释非常清楚。 回顾整个过程，感觉还是非常的顺利！这与发哥的前期工作做的非常好是离不开的。从中我更是学到了非常多实用的实验技能和组织技巧，虽然对于MBE还只是入门级别，但拆装机器让我对MBE有了更深刻的认识和理解，感谢Mike，发哥，Liang哥，Guan哥耐心的指导，也感谢Xufeng，xinxin，Jiapu的帮助，让我受益匪浅，获益终生~ ~！！ 后记： 不正常的Cell卸下来，发现测温的线周围很多碎屑使其短路，清理好再装上正常运行了。下一步检查漏气，其实我们应该先检查漏气再看Cell是否正常工作。检查过程中，我们还真发现几处漏气的，于是再把螺丝拧紧，而其中Tube有一处漏气没有办法解决，应该是老伤了，因为我们没有卸过，估计是垫圈不好使了，但现在也没有什么好办法了，真空还是在原来的水平，所以就开始做校准，长样品了。
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APS March会议感想
热度 1 balancewang 2011-3-27 15:48
本来没有打算参加Dallas这次会议，但组里很多人都去，又有拓扑绝缘体的专题讲座，加上自己又恰好在美国，就 决定去参加。马上注册，定好机票及宾馆，还好用的是自己的钱，一切看似非常顺利，就等会议开始。总得 来说，收获还是蛮大的，感受和总结如下： 1. 大！这次我参加过规模最大的一次，号称有7000多人，其实从我们组有10个人参加就可见一斑了。老板也 去了，虽然没有报告，我们还有3个没有报告，主要目的是去学习拓扑绝缘体。 2. 累！报告8点开始，我们一般6:30起来，吃早餐，到了会场就差不多了，然后听一天的报告，晚上Social ，再讨论下就到11点了，11:30开始睡觉。 3. 热的超热，冷的超冷！拓扑绝缘体超热，5天会场都是爆满还包括会前的专题讲座。但传统的金属什么， 缺陷的就显得非常冷清。 4. 拓扑绝缘还在升温，石墨烯已经开始降温，从会场的听众情况可见一斑。 5. 虽然MBE生长在升温，但手撕的似乎质量更好，更容易得到好的输运结果。但要做器件，还得样品的可控 性好，MBE可在这方面加强，否则拼不过那帮撕得。 6. 做拓扑绝缘体大部分是华人，好不热闹啊！竞争非常激烈，得找好突破口。 7. 拓扑绝缘体主要５大研究领域： 1）理论预测及各种器件的设计 2）输运性能 3）ARPES 4）STM 5）ＭＢ Ｅ生长。这几个领域都已被人占领，哪里有特色的方向呢？得多想想！ ８．国内几大牛校有招待会，热闹非凡，物理所与北大联合，人太多，场地小，吃的不太好，没有坐的地方 。隔天清华，场地大，人也多，有座位，吃得挺好的。赞下薛老师他们准备的好。还有南大，科大也有，由 于冲突没有参加。混吃的感觉也真好，总认得那么几个人就好。 花絮 １．宾馆定错了，只能跟同事同挤一个房间，还好房间比较大，还可以加床。 ２．宾馆有台球桌，几天下来，大家水平有质的飞跃。 ３．好不容易找到家湖南饭馆，一进去发现伙计，厨师都是老外，吵得菜那是一个难吃了得。明显上当了。 ４．肯尼迪遭暗杀的地方（马路上），划了两把叉以示纪念。 ５．最高的楼７２层，我猜了６０层左右。宾馆前面的牛有４９头，我猜了３０头左右。误差蛮大。
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[转载]绝缘体中也存在“库珀电子对”
wliming 2011-3-6 01:25
美国物理学家最近惊讶地发现，库珀电子对不仅存在于超导体中，它们在绝缘体中同样能够形成。这一成果十分重要，连Cooper本人也给予了高度评价。相关论文发表在11月23日的《科学》杂志上。 一个世纪前，荷兰物理学家Kamerlingh Onnes在金属中发现了低温超导现象。直到1957年，理论物理学家John Bardeen、Leon Cooper和Robert Schrieffer才揭开了超导现象的奥秘。他们提出的BCS理论表明，超导材料中的电子成对存在，即所谓的“库珀对”，并且会在材料中平稳而无限地流动。 在BCS理论提出50周年之际，美国的物理学家又写下了令人惊讶的一笔。布朗大学的James Valles领导的小组研究发现，库珀对不仅仅形成于超导体中，在绝缘体中同样存在。论文第一作者、布朗大学的Michael Stewart注意到，此前一些论文表示，库珀对可能在特定条件下的电绝缘体中存在，因此他决定亲自对这一违反直觉的结论进行检验。“我并没有抱太大希望，但得到的结果却让我吃惊，”Stewart说。 研究利用的绝缘体是一种稀有金属——铋。在较厚的情况下，铋可以是良好的超导体，但在较薄的情况下，它又诡异地变为绝缘体。 研究人员在一个直径50纳米、多孔蜂窝结构的模板上镀了一层超薄铋膜（几个原子厚度），并将温度逐渐接近绝对零度。由于该材料厚度的差异，它会表现出绝缘体和超导体的转变。当该材料表现为绝缘体时，研究人员利用外加磁场探测到了磁致电阻导致的电流变化，表明了库珀对的存在。 研究人员认为，尽管库珀对在超导体和绝缘体中都能存在，但它们的行为和表现形式是不同的。在超导体中，电子对之间相互联系并且以线性的方式移动，从而创造出持续的电流。而在绝缘体中，库珀电子对应该是在独立自旋。Stewart表示，“库珀对确实形成了，但彼此之间的状态是隔离的。” 新的发现有助于加深科学家对超导现象的理解，连诺将得主Cooper自己也表示，新的发现对认识量子效应有重要意义。“这一引人注目的结论提醒我们，只要不断探索，意想不到的重要发现就在前方等候。”他说。（科学网 任霄鹏/编译） （《科学》（ Science ），Vol. 318. no. 5854, pp. 1273 - 1275，M. D. Stewart, Jr., James M. Valles, Jr.） Superconducting Pair Correlations in an Amorphous Insulating Nanohoneycomb Film M. D. Stewart Jr. 1 , Aijun Yin 2 , J. M. Xu 1 , 2 and James M. Valles Jr. 1 , * + Author Affiliations 1 Department of Physics, Brown University, 182 Hope Street, Providence, RI 02912, USA. 2 Division of Engineering, Brown University, 182 Hope Street, Providence, RI 02912, USA. * To whom correspondence should be addressed. E-mail: valles@physics.brown.edu Abstract The Cooper pairing mechanism that binds single electrons to form pairs in metals allows electrons to circumvent the exclusion principle and condense into a single superconducting or zero-resistance state. We present results from an amorphous bismuth film system patterned with a nanohoneycomb array of holes, which undergoes a thickness-tuned insulator-superconductor transition. The insulating films exhibit activated resistances and magnetoresistance oscillations dictated by the superconducting flux quantum h /2 e . This 2 e period is direct evidence indicating that Cooper pairing is also responsible for electrically insulating behavior.
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【水煮物理】(21)：电荷的“买路财”
Penrose 2010-8-31 20:07
此山是我开，此树是我栽，要从此路过，留下买路财！对路人来说，要想走某些捷径，往往可能意味着需要损失钱财。对于微观世界的电荷而言，除非是在真空中奔跑，其他情况下在介质中行走都是可能要付出一定代价的，这就是电荷的买路财电阻。 人们其实很早就已经认识到，电荷在介质中运动是会受到阻碍的，但一直尚不明确如何描述介质对电荷的阻碍行为以及解释为何受到阻碍。 1826年，德国的欧姆用他发明的仪器证明对于外形固定的导电介质，其两端电势差和通过的电流大小成正比，即呈欧姆定律关系：U=IR。现在的中学物理实验也有验证欧姆定律一项，然而这个实验存在因果倒置的错误，因为实验用的电压表就是根据欧姆定律原理来设计的，这就成了用欧姆定律来验证欧姆定律，得不出正确的结果才怪呢！事实上，在欧姆发表该定律的年代，并没有电阻的概念。幸运的是那时人们已经认识到电流会产生磁效应，并且德国科学家施威格成功利用该原理制造了电流计电流使得磁针发生偏转，测量偏转的扭力就可以知道电流的大小。欧姆用电流扭力计很好地测量了电流的强度。至于恒定的电压输出则取决于稳定的电源，欧姆放弃了最初使用伏打电堆而采用具有稳定电动势的铋铜温差电偶作为电源。通过测量不同形状的同种材料导电介质在电路中的电流大小，就可以得出电流大小和材料的长度成反比而和材料的横截面积成正比，若定义电阻和材料的长度成正比而和横截面积成反比，就得出电流强度和电阻大小是成正比关系。由此可以知道，欧姆定律的实质是给出了电阻的定义，进一步若剔除材料的长度和横截面积的影响就可以得出电阻率的定义。正是如此，欧姆测量了不同金属材料在室温下的电导率（电阻率的倒数），证实它们的电导率在相同环境下只与材料有关。欧姆的实验使人们认识到材料的电阻可以通过其两端的电压和通过的电流大小来衡量，为纪念他的贡献，人们把电阻的单位称为欧姆。 不同材料的电阻率为何不同？电荷在材料中运动会受到什么样的阻碍呢？按照现代物理的观点，电阻主要有两大起源：一是在材料中运动的电荷会受到原子热振动的影响，从而改变其运动能量；二是电荷在运动过程会碰到材料中的杂质和缺陷而损失能量。按照电阻率从小到大，一般可以把材料分为导体、半导体和绝缘体。自然界导电性最好的材料是银，而导电性差的材料有玻璃、橡胶、陶瓷、塑料等。从微观角度来看，导体和绝缘体的差别在于其中电子的能量和动量分布不同。按照量子力学的观点，电子在独立原子中的能量分布不是连续的，而是一个个离散的能级。在固体材料内部的原子是按照一定空间规律排列的，原子和原子之间存在化学键形式的相互作用，而原子核外的电子也将因周边原子的干扰，这样原先的每个离散能级将会在其附近劈裂。固体中原子个数是 10的23次方即阿伏伽德罗常数量级，这样电子的能级就会在附近劈裂成如此量级之多的一系列准连续的能级，从而形成了由原先的一个个离散能级展宽成一条条准连续的能带。电子在能带中的填充情况就决定了材料的导电能力：电子只允许有在能带上对应的能量，而对于带间的能量是被禁止的，电子能否被电场顺利驱动就取决于电子是否可以顺利跃迁到合适的能带上。我们首先要认识到材料中电子是在不断朝杂乱无章的方向运动的，导电的原因在于外界电场的驱动使得电子在电场方向上存在集体运动。对于导体，在能量填充最高的能带上有大量的电子占据，但又不是满占据，因此在外部电场驱动下，电子集体获得电场方向恒定动量（即相当于附加一个小能量）后仍然可以在该能带找到合适的占据态从而达到导电的目的，该能带称之为导带；对于绝缘体，电子填充的最高能带是满的（称之为价带），而再往上的能带则是空的，能带之间存在很大的能量宽度带隙，电子要集体运动起来就必须克服这个能量间隙才能跃迁到上面的空带上，由于这个能量尺度很大，这就大大限制电子跃迁从而导电能力很差。至于半导体则介于导体和绝缘体之间，价带和导带之间的带隙比较小，能量较高的电子可以借助热激发等因素跃迁到导带上去，而在价带上留下一个电性相反的空穴，电子和空穴都可以在相应的能带中找到准连续能量的占据态，从而可以在外界电场驱动下顺利运动，但由于参与导电的电荷数目较少，所以电流和导体相比要小一些也即电阻率要大一些。这就是导电的微观解释。 前面说过，材料的电阻率和原子的热振动材料的温度有关，也和材料内部的杂质和缺陷有关。这是因为电子在和附近原子或者杂质缺陷相互作用时会得到或者损失能量，这样就直接影响了它在能带中的占据态，从而对材料的导电行为有所影响。具体来说，金属的电阻率是随着温度的下降而下降的，半导体的电阻率是随着温度的下降而逐步上升的，绝缘体的电阻率则是随着温度的下降迅速增加甚至发散到无穷大，至于杂质和缺陷造成的电阻率则一直以一个附加常数项的形式存在。我们可以用一个经典的图像来理解诸葛亮的九宫八卦阵。阵中的士兵等效于电子，阵型就是材料中原子排列方式。士兵们要想突破八卦阵冲出去，就必须克服神秘莫测的阵型，而这个阵型是不断变幻的，守方将士的士气越高，阵型变化越快。除此之外，阵中到处存在一个陷阱坑，掉下去也可能导致殒命。对于导体部队，他们拥有大量的将士兵卒，可以很有把握地冲出重围，而掉进陷阱牺牲的个别人根本微不足道，要是天寒地冻情况下守方阵型变化就会变慢，导体部队就更能轻易地突围；对于半导体部队，他们只是残兵弱将，其中还有不少妇女，而且大部分都陷进了坑里，出来战斗的只是少数几个本领高强者，要想冲破防线难度自然就大了很多，要是天气冷了反而对自己不利；对于绝缘体部队，他们则全军都被困在了坑里，这些坑要深的多，有的简直就是万丈深渊，极少武林高手可以飞檐走壁到坑外，但迎接他们的将是另一个无底深坑！如果遇到下雪天，坑中将士就只能等死了 当然，实际材料中的电子运动情况要复杂的多，而其能带结构也非常复杂。利用爱因斯坦光电效应原理，我们可以通过测量光电子的能量和动量分布推断材料里电子的能量和动量分布，从而得出能带填充情况。上图即是美国斯坦福大学沈志勋教授研究小组观测的两个固体能带结构（见其网页 http://www.stanford.edu/group/arpes/index.html ），其中实线是理论计算给出的结果。这些能带来自于不同元素的各个原子能级劈裂，图示是它们在动量空间的能量分布形式。许多情况下，各个不同元素的能带会存在相互交叠甚至杂化成新的能带，这样电子的能量状态分布就将更为复杂，材料的导电行为就更加难以预测了。现代凝聚态物理学研究中，认识清楚固体能带的结构是非常重要也是非常关键的一步，结合测量材料中电子和其他粒子的相互作用行为就可以从微观上去解释材料的电磁性质，为材料的应用打下坚实的基础。 无论材料的电阻率大小，其实都有它们的用武之地。现代生活已经离不开电，也就离不开各类电阻材料。金属导体可以用于输电和各类电磁产品；半导体可以用于各类电子器件，是信息时代的基础材料；绝缘体可以用于各种需要防电的场合；而电阻率为零的神奇超导体则可以用于各类输电线和电磁场设备等。下面就简要介绍一下半导体、超导体和新近几年发现的拓扑绝缘体材料。 半导体 。半导体的发现和应用使得人类从电力时代步入到了信息时代。现代人使用的任何一件电器几乎都少不了半导体材料。半导体之所以能获得如此广泛的应用，是因为它能实现电流开关功能，从而判断是与非，即可以实现二进制的逻辑运算。其基本原理在于 PN结，即由带正电的空穴为载流子的P型半导体和以带负电的电子为载流子的N型半导体形成的界面结。两类半导体中间是空间电荷区，存在两端负离子和正离子控制的电场。如果加P到N的正向电压，则空穴和电子都将流向该区并中和对方的离子使得该区范围不断减小直至导通；如果加N到P的方向电压，则空穴和电子朝反方向运动，空间电荷区将不断增大，电流无法通过。这样PN结就可以识别正反向电压，或者通过不同方向电压就可以控制电路的通或断，就实现了1和0的两个状态。利用PN结做成的逻辑电路可以进行逻辑运算，尽管电子在电路中的运动速率要远小于光速，但是建立电路关联只和电场存在与否相关，电场是以近光速运动的，这就能实现电路中的快速响应也就等效于快速运算，这也是电脑能比人脑快得多的原因。相比现在的计算机CPU和大规模集成电路芯片而言，世界上第一个用PN结原理做出的半导体晶体管并不漂亮，而第一个集成电路也非常丑陋，但正是这些创新的想法改变了所有人类的生产和生活，也获得了诺贝尔奖。遗憾的是，中国在传统半导体技术上是非常落后的，比如常用的半导体材料硅，中国往往只能大规模地出口低纯度的原料，然后买进发达国家提纯后的高纯硅用以器件制备。但是随着半导体技术的革新和发展，第二代甚至第三代半导体材料正在兴起，这些材料有砷化镓、氮化镓、碳化硅、氧化锌等。比如氧化锌材料有着神奇的压电效应通过产生形变可以形成电势差。华人学者王中林的研究小组（见其网页 http://www.nanoscience.gatech.edu/zlwang/ ）利用氧化锌纳米线的压电效应实现了纳米发电机，这意味着人们可以把一些机械摩擦中损耗的能量通过发电机存储起来，甚至可以捕捉生物活体内的机械能如心脏跳动等，为未来纳米机器人的实现提供了广阔想象空间。 超导体 。某些材料在温度降到一定程度以下时，它的电阻率将为零并且能将磁力线排出体外，这就 是超导体。超导的应用充满诱惑力，因为可以实现完全无阻碍也即无损耗地承载电流，可以节约大量的能源。实际上大部分金属和合金都可以超导，只是它们的超导临界温度很低，一般都小于 30K，这正是超导体应用的瓶颈。1957年，巴丁、库伯和施隶佛用电子-晶格相互作用模型解释了传统金属的超导微观机理（BCS理论），他们认为在低温环境下，动量相反、自旋相反的电子将会间接通过有序排列的原子晶格局域畸变产生吸引相互作用而配对，配对后的电子可以抵消各自受到的散射从而实现无阻碍集体运动，形成零电阻效应。BCS理论完美解释了传统金属的超导机理，他们三人因此获得诺贝尔奖，其中巴丁已经在此之前因为发明第一个半导体晶体管荣获了一次诺贝尔物理学奖，成为历史上唯一一个获得两次诺贝尔物理学奖的科学家。用我们的八卦阵模型来理解BCS理论就是：攻方将士不再是一个个单打独斗，而是互相配合不断吸引阵中敌人的注意力，从而巧妙地绕开阵中障碍冲出重围。用一位漫画家送给李政道先生的画题词来说就是双结生翅成超导，单行苦奔遇阻力。要实现超导大规模应用，最重要的就是需要不断提高超导临界温度，使得超导体在较高温度下就可以使用。1986年始发现的铜氧化物超导家族就具有高达160K的临界温度，使得超导应用在较为廉价的液氮温度下就可以实现，让人们对超导应用充满憧憬。可惜这类材料因机械性能不好、可承载电流密度太低等各种因素局限了它的应用。值得一提的是，超导体在临界温度以上即所谓正常态下一般都是导体甚至是良导体，而铜氧化物超导体母体是绝缘体，通过掺杂更多的载流子成为导体后才能在临界温度以下进入超导态，因此把超导体划分在导体和绝缘体之外似乎也不甚准确。铜氧化物超导体中的超导机理至今尚不清楚，不仅如此，人们还不断发现其他类型的超导体，它们的超导机理更为复杂。在这些新超导发现和机理研究领域前沿，也活跃着不少中国和华人科学家，他们正在为实现未来人类的超导世界贡献智慧和力量。 拓扑绝缘体 。拓扑绝缘体是近几年发现的一种全新量子物质态，它在能带的拓扑序上和传统绝缘体是不同的。在拓扑绝缘体块材内部它是存在带隙的绝缘体，但在材料的表面和边界却是受时间反演不变性保护的稳定金属态。其能带结构表现为存在狄拉克锥，即能带有上下锥形相连的结构，处于锥边缘态的电子自旋会呈现涡旋排列，形成所谓自旋流并在磁场下表现出自旋霍尔效应（见祁晓亮和张守晟在Review of Modern Physics上的综述文章Topological insulators and superconductors）。拓扑绝缘体是这几年凝聚态物理学兴起的热点领域，其中涉及许多重要的物理现象和物理机制，同时意味着广阔的应用前景。比如通过研究拓扑绝缘体中电子自旋的运动方式，我们就可以设法控制和识别电子的自旋。目前半导体器件仅仅是利用了电子的电荷性质，而且越来越小的电路元件使得电子的量子效应越明显，摩尔定律似乎已经走到了尽头。要想获得更多的信息处理容量，利用电子的另一个性质自旋是一个非常明智的选择。而关于自旋在材料中的运动问题可能涉及到量子力学和广义相对论的基本问题，也许可以模拟宇宙中暗能量的产生原理，这为困扰粒子物理学家多年的引力和其他作用力相互统一以及宇宙组成和演变等问题提供了实际的参考案例和实验材料。有幸的是，拓扑绝缘体的概念是由华人科学家祁晓亮和张守晟提出的，而关于拓扑绝缘体的研究，不少中国科学家和华人科学家更是站在了世界的最前沿，相信他们的研究会为许多物理学基本问题的深入认识带来更多的机会。 正所谓有阻无阻皆是宝。材料的不同导电性质为以电为主的人类时代带来了各种各样的应用，是人类生产生活的基础。认识已有材料的电磁性质并探索具有新性质的材料也正是凝聚态物理学家的不断追求目标，人类的世界也一定会因为这些材料而更加美好 !
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