二维温度场数值模拟(二维温度场电模拟实验报告)

自2004年英国曼彻斯特大学的海姆、诺沃肖洛夫等科学家成功解离石墨烯并展现出优异的输运性能以来，经过十余年的发展，二维材料的种类呈现爆发式增长。除石墨烯外，目前研究较多的还有过渡金属二硫属化物（MoS2、WSe2等）、六方氮化硼（h-BN）、贵金属二硫属化物（PdSe2、PtSe2、PtS2等）、元素二卤化物等更多二维材料（如黑磷、碲、硅烯）等十余种，且种类还在不断增加。二维材料已成为材料研究的一个令人无限向往的新领域。

与过去的传统材料不同，二维材料表现出许多奇特的性质，使其具有广阔的应用前景，并可能给当前的电子器件领域带来颠覆性的变化。因此，二维材料的研究一直是十多年来的热点。材料制备、微纳加工、物性测量、机理研究、理论计算等方面齐头并进、相互支撑。由于二维材料的特殊性，无论在加工还是测量方面都促进了传统技术的进一步发展。

为了制备高质量的二维材料，人们对传统的制备方法进行了许多优化。目前，可以通过物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、湿化学合成等方法高效制备多种二维材料，我国已实现石墨烯的量产。在加工方面，由于二维材料只有单层或几层原子厚，传统的等离子刻蚀等方法能量较高，会对加工后的二维器件的边缘性能造成一定的损害。经过优化的等离子软刻蚀技术（SoftEtching）可以很好地保护二维材料的边缘，在石墨烯等二维材料的加工中逐渐兴起。与制备和加工相比，二维材料研究在推动测量方法的发展方面最为明显。由于人们渴望掌握二维材料的综合性能并实现广泛的应用，光谱测量、显微测量、超快泵浦测量等极端条件下的无损测量技术取得了长足的进步。低温和磁场。这些测量方法也促进了整个材料领域研究的发展。

冷冻显微镜光致发光测量

光致发光（PL）测量是一种成熟的传统光学测量方法，广泛应用于材料的化学键能测量。在二维材料的研究中，光致发光是研究层间和层内耦合的常用方法。因为二维材料的许多重要物理特性只有在低温下才能表现出来。而且因为样本的大小通常较小。为了提高光信号的质量，大数值孔径的显微光谱测量变得尤为重要。以WSe2材料为例，哈佛大学物理系MikhailD.Lukin和HongkunPark团队利用低温显微光致发光测量研究了扭曲WSe2/WSe2双层薄膜中的电控自旋谷动力学，并获得了一些重要数据。事实证明，扭转过渡金属二硫属化物双层薄膜中两层材料的角度可以改变两层自旋谷的动量排列，从而实现对自旋谷特性的控制。这些结果为可调手性光与物质相互作用开辟了新途径，使得利用谷自由度创建新的设备解决方案成为可能。这项研究表明，二维范德华异质结材料的扭转自由度为研究电学和光学特性提供了新的工具。

低温显微镜光学反射、干涉测量

在二维材料的研究中，经常会用到光反射率、干涉等各种个性化光谱测量。二维材料中晶格和激子的相互作用可以通过反射光的变化来研究。美国加州大学伯克利分校王峰团队对单层WSe2和莫尔WS2/WSe2异质结中相关层间激子绝缘体进行了系统研究，取得了重要成果。本研究对二维材料进行了低温光学反射率等各种高精度测量。

样品的示意图以及低温显微光致发光的相关测量结果。1

研究发现，当每个莫尔晶格位置的空穴密度为1时，莫尔WS2/WSe2双层具有莫特绝缘体态。当电子添加到WS2/WSe2莫尔双层中的莫特绝缘体上，并且将相同数量的空穴注入到WSe2单层中时，会出现一个新的层间激子绝缘体，其中WSe2单层中存在空穴。掺杂莫特绝缘体中的空穴和电子通过层间库仑相互作用结合在一起。层间激子绝缘体保持稳定，直至WSe2单层中的空穴达到临界密度。当空穴数量超过临界密度时，层间激子就会解离。该研究表明，由于莫尔平面带之间的相互作用和强层间电子相互作用，在双层莫尔系统中实现量子相的可能性。

由WS2/WSe2莫尔双层和WSe2单层组成的双层异质结的示意图和反射率测量。2

近日，荷兰代尔夫特理工大学、北京大学和西班牙瓦伦西亚大学的研究人员利用激光干涉对二维材料中应变与磁性的耦合进行了详细的测量和研究。在这项研究中，研究人员使用了悬浮的Cr2Ge2Te6(CGT)薄膜层及其异质结构和铁磁纳米机械薄膜谐振器。通过纳米机械共振检测研究了薄膜和异质结的磁变化与薄膜应变之间的关系。此外，作者还证明了异质结的居里温度可以通过静电力成功控制。本工作主要检测方法是通过激光干涉检测不同温度下CGT薄膜和异质结的共振频率，以测量和研究样品的居里温度及其与应变的关系。

利用激光干涉法表征CGT薄膜；a)光路示意图，样品置于蒙大拿恒温器中；b)样品在4K温度下共振峰的测量值和理论拟合值；c)样品在不同温度下的共振峰值随晶格常数的变化而变化。3

变温显微镜拉曼测量

拉曼测量一直是材料研究中最重要的光学测量方法之一。在二维材料的研究中，变温显微拉曼显示出了它的威力，并成为最重要的测量方法。

南京大学高立波、奚小祥等课题组合作，利用质子辅助CVD生长制备无皱超扁平石墨烯。该方法成功解决了传统CVD制备石墨烯时由于石墨烯与基体材料强耦合而形成的皱纹，为石墨烯在二维电子器件等领域的应用扫除了一大障碍。研究认为，质子辅助CVD方法不仅可以制备高质量石墨烯，而且普遍适用于其他类型纳米材料的制备，为制备高质量二维材料提供了新途径。

文章中，对样品进行了高质量的变温拉曼测量，清楚地展示了在不同制备和加工条件下石墨烯的G峰和2D峰随温度变化的峰位置移动。揭示了石墨烯与基底之间相互作用的强度以及石墨烯所承受的应力大小。

变温拉曼测量相关结果。4

低温MOKE和RMCD测量

由非磁性二维材料扭曲形成的莫尔超晶格是一种高度可调的系统，用于研究奇怪的相关态和拓扑态。近年来，在旋转石墨烯等各种二维材料中观察到了许多奇特的特性。鉴于此，华盛顿大学徐晓东教授课题组报道了小角度扭曲的二维CrI3中磁性织构的出现。作者使用基于NV色心的量子磁力计直接可视化和测量纳米级磁域和周期性图案，这是莫尔磁性的典型特征。在这篇文章中，研究人员利用MOKE和RMCD（反射磁圆二色性）对样品的磁性进行了精确测量。研究表明，反铁磁(AFM)和铁磁(FM)磁畴以无序的空间模式共存于扭曲的双层CrI3中。扭曲的三层CrI3中存在AFM和FM域的周期性图案，这与计算的CrI3莫尔超晶格中层间交换相互作用产生的空间磁结构一致。本文的结果表明莫尔磁性超晶格可以作为探索纳米磁性的研究平台。

层堆栈相关磁性和扭曲双层CrI3的磁光测量。5

低温电气测量

低温电学测量作为物理性质测量的基本测量方法，是研究二维材料器件电学性质的直观方法，也是二维材料走向特定应用的必由之路。近日，美国普林斯顿大学的AliYazdani和SanfengWu（共同通讯作者）报道了量子自旋霍尔绝缘体也是激子绝缘体的证据，这是由电子-空穴束缚态（即激子）自发形成引起的。该文章于2021年12月发表在《NaturePhysics》上。

单层WTe2中电荷中性的绝缘状态相关测量。6

文章中，作者通过巧妙的实验设计，结合电输运测量和隧道光谱测量，揭示了样品电荷中性点处存在一种本征绝缘态，并证实了这种电荷中性绝缘态的相关性质。作者提供的证据表明该样品不是带状绝缘体或局部绝缘体，并支持激子绝缘体相的存在。这些观察结果为理解具有非平凡拓扑的相关绝缘体奠定了基础，并证实单层WTe2是一种具有广阔应用前景的基态激子量子相材料。

低温测量关键技术及通用设备

各种低温光学测量和电学测量已成为二维材料的主要测量方法。用于二维材料测量的专业低温系统在科学研究中尤为重要。与传统深冷设备相比，二维材料测量的深冷测量对深冷设备提出了更高的要求。为了实现高效的微光学测量，低温系统必须具有极高的振动稳定性，并具有用于微光学测量的近距离工作距离窗口。系统还必须具有良好的温度稳定性和较小的位置热漂移，以满足长期光学测量的需要。此外，为了同时满足光学测量和电测量或电控制的要求，丰富的电接口也是必不可少的。

经过多年的发展，目前应用于二维材料测量的低温设备已经日趋完善。以QuantumDesign的Montana液氦低温光学系统为例，该设备温度可达3.2K，振动5nm，温度稳定性好，多个光学窗口，可选近工作距离窗口或直接集成物镜镜头。它具有近距离工作距离、大数值孔径光学测量等显着特点。此外，该系统可以集成多种电通道进行电学测量，并且该系统可以集成位移装置用于样品定位和扫描。

蒙大拿低温光学系统主机部分

在强磁场低温光学系统方面，QuantumDesign的OptiCool是典型代表。除了光学恒温器的超低振动、超高温稳定性和近距离工作之外，OptiCool还配备了双锥分裂磁铁。具有较大的均匀磁场面积，可以满足样品在磁场环境下移动和扫描测量的需要。在获得强磁场的同时，保证了大数值孔径光学测量的便利性。

OptiCool高磁场低温光学系统

本文提到的低温测量技术主要依赖于QuantumDesign公司的两台低温设备。随着技术的不断发展，我们有理由相信低温测量设备的性能会不断提高，这必将推动二维材料的发展。研究正在迅速发展。我们期待新型二维材料给我们的生活带来更多惊喜。

1.GiovanniScri等人，扭曲WSe2/WSe2双层中的电可调谐谷动力学，物理评论快报，124,217403(2020)。

2.张作成等人，单层WSe2和摩尔纹WS2/WSe2异质结构中的相关层间激子绝缘体。纳特。物理。18,12141220(2022)。

3.Makarsikins等人，悬浮Cr2Ge2Te6异质结构中居里温度的纳米机械探测和应变调谐。npj2D材料与应用，6,41(2022)。

4.袁国文等，质子辅助生长超平坦石墨烯薄膜。自然，577，204-208（2020）。

5.TianChengSong等人，扭曲2D磁体中磁域和莫尔磁性的直接可视化。科学374,11401144(2021)。

6.YanyuJia等人，单层激子绝缘体的证据。纳特。物理。18,8793(2022)。

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