摘要：近年来,人工智能的发展对计算和存储的需求不断提升.但是,摩尔定律的放缓以及传统冯·诺依曼架构中计算与存储单元的分离,导致了大量数据在搬运过程中功耗增加和时间延迟,致使集成电路以及芯片设计面临越来越多的挑战.这迫切需要开发新型计算范式来应对这种挑战.而基于存算一体架构的神经形态器件,可利用欧姆定律和基尔霍夫定律实现原位计算,从而有望克服传统冯·诺依曼架构瓶颈.通过调节具有“记忆”功能的忆阻器阻值,实现类似生物大脑的人工神经网络,并对复杂网络信号进行处理,例如图像识别、模式分类和决策执行等.二维材料由于其层状超薄特性和新奇的物理效应,为进一步缩小器件尺寸并实现感存算一体提供了方案.本文综述了基于二维材料的神经形态器件中的物理效应和忆阻特性,并详细阐述了神经形态器件对LIF(leaky integrate and fire)模型、Hodgkin-Huxley模型等神经元模型以及长期可塑性、短期可塑性、放电时间依赖可塑性和尖峰频率依赖可塑性的模拟.在此基础上,进一步介绍了基于二维材料的神经形态器件在视觉、听觉以及触觉等领域的探索性应用.最后本文总结了当前研究领域面临的问题以及对未来应用前景的展望.

摘要：缺陷是半导体领域中最核心的问题.采用含时密度泛函方法,模拟了S原子脱离MoS_(2)晶格形成空位缺陷过程中的电子动力学行为,发现该过程中存在显著的非绝热效应.非绝热效应导致S原子需要消耗更多能量以脱离晶格形成空位缺陷.随着S原子的初始动能增大,其脱离晶格形成空位的能量势垒也持续增大,并且在初始动能达到22 eV附近时发生了阶跃式的增长.这是由朗道-齐纳电子跃迁和能级间库仑作用共同导致的.非绝热效应还改变了脱离晶格的S原子上电荷的轨道分布,以及晶格中缺陷附近的电荷分布.此外,还发现该过程中自旋轨道耦合十分重要,必须被考虑.本文阐明了MoS_(2)中S原子空位的形成机制,尤其是电子非绝热动力学的重要作用,为进一步研究缺陷对材料物理性质的调控提供了理论基础.

摘要：单层过渡金属硫化物具有原子级厚度、直接带隙、强自旋轨道耦合等优异性能,使其在自旋电子学、光电子学等领域具有重要的研究价值和广泛的应用前景.通常材料中包含多种结构缺陷,这可能是在样品制备和生长过程中形成的,也可以经过后期处理产生,这些缺陷会显著改变其物理化学性质.因此,控制和理解缺陷是调控材料性质的重要途径.本文利用氩等离子体对机械剥离的单层WS_(2)进行轰击处理,通过控制轰击时间引入不同密度的缺陷.光致发光和拉曼测试结果表明,在未改变晶格结构的前提下,引入了两种缺陷态的束缚激子,两种激子的动力学过程与中性激子相比明显变慢.对比真空和大气环境下的光致发光光谱(photoluminescence spectroscopy,PL),两种激子的强度变化呈现相反的行为.本文的研究结果可为二维材料缺陷的引入和调控以及特征光谱的研究提供依据.

摘要：过渡金属硫族化合物由于其具有独特的结构和性质,在光电子学、纳米电子学、储能器件、电催化等领域具有广泛的应用前景,是一类被持续关注的代表性二维层状材料.在材料应用过程中,对材料掺杂特性的调控会极大地改变器件的响应性能.因而,对利用掺杂手段调控过渡金属硫族化合物器件响应性能的研究具有重要的意义.电化学离子插层方法的发展为二维材料的掺杂调控提供了新的手段.本文以WS_(2)为例,采用电化学离子插层方法对厚层WS_(2)的掺杂特性进行优化,观察到离子插入后器件电导率的显著增强(约200倍),以及栅压对器件光电响应性能的有效且可逆的调控.本文通过栅压控制离子插层的方法实现对WS_(2)器件光电响应的可逆可循环调节,为利用离子插层方法调控二维材料光电器件响应性能研究提供了实验基础.

摘要：HgTe/CdTe量子阱是一种特殊的二维拓扑材料,其中的量子自旋霍尔效应在自旋电子器件应用方面极有潜力."工"字形四端口体系纵向非局域电阻阻值为0.25 h/e^2的特殊的量子化平台是判别量子自旋霍尔效应的有力证据.本文基于二维HgTe/CdTe量子阱模型,利用非平衡格林函数理论及Landauer-Büttiker公式计算非局域电阻,进而研究自旋拓扑态在非静态杂质作用下的退相干效应.计算同时考虑磁交换场和磁场的影响.研究发现,尽管磁交换场和外磁场会破坏时间反演对称性,但它们都仅改变拓扑带隙的宽度和相对位置,并不影响螺旋边缘态的拓扑性.而退相干杂质对自旋拓扑边缘态的影响则完全不同于铁磁和弱磁场.退相干效应不会影响拓扑带隙的位置和宽度,但是会影响拓扑边缘态的稳定性.其中,自旋不守恒的退相干杂质对螺旋边缘态的影响更为明显,轻微的退相干效应便会引起自旋翻转,从而引起自旋相反的背散射,最终破坏自旋霍尔边缘态.

摘要：激光是现代光学的支柱之一,具有良好的方向性、单色性、相干性以及高亮度.基于这些特点,激光在很多应用领域发挥重要作用,如激光雷达、光纤通信、激光武器、激光切割、激光美容等.回音壁模式光学微腔是一种新型谐振腔,与传统的法布里-珀罗谐振腔相比具有高品质因子、小型化的优势,可以实现光与物质的强相互作用,制作低阈值、窄线宽的微型激光器.由于回音壁模式光学微腔具有显著的腔外倏逝场,其表面的分子、颗粒可以显著地改变激光的波长、线宽、阈值、强度,是一个良好的用于生化检测的平台.本文介绍回音壁模式微腔激光器的基本性质、生化检测机理及其在单纳米颗粒检测、痕量生化成分检测、细胞标记、细胞内检测等方面的应用,并对其应用前景进行展望.

摘要：近年来,光的轨道角动量自由度的高维度特性引起了广泛的关注.该自由度在许多科学领域得到了研究和应用,特别是在光通讯和量子信息领域.为了充分利用轨道角动量的高维特性,不同的轨道角动量态的非破坏分离成为一个最基本的要求.然而,目前已有的轨道角动量分束系统,要么在稳定性和级联拓展性方面有所不足;要么分离后的轨道角动量态的特性遭到严重破坏,无法参与进一步的相互作用过程.本文基于光束偏移器构建微型Mach-Zehnder干涉仪,设计了一个稳定且紧凑的轨道角动量分束器,实现了轨道角动量模式的非破坏分束.设计中由于只存在光束的全反射,因此理论上能量损耗为零.在微型Mach-Zehnder干涉仪中的光束经过的光学元件相同,且光束的空间偏移量较小,所以该轨道角动量分束器具有很好的稳定性.此外,由于被分开的轨道角动量态与入射的轨道角动量态具有相同的传播方向,因此该分束器具有很好的可拓展性,便于级联使用.本研究对轨道角动量这一高维自由度在光通讯等相关领域的应用有重要意义.

摘要：充分发掘量子计算机的应用潜力需要将大量分立的量子节点连接起来,组建一个与互联网类似的全量子网络.高性能的可集成光量子存储器是解决不同量子节点间信号同步问题的核心器件,直接关系到量子网络的实现规模和整体性能.然而,目前的微纳量子存储器还存在可集成性和存储性能难以兼容的问题,还不能满足构建全量子网络的需求.本文提出在掺铒硅材料上设计通信波段的光子晶体微腔,不仅可利用光学微腔的角动量共振模式来实现基于光子回波的量子存储,还可利用光学微腔来增强光和物质相互作用,有望实现高存储效率的可集成量子存储器.

摘要：忆阻器可以在单一器件上实现存储和计算功能,成为打破冯·诺依曼瓶颈的核心电子元器件之一。它凭借独特的易失性/非易失性电阻特性,可以很好地模拟大脑活动中的突触/神经元的功能。此外,基于金属氧化物的忆阻器与传统的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容,受到了广泛关注。近年来,研究提出了多种基于单介质层结构的金属氧化物忆阻器,但仍然存在高低阻态不稳定、开关电压波动大和循环耐久性差等问题。在此基础上,研究人员通过在金属氧化物忆阻器中引入双介质层成功优化了忆阻器的性能。本文首先详细介绍了氧化物双介质层忆阻器的优势,阐述了氧化物双介质层忆阻器的阻变机理和设计思路,并进一步介绍了氧化物双介质层忆阻器在神经形态计算中的应用。本文将为设计更高性能的氧化物双介质层忆阻器起到一定的启示作用。

摘要：光的轨道角动量自由度已被作为一种新的信息载体用于光全息信息处理技术之中.然而,目前关于轨道角动量全息技术的研究主要集中在二维轨道角动量全息,即重构的二维全息图像位于三维空间中的某一个平面内.如何进一步实现三维空间轨道角动量全息技术并将其用于增加全息通信的信息容量仍然是一个空白.本文基于轨道角动量自由度和重构的二维图像在三维空间中的位置自由度,实现了三维空间轨道角动量全息技术.换言之,在我们实现的三维空间轨道角动量全息中,目标物体图像的获得不仅要求使用正确的解码轨道角动量态,还要求在正确的空间位置来探测物体的图像.此外,还进一步研究了三维空间轨道角动量全息复用技术,并指出该复用技术可用于信息加密.与传统的二维轨道角动量全息技术相比,三维空间轨道角动量全息技术使用了额外的自由度,即成像的空间位置.因此,基于三维空间轨道角动量全息技术的加密方案可以进一步提高信息的安全等级.我们的理论模拟结果和实验结果验证了三维空间轨道角动量全息技术以及三维空间轨道角动量全息加密技术的可行性.