关键词： 角分辨光电子能谱(ARPES)   拓扑相变   Lifshitz transition   ZrTe5   HfTe5   石墨烯超导   KC8  

摘要： 近年来,包括拓扑绝缘体,狄拉克半金属,外尔半金属等在内的量子拓扑材料由于其独特的物理性质,奇异的电子结构和强大的应用潜能引发了非常热烈的研究。二维量子自旋霍尔材料的边缘可探测到自旋分离的自旋流,即量子自旋霍尔效应,具有非常大的应用潜能和物理研究价值。但是实验上能够观测到此现象的体系并不多,理论预言单层的ZrTe5和HfTe5是大能隙的量子自旋霍尔材料,块材ZrTe5和HfTe5依靠层间距的调节正好处在强拓扑绝缘体和弱拓扑绝缘体的边界上。更有趣的是,自1970年以来,ZrTe5和HfTe5独特输运性质的起源一直处于争论中,进而引发了对于此类材料大量的实验研究。本文主要介绍角分辨光电子能谱对ZrTe5和HfTe5电子结构的研究,给出以下结论:1.变温的角分辨光电子能谱实验数据表明,在ZrTe5和HfTe5的电阻输运宽峰的温度点（T）上,存在温度诱导的Lifshitz transiton,并且可以直接解释ZrTe5和HfTe5的输运奇异性。随着温度的降低,整个能带往高结合能方向移动。温度高于T,是空穴型费米面,提供空穴型载流子;温度等于T时,费米能正好处在带隙中央;温度低于T时,变成了电子型费米面,提供电子型载流子。我们还发现,能带随温度的移动并不是简单的刚性移动,布里渊区Γ点的能隙随温度的降低快速减小,可能与ZrTe5和HfTe5的拓扑本质有关。2.通过实验与理论计算的对比,发现ZrTe5的Γ点处直接能隙随温度降低的减小与弱拓扑到强拓扑转变的行为吻合。在极低温度2K下,ZrTe5的直接能隙依然存在,并且在能隙中没有观测到表面态。在沿(8方向裂开的样品中,我们探测到了额外的一维信号与ZrTe5的一维原子链有关,可能探测到了ZrTe5的边缘态。综上所述,我们认为从室温到2K,ZrTe5一直处于弱拓扑状态,有向强拓扑态转变的趋势,可能继续减小层间距,ZrTe5就可以转变为强拓扑绝缘体。对于HfTe5来说,高于T时,直接能隙与ZrTe5的变化类似,有从弱拓扑态到强拓扑态变化的趋势,但在低于T的温区,HfTe5的能隙变化很小,能带的移动也很小。认为HfTe5在低温下可能处于强弱拓扑转变的边缘,由于探测温度的影响,我们无法给出HfTe5在低温下是何种拓扑状态的光电子能谱证据。3.利用S,P线偏振光和L,R圆偏振光对ZrTe5和HfTe5的电子结构做了探测,发现在不同偏振态的光的照射下,ZrTe5和HfTe5能带色散的谱重分布不同。重点分析ZrTe5和HfTe5电子结构的圆二色性,发现其与强拓扑绝缘体表面态自旋的分布不一致,进一步证明ZrTe5和HfTe5是强拓扑绝缘体的可能性不大。谱重分布的不同,可能与ZrTe5和HfTe5的轨道有关,需要进一步研究轨道与不同偏振光作用下的矩阵元效应来解释这个问题。HfTe5的蒸钾实验表明,钾在HfTe5的表面容易形成表面重构,不是单纯的电子掺杂,不利于研究HfTe5直接能隙和导带的情况。得考虑其它元素掺杂来进一步研究HfTe5的拓扑本质。石墨烯是凝聚态物理研究当中的另一个热点话题,掺杂石墨烯超导因为其潜在的应用价值也是引发了很多人的研究。自2005年,石墨插层化合物Ca C6中发现超导（转变温度11.5K）以来,实验上对其超导机理的争论非常多。认识石墨插层化合物超导的机理可以给掺杂石墨烯超导这个话题提供有意义的信息。为此,我们合成了一系列高质量的石墨插层化合物（Ca C6,Ba C6,KC8）单晶,利用角分辨光电子能谱,对其电子结构乃至超导机理做研究。在对老牌的石墨插层化合物超导体KC8（转变温度0.15K）的研究中,人们都集中在石墨烯的*能带上,我们首次针对KC8的层间态,发现KC8中确实存在层间态,并且估算出了层间态的大小,发现层间态和石墨的*能带在费米能以下50～70me V和150～170me V都具有两个扭折（kink）,此kink可能与超导相关。

关键词： 二维层状材料量子点   涡旋剪切剥离法   水热法   生化诊疗   重金属离子检测  

摘要： 单原子层石墨烯纳米片的成功剥离激发人们对其他范德华二维层状结构材料的研究热潮,包括氮化硼、过渡金属硫化物、黑磷等。这些二维材料纳米片有着相同的结构特性,面内原子间存在强烈的共价键,层间以微弱的范德华力相连。作为纳米材料的另一种结构形式,量子点因其量子尺寸效应和边缘效应而展现出优异的电学和光学特性。目前制备二维层状材料量子点的途径以“自上而下”法为主,包括有液相超声法、离子插层法等,存在反应条件苛刻、时间冗长、后续处理过程繁琐等弊端。本文创新性地提出用涡旋剪切剥离法来制备bN、WS2、MoS2、黑磷等量子点,该制备方法具有简单易行、快速高效的优点;同时,采用水热法以蔬菜为碳源制备碳量子点。进一步地,本文开展了二维层状材料量子点的生物诊疗初探和金属离子检测应用研究。本人具体研究内容和研究结果如下:1.采用涡旋剪切剥离法成功制备高质量BN和WS2量子点。利用高速旋转的刀片在有机溶剂中裂解粉末状BN和WS2,所制备的量子点采用TEM、AFM、Raman、XPS、UV/Vis等进行表征,从实验结果可以看出用这种方法制备的量子点具有较好的分散性,粒径均匀,高分辨TEM观察到清晰有序的晶格条纹,说明量子点具有较好的结晶质量。采用相同的制备策略,可以获得MoS2、黑磷和碳等材料的量子点,证明涡旋剪切剥离法具有制备二维层状材料量子点的普适性。本文用流体动力学中的涡旋理论在高剪切速率引起的粘滞亚区域进行解释,为实验结果提供依据。2.通过MTT法对BN和碳量子点标记的Hela细胞进行毒性测试,证明量子点具有良好生物兼容性和低毒性;通过激光共聚焦荧光显微镜观察到BN和碳量子点标记的Hela细胞荧光发光。WS2量子点分散液的激光辐照实验表明,在大约7.5 min时间里,WS2量子点分散液温度从24.2℃升高到51.4℃,证实WS2量子点具有优异的光热性能。3.利用水热法以芹菜为碳源制备出高质量碳点。将芹菜和去离子水置于聚四氟乙烯反应釜中水热,在一定时间和温度后过滤离心得到碳点。TEM表明碳点颗粒均匀;红外光谱表明所得碳点含有丰富含氧官能团,证明水溶性好;荧光光谱表明碳点荧光性能优异;PH值和氯化钠离子浓度评估表明碳点有较稳定的光学特性。在重金属离子检测应用方面,通过在相同条件下利用碳点对不同金属离子的检测,本文所制备的碳点对铁离子的敏感度最强。

关键词： 低维材料   异质结   紧束缚近似   格林函数  

摘要： 低维碳系材料包括零维的量子点,如富勒烯;一维的碳原子单链,准一维的碳纳米管、条状石墨烯带;二维的石墨烯等。自上个世纪80年代开始迅猛发展,人们对这类材料的量子输运性能做了大量研究,取得了丰富的成果。低维碳系材料所做成的电子器件其主要工作原理是电子隧穿,其中的碳纳米管作为准一维材料在很多时候被用来作为信息传输的载体。由于其空间和结构的限制,电子的输运会受到影响。例如分子异质结、杂质等因素,都会影响其传输性能,从而对所做成的电子器件性能产生较大影响。研究由这些材料组成的分子异质结对通过其中的电子输运情况的影响,不但有重要的理论方面价值,同时还有重大的实际应用方面价值。所以我们对由准一维碳纳米材料组成的分子异质结,其量子输运性能进行了理论研究。在准一维材料碳纳米管中,电子的运动并不遵循经典粒子的运动规律,由量子力学规律决定,运动具有波粒二象性。量子输运理论符合Landauer-Buttiker理论,Landauer-Buttiker理论也是低维介观材料中使用范围最广的量子输运理论。在本论文第一章中我们介绍了低维纳米科技、纳米材料的发展和对人类生产生活的影响,列举了低维纳米材料的特性及相关研究实验,重点介绍了电学特性,并介绍了研究低维纳米材料的理论方法—朗道尔公式。第二章介绍低维碳系纳米材料中的准一维材料发展现状和相关应用,几何结构及由它所组成的分子异质结的几何结构,利用石墨能带折叠法求出准一维材料的的能带结构和色散关系。第三章对电子的干涉实验—AB效应作了详细叙述,介绍了紧束缚近似理论,计算态密度和量子电导的格林函数方法。第四章采用朗道尔公式结合紧束缚近似格林函数法对准一维碳系材料异质结的量子输运情况进行理论研究。得到了一部分创新性的成果。准一维的碳系纳米材料单壁碳纳米管由于其螺旋矢量和半径的不同,表现为金属型或半导体型,对于结合实际情况所建立的四种单壁碳纳米管分子异质结的结构模型:(5,5)/(8,0)(金属/半导体)、(5,5)/(10,0)(金属/半导体)、(5,5)/(9,0)A(金属/金属)、(5,5)/(9,0)B(金属/金属)。利用紧束缚近似格林函数法对模型进行理论计算。结果显示:异质结所对应的完好碳管(5,5)和(9,0)两种管型同属金属型,局域态密度在费米面处与能量轴平行,且不为零,说明存在金属能带;(8,0)和(10,0)两种管型均为半导体型,局域态密度在费米面附近存在有限大小的能隙;完好碳管的量子电导均呈现台阶状,金属型管费米面处量子电导很大,导电效果良好,半导体型管费米面两侧较窄处的电导等于零;金属/半导体结的局域态密度曲线在费米面处呈现比较高的峰,表现了有允许导电的量子态,但其量子电导曲线在费米面处仍为零,证明了这些许可态在能隙中的局域性,同时说明了电子输运至异质结的界面处有大量的衰减;金属/金属结的局域态密度曲线在费米面处要高于所对应的完好碳管,而量子电导曲线则在费米面处比所对应的完好碳管低;同时(5,5)/(9,0)(金属/金属)有两种构型,量子电导曲线有很大的差别,几何结构的改变使其导电性能受到较大影响,构型A比构型B在费米面处有更大的量子电导,改变结构即可改变其导电性能,这是我们最感兴趣的,电子在分子异质结内的输运性质对异质结的连接方式异常敏感。这些理论结果在碳纳米管制作的量子开关和二极管等方面有重要应用。

关键词： 量子点敏化太阳能电池   多金属氧酸盐   光电转化效率   光导性能  

摘要： 量子点敏化太阳能电池（简写QDSSCs）,因具备低成本,制备简单及较大的吸光范围等特点一直被广泛研究。目前,已报道的此类电池效率高达11%,但是这远远低于理论效率。光阳极和对电极是QDSSCs的两个重要组成部分,本论文第二、三章就是分别优化电池的这两个组成部分,进而提高电池效率。CdS半导体,是Ⅱ-Ⅵ族典型的化合物,具有高吸收系数以及低电阻率等性质,因此经常被用在催化、光电和光导材料等方面。但是CdS受光激发后,自身的光生电子和空穴不能理想且高效地分离,这极大地限制了它的应用。目前解决的办法大多是将CdS与其他物质复合,从而提高CdS的光导性能,这为CdS在光电器件方面的应用奠定了理论基础。多金属氧酸盐,简称多酸,是较好的电子中介。它能接收和转输半导体导带上的光生电子,减少它和空穴的结合,使半导体的光电、光导性能得以提高。本论文将多酸分别引入CdS半导体材料及QDSSCs的光阳极Ti O2中,改善其光导和光电性能。本论文中,采用物理方法制备（n-Bu4N）3PW12/TiO2复合物,利用刮涂法制备（n-Bu4N）3PW12/TiO2膜电极,然后以（n-Bu4N）3PW12/TiO2膜电极为光阳极,以Pt为对电极,多硫电解质为电解液组成电池,对其电池性能进行测试。结果表明,与单纯的TiO2（7.9mA/cm2,0.94%）相比,以（n-Bu4N）3PW12/Ti O2为光阳极组成的QDSSCs取得光电流更高（10.41mA/cm2）,电池效率更大（1.26%）。利用水热法合成MoS2-graphene（M-G）复合物,将其用做QDSSCs的对电极材料,对其电化学性质进行研究。通过EIS和Tafel测试,M-G对电极Rct值为4.75?cm2,J0值为21.27mAcm-2,M-G对电极表现出较好的电催化性质,且以M-G对电极组成的电池效率为2.21%,其效率值要高于Pt和MoS2对电极。利用水热法制备SiW11Co/CdS复合物的纳米颗粒,然后对其复合材料进行光电流响应,电流-电压曲线等相关测试,与单纯的CdS相比,复合5%SiW11Co的Cd S光电流提高了约为50%,这表示光导性能得到提高。

关键词： 各向异性材料   格林函数   自发辐射   共振荧光谱   压缩荧光谱  

摘要： 非磁性单轴各向异性材料是目前广泛研究的一种材料,它表现出许多与各向同性材料不同的物理特性。本文主要研究了将二能级原子置于银和二氧化钛周期性堆叠构成的非磁性单轴各向异性材料中的自发辐射,以及在强泵浦场驱动下的共振荧光谱和压缩荧光谱。首先,我们从系统的哈密顿量出发,通过绘景变换和二阶微扰理论,推导出修饰态下二能级原子的主方程和Bloch方程。其次,利用Bloch方程、量子回归定理和拉普拉斯变换,获得了二能级原子的共振荧光谱和噪声谱的解析表达式,从而发现其谱线分布主要由原子的自发辐射速率决定。基于非磁性单轴各向异性材料中的格林函数,发现二能级原子的自发辐射速率又取决于材料的有效介电常数。此外,依据材料的有效介电常数与材料中电磁场频率间的关系曲线,我们选取了材料满足椭球型色散关系的电磁场频率作为研究范围。研究结果表明:在不考虑材料损耗的情况下,置于材料中的二能级原子的普赛尔系数与材料中电磁场频率密切相关;而且其共振荧光谱出现右峰值比左峰值大的非对称现象以及噪声谱的压缩现象。此外,二能级原子的普赛尔系数、共振荧光谱和压缩荧光谱主要由二能级原子辐射光场中的非寻常光决定。同时在考虑材料损耗的情况下,我们发现原子的自发辐射速率是不考虑材料损耗情况下的一半,但原子辐射噪声谱的压缩却增加了一倍。最后,我们还研究了在不考虑材料损耗情况下,将二能级原子嵌于氮化镓和二氧化硅周期性堆叠构成的非磁性单轴各向异性材料中的自发辐射情况,以及在强泵浦场驱动下的共振荧光谱和压缩荧光谱。其结果与不考虑材料损耗情况,将二能级原子嵌于银和二氧化钛周期性堆叠构成的非磁性单轴各向异性材料内相应的结果类似。

关键词： 量子点   量子计算   低维材料   量子比特   石墨烯   谐振腔   自组织锗硅纳米线   噪声谱密度   相干性   塞曼分裂   g因子   空穴  

摘要： 作为准零维结构,量子点是盛装电子或者空穴的小盒子,通过其中载流子的电荷或者自旋进行编码,可以作为量子计算的基本单元-量子比特来使用。在一维和二维材料上,通过刻蚀或者加工电极进行电势束缚,可以比较容易地得到这样的量子点,因此低维材料在量子点量子计算领域中扮演着十分重要的角色。对低维材料量子点加工和输运性质的研究是推进量子计算研究的重要组成部分。本文中我们将对二维的石墨烯材料和一维的自组织锗硅纳米线材料进行研究,主要内容有:1、简单介绍了量子计算的相关背景,量子点的常相互作用模型,以及单量子点和双量子点的基本输运图像,比较了不同材料体系量子比特相干性的差异,并介绍了本文涉及的锗硅材料的一些基本性质;2、介绍了自组织锗硅纳米线上进行量子点加工的加工平台,操作方法以及工艺流程;3、特别设计了一种新型反射式超导传输线谐振腔,并与石墨烯量子点进行耦合,研究了单个或多个石墨烯双量子点与腔耦合时对谐振腔微波信号的调制作用,给出了从谐振腔中分部提取体系特征参数的方法。从实验上用腔作为探测器获得了双量子点的相图,得到了石墨烯电荷量子比特相位退相干率,观察到了相位退相干率随量子点电荷数变化的四重周期性变化,并且证实了分别与谐振腔耦合的两个双量子点之间存在非经典的长程关联;4、研究了谐振腔微波信号对石墨烯双量子点性质的影响,首先介绍了实验上标定双量子点失谐量的一种方法,然后通过直流输运和腔的幅值两种信道噪声谱的测量,由传递关系测定了石墨烯量子点的电荷噪声谱,通过观察白噪声台阶的变化证实了微波对石墨烯存在明显的加热效应。同时研究了微波功率对相干性的影响,得出了超过一定功率以后,微波加热效应将成为量子点主要的退相干来源的结论,解释了石墨烯体系在微波操作实验上的局限性;5、探索更加适宜作为量子比特的新材料,经过比较,选择了自组织锗硅纳米线作为研究对象,在这种新材料上进行了单量子点的设计和制备,对基本输运性质进行了表征分析。分析了磁场下量子点各能级的劈裂情况以及在库伦菱形上的反映,结合实际测量情况选择了塞曼分裂的观测窗口,观察了体系的塞曼分裂,通过它标定了能级线对应的量子态和空穴数奇偶性,测得了 g因子。本论文的主要创新点在于:1、设计了制备了一种具有环境噪声抑制能力的平面谐振腔;2、利用腔做探测器测得了石墨烯双量子点的相图,在世界上首次获得了石墨烯的相位退相干率,并且得到了它随电荷变化的四重周期关系;3、使用腔作为耦合媒介,实现了相距较远的两个石墨烯双量子点之间的非经典长程关联;4、测定了石墨烯的噪声谱随微波功率的变化,证实了微波信号对石墨烯材料的加热效应;5、研究了石墨烯相干性随功率的变化,发现在较小的功率下微波加热就会成为影响相干性的主要来源,指出了石墨烯材料的局限性;6、完成了新材料自组织锗硅纳米线上量子点的设计制备工作;7、研究了自组织锗硅纳米线量子点的基本输运性质,完成塞曼分裂的观察,能级量子态和对应空穴数奇偶性标定,测得了体系g因子。

关键词： 拓扑绝缘体   自旋陈数   拓扑晶态绝缘体   拓扑量子相变   谷电子学   拓扑泵浦   逆自旋霍尔效应   逆Edelstein效应  

摘要： 拓扑绝缘体是一种新奇的物质的态,它们的体能带与普通绝缘体一样存在能隙,但在边界处存在无能隙的边界态,这是由其能带结构的非平庸拓扑性质决定的。拓扑绝缘体由拓扑不变量Z2或自旋陈数来刻画。它的边界态由能带拓扑性和时间反演对称性所保护,因此不被非磁杂质散射,另外,边界态还具有螺旋结构,即动量和自旋是绑定的,这些性质在自旋电子学领域有广泛的应用。拓扑绝缘体在理论预言后不久,就在实验上被证实,并被推广到三维系统。它的迅速发展吸引的广泛的兴趣。受拓扑绝缘体的启发,人们将能带结构的分类扩展到了另一个方向——包括晶格对称性,并称这类由晶格对称性保护的拓扑绝缘体为“拓扑晶态绝缘体”。人们还预言了存在拓扑晶态绝缘相的真实材料,相关预言已被实验证实。另外,在二维蜂房格子系统中除了电荷自由度和自旋自由度,还存在着谷自由度,最近很多与谷相关的拓扑相变已经在理论上提出来了,利用这些谷相关的拓扑相,人们还设计了有趣的电子器件。在第二章中,我们讨论了在Zeeman场下拓扑晶态绝缘体SnTe表面态的拓扑性质。发现通过调节Zeeman场的方向,可以实现谷相关的拓扑相变。用赝自旋陈数描写系统的拓扑性质,我们得到半径为B的相球,其中包含陈数C=2的量子反常霍尔态,陈数C=1的量子反常霍尔态,量子赝自旋霍尔态,以及平庸拓扑绝缘体态。在C=1量子反常霍尔态和平庸绝缘体态中,两个谷处于不同的拓扑态。这种谷相关的拓扑相为设计低耗散的电子学器件以及基于拓扑晶态绝缘体的谷电子学应用提供了新的平台。拓扑绝缘体由拓扑不变量Z2指标或自旋陈数来刻画。然而,不同于描写量子霍尔效应的第一类陈数,到目前为止,这些拓扑不变量还未被直接测量和利用,虽然有几个方案已经提出来去观察它们。所以,测量这些拓扑不变量的更简单实用方法是值得期待的。在第三章,我们提出在硅烯中的拓扑泵浦效应,以直接测量系统的拓扑不变量。我们考虑在硅烯中施加两个含时电场,其中一个交变电场处于硅原子所在平面内,大小为Ey,另一个电场垂直平面,包含两部分,静电场和交变场,大小分别为E0z和E1z。使用自旋-谷陈数特征系统的拓扑性质,我们可以看到这个系统可以处于纯的谷泵浦态,混合的自旋-谷泵浦态,以及平庸泵浦态,由垂直电场的强度E0z和E1z决定。由散射矩阵计算的每个循环泵浦的谷和自旋总量与自旋-谷陈数描写完全一致。这个总量正比于样品的宽度,对材料参数不敏感,这说明了泵浦是一种体效应,与边缘态无关。自旋霍尔效应是由于自旋-轨道耦合,电荷流引起横向自旋流的物理现象。这种效应为产生自旋流提供了一种电学方法。基于相同的物理机制,纯自旋流也可以产生横向电荷流或可测量的电势差,这称为逆自旋霍尔效应。在第四章,我们发展了一套理论来描写Bi2Se3薄膜表面态的逆自旋霍尔效应。我们将Bi2Se3连接到电子库,对电子库施加自旋偏压,自旋偏压通过它在通道本征态子空间的投影驱动电子输运。我们说明了拓扑表面态是逆自旋霍尔效应的理想平台,由于拓扑绝缘体表面态的自旋-动量绑定,这里自旋偏压完全可以转换为可测量的横向电压,使拓扑绝缘体内纵向自旋流为零。我们的理论解释了实验上在拓扑绝缘体内观察到的大自旋霍尔角。此外,完美的逆Edelstein效应,即完整的自旋-电荷转换也可发生在表面态。在本文的最后一章,我们做了一个简单的总结和展望。

关键词： 微波反应器   碳量子点   荧光材料   荧光淬灭  

摘要： 碳量子点是一种无毒的高效荧光的纳米材料,因其制备过程简单,水溶性较好、易于功能化等优点,已经广泛应用于生物医药、生物成像、光电传感器和光催化剂等领域。本文通过普通微波反应器和单模微波反应器以L-胱氨酸为原料制备荧光强度高、稳定性好的碳量子点。实验中研究了多种因素对于碳量子点荧光性质的影响,并将其作为一种荧光材料染色棉纤维、掺杂硅橡胶、制作隐形荧光墨水以及检测金属离子。主要研究结论如下:（1）利用单模微波反应器制备的荧光碳量子点在水溶液中分散性好,外貌近乎球形,颗粒的尺寸大小不均匀,平均尺寸2-6 nm。碳量子点的水溶液在日光灯下呈现淡黄色,在365 nm紫外灯下呈现绿色荧光,最佳荧光激发波长420 nm,最大荧光发射波长505 nm,荧光量子产率为24%。萃取到有机相中的碳量子点在日光灯下为无色、紫外灯下发出蓝色荧光,最佳荧光激发波长为365 nm,最大荧光发射波长变为430 nm,在氯仿和二氯甲烷中的平均荧光量子产率为86%。无论水相还是有机相,最大发射波长位置不随激发波长的改变而变化。（2）水相中的碳点可以在4 oC冰箱中长期保存,有机相中的碳点可以在室温下长期保存。实验制备的碳量子点的荧光强度随着反应时间的延长和氢氧化钠浓度的提高均出现先增强后减弱的趋势。当胱氨酸的浓度为10%时,最佳反应温度为135-140°C,氢氧化钠在反应体系中的浓度为0.7-0.9 mol/L。水相碳量子点在很宽的pH范围内都具有荧光性质,且荧光强度随着pH的升高而变弱。（3）实验中制备碳量子点作为荧光材料能够染色脱脂棉、也能够掺杂硅橡胶,并可以制作荧光墨水。研究发现,使用水相中的碳量子点染色棉纤维的荧光不够牢固,而氯仿相中碳量子点染色的棉纤维荧光更牢固;使用水相碳量子点掺杂的硅橡胶呈现淡黄色,不透明,紫外灯下呈现强的蓝绿色荧光,使用有机相碳量子点掺杂的硅橡胶无色、透明,在紫外灯下发出蓝色荧光。使用碳量子点制备的荧光墨水,可以用于书写和喷墨打印,此种墨水在日光灯下无字迹显示,但是在紫外灯下显示较为清楚的字迹。（4）通过研究多种金属阳离子和部分阴离子对荧光碳量子点的淬灭作用发现,少数的离子对碳量子点的荧光强度几乎没有什么影响。己烷相中的碳量子点对Fe3+,Fe2+,Cu2+有很强的响应,水相中和有机相中的碳量子点对Fe3+的荧光淬灭响应迅速。当Fe3+的浓度在100μmol/L内水相中的碳量子点的荧光淬灭显示明显的线性关系;当Fe3+的浓度在10-200μmol/L之间时己烷相中的碳量子点有明显的线性关系。

关键词： 低维材料   声子   分子动力学   场力   空位缺陷  

摘要： 电气、电子技术的进一步发展,对元器件性能提出了更高要求。低维材料尤其是石墨烯、石墨炔等碳素薄膜材料凭借其极大的比表面积、高电导率与极佳的机械性能成为芯片制造的新选择,但局部区域的热量导出成为新的技术难题,制约着微电子技术的发展。因此,低维材料输运性质的研究显得愈发重要,导热特性的控制成为微电子技术发展的关键。作为一类线度极低,甚至小于电子德布罗意波长的材料,低维材料的载流子被限制在特定维度内运动,其输运性质与体材料有着巨大差别,使其具备独特的物理性质。但目前低维材料的研究主要集中于电、光与机械性质,热导性质的研究仍需深入完善。热导性质的研究方法很多,诸如以玻尔兹曼输运方程为代表的理论分析与以光热偏转法为代表的实验方法等。但低维材料本身特殊的结构与尺寸增加了研究难度。相较而言,分子动力学通过计算体系构型积分、求解粒子运动方程,能更好地对材料热物性进行研究,成为本文研究的仿真工具,本文以石墨烯为研究对象,采用分析动力学模拟的方法对其输运性质进行深入研究。首先,建立单层石墨烯纳米带模型,采用非平衡态的模拟方法对其热导性质的影响因素如尺寸、手性以及温度等进行了研究。研究表明:石墨烯纳米带热导率存在尺寸效应,一定范围内,石墨烯热导率同长宽均存在正相关关系,这是由声子平均自由程与边界条件共同决定的,符合经典声子理论;不同手性石墨烯也存在差异,边界传输速度与传输机制的不同使锯齿石墨烯(ZGNRs)热导率稍高于同尺寸的扶手石墨烯(AGNRs)20%左右;另外温度也会使模拟范围内(300-500K)的热导率在呈现先上升后下降的趋势。除此以外,势函数与边界条件等仿真参数的选取也会对模拟结果造成影响。接着对缺陷与场力等内外因素做了深入分析,研究发现:缺陷位置对石墨烯热导影响不大,但缺陷密度的增加会导致热导率极速下降;场力对热导性质变化影响较大,模拟范围内可将热导率提升至静态时的3倍;垂直热流方向的场力作用稍微高于热流方向;场力频率的增加会导致热导数值的波动,但两者总体趋势呈现正相关,即频率越高,热导率越大。本文对低维材料导热特性进行了系统研究,为进一步控制与提升元器件的热导提供了新思路。

关键词： 石墨烯   NPAN   CdS量子点   共价接枝   光催化  

摘要： 随着世界上固有能源的大量消耗及对环境所造成的不可逆影响,人类对于新能源的需求迫在眉睫。而太阳能作为一种清洁、高效、安全的能源备受瞩目,且伴随光电转换技术的不断改进,以半导体光催化剂在太阳光下进行光电转换,实现对清洁新能源的合理利用引起研究者们广泛关注,并且由于半导体类光催化剂良好的催化效果,其在降解有机污染物与产氢两方面具有良好的应用前景。本文旨在研制出一种新型的N-取代羧酸聚苯胺接枝石墨烯硫化镉量子点复合材料,以用作催化效率高、循环稳定性好的光催化剂。在该复合材料中三组分材料间通过共价接枝作用连接,不仅体现了良好的协同效应和界面间作用力,还抑制了各单一组分所存在的缺陷,从而提高了可见光下光电转换的效率。具体的研究内容及相关结果如下:1.以苯胺功能化的还原氧化石墨烯为基体,在原位聚合体系中引入N-苯基甘氨酸与乙酸镉形成含镉前驱体,再利用镉与硫间成核机理制备出复合材料。同时,利用不同途径制备出各种CdS及CdS类复合材料作为对比。通过利用FT-IR、UV-vis、XPS、TEM、TG、Roman、PL等对不同材料的结构、稳定性、形貌等展开探究,结果证明了CdS量子点成功的以共价接枝的方式与石墨烯、聚苯胺相连接,且由于高速导电子性石墨烯的引入及N-取代羧酸聚苯胺对于硫化镉量子点的保护,良好的抑制了CdS的易团聚及光生电子空穴易复合的缺陷。2.采取滴涂法制备出各种CdS复合材料修饰电极,并通过利用CV和EIS对修饰电极的电化学性质展开探究。首先就光照与黑暗条件下,RGO/NPAN-CdS修饰用量、扫描速度、p H等对于该修饰电极活性的影响进行优化。然后经过对比各个修饰电极的CV图与EIS图,得出各电极电子传导能力的差异。最后通过对RGO/NPAN-CdS电极进行循环扫描以检测其稳定性。通过电化学检测证明了:CdS量子点在可见光下能够进行良好光电转换、增强光电流,且由于石墨烯与NPAN的引入,RGO/NPAN-CdS具有更短的界面距离和更快的电子传输速度,在不同CdS复合材料内其具有最高的电活性和最小的电阻,且其稳定性随循环使用依旧保持良好,因此具有应用于实际电化学传感器的潜力。3.在500 W氙灯光源照射下,以纯CdS及不同CdS复合材料为光活性材料进行光催化降解有机污染物Rh B和光催化水产H2反应。首先对于RGO/NPAN-CdS的使用p H与温度进行优化,得出最佳使用条件。然后对比不同CdS类光活性剂降解Rh B与催化产H2能力,得出最佳的催化效果。最后对CdS类材料光催剂的循环使用性展开探索,并通过利用TEM和XRD等对材料光催化前后结构的稳定性进行表征。通过研究能够发现:RGO/NPAN-CdS在光催化反应中皆表现出最高的催化效率与反应速率,其降解Rh B的效率和产H2量分别为单纯CdS的1.94倍于8.6倍,且相较于CdS在光照次数增多后结构被腐蚀、催化效率下降的情况,RGO/NPAN-CdS的结构及光催化的效率都保持良好,这证明了RGO/NPAN-CdS有实际应用于光催化剂的潜力。