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我校应届本科毕业生作为第一作者在顶级期刊《物理学评论快报》发表论文

作者:南科大招生办   2017-08-23 08:49

          近日,物理学顶级期刊《物理学评论快报》(Physical Review Letters, PRL)接收发表以我校物理系2017届本科毕业生陆强声为第一作者,我校物理系博士后吴明辉、研究助理教授吴笛为共同第一作者的一篇论文,论文题为“利用角分辨光电子能谱技术揭示硒化锡中反常大的空穴有效质量”(Unexpected large hole effective masses in SnSe revealed by angle resolved photoemission spectroscopy)。

         该论文由我校物理系与和北京航空航天大学材料科学与工程学院合作完成:物理系本科毕业生陆强声和其学术导师刘畅完成ARPES的相关实验;物理系博士后吴明辉和合作导师黄丽完成了对硒化锡能带的第一性原理计算;物理系研究助理教授吴笛和合作导师何佳清完成了输运模型的计算,从有效质量的增加解释了硒化锡体系的物理性能;北航的赵立东教授提供了硒化锡单晶样品。何佳清提出和总体设计该项目,黄丽和刘畅是论文通讯作者。

         热电材料是能够实现热能与电能直接相互转换的新能源材料,在热电制冷和废热发电等方面有着广泛的应用前景,对于提高现有能源利用率和缓解能源危机有重要作用。然而热电材料大规模商业应用面对着成本高效率低的瓶颈,因此,开发利用原料丰富、廉价、低毒的热电材料越来越受到研究者的关注。SnSe作为近年来热电材料中的研究热点,保持着目前热电材料中最高品质因子 (ZT)的世界记录。其优异的热电性能主要来源于其超高的功率因子和超低的晶格热导率。它的低导热性已经成功解释(何佳清等课题组有报道),然而高的功率因子等电性能都间接地进行解释,没有直接和强有力的实验证据。角分辨光电子能谱仪(ARPES)是研究其电属性最好的实验方法,它是一种可以直接测量单晶样品能带结构的高端仪器。

         在本论文中,陆强声等利用我校测试中心的ARPES仪器对无掺杂和空穴掺杂的SnSe单晶在不同温度 (80 – 600 K)下的能带结构作了系统性的测量。根据测量和数据分析的结果,他们认为该体系价带顶的空穴有效质量比理论值要大,并且温度越低,有效质量越大。由这一结论出发,结合简单的单带输运模型,他们发现这种有效质量的异常增加可以定量解释该体系在测量温度下的电属性。因此,论文为解释硒化锡热电材料的电学行为提供了一种新的思路。



左:空穴掺杂SnSe的ARPES实验数据;右:空穴掺杂SnSe能带的第一性原理计算;



从本文ARPES数据出发以输运模型推导得到的电学参量,与实验值比较

         值得一提的是,该论文所有ARPES实验结果均为陆强声在刘畅教授的指导下独立获取,其中在600 K高温下的ARPES测量在业界并不多见。陆强声在实验过程中克服了一系列的仪器稳定性问题,显示了他强大的仪器操作能力。

         陆强声是我校物理系2013级本科生,于今年7月毕业,现已赴美国密苏里大学深造。文章中的实验工作是他在去年年底完成的。自从在大二下学期加入刘畅研究组后,他显示了我校本科生的科学素养和实验动手能力。他曾经领导一个包括研究生、博士生在内的小组成功调试南京大学购置的一台激光ARPES仪器,受到南京大学教授和学生的好评。(其相关事迹官网曾作报道,链接http://www.sustc.edu.cn/news_events_/3663

论文摘要链接:https://journals.aps.org/prl/accepted/26074Y88P0417f6a99fd2a453275fe5ea0438760c

供稿:物理系