关键词： 二硫化钼量子点   荧光   复合材料   荧光传感器   生物应用  

摘要： 二硫化钼（MoS2）,作为TMDs领域的突出者,表现出很多独特的性质,广泛应用在电催化、制氢和光电器件等方面。尺寸小于20 nm的MoS2量子点（MoS2 QDs）,由于优异的边缘和量子限制效应,增强或赋予了MoS2一些新的性质。目前,对MoS2 QDs的各种制备方法和光学性质已经进行了大量的研究。但是,所合成的MoS2 QDs大多具有低水溶性、低量子效率、低生物相容性等问题,本课题正是基于这样的背景,详细介绍了MoS2 QDs及复合材料的合成方法,性能表征及应用。首先经一步水热法合成了高荧光和稳定的蓝色荧光MoS2 QDs,并利用MoS2 QDs对于过氧化氢（H2O2）的荧光淬灭性,构建了葡萄糖浓度的荧光探测器。然后,用L-半胱氨酸（Cys）作为修饰剂,得到了功能化的Cys-MoS2 QDs,并成功应用于Al3+和Fe3+的荧光传感检测。最后,我们基于MoS2QDs合成了透明有弹性的MoS2 QDs-聚乙烯醇（PVA）复合膜,克服了透明的荧光量子点复合膜难合成的难题,根据复合膜对p H的淬灭响应性,实现了对p H值的可视检测。本论文关于MoS2 QDs及其复合材料的制备和光学性质的研究内容具体总结如下:（1）我们用钼酸钠（Na2MoO4·2H2O）和谷胱甘肽（GSH）分别为钼源和硫源经自下而上的一步水热法合成了具有水溶性、高稳定性、和高量子效率的蓝色荧光的MoS2 QDs,此外还表征了所制备MoS2 QDs的尺寸大小、表面结构组成和发光性质。其中,GSH不仅是硫源,而且还作为表面钝化剂为合成的MoS2 QDs提供了氨基功能团,使MoS2 QDs具有较高的水溶性和稳定性。且此法也成功的合成了WS2量子点（WS2 QDs）。用H2O2作为荧光淬灭中间体,MoS2 QDs的荧光强度会随着H2O2的浓度增加而降低,因此可以将MoS2 QDs用于H2O2浓度的检测。另外由于葡萄糖氧化酶可以选择性的氧化葡萄糖生成H2O2,因此可以将MoS2 QDs作为一种灵敏的和选择性的葡萄糖定量检测传感器。在葡萄糖浓度在0-500μM范围内时,MoS2 QDs的荧光强度对葡萄糖表现出理想的线性相关关系,且具有5.16μM的检测极限。另外我们也将该方法成功应用于胎牛血清中葡萄糖浓度的检测。以上结果证明我们所合成的MoS2 QDs具有在糖尿病研究和临床诊断上的葡萄糖浓度的检测应用前景。（2）我们在MoS2 QDs的基础上,以L-半胱氨酸（C ys）作为表面修饰剂,合成了功能化的Cys-二硫化钼量子点（Cys-MoS2 QDs）。Cys的存在为MoS2 QDs的表面引入了羧基和氨基官能团,使Cys-MoS2 QDs具有良好的生物相容性、水溶性和和稳定性。此外,由于高效螯合增强荧光（CHEF）特性和电子非辐射的湮灭,Cys-MoS2 QDs可以作为Al3+的“turn-on”型和Fe3+的“turn-off”型光致发光双模式的传感器,我们并成功地将其应用在现实环境中同时进行Al3+和Fe3+的浓度检测,如自来水、湖水和活细胞中,且具有较好的线性相关关系。最后,在HeLa细胞中用MTT实验表明所合成的Cys-MoS2 QDs具有良好的生物相容性和低毒性,可以应用于生物体中的细胞成像。以上结果证明功能化的Cys-MoS2 QDs可以作为一种替代传统荧光探针的在生物标记、传感方面应用的传感器。（3）从碳点（CDs）和聚（甲基丙烯酸甲酯）(PMMA)荧光高分子复合物的合成得到启发,我们用MoS2 QDs和聚乙烯醇（PVA）,通过简单的加热回流法制备得到具有光学性能的、透明的和可折叠的MoS2 QDs-PVA复合膜,其中MoS2 QDs是作为功能性的填充剂,使复合膜具有与MoS2 QDs相似的光学性能。而PVA作为聚合物基体,赋予复合物一定的力学性能,即所合成的功能性MoS2 QDs-PVA复合膜具有良好的柔软性,可以折叠成任何形状。实验结果表明MoS2 QDs-PVA复合膜具有较好的机械稳定性、可拉伸性（超过600%的应变和38 MPa的拉应力）、较高的热稳定性和贮存稳定性。更重要的是,基于MoS2 QDs溶液对pH的荧光淬灭响应,我们发现MoS2 QDs-PVA膜也具有对pH的荧光响应,基于这一特性,我们应用MoS2 QDs-PVA复合膜作为来检测pH值的“pH试纸”。我们还成功运用这种“pH试纸”对细菌培养溶液中的pH值进行了可视传感检测,表明了MoS2 QDs对pH值的可视化检测属性将在食品安全及其他重要领域具有广阔的应用前景。我们相信MoS2 QDs-PVA功能荧光复合膜的合成,进一步为TMDs材料在光电子器件,如发光器件LED等方向的应用奠定了基础,同时也为各种荧光的,透明和可折叠的发光聚合物复合膜的合成提供一定的理论基础。

关键词： PbS量子点   量子点合成   太阳能电池   表面钝化  

摘要： 硫化铅量子点(Pb S QDs)可以通过改变尺寸,组成成分和表面化学来获得大幅度可调的光电性能。在过去的十年间,引起了光电领域的广泛关注。目前,文献中报道的基于Pb S QDs的太阳能电池认证效率已高达11.3%。基于Pb S QDs的光伏器件效率增涨如此之迅速,原因主要可以归结为以下两点:1)器件结构的优化提高了器件效率及其稳定性。2)合成后的表面处理减少了隙间缺陷态。但是,值得注意的是,光伏器件性能可以在三个阶段受到影响:1)初始材料合成,2)合成后表面处理,3)器件制备过程。目前为止,大部分科研人员都将目光投在后两者对于器件性能的提升上;而非常重要的初始材料合成,却鲜有人问津。因此,本文中研究了初始合成过程对于后续器件性能的影响,以期进一步提升Pb S量子点太阳能电池的器件性能。本文主要内容如下:第一章:量子点太阳能电池的介绍。主要简述了量子点的基本性质、量子点的合成方法、量子点太阳能电池的发展历程及其性能表征方法。第二章:铅前驱体对于器件性能的影响及其机理的探究。在本章中,我们首先基于氧化铅和三水合醋酸铅合成了两种Pb S量子点,并基于这两种Pb S量子点制备了光伏器件。基于Pb Ac-Pb S量子点的器件性能相较于基于Pb O-Pb S量子点的器件性能有较大幅度的提升。我们系统的研究了两种器件性能差异背后的原因。基于实验结果,我们证明:醋酸根的引入可以有效的减少量子点表面的羟基及其表面缺陷态,进而获得大幅提高的器件效率10.82%(第三方CPVT认证效率为10.62%)。我们不仅揭示了初始材料合成对于量子点性质的重要影响,而且提供了通过前驱体调控进一步提高光伏器件性能的新途径。第三章:直接合成碘离子配体Pb S量子点用于制备高效光伏器件。在本章中,我们开发了一种直接合成碘离子钝化的Pb S量子点的方法。使用直接合成的碘配体硫化铅量子点制备的光伏器件获得了7.8%的光电转换效率。该方法简便快捷,并可以大大降低量子点太阳能电池的制作成本,提高量子点电池的竞争力。同时此方法的发展将会对量子点相关器件的发展有积极的推动作用。综上所述,本论文主要从Pb S量子点的材料合成部分入手,首先探究了铅前驱体对太阳能电池器件性能的影响;进一步的,我们成功开发了一种直接合成碘离子配体Pb S量子点的方法,使Pb S量子点在合成时即被碘离子原位钝化,并在后续器件制备中无需配体交换。进一步的,我们使用该种量子点制备了高效的太阳能电池器件。本论文对进一步提升Pb S量子点太阳能电池的器件性能提供了新的思路与途径。

关键词： 钙钛矿氧化物   层状钙钛矿氧化物   外延单晶薄膜   超晶格   多铁性   Aurivillius相   二维磁性   电子结构   软X射线吸收   共振非弹性X射线散射  

摘要： 钙钛矿类氧化物是一类重要的量子功能材料,因其丰富的物理性质近些年来受到了广泛的关注。钙钛矿和层状钙钛矿氧化物磁性材料在多态存储、传感器和自旋电子器件中具有重要的应用价值,多铁材料和二维磁性材料是两种新型磁性量子功能材料。多铁材料是指同时具有铁电性和磁性（铁磁或反铁磁）并且二者之间存在相互耦合的一类材料。为了实现多铁材料的实际应用,要求它们在室温下和单相材料中能够表现出很强的磁电耦合效应。然而,由于铁电性与磁性之间的互斥,使二者很难在单相材料中共存。BiFeO3是实验上研究得最为广泛的一种多铁材料,它在室温以上表现出铁电性与反铁磁性。到目前为止,单相材料中实现室温下的铁电、铁磁性共存还非常稀少。Aurivillius相氧化物具有特殊的层状结构,它的晶格是由铋氧层和钙钛矿层构成。通过层间插入技术,在铁电母体材料中插入若干铁磁钙钛矿层,就有可能在室温下和单相材料中实现铁电性与铁磁性的共存。与三维铁磁性材料不同,二维材料中的磁长程有序会受到诸如热激发、自旋涨落的抑制,二维Heisenberg模型在非零温度下不存在长程磁有序。而材料中的强磁各向异性能够克服热激发和自旋涨落的影响。因而,在二维Ising和XY模型中,可能存在铁磁性。由于二维磁性材料在理论研究和应用方面的重要价值,在实验上取得了重要的研究进展。然而,到目前为止,在氧化物中仍没有实现二维铁磁性。在氧化物尤其是具有钙钛矿结构的氧化物中实现二维铁磁性,将能极大地促进二维磁性材料与现代基于半导体工业的电子器件的整合。本文的研究内容主要分为两部分,即Aurivillius相氧化物的多铁性能研究和SrRuO3/SrTiO3超晶格薄膜的二维磁性研究。我们使用元素掺杂和晶格周期性的手段分别对Aurivillius相氧化物和SrRu03/SrTiO3超晶格的磁性进行调控,并综合运用同步辐射软X射线吸收、X射线发射和共振非弹性X射线散射等技术表征薄膜的微观电子结构。从而探索薄膜铁磁性和电子结构之间的关联,进一步理解薄膜中铁磁性产生的机理。论文的主要内容如下:第一章是论文的综述部分,主要介绍了:（1）多铁材料的概念、研究背景和产生机制。（2）Aurivillius相氧化物的晶体结构特点和发展现状,主要介绍了Aurivillius相氧化物陶瓷和外延薄膜材料方面的相关研究工作。（3）二维铁磁性的理论知识、研究背景和发展现状。第二章是关于外延薄膜材料的制备和性能表征技术的介绍。首先简单介绍了脉冲激光沉积设备以及反射式高能电子衍射装置的应用。接着,介绍了薄膜样品的表征手段。我们使用X射线衍射和原子力显微镜分别表征薄膜的晶体结构和表面形貌,使用物理性质综合测量系统和超导量子干涉仪测试薄膜的电学和磁学性质。最后,我们重点介绍了同步辐射软X射线吸收谱、X射线发射谱和共振非弹性X射线散射技术的原理和方法,以及它们在探测材料电子结构方面的应用。在第三章中,我们使用脉冲激光沉积技术在（LaAlO）0.3（Sr2AlTaO3）0.7衬底上生长了 Bi6Fe2Ti3O18、Bi6FeCoTi3O18和LaBi5CoTi3O18外延单晶薄膜。我们通过Co和La的掺杂来改善Bi6Fe2Ti3O18薄膜的铁磁性,并使用软X射线吸收、X射线发射和共振非弹性X射线散射技术探测薄膜的电子结构。X射线吸收测试表明,Co和La的掺入降低了Bi6FeCoTi3O18和LaBi5FeCoTi3O18薄膜中Ti/Fe/Co 3d和O 2p轨道间的杂化强度,且La能够减少薄膜中的氧空位浓度。共振非弹性X射线散射的实验结果和理论拟合证明Co和La的掺杂能够改变FeO6和CoO6八面体的晶体场参数。X射线吸收和共振非弹性X射线散射测试表明薄膜电子结构的变化是由晶格畸变引起的,更大的晶格畸变能够增强Fe和Co离子的自旋倾斜,这为Aurivillius相氧化物的本征铁磁性提供了实验证据。在第四章中,我们使用脉冲激光沉积技术在SrTiO3衬底上生长了原子层厚度的SrRuO3/（SrTiO3）N（N= 1-5）超晶格薄膜。我们通过改变SrTiO3层的厚度来调控超晶格的铁磁性。随着SrTiO3层数的增大,磁转变温度Tc逐渐降低。磁输运测试证明SrTiO3层的插入能够诱导连续的从二维Ising铁磁性向三维非Ising铁磁性的转变。SrRuO3/（SrTiO3）N超晶格中二维Ising铁磁性的存在不仅依赖于SrTiO3的层数,同时与温度有关。X射线吸收测试表明,由于Ru和Ti原子电负性的不同,SrRuO3和SrTiO3界面处顶角氧原子的电子云向Ru原子产生偏移,从而导致了 Ru/Tidxy和dyz,zx轨道之间存在轨道各向异性。随着SrTiO3层数的增大,超晶格中Ti 3dxy和3dyz,zx轨道间的各向异性逐渐增强,而Ru 4dxy和4dyz,zx能态之间的

关键词： 动物源性食品安全   量子点   猪伪狂犬病毒   猪繁殖与呼吸综合征病毒   猪流行性腹泻病毒   抗病毒  

摘要： 动物源性食品安全的源头在于养殖。当前,中国养殖的源头污染对食品安全的危害越来越严重,因此解决食品安全问题很大程度上要依赖于源头上的严格控制。以猪伪狂犬病毒、猪繁殖与呼吸综合征病毒、猪流行性腹泻病毒为典型代表的猪群呼吸、繁殖、消化三大系统性疾病严重危害着当前养猪业,给全球养猪业造成了不可估量的经济损失和严重困扰,也给动物源性食品带来了巨大的安全隐患。传统防治猪病毒性疾病的方法主要依赖于疫苗免疫和养殖场生物安全综合管理相结合,但现在猪群中病毒频繁的进化变异,针对性的疫苗研发及生产严重滞后,造成临床使用中免疫保护效果欠佳;其次与细菌感染不同,由于缺乏特效的抗病毒药物,使得病毒感染的防治更加复杂。因此,研发新型、安全、高效、低成本的抗猪病毒药物用于食源性动物疾病的防控和治疗有着重要的实用意义。量子点(QDs)作为零维的纳米材料,主要包括半导体量子点、单元素量子点(C、Ag、Au)和其他不同的相关形式,由于其具有独特的物理化学性质,在食品安全检测、生物医学、光电学等各个领域都具有重要的应用价值。QDs的抗微生物活性是目前其在生物领域应用的研究热点之一,但其对食源性动物病毒的应用研究还较少。本文主要立足于设计、筛选具有抗病毒活性的纳米材料并探讨其抗病毒的分子机制,为未来研发绿色环保的抗病毒制剂提供理论支撑。全文研究内容概括如下:1.碲化镉量子点对猪伪狂犬病毒的抗病毒研究制备了谷胱甘肽修饰的碲化镉量子点(GSH-CdTe QDs),探讨了其对PRV的抗病毒活性及其抗病毒的分子机制。通过一步生长曲线和荧光共定位分析表明CdTe QDs在病毒复制周期的早期阶段通过抑制病毒的侵入过程从而抑制PRV复制,但对PRV穿入过程没有明显影响。荧光光谱分析显示30 min之内随着PRV的不断加入,CdTe QDs的尺寸不断减小,表明PRV和CdTe QDs之间确实发生了相互作用。机理探究证实当CdTe QDs与PRV相互作用时,部分Cd2+的释放会导致可感染细胞的有效病毒数目减少;此外,QDs吸附在病毒表面改变了病毒表面的蛋白结构,从而抑制了病毒的复制。本部分内容为基于QDs标记病毒的研究提供了依据。2.基于聚乙烯二胺的碳量子点对猪伪狂犬病毒和猪繁殖与呼吸综合征病毒的抗病毒研究以猪伪狂犬病毒和猪繁殖与呼吸综合征病毒分别作为DNA病毒和RNA病毒的模式病毒,探讨了CDs对二者的作用。通过检测病毒的滴度和蛋白表达水平证明CDs可以抑制PRV和PRRSV的复制。进一步的机理研究显示CDs处理宿主细胞,可以激活细胞α-干扰素(IFN-α)和下游干扰素刺激基因的上调,从而抑制病毒的复制。这些数据为深入研究以CDs作为新型抗病毒制剂提供了理论基础,且本部分结果对于理解和研究CDs对许多其他病毒的抗病毒机制也具有重要借鉴意义。3.基于姜黄素的碳量子点对猪流行性腹泻病毒的抗病毒研究采用从姜黄根茎中提取的多酚化合物姜黄素为原料制备了均匀分散且稳定的正阳离子型碳量子点(CCM-CDs),并以猪流行性腹泻病毒(PEDV)作为模式病毒,研究了CCM-CDs与PEDV之间的相互作用。实验结果表明CCM-CDs能明显抑制病毒的增殖。机理研究发现CCM-CDs是通过改变病毒的表面蛋白结构从而抑制病毒的侵入过程,同时对病毒负链RNA合成、出芽以及由PEDV感染引起的ROS聚集有抑制作用。另外,实验结果也显示CCM-CDs处理细胞后能够上调干扰素刺激因子和促炎症因子的表达,从而激活本身的抗病毒反应。本部分的研究结果为提高中药的抗病毒活性提供了新思路。4.硫化银量子点对猪流行腹泻病毒的抗病毒研究合成了谷胱甘肽修饰的硫化银量子点(GSH-Ag2S QDs),首次证明其具有高效抗PEDV感染的活性。分子机制研究表明,Ag2S QDs主要抑制病毒负链RNA的合成和出芽这两个后期阶段。同时,Ag2S QDs处理细胞可以上调干扰素刺激基因(ISGs)和促炎症细胞因子的表达,激活下游抗病毒反应通路。基于以上结果以及Ag2S QDs本身良好的生物相容性,为进一步将其开发为潜在的高效的体内抗病毒治疗制剂提供了实验依据。此外,由于SARS,MERS和PEDV同属于冠状病毒科,也为抗SARS或抗MERS的纳米制剂研发提供了参考。

摘要： A new millennia ushered in novel experimental capabilities to investigate engineered quantum systems. Gases consisting of charge neutral atoms are cooled to the ground state and by exploiting the dipole interaction can be trapped by laser light. In ultracold atomic systems the tunneling and interactions are controllable, and the system is absent of disorder. Disorder and interactions in solid-state systems inhibits a complete understanding of transport phenomena. Theoretical investigations into non-equilibrium and equilibrium dynamics of fermions in discretized potentials and in continuum are presented. The affect of controllable, external system parameters is evaluated and exploited to reveal new properties of fermion dynamics. My thesis will begin with an overview of the physics associated with many-body fermion and the models used to obtain results, followed by my thesis research on how matter-waves can be manipulated by lattice geometry and tunneling strengths. Next, I present how dissipation affects current in a continuous ring, demonstrating rate-dependent hysteresis as the particles are driven by an artificial gauge field. After presenting the continuous ring, I will then focus on persistent current and corresponding quantum current fluctuations in a discretized ring. Lissajous curves are found in the system whose area strongly depends on the presence and absence of interactions. Lastly, I will discuss dynamical detection methods for one-dimensional topological insulators using ultracold fermions. All of the results are supported with discussion on how they can be realized using current experimental technology.

关键词： 复合材料   石墨型氮化碳量子点   二氧化钛   磷钨酸   光学性质  

摘要： 本文通过三种不同的方法（酸刻蚀法、蒸发-冷凝法、固相反应法）制备石墨型氮化碳量子点（g-CNQDs），并通过XRD、TEM表征手段对三种方法制备的样品进行分析，结果表明三种方法制备的g-CNQDs均为石墨相氮化碳晶相，但固相反应法制备的g-CNQDs粒径大小均匀且尺寸较小，约为3-7nm，且分散性良好。通过在模拟太阳光下降解罗丹明B实验研究表明，固相反应法制备的g-CNQDs光催化效率最高。　　此外，本文利用简单的超声法制备了新型g-CNQDs/H3PW12O40/TiO2三元复合催化剂材料。通过XRD、XPS、FTIR、UV-VisDRS、PL、光电流响应、TEM等表征方法对合成的催化剂晶相结构、元素组成、光学性质、形貌结构等特性进行研究分析。结果表明g-CNQDs成功负载到了H3PW12O40/TiO2上，g-CNQDs的引入并没有改变原有的晶相结构，但光吸收范围增加，光电流强度增强，并有荧光猝灭现象发生，有效抑制了电子和空穴复合。通过研究合成的不同催化剂体系在模拟太阳光及可见光下降解罗丹明B实验可知，g-CNQDs掺杂量在5%时三元复合体系催化效果最好。在模拟太阳光及可见光下只需30min和80min即可将罗丹明B降解完全。通过循环实验可知g-CNQDs/H3PW12O40/TiO2三元复合催化剂五次循环后效率降低6.2%，稳定性良好。通过自由基捕获实验可知，三元复合催化剂在催化降解罗丹明B时，起主要作用的是超氧自由基及羟基自由基。

关键词： CsPb2Br5量子点   玻璃   荧光   白光LED   玛瑙   非线性光学  

摘要： 全无机卤化铅铯钙钛矿（CsPbX3,X=Cl,Br,I）纳米晶由于其在可见光谱（400-700 nm）范围内的可调谐光致发光,高达90%的量子产率,窄的半峰宽,因而在照明和显示器技术中具有重要的应用前景。热注入法制备的CsPbX3量子点的胶体性质仍然存在空气和热不稳定性问题。因此,我们将全无机卤化铅铯钙钛矿钙钛矿量子点掺入到一些稳定的玻璃基质材料中而后通过一些现代化测试分析研究了其形貌、微结构以及其光学性质。除此之外,我们还探究了天然宝石的组成和光学性质。主要的研究内容如下:（1）在前人实验的基础上,采用传统的熔化退火技术,在不同热处理温度下成功地制备了CsPb2Br5量子点玻璃。此外,CsPb2Br5量子点的荧光光谱从500 nm调谐到519 nm。在紫外光或蓝光激发下,可以观察到CsPb2Br5量子点玻璃的高效绿色光致发光。（2）以同样的方式,我们在不同热处理时间下成功地制备CsPb2Br5量子点玻璃,在420℃,不同热处理时间CsPb2Br5量子点微晶玻璃的荧光光谱发射峰的位置从499调谐至506 nm。当温度从298K提高到433 K时,CsPb2Br5量子点玻璃表现出荧光强度约85%的损失。CsPb2Br5量子点玻璃表现出优异的光学性能和良好的热稳定性,从而通过在InGaN蓝片上加入附和着CaAlSiN3:Eu2+红色荧光粉的CsPb2Br5量子点硼硅酸盐玻璃可以获得白光LED。本工作为全无机CsPb2Br5量子点玻璃应用于高性能、低成本的白光LED提供了一个良好的路径。（3）本文探究了蓝玛瑙组成及光学性质。铝和钾是两个主要的微量元素。在蓝色玛瑙样品中,其中浓度高达466 ppm和182 ppm。ICP-OES分析检测出铜元素。同时通过紫外吸收和Z-扫描研究了其三阶非线性光学（NLO）性质。折射率和吸收系数分别是1.39×10-18m2/W和6.94×10-13 m/W,极化率为1.45×10-12esu,显示出良好的三阶非线性光学特性。

关键词： 量子点   分子束外延   通讯波段   高密度   调制掺杂   特征温度   激光器  

摘要： 随着光纤通讯和高速信息化的发展,作为光纤通信的光源,对半导体激光器的性能要求越来越高。因为半导体量子点独有的材料特性,国内外将目光聚焦到了高性能量子点激光器的研发和产业化。目前大多通信波段激光器主要是InP基,但是这类激光器缺点比较多,难以作为低成本的高速光通讯的传输光源。量子点激光器件由于三维量子限制效应,展现出了低阈值电流密度、高微分增益、高温度稳定性、高调制速度以及低的频率啁啾效应等优势,成为了光通讯传输光源的优秀选择。高密度的量子点是提高量子点激光器的决定性因素,但传统的S-K生长模式当改变某种生长条件提高量子点密度时,同时也提高了量子点体系中的位错密度.本文对1.3μm InAs/GaAs量子点激光器开展了系统性的研究,包括高性能InAs/GaAs量子点的分子束外延生长、激光器结构的外延和工艺制作、器件性能的测试与分析、量子点激光器物理特性的研究等方面,主要创新成果如下:基于S-K生长模式优化了1.3μm InAs/Ga As量子点的生长温度,V-III比,InAs淀积量以及盖层InGaAs的生长厚度和In组分,通过AFM以及PL谱的测试对材料做评估表征,得到了1.3μm InAs/GaAs量子点的最优生长温度为520℃;25倍的V-III;As压为1.4E-8 Torr;InAs淀积量取2.5ML,通过RHEED监测为成岛的1.3倍,InAs淀积速率为0.025ML/s;盖层InGaAs的生长厚度为5nm,其中In组分为0.15;设计了单层高温退火消除量子点中的双模体系,得到最优退火温度为680℃。这套生长体系生长的InAs量子点密度为3.2×10(88),光致发光中心波长为1308nm。利用δ掺杂外延生长了1.3μm InAs/GaAs量子点激光器有源区Be掺杂,改变了传统的掺杂位置,选择了在材料晶格缺陷更少的量子点下层GaAs材料5 nm处掺杂。制备了腔长2 mm,脊宽100μm的宽条1.3μm InAs/GaAs量子点激光器,激射波长为1300 nm,阈值电流密度J=110 A/cm,单层阈值电流密度低至20A/cm,单管最高输出功率为1008 mW。该器件可以实现宽稳工作,最高特征温度T达到405 K,并且在高温80℃下能稳定连续激射,输出功率为25 mW。

关键词： 族半导体纳米材料   量子尺寸效应   能隙偏移   闪锌矿结构   纤锌矿结构  

摘要： 量子尺寸效应使半导体纳米材料的能隙随尺寸的减小而增大，在光学性质上表现为激子吸收波长随尺寸可调。自半导体纳米材料出现以来，量子尺寸效应就成为半导体领域的研究热点。准确预测尺寸依赖的半导体纳米材料的能隙，是纳米科学的基本问题之一，也是人们追求的目标。然而到目前为止，使用现有的理论研究方法，对整个纳米区域的能隙偏移给出准确可靠的计算结果还存在较大困难。本论文提出一种新的基于量子尺寸效应的化学键理论方法用于计算半导体纳米材料的能隙，即能隙的偏移来源于量子限域效应和表面效应造成的能隙偏移之和，在纳米材料尺寸较小时，表面效应的影响不可忽视。该理论方法适用于不同尺寸的二元纳米半导体晶体和多元纳米半导体合金的能隙偏移计算，且计算过程中无需引入任何可调参数或难以获得的数据参数。　　首先采用基于密度泛函理论的第一性原理分别计算闪锌矿结构和纤锌矿结构的Ⅱ-Ⅵ族二元半导体晶体的能带和态密度，对晶体进行结构优化，以获得半导体纳米晶体的结构参数，作为纳米晶内部化学键特性的初始计算参数。建立了只含有一层原子的半导体纳米笼结构，对其进行结构优化，获得的化学键参数作为纳米晶体表面原子化学键特性的初始计算参数。　　使用热注入法制备了多种CdTe纳米晶，并用紫外可见吸收光谱、X射线衍射、透射电子显微、拉曼光谱等对其进行表征，所得CdTe纳米晶为闪锌矿结构，直径分别为1.5、2.5、4.0和6.0nm，实验能隙值分别为2.59、2.01、1.93和1.89eV。使用化学键理论方法计算了四种样品的化学键特性和能隙值，与能隙实验值相一致，证明了化学键理论方法计算二元半导体纳米晶体的准确性。　　根据提出的化学键理论方法，计算了多种不同尺寸的闪锌矿和纤锌矿结构的Ⅱ-Ⅵ族二元半导体纳米晶体的化学键特性和能隙。计算结果表明微粒尺寸减小引起的表面原子配位、表面原子及化学键所占比例等变化对内部和表面原子的化学键特性产生了重要影响，量子限域效应和表面效应造成能隙值随着尺寸的减小而增加。当微粒尺寸小于10nm时，表面效应不可忽视。　　对化学键理论方法进一步改善后，计算了不同尺寸、不同结构的Ⅱ-Ⅵ族三元半导体纳米合金的化学键特性及能隙值。计算结果表明，除半导体纳米合金的尺寸因素之外，合金成分也对能隙偏移有非常重要的影响，因此可以通过控制尺寸和组份含量两种方法，实现对能隙的调控，获得具有特定能隙值的纳米材料。计算结果还表明，当尺寸和组份含量一定时，晶体结构对半导体纳米合金影响比较小，因此为简化计算，可只选用其中一种常见晶体结构进行计算。　　计算了Ⅱ-Ⅵ族Ⅱ类半导体纳米合金的能隙，其能隙随组份的变化呈现非单调变化趋势，主要原因是组成合金的组份半导体晶体的电子能级是交错排列的，当两者掺杂浓度变化时，能带会出现红移现象，即合金能隙随组份含量变化有最小值。预测了Ⅱ类四元半导体纳米合金随组份的变化趋势，能隙同样出现了红移现象。

关键词： 三角形纳米银   黄原胶   表面拉曼增强   石墨烯量子点  

摘要： 纳米级结构材料简称为纳米材料,是指至少有一维尺寸处于纳米尺度范围超精细材料的总称。尤其是其中金属纳米材料所具备的特殊物理性质和化学性质使其在光学、光电、传感技术以及生物检测等许多领域都有广泛的运用前景。而纳米材料的尺寸、形状和成分都影响着其化学和物理性能,因此对纳米材料的制备、光学性质的研究具有重要的科学意义。本文制备并研究了可以用于拉曼表面增强的三角形纳米银、三角形纳米银复合材料以及石墨烯量子点的性质。论文首先开展了三角形纳米银的研究工作。采用液相法以硼氢化钠作为还原剂,柠檬酸钠作为修饰剂,在双氧水存在的情况下制备了粒径在50 nm左右的尺寸均匀三角形银纳米颗粒。在此基础上研究了不同PVP用量对三角形纳米银的影响。结果表明随着PVP用量的增加三角形纳米银胶的颜色逐渐加深,且三角形纳米银胶的可见-紫外光谱的620nm处的面内双极共振峰峰位发生蓝移。随后研究了加入不同双氧水用量所制得的对三角形纳米银角的作用。通过TEM实验发现,在其它参数不变条件下,双氧水用量在40μL-60μL范围内,随着双氧水用量的不断增加,三角形纳米银中的不规则纳米银颗粒逐渐减少,三角形纳米银的产率提高。最后研究了三角形纳米银的热稳定性。通过100C条件下加热三角形纳米银溶胶,发现其形貌随着加热的进行逐渐分解,形状开始变的不规则起来。分析其加热过程中紫外-可见光谱的540 nm、620 nm峰位都发生了偏移。由此以上两个实验推断出三角形纳米银的尺寸大小可能与620nm处的吸收峰有关;450nm处的峰可能与纳米银颗粒的形状有关;随着纳米银的溶解导致的吸收峰发生偏移现象表明,三角形纳米银340nm处的峰可能与其(1 1 1)晶面有关,不随尺寸形状变化。论文的第二项工作是石墨烯量子点的制备和研究。首先,通过控制热解时间和热解温度热解柠檬酸制备了石墨烯量子点。石墨烯量子点的紫外-可见吸收光谱表明,随着加热时间或加热温度的增加,石墨烯量子点的峰位发生的偏移可能与量子点尺寸大小有关。相同热解温度(200C)下,TEM研究发现不同热解时间制得的石墨烯量子点,随着加热时间增加石,墨烯量子点的尺寸开始变大;当时间达到33分钟时,石墨烯量子点形状变得不规则起来,片层变厚。研究还发现,同一温度制备的石墨烯量子点且随着pH由酸性变为碱性时,其荧光峰位红移可能是因为在不同酸碱溶液中量子点所带基团的所带电性不同引起;不同温度制备的石墨烯量子点的荧光峰位发生偏移,可能是因为不同温度得到的量子点的结晶度不同导致的能带间隙变化引起。当三角形纳米银与石墨烯量子点相复合时,测得复合材料的荧光相对于量子点银荧光发生蓝移,这可能是电子转移或能量转移引起。论文的第三项工作是拉曼增强研究。利用所制备的三角形溶胶和石墨烯量子点,制备出三角形银/石英基板、三角形银@石墨烯量子点/石英基板、三角形银/石墨烯/石英基板作为拉曼增强基板检测10mol/L的罗丹明探针分子,三角形银/石墨烯/石英基板作为拉曼增强基板增强效果最好,三角形银@石墨烯量子点/石英基板次之。论文的第四项工作是制备复合纳米材料。通过三角形纳米银和黄原胶复合制得三角行纳米银@黄原胶网络结构,统计不同比例混合的复合材料网络结构的纳米银个数比1:1.5:2符合与银溶胶在复合材料中的体积。利用匀胶机制得更加均匀的复合材料网络结构,重复性、可控性更强。