关键词： 内嵌金属硼富勒烯   非平衡格林函数   密度泛函理论   量子输运特性  

摘要： 近年来,具有稳定的类足球烯结构的硼富勒烯获得了广泛的研究关注。在硼富勒烯内部封装金属原子形成的内嵌金属硼富勒烯,结构更加稳定,并具有许多优良的物理化学性质,在纳米电子学、化学催化等领域有潜在的应用前景。本论文结合密度泛函理论、非平衡格林函数以及散射矩阵等方法,研究了铝导线连接内嵌氮化三钪分子硼富勒烯(Sc3N@B80)系统的量子输运性质。在研究中考虑了内嵌氮化三钪分子相对输运方向垂直和平行两种构型,并详细讨论了门电压对系统量子输运性质的影响。研究工作主要分为两个部分:第一部分研究了系统在导通状态下的输运性质。两种构型下系统的静电学性质相同,门电极与中间区的电化学电容相等。导通状态下两种构型的输运性质类似,且可被门电压有效调控。对电荷弛豫电阻和电荷分布电阻的计算结果表明导通状态下系统的电荷涨落很小。在正门电压区域,费米能处的有效电阻相对门电压表现出负微分行为。第二部分研究了系统在隧穿状态下的输运性质。隧穿状态下,两种构型系统的透射系数和态密度的共振峰位置差异明显,表明隧穿状态下内嵌的氮化三钪分子的微观构型可以显著影响系统的输运性质。系统的有效电阻在共振能级处得到极大增强。氮化三钪分子平面与输运方向垂直的系统的输运性质可被门电压有效调控并呈现出开关、负微分等行为。而内嵌分子平面与输运方向平行的系统对门电压不敏感。

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。

摘要： This research develops a mesoscopic quantum measurement theoretic foundation for neutron transport theory in the presence of delayed fission and compound scattering processes. Specifically, we construct a quantization of the Pál-Bell equation of stochastic neutron transport theory from a quantum stochastic calculus for particle detection in quantum fields. This enables us to formulate a quantum theory of mesoscopic neutron transport physics that explicitly incorporates both transport mechanisms and resonance scattering into a single quantum stochastic process. The quantum stochastic process representation is shown to have a unique, trace-norm convergent perturbation expansion in the number of observed reaction events. This expansion result, and the proofs that lead to it, help to establish a variety of approximation methods that are applied to nuclear data assimilation and neutron thermalization problems.

关键词： MoX2   SiQDs   光催化剂   超级电容器   复合材料  

摘要： 能源枯竭与环境污染是当今社会发展过程中亟待解决的问题。近年来,二维过渡金属硫族化合物(TMDCs)因其较弱的层间相互作用、大的比表面积以及可控的能带结构,被广泛应用于润滑剂、光电器件、生物传感、催化等领域。二维MoS和MoSe作为二维TMDCs中的典型材料,具有较大的带隙、高理论比容量以及元素价态多样性的特点,在超级电容器和光催化领域有很好的应用前景,进而为解决能源和环境问题提供了有效途径。但它们均存在易团聚和导电性差等缺点,因此,本文采用硅量子点(SiQDs)对其合成进行调控并与还原氧化石墨烯(rGO)复合克服其存在的缺点。首先本论文采用硅量子点(SiQDs)辅助水热法合成了二维MoS,通过XRD、SEM、Raman以及UV-Vis等测试分析技术,探究了SiQDs对产物形貌、相态等的影响规律。利用零维SiQDs的表面效应,使其作为形核中心,进而生长得到结晶性好、形貌均一的MoS纳米花球,有效阻止了片层的团聚。结果表明,SiQDs-MoS包含1T和2H相,其花瓣超薄,厚度约10 nm,具有丰富的边缘效应。因而表现出强烈的全光谱吸收能力和对孔雀石绿(MG)优异的光催化降解能力。100 min内将浓度为10 mg/L的MG溶液几乎完全降解,降解速率符合一级反应动力学方程,速率常数k为0.9919 min,经过5次循环后,催化活性仍能保持90%以上。其次本论文制备了SiQDs-MoS/rGO和SiQDs-MoSe/rGO两种复合材料,通过XRD、SEM、XPS等测试分析技术研究SiQDs对复合材料结构的影响,并推测出SiQDs对结构的调控机制。结果表明,在MoS的复合材料体系中,SiQDs有助于MoS由二维向三维发展,并均匀分散在二维rGO中,进而形成二维三维共存的特殊结构,表现出优异的电化学性能,0.5 A/g的电流密度下比电容为947.5 F/g,经过10000次循环后,比容量仍能保持88.18%。在MoSe的复合材料体系中,SiQDs的加入可以克服MoSe与rGO复合之间存在的界面性质较差的不足,形成三维的孔状结构,也表现出了优异的电化学性能,1 A/g的电流密度下比电容为1148.5 F/g,经过10000次循环后,比容量仍能保持78.91%。两者均可以作为高比容量、高循环稳定性的超级电容器电极材料。本论文利用SiQDs辅助水热合成了二维MoX(S、Se),进而制备了电化学性能优异的SiQDs-MoX/rGO复合材料,为TMDCs材料的化学合成以及新型光催化剂和超级电容器电极材料的制备提供了提供了新思路。

关键词： ZnO纳米棒   化学浴沉积法   微波辅助气相沉积法   光电转换效率   太阳能电池  

摘要： 量子点敏化太阳能电池(quantum dot sensitized solar cell,QDSSC)具有制备简单、成本低廉、理论转化效率高等优点,被认为是极具潜力的光电转换器件。具有一维有序结构的ZnO纳米棒可以提供直接的电子传输通道,有利于电子在纳米材料中的传输。把ZnO纳米阵列应用于QDSSC,有望可以进一步提高其光电转换效率。本论文的主要工作:(1)在FTO玻璃基底表面制备ZnO纳米棒阵列,并通过改变ZnO纳米棒的生长时间得到不同长度的纳米棒阵列,增大量子点的沉积面积。同时探索不同长度的ZnO纳米棒阵列应用于CdS/CdSe量子点敏化太阳能电池对电池光电转换效率的影响;(2)通过微波辅助气相沉积法在FTO透明导电基底表面制备硫化铜/硒化铜对电极,并将这种对电极应用于QDSSC。主要研究成果如下:1、采用水浴法在FTO透明导电基底表面制备ZnO纳米棒阵列,通过改变ZnO的生长时间得到不同长度的纳米棒阵列。系统的考察了不同生长长度的ZnO纳米棒的形貌以及CdS/CdSe量子点敏化ZnO纳米棒作为光阳极对电池光电转换效率的影响。从而得到生长时间为2 h的ZnO纳米棒(5.4μm)具有最好的电子传输能力。同时,还研究了分别采用连续离子层吸附与反应法,化学浴沉积法在生长时间为2 h的纳米棒上沉积CdS(6次)以及CdSe(4 h)量子点对器件光电转换效率的影响。制备的CdS(6次)/CdSe(4h)量子点共敏化ZnO纳米棒(2 h)作为光阳极,铂电极作为对电极的太阳能电池器件获得了2.33%的光电转换效率。2、采用微波辅助气相沉积法在FTO透明导电基底表面制备了硫化铜/硒化铜薄膜。通过改变硫化铜在反应溶液中沉积的时间,得到不同厚度的硫化铜薄膜。硫化铜纳米片在FTO基底上沿着直径的方向相互交错,增大了膜层的比表面积,从而增大了电解液与对电极的接触面积。同样采用CdS(6次)/CdSe(4 h)量子点共敏化ZnO纳米棒(2 h)作为光阳极,制备的硫化铜作为对电极,制备的太阳能电池器件在一个太阳光照射下得到光电转换效率为4.46%。这比基于铂对电极的QDSSC光电转化效率提高了91%。除此之外,研究者也系统研究了硒化铜作为对电极的一系列性能,最终得到2.07%的光电转换效率。

关键词： 机械可控裂结   量子干涉效应   碳基纳电子器件  

摘要： 目前硅基器件小型化即将达到其性能极限,为实现分子器件替代硅基器件,研究单分子尺度电输运行为十分必要。快速发展的机械可控裂结技术(Mechanically Controllable Break Junction,MCBJ)为研究单分子尺度的电输运性质创造了条件。本论文利用MCBJ技术展开了以下两个工作,主要研究内容及成果如下:1.杂原子掺杂对量子干涉效应的调控研究在纳米尺度的分子器件电输运性质不再遵循欧姆定律,电子输运过程中能级或传输途径不同的电子量子波函数的干涉现象不容忽视。为进一步完善单分子尺度量子干涉效应理论,本课题将N原子引入已知具有量子干涉的寡聚苯乙炔(Oligophenylene Ethynylene,OPE)体系,基于MCBJ分子电导测试及密度泛函理论(Density functional theory,DFT)计算的结果表明,通过引入杂原子获得空间分离的电导通路,实现相消量子干涉调控。2.碳基分子器件的构筑及电输运研究碳基分子器件被认为是取代硅基电子器件的可能选择,因此对全碳电子学的研究十分有必要。在裂结技术中常常使用金属电极捕捉目标分子构筑分子器件,但金属电极往往带有原子易迁移、可功能化范围较窄等缺点。本课题采用石墨烯电极替代金属电极,利用π-π作用构筑一系列石墨烯/富勒烯/石墨烯分子结,首次将全碳电子学的研究推进到数埃尺度。研究发现不同大小及共辄性的富勒烯可以通过不同的带隙来调控电输运性能,此外,可通过氮原子的掺杂引入共振来调控分子结的电输运性质,同时这些结论被DFT计算证实。这项工作也预示着富勒烯在分子电子设备中具有极大的应用前景。

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： 拓扑绝缘体   拓扑晶体绝缘体   能带反转   自旋轨道耦合   Rashba自旋劈裂   第一性原理计算  

摘要： 首先我们研究了氢化二维薄膜BiPb的量子自旋霍尔效应（QSH）及Rashba自旋劈裂（RSS）性质。能带拓扑性与Rashba自旋劈裂一直是凝聚态物理中两个被广泛探索的新奇特性,但在二维材料体系中它们共存的情况仍较少出现。由于在自旋电子学方面有巨大应用潜力,拓扑绝缘体（TIs）中的自旋轨道耦合（SOC）也得到了诸多关注。Pb元素与Bi元素有着强自旋轨道耦合作用,有可能导致材料呈现出非平庸拓扑态,所以我们通过第一性原理计算了一种新型二维BiPbH薄膜结构,它能够实现非平庸拓扑性与较大Rashba自旋劈裂的共存,由px,y–pz轨道能带反转诱导的非平庸量子态可通过Z2拓扑不变量及边缘态进行证明。更有意义的是,在这个系统中共存的拓扑带隙和Rashba自旋劈裂能够在一个较大的应力范围内（-6%到6%）保持稳定。而且在适当的应力范围内,Γ点带隙与Rashba劈裂分别最大可达到0.4 eV与53.1 meV,使其有可能在室温中实现量子自旋霍尔效应。我们也研究了卤化对二维薄膜BiPb量子拓扑性质的影响。与氢化BiPb结构相同,由Bi和PbX（X=F,Cl,Br,I）组成的二维六角蜂窝状薄膜结构仍是大带隙二维拓扑绝缘体。同样它们的非平庸拓扑性及px,y–pz能带反转可通过Z2拓扑不变量及自旋动量锁定的边缘态证实。更加重要的是,这些卤化薄膜结构的Rashba劈裂可以在更大的应力范围内达到81 meV。另外,我们通过构建BiPbX/h-BN异质结,发现衬底对二维BiPbX薄膜在费米面附近的能带几乎没有影响,因而BiPbX的拓扑性质在BiPbX/h-BN异质结中得以保持。考虑到此结构拓扑性质的鲁棒性,本工作为设计基于二维薄膜材料的拓扑量子器件提供了新平台。另一方面,我们还研究了二维薄膜PbTe的拓扑晶体绝缘体（TCIs）性质。尽管拓扑晶体绝缘体已在三维材料体系中得到了广泛研究和实验观测,但基于二维体系的拓扑晶体绝缘体材料仍较少报道。通过研究二维PbTe（001）薄膜的晶体结构和电子性质,我们发现单层和三层PbTe（001）薄膜是具有较大带隙（0.3 eV）的本征拓扑晶体绝缘体,因此具有在室温下应用的潜在价值。进一步分析发现其拓扑晶体绝缘体性质起源于px,y–pz能带反转,这是由轨道杂化效应及界面量子限制效应联合导致的。特别重要的是,通过施加双轴应力,可以观测到半金属（semimetal）-拓扑晶体绝缘体-平庸绝缘体的转变,施加单轴应力则导致材料出现Z2非平庸态。我们还发现单层PbTe薄膜生长在NaI半导体衬底上依然能够保持拓扑晶体绝缘体态,因而关于PbTe（001）薄膜量子态相变及拓扑带隙调控的研究,将为实现低损耗拓扑量子器件提供一个新思路。

关键词： Ⅱ-Ⅵ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。