by JiGrp Dec 12, 2024 | Research Progress , 新闻
近日，物理学院季威教授研究组联合 复旦大学车仁超教授、浙江大学赵昱达研究员等研究组组成研究团队，利用第一性原理计算、原位扫描透射电子显微镜(STEM)和器件输运性质测量等方法，研究了二维范德华铁电半导体α-In₂Se₃中层间堆叠方式与铁电畴壁形态、铁电翻转行为、相变路径等性质的依赖关系，揭示了层间堆叠构型与上述性质间的深刻关联，为通过层间堆叠工程调控铁电畴壁类型和演化动力学行为提供了新策略。相关结果于2024年12月2日以“Stacking selected polarization switching and phase transition in vdW ferroelectric α-In2 Se3 junction devices”为题发表在Nature Communications 15 , 10481 (2024)上。
铁电畴壁是分离铁电材料中不同电极化取向的功能界面。在二维层状铁电薄膜中，这些畴壁的取向可以垂直（面外畴壁）或平行（面内畴壁）于薄膜表面。在电场作用下，带电的畴壁显示出较高的空间迁移率，展示了动态创建、移动和擦除畴壁的潜力。尽管对铁电器件的性能调节和功能设计至关重要，精确控制铁电畴壁的类型和运动行为、揭示这些畴壁性质调控的原子尺度机制，仍然面临诸多挑战。
二维α-In2 Se3 是一种独特的范德华铁电半导体，在非易失性存储器等中有应用潜力。由金属/α-In2 Se3 /金属构建的铁电半导体结(FSMJ)在电输运中表现出奇异的滞后行为，这通常与金属/铁电界面的肖特基势垒中的铁电极化调控相关。然而，缺乏α-In2 Se3 中铁电畴壁结构及其演化动力学的详细信息，限制了人们深入理解铁电半导体结中的奇异输运行为。此前的研究通过压电力显微镜和电输运测量间接证实了电场下的极化动力学调控行为，但缺乏原子级的结构信息。
该工作通过STEM观测到α-In2 Se3 在原子级水平显示出依赖层间堆叠方式的铁电畴壁结构，在3R型堆叠的 α-In₂Se₃中形成面外畴壁，而在2H型堆叠中则倾向于形成面内畴壁。通过计算形成能和界面相互作用，该工作揭示了α-In₂Se₃中层间堆叠方式依赖的面内和面外畴壁形成机制，发现层间相互作用的关键性作用。具体地，理论计算表明，在2H型堆叠中形成面内畴壁保持原有的层间相互作用
宏观的电输运测量和微观电子显微观测从实验上证实了堆叠结构影响对铁电畴壁动力学的行为调控作用。理论计算结合实验观测表明，在高电场条件下，α-In2 Se3 从铁电相到顺电相变过程中，原子位移的动力学行为对层堆叠方式具有强烈依赖性(图2)。在3R型堆叠中，α-In₂Se₃在热力学和动力学因素共同作用下，通过层内原子滑动实现相变；而在2H型中，α-In₂Se₃则在热力学因素主导下经历层内断键和层间成键等复杂过程进行相变。
该工作通过原子尺度的原位实空间观测、器件测量和充分考虑层间相互作用的第一性原理计算，揭示了α-In2Se3的层间堆叠结构可以调控畴壁类型、铁电极化翻转行为以及相变路径等铁电性质。这些发现增强了人们对二维铁电材料中畴壁动力学的理解，为调制铁电材料性质、控制铁电器件状态提供了新思路。
图1. 理论计算中考虑的不同堆叠方式下的FDW结构
图2. 在高电场下不同堆叠方式的铁电-顺电相变行为
该研究成果发表在《Nature Communications 》期刊上，四川师范大学物理与电子工程学院讲师郭的坪博士（原物理学院博士生）和复旦大学博士生吴雨旸、浙江大学博士生张天娇为论文的共同第一作者。物理学院季威教授、 复旦大学车仁超教授、浙江大学赵昱达研究员为该论文的共同通讯作者。该工作的理论计算部分由郭的坪博士和季威教授完成，实验部分由合作单位完成，并得到了国家自然科学基金、科技部、教育部等项目的支持。
文章链接：Stacking selected polarization switching and phase transition in vdW ferroelectric α-In2Se3 junction devices | Nature Communications
by JiGrp Oct 26, 2024 | Research Progress , 新闻
近日，物理学院季威教授研究组联合武汉大学丰敏教授、匹兹堡大学H. Petek教授等研究团队，在扫描隧道电子显微结中设计了利用体相SnSe的半导体隙隔离单层C60 导带与衬底耦合的策略，使实验得以观察到近20年久寻未得的单个C60 分子最低频电子-振动激发模式，理论计算揭示了C60 /SnSe界面电荷转移偶极（一种普遍存在却未引起重视的物理现象）对电子-振动激发模式的选择性增强机理，相关结果于2024年10月23日以“Charge-transfer dipole low-frequency vibronic excitation at single-molecular scale”为题发表在Science Advances 10, eado3470 (2024)上。
电子-振动激发(vibronic excitation)是指分子在吸收或发射能量时，同时发生电子态和振动态的变化，即电子和振动能级同时跃迁，在理解化学反应动力学、分子光谱和电子传输过程中起关键作用。
C60 是研究电子-振动激发的原型分子。在以往的研究中，C60 分子在其单分子晶体管中表现出Hg (ω1 ) 低频电子-振动激发 [Nature 407, 57-60 (2000)]。而在具有亚分子尺度分辨率的实空间扫描隧道电子显微镜观察中，此前采用的金属衬底与C60 分子之间具有很强的相互作用，强烈展宽的分子能级掩盖了这些低能振动信号。为此，科学家在C60 分子与金属衬底之间引入了一层超薄绝缘层，有效抑制了衬底和分子间的相互作用，从而成功观察到了一些频率较高的振动模式，如Hg (ω2 )、Hg (ω5 ) 和Hg (ω6 )模式[J. Phys. Chem. B 109, 8513-8518 (2005), J. Chem. Phys. 120, 11371-11375 (2004).]。然而，频率最低的Hg(ω1 )模式（约33 meV）却始终寻而未得。这主要是因为受到电子隧穿条件的限制，绝缘层厚度有限，可以抑制但无法有效隔离分子和金属衬底之间的相互作用，研究者一筹莫展。
为克服这一挑战，中国人民大学、武汉大学和美国匹兹堡大学的研究团队采用了一种新颖的隔离相互作用策略，即将C60 分子支持在SnSe(001)半导体表面上（如上图）。这种结构使分子能级和SnSe能带在界面处形成了II型能带排列，即C60 的最低未占据态(LUMO)置于SnSe衬底的能隙中。这有效隔离了C60 能级与衬底能带的电子耦合，得以更清晰地观察低频的振动激发模式，尤其是此前难以探测的Hg(ω1 )模式。
具体的研究发现，C60 分子在SnSe半导体表面上的吸附构型呈现出两种不同的岛状结构，并且C60 分子展现出三种不同的STM形貌（如下图）。结合密度泛函理论计算，确定了C60 分子的吸附构型。扫描隧道光谱微分电流-电压（dI /dV ）谱在SnSe半导体禁带中的LUMO共振处表现出电子-振动激发的特征，且该特征随其能量逐渐偏离SnSe的导带底而不断增强。这表明，通过精心设计分子-半导体界面的II型能带排列，可以选择性地隔离和增强特定的电子-振动态，从而获得清晰的低频电子-振动激发信号。这为在纳米尺度深入理解和灵活控制分子振动动力学提供了一种新颖的基础方法。
进一步研究发现，低频Hg (ω1 )振动激发普遍存在于所有C60 分子中，与其在表面上的排列方式无关，这挑战了传统认为电子-振动激发受分子取向影响的认识。理论计算表明C60 / SnSe界面处存在由电荷转移导致的界面偶极，显著增强了Hg(ω1 )的电子-振动激发（如下图）。该发现具有广泛的意义：它揭示了一种通过设计分子-半导体界面来控制分子电子传输的方法，为更高效的分子电子器件、能源系统和传感技术的开发开辟了可能的新途径。
该研究成果于2024年10月23日以“Charge-transfer dipole low-frequency vibronic excitation at single-molecular scale”为题发表在《Science Advances》期刊上，物理学院官雨柔和武汉大学娄灿灿、崔兴霞博士为论文的共同第一作者。物理学院季威教授、武汉大学丰敏教授与匹兹堡大学Hrvoje Petek教授为该论文的共同通讯作者。该工作的理论计算部分由人民大学官雨柔博士生、周谐宇博士（原物理学院博士生）和季威教授完成，实验部分由合作单位完成，并得到了国家自然科学基金、科技部、教育部等项目的支持。
《Science Advances》是Science家族的一员，是由AAAS（美国科学促进会）出版开放获取综合性科学期刊。该期刊旨在发表各个科学领域的原创性研究成果，并鼓励跨学科合作和交流。根据2022年发布的Journal Citation Reports，《Science Advances》的影响因子为19.6。
文章链接：C. Lou, Y. Guan, X, Cui et al., Charge-transfer dipole low-frequency vibronic excitation at single-molecular scale, Science Advances, DOI: 10.1126/sciadv.ado3470, https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado3470
by JiGroup Oct 22, 2024 | Honors & Awards
2024年10月11日，由中国物理学会主办、海南大学承办的物理学会秋季学术会议在海口举行，在第六届中国物理期刊专场报告会上，中国人民大学物理学院季威教授作为通讯作者的论文“磁性二维材料的近期研究进展”(作者：刘南舒，王聪，季威，物理学报，2022,71(12):127504 doi: 10.7498/aps.71.20220301)荣获了《物理学报》杂志颁发的“《物理学报》2024年度最有影响论文奖”。
磁性二维材料是2017年兴起的国际前沿研究领域，其材料种类丰富、物理现象新奇，也是自旋相关电子信息器件小型化的关键材料，各国争相投入大量研究资源。《磁性二维材料的近期研究进展》一文系统综述了该领域的研究进展，从磁长程序的形成机制出发，介绍了磁性二维材料的分类方式和合成手段，讨论了其磁性耦合机制、调控手段和潜在应用等。该文理论—实验并重，结合国际前沿的理论和实验结果，着重讨论了这类材料特有的磁耦合机制和调控手段。该文为初入该领域的我国青年学者提供了鲜有的、由浅入深的系统性中文文献，被多篇博士、硕士论文引用；也为一线研究人员指出了该领域面临的挑战和机遇，作为一篇中文综述已被至少18篇英文论文引用（WoS数据）。
据悉，本次奖项的评定，学会综合考虑文章的创新性，以及在Web of Knowledge 数据库的总被引频次、他引频次、施引期刊的影响力和广泛性等，经编辑部初选，正副主编审定，从《物理学报》2020—2022年发表的2708篇文章中筛选出7篇研究论文，授予“《物理学报》2024年度最有影响论文奖”。
DOI: 10.7498/aps.71.20220301
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by JiGroup Oct 22, 2024 | Academic Activities
2024年10月11-13日，中国人民大学物理学院季威研究组七名博士生（戴佳琦、王人宏、朱华、宗灿波、刘泽宇、张伟涵、张忠钦）和一名硕士生（席郭灏）赴海口参加了“中国物理学会2024秋季学术会议”。
戴佳琦、王人宏、刘泽宇等成员分别在会议中展示了题为 “Electronic Janus lattice and kagome-like bands in coloring-triangular MoTe2 monolayers” (Dai)，“High-Throughput Discovery of Kagome Materials in Transition Metal Oxide Monolayers” (Wang) 和“Kagome electronic states in gradient-strained untwisted graphene bilayers” (Liu)的墙报，戴佳琦获得了会议主办方颁发的优秀墙报奖状。
（左图）戴佳琦和她的墙报；（右图）刘泽宇和他的墙报合影
“中国物理学会2024秋季学术会议”由中国物理学会主办，海南大学承办；自1999年起举办至今。秋季会议旨在加强国内外物理学界的学术交流，提高学术水平，推动物理学科的全面发展和提升人才培养质量。会议通过大会特邀报告、分会邀请报告、口头报告和张贴报告等形式进行学术交流，同时围绕物理学相关专业领域设立多个专题分会。季威研究组成员为参与本次会议做了充分准备，参加了计算物理、表面与低维物理等多个分会会议，并期待下次参会的科研成果能有在相关领域有新的突破。
by JiGroup Feb 23, 2024 | Honors & Awards , 新闻
2023年12月，喜讯传来，经过一年的勤奋学习和刻苦钻研，季威研究组指导的中学生万翰升在英才计划中脱颖而出，在2023年度英才计划评议中获得全国优秀的殊荣。这一荣誉是对万翰升同学才华和努力的肯定，也是对季威研究组工作的鼓舞。
万翰升同学自加入英才计划以来，便以饱满的热情投入到科学研究中。万翰升同学曾经参与研究宏观体系的力学性质，对材料力学性质有浓厚兴趣。而季威研究组的研究方向包含理论预测材料的力学性质等新奇物性，同时低维材料中具有负泊松比的材料预测与搜索是当前科学研究的前沿方向。因此在季威研究组的精心指导下，他选定了一个富有挑战性的课题，即应用计算机模拟计算低维材料泊松比。
在研究过程中，季威研究组为万翰升同学提供了全面而专业的指导。他们通过线下讨论和线上交流相结合的方式，帮助万翰升同学逐步深入课题研究，解决研究过程中遇到的问题，共同探讨下一步的研究计划。为了激发万翰升同学对物理前沿研究的兴趣，研究组向他介绍了当前物理领域的最新进展和研究方向，并分享了本研究组近期的研究成果。这种亲身参与和分享的方式让万翰升同学更加直观地感受到了科研的魅力和价值。在计算研究方面，季威研究组指导万翰升同学利用中国人民大学物理系的超级计算机集群进行计算模拟，针对39种材料进行了深入研究，成功计算出了每种材料的泊松比，筛选出负泊松比材料和近零泊松比材料。
万翰生同学学习第一性原理计算的输入文件。
万翰生同学获得中学生英才计划2023年度国家级优秀学生称号
by JiGrp May 9, 2023 | Academic Activities
2023年4月21-23日，中国人民大学物理学院季威教授携刘南舒博士后以及郭的坪、伍琳璐、官雨柔、戴佳琦等四名博士生赴西安参加了第四届“团簇科学与原子制造学术研讨会”。季威教授受会议主办方邀请作了题为“低维超原子晶体中的特殊电子态”的报告。
季威教授在作报告
刘南舒、郭的坪、伍琳璐、官雨柔、戴佳琦等成员分别在会议中展示了题为 “Magnetic coupling in superatom Mn@Sn12 assembly” (Liu), “Controllable dimensionality conversion between 1D and 2D CrCl3 magnetic nanostructures” (Guo), “Interweaving Polar Charge Orders in a Layered Metallic Superatomic Crystal” (Wu), “Magnetization-distance oscillation induced by competing interactions in Cr doped Au6 Te12 Se8 superatomic assembly” (Guan) 和“One-Step Exfoliation Method for Plasmonic Activation of Large-Area 2D Crystals” (Dai) 的墙报，均获得会议主办方颁发的优秀墙报奖状。
（左图）不愿透露样貌的郭师姐和她的墙报；（右图）伍琳璐和戴佳琦在她们的墙报前合影
第四届“团簇科学与原子制造学术研讨会”由西安交通大学物理学院物质非平衡合成与调控教育部重点实验室、南京大学物理学院和大连理工大学三束材料改性教育部重点实验室联合主办；西安交通大学激光与粒子束科学技术研究所承办。会议主题是交流近年来原子与分子及团簇物理、原子制造和纳米科技方面的研究进展，探讨本领域的未来发展方向。季威研究组成员为参与本次会议做了充分准备，并期待下次参会的科研成果能有在团簇及原子制造领域有新的突破。
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