对材料几何结构和性质的调控有助于人们更好地将其应用于不同场景。例如为了提高数据存储密度和获得优异的电磁学性能,低维量子材料及其原子/电子结构的相变一直受到物理学家、化学家、材料学家们的广泛关注。为了引发这些材料的结构转变,通常人们需要施加各种外场作用,如应力、温度、电场、光场等。在这些场中,光场(尤其是低频光场)具有与材料非直接相互接触、大小方向可调、对结构损伤较小、不易引入杂质原子等特点,可以作为一种诱导二维材料相变的新型有效方案。目前来说,低频光场对半导体材料结构和性质的影响研究仍处于起步阶段,特别是当光场频率在太赫兹量级时,它如何与材料的电子、声子进行耦合,如何影响和调控其结构稳定性,依然有待于系统的理论探索和实验研究。太赫兹光和材料相互作用的研究也可以为下一代通讯技术、无损检测、食品检验等诸多领域的发展奠定一定的理论基础。
近日,西安交通大学材料创新设计中心(CAID)周健教授和中国科学技术大学国际功能材料量子设计中心(ICQD)张顺洪研究员合作,提出了太赫兹光照对铁电材料结构相稳定性的热力学理论。利用这一理论,他们以α和β相的IV-VI族二维单层铁弹/铁电半导体为例,通过第一性原理计算系统地研究了声子和电子对太赫兹光场的响应,并且给出了这些材料不同铁弹/铁电畴的热力学稳定条件,以及铁性结构的相变方案。他们发现,在中等强度的太赫兹线偏振光的照射下,二维铁弹/铁电材料铁性序可以发生较快的扭转,根据经典理论估计该相变可以发生在皮秒量级。同时,他们还从理论上设计了高精度非接触检测方案,并计算了各向异性的电子能量损失谱和二次谐波信号曲线(图1)。相关工作以“Terahertz optics-driven phase transition in two-dimensional multiferroics”为题发表在近期出版的npj 2D Materials and Applications, 5, 16 (2021)上文章链接:
https://www.nature.com/articles/s41699-020-00189-7。
该工作受到国家重点研发计划“纳米专项”(2019YFA0210600)、国家自然科学青年/面上基金(21903063, 11974270, 11904350)、安徽省自然科学基金(2008085QA30)和西安交通大学青年拔尖人才计划等项目的支持。
图1 a. 太赫兹光照下铁弹/铁电相能量去简并;b. 各向异性的太赫兹光响应函数;c. 各向异性二次谐波;d. 各向异性电子能量损失谱。
近年来,西安交通大学周健教授课题组与国内外专家合作,在低频光诱导材料铁弹/铁电结构相变、拓扑相变和弹性应变领域做出了一系列理论预言,相关工作结果已发表在Nano Lett. 18, 7794 (2018); Nano Research 12, 2634 (2019); NPG Asia Mater. 12, 2 (2020); Phys. Rev. Appl. 14, 014024 (2020); Phys. Rev. Research (Rapid Communications) 2, 022059(R) (2020); Int. J. Smart & Nano Mater. (review) 11, 191 (2020)上。