【期刊】CPB封面文章和亮点文章 | 2020年第8期 | 自由微信

【期刊】CPB封面文章和亮点文章 | 2020年第8期

CPB 蔻享学术 2021-04-26

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封面文章

Picosecond terahertz pump-probe realized from Chinese terahertz free-electron laser

Chao Wang(王超), Wen Xu(徐文), Hong-Ying Mei(梅红樱), Hua Qin(秦华), Xin-Nian Zhao(赵昕念), Hua Wen(温华), Chao Zhang(张超), Lan Ding(丁岚), Yong Xu(徐勇), Peng Li(李鹏), Dai Wu(吴岱), Ming Li(黎明)

Chin. Phys. B, 2020, 29 (8): 084101

文章亮点介绍

电子能量弛豫时间是电子材料的关键物理参数之一。利用中国太赫兹自由电子激光装置（CTFEL）所特有的太赫兹脉冲形态（特别是皮秒脉宽微脉冲结构），我们搭建了首创的“单色皮秒太赫兹泵浦–探测”系统，并应用此系统测量了半导体材料的电子能量弛豫时间。我们在室温下研究了高迁移率n-GaSb晶体在1.2, 1.6和2.4 THz自由电子激光辐照下的电子动力学特性。通过与理论模型拟合，得到的电子能量弛豫时间与通过四波混频技术测量得到的结果一致。通过与其他超快光电探测技术比较，讨论了单色皮秒太赫兹泵浦–探测在电子和光电子材料研究中的主要优势。本研究取得的结果表明，基于自由电子激光的“单色皮秒太赫兹泵浦–探测”技术，可为电子和光电子材料的电子动力学特性研究提供新的实验测量方法，为脉冲型太赫兹自由电子激光的应用拓展新的研究领域。

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图1. 基于CTFEL装置的“单色皮秒太赫兹泵浦-探测”系统光路图。

图2. 在1.2、1.6和2.4THz自由电子激光辐照下n-GaSb晶体的光透射泵浦-探测特性。粗糙线为原始实验数据，平滑线为理论拟合结果。

亮点文章

Selective linear etching of monolayer black phosphorus using electron beams

Yuhao Pan(潘宇浩), Bao Lei(雷宝), Jingsi Qiao(乔婧思), Zhixin Hu(胡智鑫), Wu Zhou(周武), Wei Ji(季威)

Chin. Phys. B, 2020, 29 (8): 086801

文章亮点介绍

利用聚焦高能电子束与原子的相互作用，扫描透射电子显微学已经成为在亚纳米尺度上操纵单个原子的重要方法之一。这一方法不但可以获得材料中较为常见的缺陷结构，甚至可以制造出那些仅在非平衡条件下才可能获得的极端结构。然而，利用聚焦高能电子束构筑特殊原子结构的具体过程十分复杂，受到技术限制，目前的实验手段几乎无法捕捉这类过程的动态轨迹，阐明其具体变化过程。这就对相应的理论模拟和方法提出了要求。目前，人们发展了模拟单束高能电子与单个原子的弹性散射情况的方法，初步尝试了考虑非弹性散射过程，但对如何从操控单个原子到构筑一维甚至二维纳米结构的具体动力学过程仍不甚清楚。

本文作者选择了单层黑磷这种新兴二维材料作为研究对象，利用第一性原理分子动力学方法，研究了聚焦高能电子束在单层黑磷上产生一系列空位缺陷的过程。该工作探索了在高能聚焦电子束辐照下一系列单层黑磷空位缺陷的生成和演化过程，并预测在一定电子束加速电压下可选择性地依次产生线性磷空位，从而构筑热力学亚稳的Zigzag形空位链。该zigzag形空位链表现出了丰富的电子结构性质，例如，其边界原子自发产生了两倍周期的电荷密度波行为并伴随明显的0.13 eV带隙打开。此外，作者还改进了一套模拟聚焦高能电子束与二维材料原子相互作用的计算方法，编写了开源自动化程序包“aBEST” (https://gitee.com/jigroupruc/aBEST)，为提高理论模拟便捷程度并考虑更为复杂的相互作用模型（如多条电子束与原子的相互作用，非弹性散射过程等）提供了平台工具。

本工作提供了一个较为完整的电子束辐射模拟研究范式，可启发更多的相关计算研究和方法发展工作，共为今后利用聚焦高能电子束加工刻蚀二维材料的实验工作提供详细有效的理论参考。

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Figure 1. Atomic structures of pristine monolayer BP and trajectories of tested P atoms in pristine monolayer BP and single-atom vacancy monolayer BP. (a) Top and side views of atomic structure of monolayer BP (V0P). The names of the zigzag-like chains and two tested atoms are marked. The upper (coloured in plum) and lower (coloured in light coral) chains are named nT (nis the order number of the chain) and nD, respectively. The P atoms in the upper and lower sublayers are named PnTm (m is the order number of the atom) and PnDm, respectively. (b) and (c) Trajectories of two tested P atoms in pristine monolayer BP under an FHEEB. (d) Top and side views of the atomic structure of a single-atom vacancy BP (V1P) and all five tested P atoms. (e) Calculated cross-sections for the tested atoms in pristine monolayer BP (V0P) and single-atom vacancy monolayer BP (V1P).

亮点文章

Growth and physical characterization of high resistivityFe: β-Ga2O3 crystals

Hao Zhang(张浩), Hui-Li Tang(唐慧丽), Nuo-Tian He(何诺天), Zhi-Chao Zhu(朱智超), Jia-Wen Chen(陈佳文), Bo Liu(刘波), Jun Xu(徐军)

Chin. Phys. B, 2020, 29 (8): 087201

文章亮点介绍

作为一种新兴的宽禁带半导体材料，β-氧化镓（β-Ga2O3）晶体具有禁带宽度大（4.9 eV），吸收截止边短（～260 nm），理论击穿场强高（8 MV/cm），可采用熔体法制备体单晶等突出优点，因而成为高功率电力电子器件和深紫外光电器件的优选材料之一，在高压输电、电动汽车、高铁、环境监测等领域具有重大应用前景。非故意掺杂β-Ga2O3晶体由于存在一定浓度的自由电子，具有n型导电特性。为了满足氧化镓功率器件的高性能、高稳定性需求，进一步提高耐压特性，使用半绝缘β-Ga2O3同质衬底尤为重要。

本文采用浮区法制备了高质量Fe:β-Ga2O3晶体，在红外波段晶体的透过率高达80%，随着Fe离子掺杂浓度增加，紫外吸收截止边发生明显红移。Fe:β-Ga2O3晶体具有高电阻率特性，电阻率随Fe离子掺杂浓度增加而增大，0.08 mol% Fe:β-Ga2O3晶体[100]方向的室温电阻率高达2.67×10¹¹Ω·cm。Fe:β-Ga2O3晶体的热导率比β-Ga2O3晶体稍低，说明掺杂Fe离子不会严重影响β-Ga2O3晶体的导热性能。高阻Fe:β-Ga2O3单晶衬底有利于实现超高耐压、低损耗氧化镓功率器件。

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Fig. 4. Room-temperature optical transmission spectra (a) of Fe:β-Ga2O3 crystals.

Fig. 5. I-V curves of Fe: β-Ga2O3 crystals.

亮点文章

Quantization of electromagnetic modes and angular momentum on plasmonic nanowires

Guodong Zhu(朱国栋), Yangzhe Guo(郭杨喆), Bin Dong(董斌), Yurui Fang(方蔚瑞)

Chin. Phys. B, 2020, 29 (8): 087301

文章亮点介绍

表面等离激元的量子理论对光与不同金属纳米结构相互作用的研究至关重要。本文利用正则量子化方法对圆柱形的金属纳米线上的表面等离激元模式进行了量子化，得到了与通过流体动力学的方式量子化电荷密度波相一致的结果。同时，本文探究了纳米线上等离激元的轨道和自旋角动量。结果表明纳米线上表面等离激元传播同时载有轨道和横向自旋角动量。利用有限元方法模拟很好地显示了与涡旋光类似的涡旋状的传播模式。

本文中当纳米线上的表面等离激元在其一端被垂直于线轴入射的光激发时，纳米线一端的局域对称性破缺，电磁模的相位因子e^im^Φ变成了cos⁡mΦ或者sinmΦ。由于高阶模在细纳米线中截止以及显著的延迟效应，导致三个低阶模式同时被激发并且以一个固定的相位差向前传播，其传播类似于涡旋波携带轨道角动量。当用一个偏振与纳米线呈45°的线偏振光垂直入射时，会在纳米线上激发出三个低阶模式，其相位因子eⁱ^(∆kz+∅)表明了表面等离激元在纳米线上的螺旋传播特性。该螺旋性随激发偏振改变为-45°而反向。其携带的轨道角动量与自旋角动量对光在纳米尺度的操控具有重要意义。本文的研究对基于纳米线的等离激元相互作用及量子信息光路有着重要的参考意义。

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Fig. 3. (a) Schematic illustration of the superposed m=0 mode and m>0 modes, which is similar to the vortex waves with l=1,2,3. The red lines represent the maximum of the beats waves; the lighter lines indicate the beats behind the wire and the darker ones indicate the beats on the reader’s side.(b) The scheme of electric field distributions on plasmonic cylindrical nanowires excited by focused light one left terminals with polarization in+45°(A^L), -45°(A^R) and 0°(A⁰) directions to z axis.

亮点文章

Suppressing transition metal dissolution and deposition in lithium-ion batteries using oxide solid electrolyte coated polymer separator

Zhao Yan(闫昭), Hongyi Pan(潘弘毅), Junyang Wang(汪君洋), Rusong Chen(陈汝颂), Fei Luo(罗飞), Xiqian Yu(禹习谦), Hong Li(李泓)

Chin. Phys. B, 2020, 29 (8): 088201

文章亮点介绍

在锂离子电池工作期间，正极材料中过渡金属离子会发生溶出行为，从而会大幅度减少正极材料的容量。同时，在正极材料上溶出的过渡金属离子可以迁移并沉积于负极侧，在低电压下，过渡金属离子会催化电解液的分解，导致SEI（固态电解质界面）层不断生长，从而导致界面性能下降，电池内阻增大。两者共同作用，导致了电池性能的下降。

为解决上述问题，本文作者使用氧化物固态电解质Li1.5Al0.5Ti1.5(PO4)3（LATP）对PE隔膜进行涂覆，以抑制过渡金属离子沉积于负极侧导致电池性能的劣化。该工作的创新性在于：（1）涂覆采用的LATP具有高离子电导率，且成本合理，更加贴合电池行业的大规模生产要求；（2）在电池循环过程中固体电解质材料LATP发生原位电化学合成，形成的致密表面层可以有效地阻止过渡金属离子的溶解以及沉积，从而增强的界面稳定性以及阴极结构稳定性；（3）通过与涂覆Al2O3的隔膜进行对比，验证了本工作中的LATP隔膜显著提高了电池的性能。

本研究提出了一种采用固态电解质LATP涂覆隔膜的方案，是可进一步提高锂离子电池性能的一种切实可行的方案。

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Fig.1.SEM images of (a), (b) Al2O3@PE and (c), (d) LATP@PE separatorsretrieved from the cells after 50 cycles

Fig.2.SIMS profiles collected on the anode electrodes retrieved from (a) LCO-SOC400 cell and (b) LMO-SOC650 cell after 50 cycles. (c)Raman spectra of LCO electrodes retrieved from LCO-SOC400 with LATP@PE and Al2O3@PE separators. (d) Schematic illustration of theTM dissolution and decomposition process.

亮点文章

Detection of HIV-1 antigen based on magnetic tunnel junction sensors

Li Li(李丽), Kai-Yu Mak(麦启宇), Yan Zhou(周艳)

Chin. Phys. B, 2020, 29 (8): 088701

文章亮点介绍

已有证据表明许多HIV新感染者在临床确诊之前已开始传播该病毒，因此如何进行早期识别具有重要意义。对于HIV新感染者， p24抗原通常在HIV抗体出现之前7-10天已经存在于他们的血液中，而在HIV 抗体开始产生后，p24抗原会被结合到免疫复合物中,这意味着血液中可检测到p24抗原的时间窗口非常短暂。因此，对p24抗原进行快速定量检测在实现HIV新感染者的临床诊断中具有重要意义，而具有超高灵敏度的磁阻（MR）生物传感器在疾病早期诊断领域具有巨大的应用潜力。

本文报告了基于MgO的磁隧道结（MTJ）传感器和20 nm磁性纳米粒子实现的p24抗原快速检测系统。系统中使用的MTJ阵列传感器，其检测面积为890 µm×890 µm，灵敏度为1.39 ％/Oe，能检测到的p24抗原浓度可达0.01 µg/ml。这一基于磁隧道结传感器的生物检测系统进一步优化后，将有助于实现HIV新感染者的早期快速检测。

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Fig. 6. (a) Diagram of the MTJ sensor resistance variation ΔR after binding with the target p24 antigens with a concentration of 1 μg/ml. (b) Relation between sensor maximum ΔR and p24 concentration. Generally, maximum ΔR increase with the logarithm of p24 concentration.

Chinese Physics B (CPB)是由中国科学院物理研究所和中国物理学会主办，由合作出版商IOP Publishing海外宣传发行，目前国内载文量最大、影响力最大的物理类综合性英文学术期刊，报道和刊登国内外物理学科各领域（粒子物理与核物理类除外）创新性成果的“研究论文”、“研究快讯”及“前沿研究综述”。发文领域包括condensed matter and materials physics; atomic, molecular, and optical physics; statistical, nonlinear, and soft matter physics; plasma physics; interdisciplinary physics. 从投稿到录用平均审稿周期：2个月；文章录用后2天内网上预出版（with DOI）；每期评选封面文章、亮点文章并多渠道宣传推送；组织出版物理学热点研究领域和基础研究领域专题。