Npj Comput. Mater.: 电子与晶格共舞—纳米尺度激发态动力学

2022-08-11 03:08

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在热、力、电磁等各种外界激励下，物质中的晶格系统与电子系统会同时产生静态或动态响应，两个子系统对外界激励的共同响应直接决定了大多数功能材料的性能。在这些材料中，电荷、轨道、晶格等的动态相互作用，可进一步引发体系的相界面、畴结构、畴壁等介观纳米尺度结构及其动力学过程在电子层面与结构层面的相互耦合。另外，由于物质中的电子浓度在强外界激励下可以暂态提高数个数量级，材料可在皮秒或纳秒级的超短时间范围内产生与其平衡状态静态性能截然不同的动力学性能。如何理论预测与理解介观纳米尺度的电子与晶格动态过程的材料动力学，是关系到基础科学与材料实际应用的关键问题。

来自美国宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系的陈龙庆教授团队提出了一种新型的动力学相场理论模型，用以理论描述电子与晶格共同参与的纳米尺度微结构演化动态过程。该研究并以铁电畴在高于带隙光脉冲激励下的激发态为例，揭示了电荷与晶格系统共同演化的介观超快动态过程。

研究显示，光激发的铁电畴结构响应表现为晶格应变的动态过程，呈现出由多个震荡型部分与弛豫型部分组成的复杂演化，过程跨越皮秒至纳秒级别时间范围（图1）。结构响应根据不同类型的铁电畴结构决定，与畴结构的束缚电荷分布直接相关，束缚电荷浓度越高，结构响应越强。

图1：不同类型的90°畴在光激发下的应变动力学响应。（a）三种类型的畴结构，分别包含I-电中性的头对尾畴壁、II-头对头与尾对尾的一对带电畴壁、III-倾斜的头对尾带电畴壁，其中束缚电荷密度的空间分布以背景色表示。（b）三种畴结构在光激发下于皮秒至纳秒时间范围内的应变响应。

研究预测了畴壁对自由电子、空穴载流子的暂态捕获作用，指出由于畴结构的存在，体系中激发态电荷载流子寿命可由原本的皮秒级别延长至纳秒级别，并经历跨时间尺度的两阶段弛豫衰减（图2）。电子体系与畴结构之间的动态相互作用进一步引发结构响应的震荡型电极化旋转，从而导致晶格体系在皮秒至纳秒的时间跨度内，依次呈现出激发-震荡-平稳-衰减等多阶段组成的复杂暂态过程。每个演化阶段的特征时间、频率与振幅均受到畴结构类别的影响。