关键词： 高敏量子点   生物模板   化学修饰电极   催化剂   抗生素  

摘要： 抗生素能抑制或杀死其他各种感染性微生物而被广泛使用,但因此被过度使用使得抗生素滥用问题日益严峻。富含多种抗生素的生活、养殖、医用废水被直接排放到河道,导致水环境和土壤中抗生素含量异常,并能向食物转移,最终通过各种渠道回到人体内,对体内的菌群造成干扰,并产生耐药性的细菌,极大地威胁人体的健康。这一现状使得对环境中抗生素的检测和新型抗生素分析方法的开发变得极为重要。本论文针对该现状选择具有活性高的量子点材料作为电催化活性材料。本论文以具有分级多孔结构的美人蕉茎秆作为生物模板,制备高敏量子点生物碳复合材料。在炭化温度800°C,生物碳完整复制了美人蕉茎秆的微观形貌特征。在此基础上,以生物碳为基底,用水热合成的方法负载了三种量子点材料,分别为CeO2、CeO2-Cu2O、CeO2-ZnO。利用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（FESEM）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）和X光电子分析仪（XPS）等表征了所得材料。实验结果表明:量子点材料均匀负载在生物碳表面,未出现团聚现象。CeO2量子点/生物碳复合材料中量子点粒径大小约为6.7 nm,CeO2-Cu2O量子点/生物碳复合材料中量子点粒径大小约为6 nm,CeO2-ZnO量子点/生物碳复合材料中氧化铈量子点粒径大小约为6.2 nm,氧化锌量子点粒径大小约为7 nm。量子点的小尺寸效应提高了材料的电催化活性,为电化学传感提供了良好的催化环境。研究不同浓度下合成的量子点/生物碳材料对青霉素钠的影响,结果表明当硝酸铈溶液浓度为0.1 mol/L,CeO2量子点/生物碳复合材料中氧化还原峰电流最大,对青霉素钠的灵敏度最高。当铈铜摩尔比为1:2和铈锌摩尔比为1:2时,复合氧化物量子点/生物碳复合材料中氧化还原峰电流最大。在量子点材料确定的情况下,对不同浓度的青霉素钠溶液进行检测。当青霉素钠溶液浓度从200 ppm增加到800 ppm时,氧化峰电流逐渐增强,且线性曲线方程R2值越来越高,说明复合氧化物量子点/生物碳材料对青霉素钠的灵敏度高,响应速度快,可用于检测实际样品中青霉素钠的残留量。

关键词： 钙钛矿量子点   分子筛   稳定性   白光LED   复合材料  

摘要： CsPbX(X=Cl,Br,I)钙钛矿量子点(QDs)由于其优异的光学性质,如发光在整个可见光范围内可调、量子效率高和发光峰窄等特点,在光电领域具有巨大的潜在应用前景。然而,钙钛矿量子点的稳定性较差以及器件应用中不同种类量子点间的卤素离子会发生交换等缺点限制了它们的实际应用,如作为荧光材料在白光发光二极管(WLED)中的应用。针对以上问题,本论文拟用多孔分子筛复合量子点的方法改进钙钛矿量子点材料性能。为了克服此三元组分量子点中Cs/Pb阳离子在与分子筛内阳离子进行交换合成时存在的强静电排斥作用,我们采用一种简便的两步合成法,即先在水溶液中把Cs交换进分子筛,然后在有机溶液中把PbX扩散进入分子筛。本方法使钙钛矿量子点在分子筛孔道内原位生成,获得钙钛矿量子点与分子筛的复合材料(CsPbX–Y)。实验结果表明,分子筛的复合提高了钙钛矿量子点的温度猝灭效应和光辐照下的稳定性。由蓝光LED芯片与绿光复合材料、红光量子点组装而成的WLED器件,能有效避免红/绿光量子点间的离子交换效应。此器件对应的CIE色坐标为(0.38,0.37),色域可覆盖NTSC标准的114%、Rec.2020标准的85%。针对含碘钙钛矿量子点在光照下极易分解的缺点,进一步通过Mn掺杂CsPbCl复合分子筛材料作为红光量子点的替代材料。分别在高温、高湿度和长时间光照条件下,复合材料的稳定性相对于类似组分的纯量子点有非常显著的提高。以CsPbMnCl–Y作为光转换材料的LED器件工作10小时后,光效并没有明显衰减。由紫外芯片、CsPb(Cl,Br)–Y蓝光复合材料和CsPbMnCl–Y橙光复合材料组装而成的WLED,其CIE坐标为(0.34,0.36),相关色温(CCT)为5336 K,显色指数(CRI)可达81。本论文表明钙钛矿量子点与分子筛复合材料具有更优越的稳定性,在光转换LED照明以及背光显示等领域具有潜在的应用前景。

关键词： 相位时间   驻留时间   自干扰延迟   NU方法   广义不确定关系  

摘要： 电子既表现出电荷性质又具有自旋特性。由于电子的这种特性而衍生出来的新兴学科——自旋电子学自诞生以来就受到人们的极大地关注,许多科研工作者对其开展了广泛的研究并取得了一定的成果。尤其是在巨磁阻效应和隧穿磁电阻效应发现以后,人们开始利用电子自旋特性来处理和携带信息,并由此引发了磁存储和磁记录领域的根本性的变革,进一步丰富和完善了自旋电子学理论。为了可以进一步研究电子特性,我们希望可以获得一种新型材料,在这种新型材料中电子既具有表征电荷性质又具有展现自旋特性的能力。幸运的是这种期待并没有让人们等太久,于2004年发现的石墨烯材料以其优异的物理特性吸引了科学家极大的兴趣。由于石墨烯材料中的高载流子迁移率与无质量的狄拉克费米子的性质较为类似,而现如今主流的量子引力理论像超弦理论、圈量子引力理论、黑洞理论等都预言着最小长度的存在,因此我们可以通过对石墨烯中载流子输运特性的研究为广义测不准关系提供一个佐证。而且在海森堡测不准下的许多理论分析和实验结果符合的并不十分理想,因此我们有必要尝试着对理论做一个修正,以期可以得到与实验结果较为符合的物理模型。在本论文中首先介绍了巨磁阻效应和磁性结构的电子输运研究近况以及石墨烯材料的结构及其特性,随后描述了巨磁阻材料的部分应用情况以及广义测不准原理基本概念。接下来基于NU方法给出了广义克姆谐振子的精确解,并进一步表明克姆谐振子为广义克姆谐振子下的特殊情况,拓展了量子力学中精确可解问题类型。再往后基于最小长度对一维狄拉克方程在矩形势垒下进行研究,并给出了相位时间、驻留时间、自干扰延迟时间的表达式以及各隧穿时间之间的关系,进一步表明海森堡测不准关系下的结论为广义测不准关系特殊情况下的结果。第五章给出二维平面石墨烯层中载流子在静电势垒作用下的透射系数和隧穿时间,并进一步给出载流子在静电势垒和磁矢势共同作用下的透射系数和自旋极化率。

关键词： 量子点   量子输运   电流噪声谱  

摘要： 本论文我们采用级联运动方程的方法研究了串型耦合双量子点系统在几种典型隧穿区域的动力学性质,它们分别为序列隧穿(sequential tunneling)、协同隧穿(cotunneling)以及近藤区域。首先考虑序列隧穿情况下系统的输运性质,改变量子点间库仑相互作用强度,我们发现在拉比频率处均有很明显peak或dip信号,并且在共振频率附近会出现非马尔科夫的台阶特征。其次改变系统参数使其处于协同隧穿区域,这里我们探究量子点间耦合强度与加在双量子点系统间的偏压对其输运性质的影响。研究发现拉比信号随着量子点间的耦合强度增加而增大,且正拉比频率处相较于负拉比频率的增大效果更明显。当改变偏压时,随着输运通道的增加,噪声谱中出现在共振频率处的非马尔科夫台阶数量也在增加。最后,我们把系统温度降到近藤温度以下,研究串联耦合双量子点在近藤区域的动力学行为,可以看到在费米面附近出现近藤共振峰。本文通过计算电流噪声谱能使我们更好地了解串型耦合双量子点在不同隧穿状态下的输运性质,因为电流噪声谱比平均电流包含有更多的信息。

关键词： 双量子点   核磁场   自旋阻塞   全计数统计  

摘要： 采用Lindblad型粒子数分辨的量子主方程,研究了双量子点系统在自旋阻塞区受核随机场调制的电子输运。在弱和强核随机场下,发现双量子点输运系统的Fano因子在整个外磁场调制范围内都大于1,系统呈现了超泊松噪声;在弱核随机场情况下,随外磁场大小的变化,平均Fano因子和平均偏斜度呈现局部极大值;而在强核随机场情况下,平均Fano因子和平均偏斜度随外磁场大小的变化而近单调变化。这些特征都可以基于噪声和三阶矩对外磁场大小的依赖性加以解释。对于确定随机场情况下的噪声和偏斜度,Fano因子和偏斜度则可以给出丰富的输运信息。此外,随着非弹隧穿率的增加,在强核随机场情况下,平均电流增加而Fano因子和偏斜度减小。

关键词： 量子阱材料   硅图形衬底   Ⅲ-Ⅴ化合物   光学增益   生长速率  

摘要： 随着最新信息技术的快速发展，人类接触的信息量呈几何级数增长。但由于高度成熟的硅微电子技术在信息传输上的限制，目前主流的信息数据处理和传输方式，已由传统的电子信息技术开始转向光通信技术。面对光通信网络强烈的发展需求，效仿微电子集成电路不断迭代过程，研究者们致力于实现光子集成线路，以实现光子器件的高度集成化。　　如今由微电子工艺走来的硅光子集成已日趋成熟，然而硅单晶为间接带隙，激射十分困难，硅光子集成缺乏可靠光源。因此研究人员寄希望于在硅光子集成中引入具有很高光学增益的Ⅲ-Ⅴ化合物材料或器件，实现包含光发射器的完整硅光子集成。　　目前，主要的硅基Ⅲ-Ⅴ集成途径为两种——Ⅲ-Ⅴ材料键合和Ⅲ-Ⅴ材料直接外延。Ⅲ-Ⅴ键合已向实用性发展，然而仍具有工艺复杂等缺点。Ⅲ-Ⅴ直接外延技术近年来通过插入超晶格或多层量子点结构来降低位错，然而量子点生长依靠分子束外延技术，生长速率缓慢，且Ⅲ-Ⅴ化合物在硅(001)晶面沉积所产生的反相畴也无法消除。本论文围绕近年来新兴的硅基Ⅲ-Ⅴ化合物直接外延方法——ART选区外延，叙述了其机理与发展以及在硅基Ⅲ-Ⅴ外延上的优势，并使用该方法进行了硅基InGaAs/InP多量子阱材料的外延研究，为下一步硅基激光器提供了探索的可能。本论文主要内容如下:　　(1)阐述了硅基直接外延Ⅲ-Ⅴ化合物的困难——Ⅲ-Ⅴ化合物和硅之间晶格常数与热膨胀系数失配产生的穿透位错、化学键为极性的Ⅲ-Ⅴ化合物在硅单质的界面处产生的反相畴，并回顾了ART外延方法发展的脉络，从中总结出该方法解决硅基Ⅲ-Ⅴ化合物外延难点的机理——一方面通过SiO2侧壁的限制作用使穿透位错终止于材料底部、另一方面通过“Ⅴ”型槽的构造抑制了化合物与硅单质界面上的反相畴生成。此外还简要介绍了目前ART外延在硅基激光器上的前沿进展。　　(2)叙述了本研究组之前在沟槽250 nm宽的硅图形衬底中使用ART方法外延脊状InGaAs/InP多量子阱材料的结果，展示了该结构位于通信波段的优秀增益特性。其后，本研究通过模拟计算，论证了模式存在条件，提出了将InGaAs/InP多量子阱结构转移到参数经优化的沟槽500 nm宽的SOI衬底上，以实现未来硅基激光器制备的材料基础。　　(3)按照计算结果，本研究制作了500 nm宽沟槽的SOI图形衬底，并详细描述了在该SOI衬底上外延InGaAs/InP多量子阱材料的流程与结果。其中，通过XRD表征了新的衬底结构下InGaAs外延中组分变化情况，利用高分辨TEM表征了新衬底上量子阱结构的形貌，并通过EDS测试确认了量子阱结构的完整性。　　(4)此外，本研究测试了SOI衬底上InGaAs/InP多量子阱结构的多点PL谱，证实了外延材料的光增益特性均匀且稳定。同时进一步通过模拟计算，按实际外延参数，探索了该InGaAs/InP多量子阱材料结构的光学模式与波导传播特性。　　(5)最后，展望了正进行的硅基光泵浦激光器的制备工作——FIB刻蚀F-P腔端面、CMP抛光以适应平面工艺如光栅制备、光泵浦测试系统等。

关键词： 光催化   碳纳米材料   二氧化钛   石墨相氮化碳   石墨烯量子点  

摘要： 能源危机和环境污染是全球面临的两个重大问题。光催化是有望利用太阳能来实现分解水制取氢气以及降解污染物的重要技术。高效、低成本且稳定光催化材料的研制是推进该技术发展和应用的关键。包括石墨烯和碳纳米管在内的碳纳米材料具有优异的光电、导电以及吸附等特性,在诸多领域具有重要应用。本论文瞄准碳纳米材料在光催化和荧光检测等领域的应用,致力于研制基于碳纳米材料的高效光催化体系以及探索石墨烯量子点的简便制备技术,取得了如下研究成果。设计并制备了二氧化钛片状纳米颗粒/石墨烯泡沫复合光催化体系,其兼具吸附和光催化降解双重功能。采用氧化石墨烯和钛酸四丁酯为原料,通过简便节能的一步水热法制备了二氧化钛片状纳米颗粒/石墨烯泡沫复合材料。通过扫描电镜、透射电镜等手段研究其形貌,并测试了其对六价铬离子和亚甲基蓝的移除能力。该复合材料含有大量石墨烯,使得该复合材料对污染物有很强的物理吸附作用;石墨烯优异的电子传输能力也极大地提升了复合材料的光催化效率。在光催化降解有机物时二氧化钛片状纳米颗粒与石墨烯泡沫可起到协同作用,从而令光催化效率得到更加明显地提升。该复合材料对六价铬离子和亚甲基蓝都具有良好的移除能力,分别是相同质量二氧化钛片状纳米颗粒移除能力的1.3倍与2.1倍。该复合物催化剂拿取方便且具有很好的循环稳定性,可多次重复利用。该复合材料可同时移除水中的六价铬离子和亚甲基蓝分子,对处理同时含有两者的混合污水有很好的效果。为了提升可见光下的光催化活性,将硫掺杂与石墨烯复合两种手段相结合,研制了硫掺杂二氧化钛片状纳米颗粒/石墨烯复合光催化体系。使用简单的水热法一步制备暴露大量(001)晶面且有硫掺杂的锐钛矿二氧化钛片状纳米颗粒。通过X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、光电子能谱和紫外可见漫反射光谱等手段对其形貌结构进行表征。以亚甲基蓝作为有机污染物的模板探索该可见光催化体系的光催化降解有机污染物的性能。本文以便捷的方法实现了对二氧化钛禁带宽度、载流子复合率、形貌晶面的全方位调控,很大程度上提升其在可见光下的光催化效率。其中(001)晶面具有最高的光催化活性、硫掺杂通过缩小其禁带宽度(由3.3 eV缩小到了 3.0 eV)而将其对光的响应范围从紫外区扩展到可见光区、石墨烯的引入有助于提升载流子分离率,从而多方面提高催化剂的光催化活性。该复合材料在模拟太阳光下降解亚甲基蓝时表现出很高的光催化活性,可在12分钟内将50 mL的10.0 mg/L亚甲基蓝溶液中的亚甲基蓝全部降解。探索出了微波辅助加热一步合成界面接触紧密的石墨相氮化碳/碳纳米管复合光催化体系的简便工艺。运用扫描电镜、透射电镜、X射线衍射等多种测试方法对所得复合光催化体系的形貌结构、光吸收性能和元素组成等进行表征,使用紫外可见漫反射、荧光发射光谱对其光学特性进行了表征,通过测量瞬态光电流和阻抗对其光电化学特性进行了表征。测试了该复合物的光催化产氢速率及循环稳定性。与其他方法相比,该方法所制得的复合光催化剂中石墨相氮化碳和碳纳米管具有更加紧密的接触界面和较高的结晶度。该复合光催化剂可有效地提升光生载流子数量,并增加光电流响应。该复合光催化剂具有良好光催化稳定性和光催化性能,其在可见光下的产氢速率可达45.1 μ mol/h,其光催化活性也高于以前报道的其它制备方法制备的石墨相氮化碳/碳纳米管复合催化剂的光催化活性。尝试采用廉价的稻谷壳为原料一步合成石墨烯量子点。以生物质废料稻谷壳为原料,用一步水热法制备石墨烯量子点,并对其反应条件(温度、时长)进行优化,实现了以绿色简便的方法对生物质废料的再利用。通过扫描电镜、透射电镜等手段研究石墨烯量子点的形貌。通过测量荧光发射与吸收光谱,对石墨烯量子点的发光性能进行研究。测试石墨烯量子点对一系列金属离子的荧光淬灭程度。测量石墨烯量子点分散液与一系列不同浓度的三价铁离子的溶液接触后在紫外光下的荧光光强,研究三价铁离子浓度与石墨烯量子点荧光淬灭程度的关系。所制得的石墨烯量子点粒径分布较窄,拥有3.9 nm的平均粒径,包含2-3层石墨烯,可对三价铁离子产生特定性的荧光淬灭。制备生成的石墨烯量子点可用作检测水体中三价铁离子的荧光传感器。之后对稻谷壳进一步处理制备二氧化硅,实现对稻谷壳中有机和无机成分的综合利用。

关键词： 钙钛矿量子点   氮化硼   发光   稳定性  

摘要： 新型钙钛矿量子点作为一种新的发光材料进入人们的视野。这种新型的量子点发光材料具有低廉的成本、高效的吸光效率、高的载流子迁移率、极窄的发光峰以及全面的光谱范围,其在生物荧光标记、太阳能电池板、LED显示屏等领域有着巨大的应用前景。但同时,钙钛矿量子点材料有着稳定性不足的缺点,这严重制约了其进一步的发展和应用。本文中我们首次利用新型的激光烧蚀合成方法合成了钙钛矿量子点;利用氮化硼的透光透波特性、高化学稳定性以及高热导率等特性,使之与钙钛矿量子点进行复合,以提高稳定性。具体研究如下:（1）采用了在新型溶液中激光烧蚀的方法合成了全光谱系的无机钙钛矿量子点。该方法使用连续激光器作为热源,不需要采用气氛保护,在溶液中进行钙钛矿量子点的合成。新型激光烧蚀合成法的样品发光性能优异:蓝绿红三原色的样品分别为:CsPbCl1.5Br1.5、CsPbBr3、CsPbBr0.75I2.25,其发光峰位分为460 nm、514 nm、653 nm,发光峰的半高宽分别为14 nm、15 nm、38 nm,量子效率分别为:40%、92%、77%。激光的瞬间高能作用,可以令量子点在短时间快速成型,且保证量子点成功合成的同时,大幅降低合成所需要的时间。这使得量子点的尺寸更加细小,成型更加规则。（2）利用氮化硼的高化学稳定性以及透光透波特性,将其与钙钛矿量子点进行复合,从而提高量子点的稳定性。复合材料发光峰位没有明显的偏移和改变。复合的氮化硼-钙钛矿量子点样品的荧光寿命和量子效率有一些变化:BNNP-CsPbBr3和BNNP-CsPbBr0.75I2.25的荧光寿命分别为12.2 ns和15.8 ns,量子效率为81%和62%,较复合前略微下降。从瞬态的PL发光数据来看,复合样品的发光性能有所衰减,相对的,复合样品的稳定性得到了较大的提升。在96 h的紫外线照射测试之后,复合样品的PL强度仍能达到原本发光强度的80%。在温度稳定性测试之中,经过90℃的高温处理后,复合的BNNP-CsPbBr3样品仍保有50%的PL强度。更有趣的是,将BNNP-CsPbBr0.75I2.25样品在非遮光自然环境下放置80天,其仍能够发出明亮的橙光。BN透光透波特性,确保了在孔洞中的量子点仍然可以进行光致发光;BN的高化学稳定性令其可以为孔洞中的量子点“遮风挡雨”,避免量子点过多与外界接触。

摘要： The desire to reduce the power consumption of consumer electronics has driven the semiconductor industry to seek smaller transistors and to operate them at lower supply voltages. A reduction in the transistor’s dimensions by a certain fraction can reduce the power consumption by the same amount, for a specific operation speed. The semiconductor industry employs a 14nm feature size for its latest technology node and is pushing it down to 10nm. Moreover, reducing the supply voltage can also significantly lower the power consumption. However, the limit on the supply voltage is set by the threshold voltage, which is more than 0.6V given the fundamental limit of 60mV/dec for MOSFETs. Further reduction in supply voltage and consequently power consumption can be achieved with tunneling transistors that can overcome this limit. Tunneling transistors, however, face challenges with low ON current leading to slow performance. The ON current can be boosted by reducing the tunneling distance, either with a tight gate control in 2D materials or with internal piezo-polarization in nitrides. An accurate prediction of the performance of such nanoscale tunneling devices is obtained from experimentally validated quantum transport simulations. Two practical aspects have been added for a realistic prediction; incomplete ionization of doping and scattering effects on confined states in hetero-structures. Such additions have led to better agreements with relevant experimental measurements. The models have been employed to propose likely candidates towards future low power tunneling transistors based on novel materials and designs.

关键词： 单层石墨烯   二维六角晶格   单轴应力   半狄拉克点   量子输运  

摘要： 石墨烯是一种二维狄拉克材料,在零能附近满足线性色散关系,因此,石墨烯具有独特的电子性质。首先,我们介绍了石墨烯的制备方法,结构特征和性质以及应用前景。然后,介绍了研究石墨烯所用的理论模型和计算方法,着重介绍了在不同外界条件下石墨烯纳米带的紧束缚模型。其次,我们研究了分别考虑应力作用和AB子晶格势下具有不同边界形状的石墨烯纳米带的能带结构。研究发现,应力作用在扶手椅型石墨烯纳米带上时,对其电子结构有影响,然而其应力作用在锯齿型石墨烯纳米带上时,对其电子结构没有影响。但是,当考虑AB子晶格势时,无论是扶手椅型还是锯齿型石墨烯纳米带,都能使带隙增大。最后,我们采用紧束缚方法研究了单轴拉伸应力对六角晶格电子结构和输运性质的影响。当不考虑磁场时,我们发现应力对二维六角材料的狄拉克点有显著的影响;当拉应力增大时,两个狄拉克点合并成一个点,生成一个半狄拉克锥。半狄拉克锥是各向异性的,不同方向分别具有线性或抛物线色散关系。对于较大的拉应力,可以打开带隙,这意味着从金属相到绝缘体相的相变。在磁场存在下,我们讨论了能量与磁场的关系,朗道能级在适当的拉伸应力下分裂成两个分支,从而产生有趣的霍尔电导。我们期望这些研究结果对电子器件有应用价值。