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Adv. Mater.:通过前驱体调控的原位钝化获得高效PbS量子点太阳能电池

2018-04-02 16:31
储能科技
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五、Nano Futures:科学家预测二维材料自然皱摺引发震荡磁阻

近日,荷兰乌特列支大学Carmine Ortix教授(通讯作者)与德国莱布尼兹材料研究所张景皓研究员(第一兼通讯作者)合作,预测二维材料上的几何皱摺会引发Weiss磁阻震荡(Weiss oscillation)并引发异向磁阻(Anisotropic magnetoresistance). Weiss震荡是一种古典的磁阻震荡现象, 它源自於: 当电子沿着周期性位能移动并同时感受到外加磁场时,电子可以与周期性边界共振并沿着边界快速飘移, 因此电阻在特定的磁场值显着降低形成磁阻震荡. 除了磁阻, 在旋转外加磁场与二维薄膜的相对角度时, 该研究也发现此系统的异向磁阻也会展现Weiss 震荡, 这是首个系统在异向磁阻上展现了Weiss震荡. 相关成果以题为“Angle-dependent Weiss oscillations in a nanocorrugated two dimensional electron gas”发表在了Nano Futures上。

【图文导读】

Adv. Mater.:通过前驱体调控的原位钝化获得高效PbS量子点太阳能电池

图1二维皱摺薄膜与等效磁场

a. 上图: 二维皱摺薄膜. 下图: 外加均匀磁场与x轴夹角θ. 皱摺高度为a=25 nm, 其波长为λ=250 nm.
b. 电子在薄膜上所看到的等效磁场可分为两个分量, 分别是均匀磁场(B0)与平均值为零的震荡磁场(B1). 这两个磁场的大小是磁场角度θ的函数.

Adv. Mater.:通过前驱体调控的原位钝化获得高效PbS量子点太阳能电池

图2电子的路径随磁场角度变化

顶端图: 三个不同外加磁场的角度下, 电子所受到的等效磁场. 此处s 代表沿着x方向的薄膜弧长.
a. 外加弱磁场平行x轴, 电子的cyclotron orbit横跨薄膜皱摺.
b. 外加弱磁场旋转至x轴与y轴之间, cyclotron orbit可以与周期性边界共振, 造成电子沿皱摺飘移形成guiding-center drift.
c. 外加弱磁场沿着y轴, 等效磁场平均值为零. 此时等效磁场只是微扰般地扭曲电子路径.
d. 外加强磁场平行x轴, 由於磁场变大, 电子的cyclotron orbit缩小至小於皱摺长度.
e. 外加强磁场介於x轴与y轴之间, 在不同位置上, 电子可以沿着皱摺移动或是形成不动的cyclotron orbit.
f. 外加强磁场沿着y轴, 电子可以被局限在皱摺附近形成snake orbit沿着皱摺移动. 在不同的位置会形成cyclotron orbit. 此时为类一维(quasi-1D)系统.

Adv. Mater.:通过前驱体调控的原位钝化获得高效PbS量子点太阳能电池

图3垂直薄膜皱摺方向的磁阻

大图: 电阻在弱场下具有Weiss oscillation, 此处Bc所标记的是特定磁场满足cyclotron orbit的尺寸约是皱摺波长的整数倍(参考图二b). 蓝色, 紫色与黄色分别代表三种不同的载子浓度(n = 0.5, 1, 2 x 1012 cm-2).
内嵌小图: 强场下, 二维薄膜变为类一维系统, 电子无法横跨薄膜皱摺传输(参考图二 f). 因此磁阻大幅飙升.

Adv. Mater.:通过前驱体调控的原位钝化获得高效PbS量子点太阳能电池

图4 異向磁阻

a. 外场为0.4 tesla下, 电阻随着外加磁场角度震荡. 这也是Weiss震荡.
b. 外场为4 tesla, 此时异向磁阻非常巨大达到四个数量级. 这是因为在改变外加磁场角度时, 系统由二维(图二d)变为类一维系统(图二f).

【小结】

在过去的研究中, Weiss 震荡都源自於外加磁场与材料内在的震荡电场或是磁场的交互作用, 在实验上要实现Weiss震荡的条件非常严苛, 而本研究推展这种磁阻现象至外加磁场与几何形状的交互作用. 并且, 本研究进一步发现Weiss oscillatio的磁阻振幅可以透过旋转二维薄膜与外场的相对角度来调控, 此发现未来可应用於磁感测器 (magnetic sensor).

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