帶隙的案例
多物理場(chǎng)仿真優(yōu)化聲子晶體帶隙設(shè)計(jì)
繪圖中的帶隙代表其中不存在波傳播的區(qū)域。暫且不論復(fù)雜的晶胞模型，完成分析只需幾分鐘時(shí)間。由此可以總結(jié)，如果你以特定的帶隙位置為目標(biāo)，或者想要使帶隙寬度最大化，那么使用晶胞是一種高效的優(yōu)化手段。
執(zhí)行優(yōu)化研究
為了清晰闡釋這類應(yīng)用，我們對(duì)上圖的周期性結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬，晶胞尺寸為 1 cm × 1 cm，內(nèi)核材料為 4 mm × 4 mm；基體材料的模量為 2 GPa，密度為 1000 kg/m3；內(nèi)核材料的模量則為 200 GPa，密度為 8000 kg/m3。下圖顯示 60 kHz和 72 kHz 之間禁止波傳播的頻率范圍。
選定晶胞參數(shù)的頻帶示意圖。
為了演示如何利用帶隙概念實(shí)現(xiàn)隔振，我們將模擬上述周期性結(jié)構(gòu)中的晶胞組成的“11 × 11”的晶格結(jié)構(gòu)。這些晶胞承受的激勵(lì)頻率為 67.5 kHz（帶隙中）。
該結(jié)構(gòu)用于演示帶隙中針對(duì)施加頻率的隔振。
下方動(dòng)畫重點(diǎn)演示了晶胞結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。通過結(jié)果，我們可以了解到周期性結(jié)構(gòu)能夠十分有效地將施加的振動(dòng)與剩余結(jié)構(gòu)隔離開。即使減少周期性晶胞的使用數(shù)量，仍然可以很有效地隔振。
率為 67.5 kHz 時(shí),振動(dòng)響應(yīng)的動(dòng)畫。
請(qǐng)注意，當(dāng)頻率在帶隙之外時(shí)，周期性結(jié)構(gòu)不會(huì)隔振。此時(shí)的響應(yīng)情況請(qǐng)參考下圖。
帶隙之外頻率的振動(dòng)響應(yīng)。左圖：27 kHz。右圖：88 kHz。
想要學(xué)習(xí)更多關(guān)于二維帶隙模型的知識(shí)，請(qǐng)前往 “COMSOL 模型交流”下載模型。
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展開 [分析示例] 利用 LDA+U 方法修正半導(dǎo)體帶隙的分析示例
利用SIESTA軟件更精確地分析半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)
功率半導(dǎo)體廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中高壓和大電流的開關(guān)設(shè)備和逆變器中，具有高耐壓特性。半導(dǎo)體的耐壓能力取決于價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的帶隙大小。功率半導(dǎo)體也被稱為寬帶隙半導(dǎo)體，因?yàn)樗鼈兊?em>帶隙比硅和砷化鎵的帶隙寬三倍。因此，通過模擬使用半導(dǎo)體進(jìn)行材料設(shè)計(jì)時(shí)，需要準(zhǔn)確估算出帶隙，但基于密度泛函理論（DFT）的預(yù)測(cè)帶隙比實(shí)驗(yàn)結(jié)果小得多（圖 1）。
圖 1. 利用 GGA 方法計(jì)算的半導(dǎo)體能帶結(jié)果（左為硅，右為砷化鎵）
用未經(jīng)校正的 GGA 方法計(jì)算出的帶隙大小，硅為 0.72 eV（實(shí)驗(yàn)值為 1.12 eV），砷化鎵為 0.37 eV（實(shí)驗(yàn)值為 1.42 eV）。這些結(jié)果與一般未校正 DFT 的預(yù)測(cè)值幾乎相同。
眾所周知，這是由密度泛函方法[1][2]的缺點(diǎn)導(dǎo)致的，而 LDA+U [3]就是一種能改善這一缺點(diǎn)的方法。
在 LDA+U 方法中，當(dāng)應(yīng)用軌道中的兩個(gè)電子到達(dá)同一位置時(shí)，它們會(huì)被排斥，其能量會(huì)因 U 而增加。
在本案例研究中，應(yīng)用 LDA+U 方法分析了硅和 4H-SiC （間接過渡半導(dǎo)體）以及砷化鎵和氮化鎵（直接過渡半導(dǎo)體）的帶隙。對(duì)于所有半導(dǎo)體，LDA+U 方法都適用于構(gòu)成價(jià)帶的 p 軌道。硅的目標(biāo)是 3p 軌道，但由于其他三種半導(dǎo)體都是化合物半導(dǎo)體，因此有必要選擇一個(gè)構(gòu)成價(jià)帶的 p 軌道元素。在此，我們將重點(diǎn)放在各元素電負(fù)性的差異上：在砷化鎵中，砷的電負(fù)性更大，鎵的 4p 軌道上的電子會(huì)被吸引到砷的 4p 軌道上。在氮化鎵中，N的電負(fù)性更大，N衍生的2p軌道形成價(jià)帶；在碳化硅中，碳的電負(fù)性大于硅，碳衍生的2p軌道形成價(jià)帶，盡管兩者都是第IV族元素。
圖 2-4 顯示了化合物半導(dǎo)體中每種元素的 p 軌道部分狀態(tài)密度。
展開 超材料六面體晶格帶隙設(shè)計(jì)數(shù)值仿真 ￥1000
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</div><p class="ql-align-center"><strong>圖3 晶胞帶隙圖</strong></p><p>感興趣的朋友可下載文件，歡迎交流合作</p>
展開 COMSOL 軟件使用技巧：分析磁帶隙結(jié)構(gòu)的解耦效應(yīng)
由于電磁帶隙（electromagnetic band gap，簡(jiǎn)稱 EBG）能夠“調(diào)諧出”特定頻率，所以許多應(yīng)用中出現(xiàn)了它的身影。電磁帶隙可以抑制多余的電磁干擾（electromagnetic interference，簡(jiǎn)稱 EMI），并提高電磁兼容性（electromagnetic compatibility，簡(jiǎn)稱 EMC）。這些結(jié)構(gòu)通常安裝在相隔不遠(yuǎn)的天線之間，以最大限度地減少相互耦合，從而提高天線性能。然而，EBG 并非總能提高天線的隔離度。借助 COMSOL Multiphysics? 軟件和附加“RF 模塊”，工程師可以對(duì) EBG 的有效性進(jìn)行分析。
通過設(shè)計(jì)電磁帶隙結(jié)構(gòu)來優(yōu)化頻率
電磁帶隙結(jié)構(gòu)是一種能夠在某些頻帶上傳遞或阻止電磁波的周期性結(jié)構(gòu)，這項(xiàng)功能具有廣泛應(yīng)用。常見實(shí)例包括增加高頻設(shè)計(jì)中天線陣列的隔離度、提升高精度 GPS 的信噪比，以及對(duì)超寬帶設(shè)備進(jìn)行頻帶抑制。與頻率選擇性表面相似的是，帶隙還有利于減少電磁干擾問題，并改善高速通信系統(tǒng)的電磁兼容性。此外，這些結(jié)構(gòu)的屏蔽特性可能用于降低人腦對(duì)移動(dòng)電話的比吸收率。
比吸收率（表面）和溫度變化（等值線）。
使用互補(bǔ)開口諧振環(huán)的頻率選擇表面。
針對(duì)上述及其他應(yīng)用，設(shè)計(jì)電磁帶隙結(jié)構(gòu)的常規(guī)流程包括以下步驟：
在晶胞層面設(shè)計(jì) EBG
假設(shè)晶胞式樣無限重復(fù)
通過分析確定帶隙
優(yōu)化設(shè)計(jì)，在無限空間內(nèi)得到帶隙
將電磁帶隙結(jié)構(gòu)用于有限空間
然而，這種方法存在一個(gè)問題：EBG 在有限空間與無限空間中的屬性略有不同。應(yīng)用錯(cuò)誤的頻率、極化或耦合平面構(gòu)型會(huì)增加 天線之間的意外耦合，因此分析真實(shí)空間中的電磁帶隙結(jié)構(gòu)非常重要……
分析電磁帶隙的解耦效應(yīng)
“RF 模塊”和COMSOL Multiphysics 可用于分析電磁帶隙結(jié)構(gòu)的解耦效應(yīng)。
展開 
長(zhǎng)安大學(xué)顏錄科教授/晁敏副教授團(tuán)隊(duì)《Small》封面：泥炭蘚啟發(fā)的小帶隙g-C3N4納米微球光催化膜用于太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)水凈化
此外，相較于傳統(tǒng)的g-C3N4基濾膜，CNTs-PAA/CNMS光催化膜具有更小的帶隙（1.77 eV），可通過可見光輻照產(chǎn)生活性氧降解污染物，從而防止污染物在膜表面結(jié)垢，減少孔堵塞并延長(zhǎng)膜的使用壽命。
圖1. 太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)的自清潔CNTs-PAA/CNMS異質(zhì)結(jié)膜的制備示意圖。（a）超親水泥炭蘚結(jié)構(gòu)以及殺菌示意圖，（b-c）膜的制備過程，（d）一體式廢水凈化示意圖。
CNTs-PAA/CNMS光催化膜可以挑戰(zhàn)性的凈化復(fù)雜廢水。首先，采用CNTs-PAA/CNMS光催化膜凈化含有病原體微生物的廢水。之后，再采用進(jìn)行過抗菌試驗(yàn)的CNTs-PAA/CNMS光催化膜對(duì)含有不溶性油脂的油水乳液進(jìn)行分離。最后，將太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)自清潔后的CNTs-PAA/CNMS光催化膜進(jìn)一步用于凈化含有可溶性有機(jī)污染物的廢水。在連續(xù)凈化過程中，膜的形態(tài)全程保持完整，表明CNTs-PAA/CNMS光催化膜具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性。CNTs-PAA/CNMS光催化膜優(yōu)異的綜合性能將使其成為凈化實(shí)際復(fù)雜廢水的一種極具潛力的材料。
圖2. 一體式連續(xù)水凈化示意圖。（a）一體式凈化流程示意圖，（b）一體式凈化過程膜的宏觀形貌變化，（c）一體式連續(xù)凈化過程。
該工作以“Sphagnum Inspired g-C3N4 Nano/Microspheres with Smaller Bandgap in Heterojunction Membranes for Sunlight-Driven Water Purification”為題發(fā)表在Small上。文章第一作者是顏錄科教授團(tuán)隊(duì)碩士研究生吉凌仝。
展開 三維晶格超材料的隔振性能及耐撞性研究
由于超材料中存在帶隙，可以抑制三維超材料中彈性波的傳輸。同時(shí)，當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)，三維超材料可以通過塑性變形來吸收破碎能量。研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)新型三維超材料的帶隙特征和碰撞行為的影響。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)參數(shù)在確定帶隙特征和碰撞行為方面起著至關(guān)重要的作用。因此，通過合理地調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以獲得所需的隔振性能和耐撞性。最后，從隔振性能和耐撞性等綜合方面進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化，得到了新型三維超材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)。本工作為開發(fā)具有隔振性能和耐撞性的多功能超材料提供了新的可能性。
原文總結(jié)：
該研究提出了一種新型的三維變形材料的設(shè)計(jì)，并對(duì)其振動(dòng)隔離能力和耐撞性進(jìn)行了全面的研究。通過多目標(biāo)優(yōu)化來優(yōu)化變形材料，同時(shí)考慮了振動(dòng)隔離和耐撞性。主要結(jié)論如下：
(1) 通過調(diào)整所提出的三維變形材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以控制帶隙和破壞響應(yīng)，從而控制振動(dòng)隔離特性和能量吸收性能。
(2) 第6和第7頻帶之間的帶隙隨著b的增加而先打開后關(guān)閉。帶隙的群速度范圍隨著b的增加而呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。頻帶的能量傳遞效率(PCF)和聲能吸收效率(SEA)隨著b的增加而增加。
(3) 第6和第7頻帶之間的帶隙隨著d的增加而逐漸減小。帶隙的群速度范圍隨著d的增加而呈下降趨勢(shì)。頻帶的能量傳遞效率(PCF)在d增加時(shí)先減小后增加。總體上講，隨著d的增加，聲能吸收效率(SEA)的差異并不顯著。
(4) 隨著t的變化，群速度范圍的變化相對(duì)較小。頻帶的能量傳遞效率(PCF)和聲能吸收效率(SEA)隨著t的增加而增加。因此，在允許的最大PCF下，更大的結(jié)構(gòu)參數(shù)t更有利于實(shí)現(xiàn)更好的振動(dòng)隔離能力和能量吸收性能。
(5) 根據(jù)帕累托前沿，三維變形材料在允許的最大PCF下，振動(dòng)隔離特性和能量吸收效率之間存在一定的沖突關(guān)系。
展開 基于comsol模擬的短程有序的非晶光子晶體能帶
Yablonovitch 發(fā)現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)與具有傳導(dǎo)和價(jià)帶的半導(dǎo)體類似，并將它們命名為光子晶體（與普林斯頓大學(xué)的 Sajeev John 合作）。光子晶體即光子禁帶材料，從材料結(jié)構(gòu)上看，光子晶體是一類在光學(xué)尺度上具有周期性介電結(jié)構(gòu)的人工設(shè)計(jì)和制造的晶體。與半導(dǎo)體晶格對(duì)電子波函數(shù)的調(diào)制相類似，光子帶隙材料能夠調(diào)制具有相應(yīng)波長(zhǎng)的電磁波，當(dāng)電磁波在光子帶隙材料中傳播時(shí)，由于存在布拉格散射而受到調(diào)制，電磁波能量形成能帶結(jié)構(gòu)。能帶與能帶之間出現(xiàn)帶隙，即光子帶隙。所具能量處在光子帶隙內(nèi)的光子，不能進(jìn)入該晶體。本模型基于“Topological states in amorphous magnetic photonic lattices”（PHYSICAL REVIEW B 99, 045307 (2019)）一文，對(duì)非傳統(tǒng)的一類光子晶體：短程有序的二維非周期光學(xué)系統(tǒng)--非晶磁光子晶格（AMPLs）研究了其能帶及透射行為。
圖1 幾何結(jié)構(gòu)
如圖1所示，我們首先利用comsol建立其基本模型，可以看到我們以一個(gè)四孔結(jié)構(gòu)為一個(gè)周期，并將其陣列化為四份分別排布在四個(gè)角，然后將其旋轉(zhuǎn)至任意角度，這既是光子晶體的原胞。
圖2 材料賦予
我們將幾何分別賦予材料，如圖2所示，我們給非圓孔區(qū)域賦予空氣介質(zhì)，而圓孔區(qū)域賦予相應(yīng)的介質(zhì)材料，折射率實(shí)部為2，折射率虛部為0。
圖3 倒易晶格矢量的計(jì)算
計(jì)算時(shí)我們首先能帶計(jì)算，需要用到的comsol物理場(chǎng)是電磁波頻域，由于晶體具有重復(fù)的機(jī)構(gòu)，因此可以使用周期性邊界條件，這樣一來只需要一個(gè)原胞，帶隙分析設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于能帶圖中必須對(duì)波矢進(jìn)行掃描，并且，因?yàn)榇私Y(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的缺乏，我們必須計(jì)算整個(gè)第一布里淵區(qū)的能帶結(jié)構(gòu)，以獲得通帶和帶隙信息。
展開 消失的頻帶——周期結(jié)構(gòu)隔振漫談
這一特性在1995年由Martinez-Sala等通過試驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，基于此人們首次從實(shí)驗(yàn)角度證實(shí)了聲子晶體彈性波帶隙的存在，這項(xiàng)成果發(fā)表在著名學(xué)術(shù)期刊Nature上。從此以后，越來越多的研究學(xué)者開始關(guān)注于聲子晶體的研究。
圖 5 西班牙馬德里雕塑“流動(dòng)的旋律”
周期結(jié)構(gòu)的帶隙特征
無論是上文所提到的依賴于“光子晶體”原理形成的自然界中五彩繽紛的生物結(jié)構(gòu)色，還是依賴于“聲子晶體”原理的西班牙馬德里雕塑“流動(dòng)的旋律”，它們都體現(xiàn)著一個(gè)共同的特點(diǎn)就是周期結(jié)構(gòu)對(duì)特定頻段波的“過濾”作用，使得某頻段的波無法通過其繼續(xù)傳播，我們稱該頻段為此周期結(jié)構(gòu)的“禁帶”或“帶隙”。介電材料和彈性材料的周期分布分別對(duì)應(yīng)的構(gòu)成了光子晶體和聲子晶體，二者分別對(duì)通過結(jié)構(gòu)的電磁波（光波）或彈性波產(chǎn)生“過濾作用”，造成某些特定頻段的波無法通過其繼續(xù)傳播。
基于上述的周期結(jié)構(gòu)帶隙特性有學(xué)者將聲子晶體引入土木工程和環(huán)境振動(dòng)領(lǐng)域進(jìn)行隔（震）振以及噪聲控制，與軌道交通振動(dòng)研究直接相關(guān)的包括軌下、板下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的周期性設(shè)計(jì)及帶隙利用和環(huán)境振動(dòng)傳播路徑隔振中排樁、波阻塊、結(jié)構(gòu)層狀基礎(chǔ)等，還有和噪聲控制相關(guān)的聲屏障研究。
展開 東南大學(xué)王金蘭教授Nature子刊：機(jī)器學(xué)習(xí)加速設(shè)計(jì)高效穩(wěn)定無鉛有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦
HOIPs是一種極具前景的光電材料，其最顯著的優(yōu)點(diǎn)包括高功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）、易合成以及可調(diào)的帶隙等。但存在兩個(gè)關(guān)鍵的不足限制了HOIPs的商業(yè)應(yīng)用，其中之一便是毒性（這也是一個(gè)嚴(yán)重的問題），主要是材料中含有鉛（Pb）元素，其次是環(huán)境穩(wěn)定性較差。因此，設(shè)計(jì)具有高PCE且在空氣中持續(xù)穩(wěn)定的無鉛化HOIPs至關(guān)重要。
【成果簡(jiǎn)介】
東南大學(xué)王金蘭教授（通訊作者）等人基于ML技術(shù)和DFT計(jì)算開發(fā)了一種靶向驅(qū)動(dòng)法用于發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的無鉛HOIPs。研究人員從212個(gè)已報(bào)道的HOIPs帶隙值中訓(xùn)練ML模型，然后成功地從5158種未開發(fā)的潛在HOIPs中篩選出六種具有適當(dāng)太陽(yáng)能帶隙和室溫?zé)岱€(wěn)定性的正交無鉛HOIPs，其中兩種在可見區(qū)域具有直接帶隙和優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性。之后，通過ML數(shù)據(jù)挖掘出了一種HOIPs帶隙的緊密性結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)影響理想HOIPs太陽(yáng)能電池性能的因素包括容忍因子、八面體因子、金屬電負(fù)性以及有機(jī)分子的極化率。最后，該方法能夠快速實(shí)現(xiàn)高精度篩選，可廣泛應(yīng)用于功能材料設(shè)計(jì)。該成果以題為“Accelerated discovery of stable lead-free hybrid organic-inorganic perovskites via machine learning”發(fā)表于著名期刊Nature Communications。
展開 解析超高遷移率層狀硒氧化鉍半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)
此外，通過改變材料的厚度還能調(diào)控帶隙寬度。圍繞硒氧化鉍電子結(jié)構(gòu)開展的這一系列的實(shí)驗(yàn)和理論研究不僅加深了對(duì)新型二維半導(dǎo)體的認(rèn)識(shí)，也推動(dòng)了對(duì)硒氧化合物的研究進(jìn)程。
華南理工曹鏞團(tuán)隊(duì)Nature Energy：化學(xué)結(jié)構(gòu)微調(diào)控實(shí)現(xiàn)1 cm2高效有機(jī)太陽(yáng)電池
帶隙由本體異質(zhì)結(jié)器件的EQE邊緣與靠近邊緣的EQE最大值的延長(zhǎng)線的交點(diǎn)決定，這種方法確定的帶隙值相比傳統(tǒng)通過EQE邊緣確定的帶隙值較高。為了對(duì)比P2F-EHp:ITIC和P2F-EHp:IT-2F，將開路電壓損失定量拆解為三個(gè)部分，分別是由輻射復(fù)合導(dǎo)致的損失（Eg - VOC, SQ）、由不完美的Urbach帶尾導(dǎo)致的損失（VOC, SQ- VOC, rad）、以及由非輻射復(fù)合導(dǎo)致的損失（VOC, rad- VOC, meas.，?VOC, nr），發(fā)現(xiàn)由帶隙降低導(dǎo)致的VOC, SQ極限電壓降低和因非輻射復(fù)合產(chǎn)生的開路電壓損失（ΔVOC, nr）對(duì)不同體系的開路電壓實(shí)驗(yàn)值差異起決定性作用，且電荷轉(zhuǎn)移（CT）態(tài)的存在及能量高低對(duì)ΔVOC, nr具有較大影響。能量損耗的分析指出在材料設(shè)計(jì)過程中能級(jí)匹配的重要性，在降低帶隙獲得更好的光譜吸收的同時(shí)要注意避免ΔVOC, nr的增加。通過進(jìn)一步的能級(jí)協(xié)同調(diào)控，IT-2F體系的能量損耗有望縮減到ITIC的水平，從而有望獲得超過14%的器件效率。
原文鏈接：https://www.
nature.com/a
rticles/s415
60-018-0263-
4
來源：材料人
展開 
華南理工曹鏞團(tuán)隊(duì)Nature Energy：化學(xué)結(jié)構(gòu)微調(diào)控實(shí)現(xiàn)1 cm2高效有機(jī)太陽(yáng)電池
帶隙由本體異質(zhì)結(jié)器件的EQE邊緣與靠近邊緣的EQE最大值的延長(zhǎng)線的交點(diǎn)決定，這種方法確定的帶隙值相比傳統(tǒng)通過EQE邊緣確定的帶隙值較高。為了對(duì)比P2F-EHp:ITIC和P2F-EHp:IT-2F，將開路電壓損失定量拆解為三個(gè)部分，分別是由輻射復(fù)合導(dǎo)致的損失（Eg - VOC, SQ）、由不完美的Urbach帶尾導(dǎo)致的損失（VOC, SQ- VOC, rad）、以及由非輻射復(fù)合導(dǎo)致的損失（VOC, rad- VOC, meas.，?VOC, nr），發(fā)現(xiàn)由帶隙降低導(dǎo)致的VOC, SQ極限電壓降低和因非輻射復(fù)合產(chǎn)生的開路電壓損失（ΔVOC, nr）對(duì)不同體系的開路電壓實(shí)驗(yàn)值差異起決定性作用，且電荷轉(zhuǎn)移（CT）態(tài)的存在及能量高低對(duì)ΔVOC, nr具有較大影響。能量損耗的分析指出在材料設(shè)計(jì)過程中能級(jí)匹配的重要性，在降低帶隙獲得更好的光譜吸收的同時(shí)要注意避免ΔVOC, nr的增加。通過進(jìn)一步的能級(jí)協(xié)同調(diào)控，IT-2F體系的能量損耗有望縮減到ITIC的水平，從而有望獲得超過14%的器件效率。
原文鏈接：https://www.
nature.com/a
rticles/s415
60-018-0263-
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來源：材料人
展開 天津大學(xué)Nanoscale：新型二維材料α-GeTe：具有鐵離子敏感性
圖四 α-GeTe納米片性能表征及理論計(jì)算
（a）拉曼光譜圖；
（b）紫外吸收光譜圖；
（c）Tauc曲線；
（d）理論計(jì)算的帶隙結(jié)構(gòu)圖；
（e）理論計(jì)算的態(tài)密度圖；
（f）理論計(jì)算的光學(xué)吸收?qǐng)D。
圖五 熒光性能表征
（a）不同金屬離子對(duì)熒光強(qiáng)度的影響；
（b）不同濃度鐵離子對(duì)熒光強(qiáng)度的影響；
（c）鐵離子的檢測(cè)極限；
（d）熒光壽命表征。
【小結(jié)】
該研究從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面證明了α-GeTe是一種具有間接帶隙的半導(dǎo)體材料，其理論帶隙為1.82 eV。實(shí)驗(yàn)證明，α-GeTe體材料可以剝離成少層的α-GeTe納米片，所得到得α-GeTe納米片具有良好的結(jié)晶性，其光學(xué)帶隙為1.93 eV。另外，材料在紫外光區(qū)有吸收，可在紫外光（370 nm）的激發(fā)下發(fā)射出433 nm的藍(lán)光，可用于鐵離子的檢測(cè)。該研究發(fā)現(xiàn)了種新型的二維材料，進(jìn)一步豐富了二維材料家族，對(duì)進(jìn)一步探索新型二維的種類和獨(dú)特性質(zhì)具有十分重要的意義。
文章鏈接：Sonication-Assisted Liquid-Phase Exfoliated α-GeTe: A Two-Dimensional Material with high Fe3+ Sensitivity. (Nanoscale，2018，DOI: 10.1039/C8NR03091J).
展開 短時(shí)間內(nèi)，硅是否能被新半導(dǎo)體材料替代？
但鍺并不是完美的,它的問題是性能在溫度超過75度時(shí)會(huì)大打折扣,而相比之下,硅能在170度的高溫下保持原樣,而這差別的根源就要說到另一個(gè)重要參數(shù)——帶隙。帶隙是什么？電子繞原子核運(yùn)動(dòng),從內(nèi)而外形成的多個(gè)軌道,越靠外的軌道電子能量越高,不同原子的外層電子之間可以形成共價(jià)鍵,這些電子被稱為價(jià)電子,他們的能量范圍也被稱為價(jià)帶,當(dāng)這些價(jià)電子從外部獲得,足夠大的能量,就能擺脫原子核束縛,成為自由電子,而這些自由電子的能量范圍,就被稱為導(dǎo)帶,導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的能量差,就被稱為帶隙,帶隙越寬,價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能量差越大,價(jià)電子就越難變成自由電子,而高溫高壓等環(huán)境,從本質(zhì)上來說,都是從外部給電子1能量,所以一種材料的帶隙越寬,就能承受越高的電壓和溫度,而硅的帶隙遠(yuǎn)大于鍺,所以硅才比鍺更耐熱。
總的來說,鍺的電子遷移率更高,而硅的帶隙更寬,在化學(xué)性質(zhì)上可以說是各有千秋。那么為什么最終受歡迎的是硅呢？歸根結(jié)底的原因是在價(jià)格。50年代硅之所以被地殼含量遠(yuǎn)不如自己的鍺打敗,最大的原因就是不如鍺便宜。1959年硅晶體管的單價(jià)是14.53美元,而鍺晶體管只有1.96美元；但到了60年代,硅的制造工藝有了突破,成本下降,于是硅才最終翻身,之后硅就基本統(tǒng)治了半導(dǎo)體行業(yè),即便后來半導(dǎo)體的用途越來越多,像集成電路、通信系統(tǒng)、光伏發(fā)電、大功率電源轉(zhuǎn)換等,不同的領(lǐng)域要求也都不一樣,但這些要求硅都能滿足,也因此硅成了半導(dǎo)體“常青樹”。
但是到了今天硅遇到了難以越過的瓶頸,尤其是在半導(dǎo)體中的兩大類——功率半導(dǎo)體和芯片半導(dǎo)體上。
功率半導(dǎo)體是電路中電流開關(guān)、變壓、整流等控制電路的核心器件的材料,一般用在通信、新能源汽車、高鐵這些地方,比如 5G基站,就大量用到了射頻功率半導(dǎo)體器件。
展開 南京大學(xué)繆峰&王強(qiáng)華：第二類外爾半金屬超導(dǎo)研究重要進(jìn)展
理論計(jì)算表明，WTe2被NbSe2誘導(dǎo)超導(dǎo)后，其態(tài)密度在超導(dǎo)帶隙內(nèi)是V型的，不同于一般超導(dǎo)體的U型。此外，態(tài)密度在帶隙內(nèi)的震蕩趨勢(shì)（圖d）與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合很好，證明了觀察到的微分電阻震蕩確實(shí)是WTe2超導(dǎo)的亞帶隙反常引起的獨(dú)特性質(zhì)。最后，值得指出的是，除了利用近鄰效應(yīng)，在同樣的WTe2體系中實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)還可能有不同的技術(shù)途徑，其中包括不久前南京大學(xué)物理學(xué)院李紹春教授合作團(tuán)隊(duì)提出的堿金屬插層的實(shí)驗(yàn)手段。
圖一
a)WTe2/NbSe2異質(zhì)結(jié)器件結(jié)構(gòu)示意圖；b)WTe2被誘導(dǎo)實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)；c)微分電阻(dV/dI-Vds)的震蕩數(shù)據(jù)；d)理論計(jì)算WTe2超導(dǎo)的亞帶隙反常特性。
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