Tuning the optoelectronic properties of wide bandgap perovskites: Data-driven insights from combinatorial synthesis and high-throughput experimentation
Empa–Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology（瑞士联邦材料科学与技术研究院）
通过组合物理气相沉积和自动化表征，在Cs-Pb-Br-Cl四元空间中快速筛选出宽带隙钙钛矿的最佳Cs/Pb比为1.05-1.20，并发现高能光学跃迁是高PL产率的稳健决定因素。
2026-06-29 cond-mat.mtrl-sci
Fluorination Effects on the Structural Stability and Electronic Properties of sp3 Type Silicon Nanotubes
采用密度泛函理论研究了氟化sp3硅纳米管及其相应的硅纳米线沿不同晶向的结构和电子性质以及相对稳定性。发现结构稳定性随氟表面覆盖率线性增加，并且对于超过25%的覆盖率，预测管状结构比它们的线状对应物更稳定。完全氟化的系统的带隙低于其完全氢化的对应物的带隙，对于具有相对低的硅摩尔分数的系统，带隙最多为0.79 eV。随着硅摩尔分数的增加，这些差异似乎减小。对于混合氢化和氢化表面装饰方案，带隙通常位于完全氢化和完全氟化系统的值之间。此外，硅纳米管的带隙值被发现是更敏感的氟表面覆盖比硅纳米线。这些结果表明，表面功能化可用于控制窄的准一维硅纳米结构的稳定性，并开辟了化学剪裁其电子性质的道路。
2013-05-08 cond-mat.mtrl-sci
Optical and electrical properties of textured sulfur hyperdoped silicon: a thermal annealing study
当硫元素超掺杂到晶体硅中达到1020 cm-3的过饱和密度时，它可以使硅的亚带隙光吸收从0提高到70%，并具有表面圆顶结构。另一方面，局部Si：S配置，可以有助于强的子带隙吸收仍然是未知的。为了发现这种局域Si：S结构的更多特征，我们对织构化的硫超掺杂硅进行了热退火，并分析了其光学和电学性质的变化。我们发现，这种Si：S结构的复介电常数的虚部在1250 nm到2500 nm的波长范围内几乎是恒定的。
2014-03-12 cond-mat.mtrl-sci
Silicon clathrates for photovoltaics predicted by a two-step crystal structure search
目前，立方金刚石结构的硅在光伏产业中发挥着重要作用。然而，晶体硅的本征能带结构限制了其太阳光转换效率。最近，一种笼形结构的Si-24被成功合成，它具有准直接带隙，为硅基光致发光材料的研究提供了新的思路。在此，我们提出了一种基于第一性原理计算的两步晶体结构搜索方法，并对硅笼形结构进行了广泛的探索。首先在高压下寻找主客体化合物，然后通过去除客体原子得到多孔无客体硅笼形物。以钾为客体原子，我们鉴定了四种亚稳态硅笼形结构，其中一些结构的带隙接近Shockley-Queisser极限的最佳范围，并且比立方金刚石硅有更好的吸收率。这些硅包合物可能在光伏应用中具有很好的应用价值。
2017-12-29 cond-mat.mtrl-sci
Effects of hydrogen pressure on hydrogenated amorphous silicon thin films prepared by low-temperature reactive pulsed laser deposition
我们采用反应脉冲激光沉积法在120 ℃的低温下，在0-20 Pa的不同氢压范围内沉积了本征氢化非晶硅（a-Si：H）薄膜，并研究了薄膜的氢掺入、结构、光学和电学性质随环境氢压的变化。膜厚随氢压的增加而线性减小。薄膜的氢含量由红外光谱和光学带隙由UV-Vis-NIR透射率和反射率测量确定。电测量产生的暗电导率的膜。薄膜的氢浓度在10^21-10^22 cm^（-3）范围内，并随氢压的增加而增加，直到后者达到15 Pa，超过该值，氢浓度降低。薄膜的光学带隙和暗电导率随氢浓度的变化而变化。暗电导率在10^（-9）-10 ^（-10）S/cm范围内。观察到2.2-2.6 eV的异常宽的光学带隙。
2017-04-13 cond-mat.mtrl-sci
2D ferroelectric narrow-bandgap semiconductor Wurtzite' type alpha-In2Se3 and its silicon-compatible growth
Shenyang National Laboratory for Materials Science, Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences（中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家实验室）；School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology of China（中国科学技术大学材料科学与工程学院）；School of Physical Science and Technology, Jiangsu Key Laboratory of Frontier Material Physics and Devices, Soochow University（苏州大学江苏省前沿材料物理与器件重点实验室物理科学与技术学院）；Collaborative Innovation Center of Extreme Optics, Shanxi University（山西大学极端光学协同创新中心）；Center for Quantum Matter, School of Physics, Zhejiang University（浙江大学物理学院量子物质研究中心）；Department of Mechanical Engineering, The University of Hong Kong（香港大学机械工程系）
本研究通过原位传输生长法实现了厘米级纤锌矿型α-In₂Se₃薄膜的制备，展示了其作为窄带隙铁电半导体在神经形态计算突触中的应用潜力。
2026-02-09 cond-mat.mtrl-sci
Direct Bandgap Emission from Hexagonal Ge and SiGe Alloys
半个多世纪以来，以通常的立方（金刚石）晶格结构结晶的硅一直主导着电子工业。然而，立方硅（Si）、锗（Ge）和SiGe合金都是间接带隙半导体，不能有效地发光。因此，几十年来，从IV族材料实现有效的光发射一直是硅技术中的圣杯，尽管付出了巨大的努力，但它仍然难以实现。在这里，我们展示了直接带隙六方锗和锗硅合金的高效发光。我们测量了一个亚纳秒，温度不敏感的辐射复合寿命，并观察到类似的直接带隙III-V族半导体的发射产率。此外，我们演示了如何通过控制的六角SiGe合金的组成，发射波长可以在很宽的范围内连续调谐，同时保持直接带隙。我们的实验结果被证明是在良好的定量协议与从头算理论。半导体SiGe是一种理想的材料系统，可以在单个芯片上完全结合电子和光电功能，为新的器件概念和信息处理技术开辟道路。
2019-11-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Micrometer-thick, atomically random Si0.06Ge0.90Sn0.04 for silicon-integrated infrared optoelectronics
如果应变和带隙能量可以在SiGeSn半导体中独立设计，那么真正的单片红外光子学平台就触手可及。在此，我们研究了1.5 μ m厚的Si0.06Ge0.90Sn0.04层的结构和光电特性，该层与Si衬底上的Ge几乎晶格匹配。原子水平的研究表明，高结晶质量和均匀的组成，并没有显示出短程有序和集群的迹象。室温下的光谱椭圆偏振和传输测量显示在0.83 eV的直接带隙吸收和降低的间接带隙吸收在较低的能量。Si0.06Ge0.90Sn0.04在室温下工作的光电导器件表现出类似于Si上Ge器件的暗电流和光谱响应度（低于1.5 μm波长为1 A/W），具有可通过合金成分调节的近红外带隙的优点。这些结果强调了SiGeSn半导体在实现硅集成红外光电子学的IV族材料平台方面的相关性。
2022-08-12 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
$py$GWBSE: A high throughput workflow package for GW-BSE calculations
我们开发了一个开源的Python工作流包，$py$ GWBSE执行自动化的第一性原理计算GW-BSE（Bethe-Salpeter）框架内。GW-BSE是一种基于多体微扰理论的研究材料准粒子和激子性质的方法。GW近似已被证明是有效的，通过克服更广泛使用的密度泛函理论（DFT）的带隙低估的问题，在准确地预测带隙的宽范围的材料。BSE形式主义，尽管计算昂贵，产生的吸收光谱直接与实验观察。$py$ GWBSE软件包实现了整个多步GW-BSE计算的完全自动化，包括对这些计算的准确性至关重要的几个参数的收敛测试。$py$ GWBSE与$Wannier90$集成，$Wannier90$是一种用于计算最大局部化wannier函数的程序，允许生成QP能带结构。$py$ GWBSE还可以自动创建元数据和数据的数据库，包括QP和激子特性，这对于超宽带隙半导体、电子、光电子学和MEMS领域的未来材料发现研究非常有用。
2022-10-04 cond-mat.mtrl-sci
Reproducibility of high-throughput density-functional-theory calculations
本文揭示了计算工作流差异对高通量密度泛函理论计算结果可重复性的影响，以带隙为关键属性，提出使用相同优化程序的结构并确保Brillouin区积分网格精度两项基本要求，为DFT计算可重复性奠定基础。
2025-08-10 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
The theoretical DFT study of electronic structure of thin Si/SiO2 quantum nanodots and nanowires
采用B3 LYP/6- 31 G * 和PW PP LDA近似，用团簇和PBC方法研究了一组具有窄界面的薄（直径为1.6 nm）硅/二氧化硅量子纳米点和纳米线以及母体亚稳硅结构（直径为1.2 nm）的原子和电子结构.最小的准球形硅量子点（Si 85）的总态密度（TDOS）与体硅的TDOS有很好的对应。拉长的硅纳米点和1D纳米线证明了电子结构的金属性质。表面氧化层打开了Si/SiO2物种的TDOS中的带隙。粒子的价带顶和导带底由硅芯导出态构成。带隙的能量宽度由Si/SiO2团簇的长度决定，并表现出对纳米结构尺寸的反向依赖性。理论数据准确地描述了二氧化硅镶嵌纳米晶硅光致发光谱中的尺寸限制效应。
2007-09-15 cond-mat.mtrl-sci
Thermal runaway of silicon-based laser sails
激光帆航天器-一个强大的地球激光器推动一个轻型外太空飞行器-最近被突破射星计划提议作为一种达到星际空间旅行相对论速度的手段。该任务所需的帆处的激光强度至少为1 GW $\cdot$ m $^{-2}$，并且在如此高的强度下，即使当使用具有低吸收系数的材料时，帆的热管理也成为一个重大挑战。硅已被提议作为帆的一种主要候选材料，因为它的低亚带隙吸收和高折射率，这允许低质量密度设计。然而，在这里，我们表明，硅的温度依赖性带隙结合双光子吸收过程，即使是最乐观的可行假设的材料质量可能会导致热失控。根据我们的计算，我们设定了可用于热稳定的Si基激光帆的最大激光强度的界限。
2021-10-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Relaxed current matching requirements in highly luminescent perovskite tandem solar cells and their fundamental efficiency limits
在这里，我们使用时间分辨和稳态光谱学对最先进的低和高带隙钙钛矿薄膜进行串联，以量化本征复合率和吸收系数。我们应用这些数据来计算钙钛矿-硅和全钙钛矿双端串联的限制效率，采用目前可用的带隙材料分别为42.0%和40.8%。通过包括子电池之间的发光耦合，即来自高带隙子电池的光子的再发射以及它们在低带隙子电池中的吸收，我们揭示了与不考虑发光耦合的计算相比，当高带隙子电池是发光钙钛矿时，对电流匹配的严格需求被放松。我们表明，当高带隙子电池中的电荷载流子捕获率< 10 $^{6}$ s $^{-1}$（对应于在低激发密度下载流子寿命长于1 $μ$ s）时，发光耦合在全钙钛矿串联中变得重要，在带隙匹配更好的钙钛矿-硅电池中，该电荷载流子捕获率降低至10 $^{5}$ s $^{-1}$。我们证明发光耦合赋予更大的灵活性，在两个子电池的厚度，增加容忍不同的光谱条件和减少光吸收层的总厚度。为了最大限度地利用发光耦合，我们揭示了基于发光钙钛矿的串联的关键设计规则：高带隙子电池应始终具有较高的短路电流。重要的是，这可以通过在效率降低最小的情况下减小带隙或增加高带隙子电池中的厚度来实现，从而允许避免更宽的不稳定带隙组成（> 1.7eV）。最后，我们通过横截面发光图像实验可视化全钙钛矿串联器件堆叠中的发光耦合。
2020-12-01 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
High-throughput identification of spin-photon interfaces in silicon
主体半导体中的色心是自旋光子界面的主要候选者，这将使许多量子应用成为可能。硅中最佳自旋光子界面的发现将使量子信息技术向成熟的半导体技术发展。然而，宿主中可能的带电缺陷的空间非常大，使得从实验中识别有希望的量子缺陷极具挑战性。在这里，我们使用高通量的第一性原理计算筛选，以确定硅中的1000多个替代和间隙带电缺陷之间的自旋光子接口。我们通过考虑它们的光学性质，自旋多重性和形成能来评估最有前途的缺陷。使用一个单一的拍摄混合功能的方法是至关重要的，使大量的缺陷的筛选具有合理的精度在计算的光学和电子性能。我们确定了三个新的有前途的自旋光子界面作为潜在的明亮的发射体在电信波段：$\rm Ti_{i}^{+}$，$\rm Fe_{i}^{0}$，和$\rm Ru_{i}^{0}$。这些候选者通过缺陷束缚激子激发，强调了如果针对电信频段的操作，则考虑硅中这些类型的缺陷的重要性。我们的工作为进一步大规模计算筛选硅和其他宿主中的量子缺陷铺平了道路。
2023-03-02 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
An optically enhanced crystalline silicon allotrope: hydrogen passivated type II silicon clathrate
Colorado School of Mines（科罗拉多矿业学院）；TotalEnergies E&P Research and Technology（道达尔能源勘探与生产研究与技术）
针对硅笼形物光电性能受高掺杂和缺陷限制的问题，本研究通过远程等离子体处理实现氢（氘）掺入II型硅笼形物，形成NaD和SiD复合物降低施主密度与缺陷，提升发光强度40倍且性能稳定，为其光电器件应用提供新策略。
2025-11-12 cond-mat.mtrl-sci
One-dimensional Silicon and Germanium Nanostructures With No Carbon Analogues
在这项工作中，我们报告了新的硅和锗管状纳米结构，没有相应的稳定的碳类似物。通过从头算方法研究了这些新管的电子和力学性质。我们的研究结果表明，该结构具有较低的能量比其相应的纳米结构，是稳定的高温（500和1000 K，硅和锗管，分别）。这两种管都是半导体的，具有小的间接带隙，可以通过压缩和拉伸应变显着改变。大的带隙变化几乎50%的应变率小到3%，这表明在传感器设备中可能的应用。它们还具有高杨氏模量值（分别为0.25和0.15 TPa）。TEM图像进行了模拟，以帮助识别这些新的结构。
2014-10-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Systematic strain-induced bandgap tuning in binary III-V semiconductors from density functional theory
本研究基于密度泛函理论建立预测性从头算方法，分析单轴、双轴及各向同性应变对二元III-V半导体带隙的系统性调控，并揭示了多种材料的带隙性质转变点及组合应变策略。
2022-08-22 cond-mat.mtrl-sci
Mid-infrared emission and absorption in strained and relaxed direct bandgap GeSn semiconductors
通过独立的工程应变和成分，这项工作证明和研究直接带隙发射在中红外范围内从硅上生长的GeSn层。在Sn含量为17 at.%的均匀层中，我们将室温发射波长扩展到~4.0 μm以上。基于温度依赖的光致发光、吸收测量和理论模拟，讨论了光发射的基本机制。无论应变和组成，这些分析证实，单峰发射总是观察到的探测温度范围为4-300 K，排除了缺陷和杂质相关的发射。此外，热激活的非辐射复合通道的载流子损耗被发现作为应变弛豫的结果被极大地最小化。吸收测量验证直接带隙吸收在应变和放松的样品在能量密切匹配的光致发光数据。这些结果突出了GeSn半导体作为可扩展、紧凑和硅兼容的中红外光子学和量子光电子学的通用构建块的强大潜力。
2020-12-23 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Alloying to Tune the Bandgap of the AM2Pn2 Zintl Compounds
本研究针对AM₂Pn₂ Zintl化合物的带隙调控需求，采用高通量第一性原理计算筛选合金，得到适用于叠层顶电池和远红外探测器的候选材料，并通过实验验证了该类合金的可合成性。
2025-10-02 cond-mat.mtrl-sci
Solution Processed Infrared- and Thermo- Photovoltaics based on 0.7 eV Bandgap PbS Colloidal Quantum Dots
利用低能量光子对于多结高效太阳能电池以及对于热光伏应用是至关重要的。然而，具有低于0.8eV的带隙的半导体吸收体已被限制于III-V（InGaAs）或IV（Ge）半导体，其特征在于高制造成本和在其生长和与较高带隙电池集成时的复杂晶格匹配要求。在这里，我们已经开发了基于PbS胶体量子点（CQD）的溶液处理的低带隙光伏器件，其带隙为0.7 eV，适合于热光伏以及低能量太阳能光子收集。通过将这些电池的光谱响应与红外太阳光谱的光谱响应相匹配，我们报告了在全太阳光谱下37 mA/cm 2的创纪录的高短路电流（JSC）和当放置在硅晶片背面时5.5 mA/cm 2的创纪录的高短路电流（JSC），从而分别导致6.4%和0.7%的功率转换效率（PCE）。此外，作为在1000 °C黑体辐射器下记录的热-光电池，该器件达到约6%的以上带隙PCE。
2019-09-23 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Micro-crystal GaAs array sub-cells for Si tandem solar cells
GeePs, Group of Electrical Engineering Paris, CNRS, CentraleSupelec, Université Paris-Saclay, Sorbonne Université（巴黎电气工程集团，法国国家科学研究中心，中央苏佩莱克学院，巴黎萨克雷大学，索邦大学）；C2N, Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, CNRS, Université Paris-Saclay（纳米科学与工程中心，法国国家科学研究中心，巴黎萨克雷大学）；SILVACO Technology Centre
本研究通过二维光学与电学数值建模，分析外延横向过生长 AlxGaAs/GaAs 微晶阵列与 Si 构成的两端叠层太阳能电池，提出兼顾光捕获、界面输运和缺陷规避的设计规则。
2025-10-20 cond-mat.mtrl-sci
Accurate high-throughput screening of I-II-V 8-electron Half-Heusler compounds for renewable-energy applications
本研究通过第一性原理计算高通量筛选960种I-II-V 8电子半霍斯勒化合物，评估其热电、光电、拓扑绝缘体及透明导体应用潜力，发现多种高性能候选材料。
2019-10-07 cond-mat.mtrl-sci
Lithography-free sub-100nm nanocone array antireflection layer for low-cost silicon solar cell
通过一步高通量等离子体增强织构化方法，产生高密度和均匀性的亚100nm表面氧化硅纳米锥森林结构并将其集成到光伏器件表面上的现有织构化微结构上。通过这种纳米制造方法，我们抑制了化学织构B级硅太阳能电池上的宽带光反射高达70.25%。电池的性能得到改善，短路电流提高了7.1%，填充因子提高了7.0%，转换效率提高了14.66%。我们的方法展示了低成本高产量纳米制造技术提高光伏器件性能的潜力。
2014-02-07 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Holistic Determination of Optoelectronic Properties using High-Throughput Spectroscopy of Surface-Guided CsPbBr$_3$ Nanowires
光电微结构和纳米结构具有巨大的参数空间，可用于探索其功能性能的修改和优化。本文报道了一种以数据为主导的方法，该方法使用高通量单纳米结构光谱来探测超过8，000个结构，从而可以在统计置信度下对多种材料和光电参数进行整体分析。该方法适用于表面引导的CsPbBr $_3$纳米线，它具有复杂的和相互关联的几何，结构和电子性能。基于光致发光的测量，研究的表面和嵌入式接口，利用自然的纳米线间的几何变化，以表明，增加纳米线的宽度减少的光学带隙，增加复合率在纳米线体，并减少在表面界面的速率。一个模型的载流子复合和扩散归因于这些趋势的载流子密度和应变的影响，在界面和自洽检索值载流子迁移率，陷阱密度，带隙，扩散长度和内部量子效率。该模型预测了参数的变化趋势，如内量子效率随宽度的变化，并通过实验验证。由于这种方法需要最少的先验信息，因此它广泛适用于纳米和微米尺度的材料。
2022-05-11 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Strain Induced Indirect-to-Direct Bandgap Transition, Photoluminescence Enhancement, and Linewidth Reduction in Bilayer MoTe2
二维（2D）层状材料提供了一个理想的平台，通过应变控制工程的电子和光学性能，因为它们的极高的机械弹性和敏感的依赖性的材料性能的机械应变。在本文中，一个相结合的实验和理论的努力作出调查的各种光谱特征的双层MoTe 2光致发光（PL）的机械应变的影响。我们发现，双层MoTe 2可以通过应变工程从间接带隙材料转换为直接带隙材料，导致光致发光增强2.24倍。超过90%的PL来自于在施加的最大应变下由直接激子发射的光子。重要的是，我们表明，应变效应导致PL的整体线宽减少多达36.6%。我们归因于应变引起的各种激子品种，如直接亮激子，trions，和间接激子之间的复杂的相互作用的线宽急剧下降。我们的实验结果直接和间接激子发射功能的理论激子能量是基于第一原理电子能带结构计算解释。理论与实验一致的趋势表明，随着应变的增加，直接激子贡献的增加是导致PL增强和线宽减小的原因。我们的研究结果表明，应变工程可以导致PL质量的双层MoTe 2的单层对应。较长发射波长的额外益处使得双层MoTe 2由于减少的硅吸收而更适合于硅光子集成。
2022-09-23 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Ultralow-voltage operation of light-emitting diodes
注入的载流子的辐射复合产生电致发光（EL），这是发光二极管（LED）操作的中心过程。在包括钙钛矿和有机LED的一些新兴光电子学领域中，通常假定发光所需的最小电压是半导体带隙除以元电荷。在这里，我们展示了许多类别的LED，包括基于金属卤化物钙钛矿、有机、硫属化物量子点和商业III-V族半导体的LED，通常可以在其带隙的36%-60%的创纪录低驱动电压下观察到光子发射，对应于每个发射光子0.6-1.4 eV的大表观能量增益。重要的是，对于具有非常不同的电荷注入和复合模式（暗饱和电流密度范围为~10^-35至~10^-21 mA/cm 2）的各种类型的LED，它们在低电压下的EL强度-电压曲线表现出相似的行为，揭示了超低压器件操作的普遍起源。最后，作为概念验证，我们证明钙钛矿LED可以在1V（低于硅带隙的电压）下有效地将数据传输到硅探测器。我们的工作为电致发光二极管的工作极限提供了新的见解，突出了将低压LED与硅电子器件集成在下一代通信和计算应用中的巨大潜力。
2021-08-03 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Networks of silicon nanowires: a large-scale atomistic electronic structure analysis
硅纳米线网络具有有趣的电子特性，超越了基于单个纳米线量子限制的预测。采用大规模的原子赝势计算，尚未开发的分支纳米结构的子系统水平，以及在充分的组装进行了研究。最终产品是一个简单的，但通用的表达式的带隙和带边排列的多重交叉硅纳米线的各种直径，交叉数，和线的取向。沿着这条线的进一步进展可能会推翻硅纳米线网络的自下而上的方法，通过从功能开始并导致实现结构的自上而下的设计。
2013-11-15 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Computational screening of high-performance optoelectronic materials using OptB88vdW and TB-mBJ formalisms
我们进行高通量的密度泛函理论（DFT）计算的光电性能（电子带隙和频率相关的介电函数）使用OptB 88 vdW功能（OPT）和trans-Blaha修改的贝克约翰逊势（MBJ）。这些数据通过JARVIS-DFT数据库公开发布。我们使用这些数据来评估这两种形式主义之间的差异，并量化它们的准确性，在适用的情况下与实验数据进行比较。目前，我们有17，805 OPT和7，358 MBJ带隙和介电函数。MBJ被发现预测更好的带隙和介电函数比OPT，所以它可以用来改善众所周知的带隙问题的DFT在一个相对便宜的方式。用OPT和MBJ得到的介电函数的峰位与实验相当一致。这些数据可在我们的网站http://www.ctcms.nist.gov/~knc6/JVASP.html和https://jarvis.nist.gov上查阅。
2018-04-03 cond-mat.mtrl-sci
Gallium phosphide-on-silicon dioxide photonic devices
利用磷化镓的集成光子电路的开发需要用于制造绝缘体上GaP器件的稳健的、可扩展的工艺。在这里，我们提出了第一个GaP光子器件的SiO $_2$。该工艺利用将GaP/Al $_x$ Ga $_{1-x}$ P/GaP异质结构直接晶片键合到Si上$_2$晶片上，随后去除GaP衬底和Al $_x$ Ga $_{1-x}$ P停止层。光子器件如光栅耦合器、波导和环形谐振器通过感应耦合等离子体反应离子蚀刻在顶部GaP器件层中图案化。制作的光栅耦合器的峰值耦合效率高达4.8dB。光学品质因数为17000，以及二次和三次谐波产生观察与环形谐振器。由于GaP的大带隙在电信波长处提供低的双光子吸收，因此通过这项工作实现的绝缘体上GaP光子器件的高产率制造对于纳米光子学中的应用特别感兴趣，其中高品质因数或低模式体积可以产生高电场强度。大的带隙还使得能够实现在可见波长下操作的集成光子器件。
2018-01-08 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Combinatorial Development of Amorphous/nanocrystalline Biphase Soft Magnetic Alloys with Silicon-steel like Saturated Magnetic Induction
针对高Bs软磁合金筛选依赖高实验强度熔铸法、磁性能高通量表征难的问题，开发基于高通量MOKE的组合筛选法，发现高Bs低Hc合金多为非晶-纳米晶双相结构，还得到Bs达2.02T、电阻率为硅钢17倍的Fe基合金薄膜，为软磁材料研发提供新范式。
2025-07-31 cond-mat.mtrl-sci
Diamine Surface Passivation and Post-Annealing Enhance Performance of Silicon-Perovskite Tandem Solar Cells
本研究通过在钙钛矿/ETL界面引入DAP并对C60进行后退火，揭示THP形成与界面均匀化机制，将硅-钙钛矿叠层电池PCE提升至25.29%。
2024-12-04 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Tuning Ultra-Narrow Direct Bandgap in alpha-Sn Nanocrystals: A CMOS-Compatible Approach for THz Applications
本研究通过CMOS兼容的微波工艺在硅上合成α-Sn纳米晶体，实现超窄直接带隙（64-137 meV）的尺寸可调，为太赫兹器件提供新途径。
2025-05-27 cond-mat.mtrl-sci
Anisotropic Thermal Conductivity of 4H and 6H Silicon Carbide Measured Using Time-Domain Thermoreflectance
碳化硅（SiC）是一种宽带隙（WBG）半导体材料，在大功率和高频电子领域具有广阔的应用前景。在其许多有用的特性中，高导热性是至关重要的。本文利用飞秒激光时域热反射（TDTR）技术测量了三种SiC样品：n型4 H-SiC（N掺杂1 × 10^19 cm-3）、非故意掺杂（UID）4 H-SiC和Si 6 H-SiC（V掺杂1 × 10^17 cm-3）在250 K ~ 450 K温度范围内的各向异性热导率。通过选择合适的激光光斑半径和调制频率，我们同时测量了SiC的平行于（k_r）和穿过六边形平面（k_z）的热导率。对于k_r和k_z，导热系数的大小顺序为：Si 4 H-SiC> n型4 H-SiC> Si 6 H-SiC。这项工作是理解WBG半导体热传输的重要基准。
2017-12-13 cond-mat.mtrl-sci
High-throughput screening assisted discovery of a stable layered anti-ferromagnetic semiconductor: CdFeP2Se6
二维（2D）磁性的最新进展提高了人们对层状磁性材料的兴趣，因为它们具有自旋电子学的潜力。特别是，层状半导体反铁磁体表现出有趣的低维半导体行为与电荷和自旋作为载流子控制。然而，这些化合物的合成是具有挑战性的，并且仍然罕见。在这里，我们进行了基于第一性原理的高通量搜索，以筛选潜在稳定的混合金属磷三硫属化物（MM'P2X6，其中M和M'是过渡金属，X是硫属化物），其具有宽范围的可调带隙和有趣的磁性。在潜在的候选人，我们成功地合成了一个稳定的半导体层状磁性材料，CdFeP2Se6，表现出短程反铁磁秩序在TN = 21 K的间接带隙为2.23 eV。我们的工作表明，高通量筛选辅助合成是发现层状磁性材料的有效方法。
2022-12-18 cond-mat.mtrl-sci
Donor-Acceptor Pairs in Wide-Bandgap Semiconductors for Quantum Technology Applications
本研究提出利用宽禁带半导体中施主-受主对的偶极-偶极耦合构建量子科学平台，通过DFT计算金刚石和SiC中DAPs的性质，发现SiC的Al-N对是实现长程光学可控相互作用的合适候选。
2024-01-30 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
High-throughput search for magnetic topological materials using spin-orbit spillage, machine-learning and experiments
磁性拓扑绝缘体和半金属具有多种特性，使它们对包括自旋电子学和量子计算在内的应用具有吸引力，但已知的高质量候选材料很少。在这项工作中，我们使用系统的高通量密度泛函理论计算，以确定磁性拓扑材料从40000三维材料在JARVIS-DFT数据库（https：//jarvis.nist.gov/jarvisdft）。首先，我们筛选出净磁矩> 0.5 μB和自旋轨道溢出> 0.25的材料，得到25种绝缘和564种金属候选物。溢出作为一个签名的自旋轨道诱导带反转。然后，我们进行计算的Wannier电荷中心，陈数，异常霍尔电导率，表面能带结构，费米面，以确定有趣的拓扑结构特征的筛选化合物。我们还训练机器学习模型，用于预测新化合物的溢出、带隙和磁矩，以进一步加快筛选过程。我们实验合成和表征一些候选材料，以支持我们的理论预测。
2021-02-05 cond-mat.mtrl-sci
A Defect-Free Model of Amorphous Silicon with Pristine Electronic Structure
University of Oxford（牛津大学）；Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室）；Ohio University（俄亥俄大学）
通过机器学习分子动力学模拟生成无缺陷非晶硅模型，结合杂化密度泛函理论计算，准确再现实验电子带隙，并与WWW方法及其他模型对比，为带尾态、光学性质和输运研究提供平台。
2026-06-19 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
On the Photoluminescence Theory in Nanocrystalline Silicon: A New Improvement
针对硅间接带隙导致发光效率低的问题，本文回顾两种纳米晶硅光致发光理论模型，并提出一个更全面的新模型，通过案例研究验证其能提供更深入准确的理解。
2025-06-20 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Theoretical study of the band structure of 2H-SiC and 4H-SiC of silicon carbide polytypes
本文研究了2 H-SiC和4 H-SiC碳化硅多型体的电子能带性质。采用从头计算密度泛函理论（DFT）计算了第一布里渊区的电子能带结构和态密度（DOS）。用GW近似计算得到的带隙${E_{\rm{g 2H-SiC}} = 3.17}$ eV和${E_{\rm{g 4H-SiC}} = 3.26}$ eV与实验值吻合得很好。总DOS的形状和值与其他作者进行的计算一致。2 H-SiC和4 H-SiC的计算总能量值接近，但它们满足条件${E_{\rm{2H}} > E_{\rm{4H}}}$，这意味着4 H-SiC结构比2 H-SiC更稳定。用密度泛函方法计算了2 H-SiC和4 H-SiC的能带结构和态密度，结果表明，GW近似是研究2 H-SiC和4 H-SiC多型体电子结构的最佳方法。
2021-06-25 cond-mat.mtrl-sci
Direct and High-Throughput Fabrication of Mie-Resonant Metasurfaces via Single-Pulse Laser Interference
具有Mie型电和磁共振的高折射率介电超颖表面在诸如成像、传感、光致发光等各种应用中引起了极大的兴趣，这导致了高效的大规模制造技术的必要性。为了解决这个问题，在这里，我们演示了使用单脉冲激光干涉直接图案化的非晶硅薄膜成阵列的米氏谐振器。所提出的技术基于激光干涉诱导的去湿。激光脉冲能量的精确控制使得能够在跨越数十微米的区域中制造有序的介电超颖表面，并且由单个激光发射的数千个半球形纳米颗粒组成。所制造的纳米粒子表现出与波长相关的光学响应与强电偶极子签名。预沉积的硅膜厚度的变化允许在目标可见光和红外光谱范围内定制谐振。这种直接和高产量的制造铺平了道路，以一个简单的实现空间不变的超表面为基础的设备。
2020-03-06 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Coherent control and high-fidelity readout of chromium ions in commercial silicon carbide
过渡金属离子在宽带隙半导体中提供丰富的光学活性缺陷自旋。碳化硅（SiC）中的铬（Cr 4+）产生自旋1基态，具有窄的、光谱隔离的、自旋选择性的、近电信光学界面。然而，以前的研究受到材料质量的阻碍，导致有限的一致性控制。在这项工作中，我们将Cr注入到商业4 H-SiC中，并在1600 ℃以上退火后显示出最佳的缺陷激活。我们测量的合奏光学孔线宽为31 MHz，一个数量级的改进相比，生长的样品。光学和自旋动力学的深入探索揭示了高效的自旋极化，相干控制和高保真度（79%）的读出。我们报告的T1时间大于1秒，在低温（15 K）与T2* = 317纳秒和T2 = 81微秒，其中自旋退相时间是目前有限的自旋自旋相互作用内的缺陷合奏。我们的研究结果表明，Cr 4+在SiC作为一个外在的，光学活性的自旋量子比特的潜力。
2019-09-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Discovery of T center-like quantum defects in silicon
本研究通过高通量计算筛选硅中22,000余种带电复杂缺陷，发现一系列类T中心色心，具有电信波段发射、更高对称性及更优辐射寿命或发射效率潜力。
2024-05-08 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Laser-thinning of MoS2: on demand generation of a single-layer semiconductor
单层MoS 2是石墨烯的有吸引力的半导体类似物，其结合了高机械柔性和1.8 eV的大直接带隙。另一方面，块状MoS 2是类似于硅的间接带隙半导体，具有1.2 eV的间隙，因此确定性地制备单层MoS 2层是在电子、光电和光伏应用中利用单层MoS 2的大的直接带隙的关键步骤。虽然机械和化学剥离方法可用于获得高质量的MoS 2单层，但对薄片的厚度、形状、尺寸和位置缺乏控制限制了它们的用途。在这里，我们提出了一种技术，用于可控地减薄多层二硫化钼到一个单层的二维晶体，使用激光。我们生成任意形状和图案的单层，其特征尺寸低至200 nm，并表明所得的二维晶体具有与原始剥离的MoS 2单层相当的光学和电子性质。
2012-06-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
XHEMTs on Ultrawide Bandgap Single-Crystal AlN Substrates
本文提出基于单晶AlN衬底的XHEMT，通过赝晶GaN沟道实现强载流子限制，克服传统GaN HEMT的位错和热阻问题，在10 GHz下达到5.92 W/mm输出功率和65%效率，适用于下一代射频电子。
2025-06-20 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Laser-microstructured ZnO/p-Si photodetector with enhanced and broadband responsivity across the UV-Vis-NIR
我们利用原子层沉积法（ALD）在激光微结构硅衬底上制备ZnO薄膜，研制了ZnO/p-Si光电探测器，并研究了它们的电学和光学特性。在SF6气体中，用ns激光辐照p型硅，在硅表面形成了准有序的、均匀的微尖峰结构。被照射的硅含有硫杂质，这将其吸收扩展到近红外。ZnO的薄膜通过ALD共形地沉积在微结构化硅衬底上。光致发光测量表明退火后的ZnO薄膜的高结晶质量。电流-电压（I-V）测量的ZnO/p-Si异质结二极管在黑暗中显示出一个非线性的行为与不寻常的高电流值在反向偏置。在照明光电流观察反向偏置，甚至低于硅带隙的激光微结构光电探测器的情况下的波长。与平面光电探测器相比，微结构光电探测器测得更高的电流值。光电导测量表明，由于其增加的表面积和光吸收，激光微结构化器件在UV-Vis-NIR光谱范围内的响应度增强。
2020-10-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Broadband light extraction from near-surface NV centers using crystalline-silicon antennas
针对金刚石近表面NV色心光提取效率低的问题，提出在金刚石表面制备易图案化的高折射率晶体硅天线的方法，模拟获约17倍、实验获约9倍单光子收集增强，且无金刚石表面损伤，可推广至其他色心及宽带隙材料量子发射器。
2025-02-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
