关键词： 纳米线场效应晶体管   鳍式场效应晶体管   量子输运   非平衡格林函数   多物理   温度   热应力   建模仿真  

摘要： 在信息化时代背景下,微电子产业飞速发展。然而,随着器件尺寸逐渐接近材料微缩极限,延续摩尔定律面临前所未有的挑战。对于由量子力学效应主导输运特性的纳米半导体器件,传统载流子输运模型不足以准确描述器件行为,需要引入量子修正或采用量子输运模型。此外,随着集成密度提升,集成电路热功耗密度显著增加,导致严重的自热效应,同时也加剧了热力学效应。电场/载流子输运、温度、热应力的相互作用共同影响器件性能和可靠性。国内外学者一方面致力于开展建模仿真研究以深入理解器件物理机制、优化器件设计和改善器件性能;另一方面则致力于对新型材料、结构和工艺的探索,寻求新的发展路径,所衍生出的新型电子器件为超越摩尔定律提供了可能。 本论文针对新型纳米半导体器件中的量子输运和多物理耦合效应开展建模仿真研究,主要研究内容和创新点概括如下: 1.提出了一种基于模空间法的围栅纳米线场效应管(NWFET)含时量子输运仿真方法,实现了晶体管瞬态特性仿真分析和本征性能极限评估。基于模空间法将三维含时量子输运问题解耦为二维截面量子限域问题和一维含时量子输运问题,研究了沟道电荷的开关瞬态特性;仿真分析了沟道电荷和漏极电流对不同频率小信号栅极电压的响应;计算并讨论了受载流子输运时间限制的本征性能极限,包括与频率相关的栅极电容和跨导、3dB带宽以及截止频率。 2.提出了一种量子输运-热-热应力多物理协同仿真算法,揭示了自热或热环境所致热应力对超薄体鳍式场效应管(UTB-FinFET)量子输运的影响机制,实现了多物理耦合效应对晶体管导通和亚阈值特性影响的仿真分析。在仿真中考虑了与温度相关的热力学参数,采用从量子输运模拟中提取的热源进行宏观热分析,并利用六带k·p哈密顿量捕获热应力对材料能带结构的影响。研究了热应力如何影响器件势能、导通电流、泄漏电流和亚阈值摆幅(SS)等关键性能指标,比较和分析了不同晶向配置、沟道长度以及热环境下的情形。 3.提出了针对具有多尺度、多物理场、多材料参数交叉耦合特征的异质集成结构的多物理仿真算法,揭示了异质集成结构中的多物理耦合作用机理,仿真分析了大功率器件自热引发的热应力对FinFETs量子输运的影响。 4.提出了新型量子光子器件和垂直输运场效应管(VTFET)载流子输运仿真算法,并结合实验验证了算法的准确性。揭示了量子光子器件中砷化镓(GaAs)量子点内载流子的弛豫机制和VTFET在不同控制电压下的工作机理。

关键词： 碳量子点   稀土荧光材料   荧光防伪   双模式发光   上转换发光  

摘要： 目前,市场上假冒伪劣,盗版侵权,制作虚假信息的行为层出不穷,造成了消费者巨大的经济损失,信息安全得不到保障,阻碍了社会的发展。荧光防伪技术作为市场上最常见的防伪技术之一,由于其操作方便,直观,防伪系数高等原因,受到广大群众的青睐,但传统的荧光防伪材料发光模式单一,容易遭受不法者的伪造,制约了荧光防伪的实际应用。本文基于信息安全领域对荧光防伪材料性能的需求,就现阶段荧光防伪技术实际应用的不足进行了探讨,提出了将稀土荧光材料和碳量子点进行复合,通过实现复合材料发光颜色可调控以及多模式发光,进一步提高荧光材料的安全级别,旨在为荧光防伪技的实际应用提供一定参考。主要内容如下: 1.基于Ce3+离子与Eu3+,Tb3+离子之间的能量转换机理,以Ce3+离子为敏化剂,Eu3+和Tb3+稀土离子为活化剂,聚乙烯亚胺（PEI）为表面活性剂,采用一步水热法成功制备了Na Gd F4:Ce,Eu,Tb纳米晶体,PEI的引入,使得所制备的纳米晶晶体表面富含有机官能团,为后续与碳量子点结合提供条件。利用能量转移效应实现了颜色可调的荧光发射。使用一步水热法合成了在254 nm和365 nm激发下具有双紫外光响应的蓝色荧光碳量子点。利用静电自组装效应,采用物理混合法制备了新型环境友好型的水溶性Na Gd F4:Ce,Eu,Tb/碳量子点复合油墨,解决了目前大多荧光油墨要以有极溶剂为载体的问题。通过调节两者的混合比例,在数秒内实现了颜色可调的发光,并获得了色坐标为（0.32,0.32）的白光发射。设计防伪图案,利用稀土纳米晶和碳点纳米复合材料获得了明显的双模式发光防伪现象。 2.首先采用一步水热法制备一系列YVO4:Eu3+纳米晶,基于上一章的实验内容,为了使碳量子点与YVO4:Eu3+纳米晶复合后实现固态发光,选择在YVO4:Eu3+纳米晶表面包覆一层SiO2外壳并利用氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）在外壳修饰上NH2基团,使CDs可以通过酰胺键与SiO2纳米颗粒成功结合,制备出YVO4:Eu3+@SiO2@CDs复合材料,解决了碳量子点固态猝灭的问题。通过透射电子显微镜（TEM）和高倍透射电子显微镜（HRTEM）对材料进行了形貌表征,结果表明,YVO4在包覆SiO2前呈现葡萄干型,包覆后呈现尺寸为170 nm左右的球形,且与CDs复合后,形貌上基本没有变化。复合材料的荧光光谱表明,在254 nm紫外光激发下,YVO4:Eu3+@SiO2@CDs在616 nm处有强烈的红光发射,在365 nm激发下,复合材料在455 nm处有强烈的蓝光发射,利用其双模式发光性能,设计出防伪二维码,提供了一种可行的荧光防伪策略。 3.采用一步水热法,制备出LiYF4:Yb3+,Ho3+,Ce3+@CDs复合材料,简化了两者的复合过程,实现了碳量子点与LiYF4微米颗粒的复合,相较于上两章复合体系,本章丰富了光致发光的路径,实现了上下转换双通道发光模式,提高了防伪的保密性。对复合材料进行了TEM和HRTEM表征测试,发现材料呈现立方形,尺寸在1.3μm左右且在表面观察到CDs。Yb3+,Ho3+离子的掺入,使复合材料获得上转换发光的性能,另外,可以通过调节Ce3+掺杂的浓度,使得上转换发光颜色可以从绿色变化到红色。利用上/下转换的发光模式,设计制作出三叶草防伪图案,能分别在980 nm和365 nm激发下发出不同颜色光,展现出巨大的荧光防伪应用潜力。

关键词： 碳量子点   纳米复合材料   荧光传感   荧光复合薄膜   离子检测  

摘要： 随着经济现代化和全球化的快速发展,人类物质文明和精神享受得到提高的同时也给生态环境造成了巨大的压力,环境保护依然面临着诸多问题与挑战。工业采矿、废气废水排放等造成不少重金属如汞、铬、铅等进入水、土壤和大气中,不仅严重影响生态环境,甚至给人类身体健康带来致命的危害。为了优化生态环境,需研发一种绿色安全的技术手段,以便准确高效地检测生态系统中的重金属离子。碳量子点(CQDs)作为新一代最有前途的碳纳米材料之一,有着优异的光致发光性能和良好的生物相容性等特点,在重金属离子检测中获得了广泛的研究兴趣。基于CQDs的荧光复合材料更是弥补了单组分CQDs在应用上的局限性,提高了复合材料的化学性能,使其在环境、生物和医学等领域具有有效的应用价值。本文主要围绕基于CQDs的荧光复合材料的制备及其性能分析展开以下研究: (1)通过水热法将CQDs嵌入介孔二氧化硅纳米微球(MSNs)中,形成具有聚集诱导发射增强(AIEE)的碳量子点/介孔二氧化硅荧光复合材料(CQDs/MSNs)。利用TEM、SEM、FT-IR、XRD和荧光技术对CQDs/MSNs荧光复合材料进行了表征分析,表明所得的CQDs/MSNs荧光复合材料具有光致发光强度比原CQDs高2.58倍的黄色荧光发射,且具有高稳定性和高灵敏性,可实现对水体中Hg(Ⅱ)的特异性检测,检测限低至0.89μM。结合UV-Vis分析Hg(Ⅱ)对CQDs/MSNs荧光复合材料的淬灭机制可能为静态淬灭效应。此外,该复合材料表现出良好的生物相容性,可作为有效的荧光探针检测细胞内的Hg(Ⅱ)。这些特性为CQDs/MSNs荧光复合材料在细胞成像和生物检测等领域提供了长远的实际应用价值。 (2)以无水对氨基苯磺酸和邻苯二胺为原料,通过一步水热法成功制备了具有橙黄色荧光发射的CQDs,其最佳激发波长为390 nm,最佳发射波长为571 nm。研究表明,制备的CQDs具有优异的光致发光特性,对Cr(Ⅵ)具有高选择性和高灵敏性,检测限低至0.34μM。随着Cr(Ⅵ)浓度的不断升高,CQDs的荧光强度逐渐降低直至淬灭。通过UV-Vis和Zeta电位分析Cr(Ⅵ)对CQDs的淬灭机理,表明Cr(Ⅵ)与CQDs表面官能团反应产生静电吸附作用形成了稳定的络合物,从而促使CQDs荧光淬灭。基于此,开发了一种CQDs荧光试纸,可实现对水体中Cr(Ⅵ)的实时检测。为了增强CQDs的可视化和便捷性检测,合成了碳量子点/聚乙烯醇荧光复合薄膜(CQDs/PVA),该复合薄膜可作为荧光传感材料实现对Cr(Ⅵ)的快速有效检测,未来在化学分析和防伪安全等领域研究中具有巨大潜力。

关键词： Kekulé石墨烯   PN结   量子输运   塞贝克效应   能斯特效应  

摘要： Kekulé石墨烯是具有√3×√3超晶格结构的一种石墨烯，其原胞的扩大使得本征石墨烯的K谷和K''谷耦合在一起。Kekulé石墨烯体系因谷耦合而带来的独特量子输运性质一直是人们关注的焦点。本文采用紧束缚模型结合非平衡格林函数方法，研究了Kekulé石墨烯PN结的量子输运性质以及O型Kekulé石墨烯的塞贝克（Seebeck）效应和能斯特（Nernst）效应。　　首先，我们研究了谷耦合对Kekulé石墨烯PN结输运性质的影响。结果表明，在O型Kekulé石墨烯PN结体系，由于谷耦合导致手征对称性破缺，电子克莱因（Klein）隧穿被抑制，只能发生共振隧穿。Y型Kekulé石墨烯PN结体系电子的隧穿现象与本征石墨烯PN结类似，由于体系保持手征对称性，电子透射以Klein隧穿为主。当在该体系中引入位能修正项时，体系反演对称性被破坏，单谷相出现，此时共振隧穿和Klein隧穿同时存在，电子隧穿增强。在强磁场下，霍尔边界态形成，体系电导减小。此时，在合适的无序强度下，电子和空穴边界态混合导致电导增加;在大无序强度下，体系进入绝缘状态。　　其次，窄带隙半导体一般具有良好的热电转化性能，而O型Kekulé石墨烯体系由于谷耦合打开带隙。因此，我们对O型Kekulé石墨烯的Seebeck效应和Nernst效应进行了研究。结果表明，由于体系具有粒子-空穴对称性，Nernst系数是关于费米能的偶函数，Seebeck系数是关于费米能的奇函数。在低温条件下，Seebeck系数和Nernst系数随费米能振荡变化，当费米能穿过离散的横向子带或朗道能级时，Seebeck系数和Nernst系数出现峰值。在费米能EF=0附近，Seebeck系数高达2500μV/K，Nernst系数高达2000μV/K。在室温下（T≈300K），Seebeck系数和Nernst系数的振荡受到抑制。在费米能EF=0附近，Seebeck系数和Nernst系数仍然具有较大值，Seebeck系数可以达到780μV/K，Nernst系数可以达到1000μV/K。此外，通过调控晶格间电子跃迁能同样可以在更高的温度下获得大的Seebeck系数和Nernst系数。　　最后，为了进一步调控O型Kekulé石墨烯体系的Seebeck效应，我们研究了门控O型Kekulé石墨烯体系的Seebeck效应。通过比较门控O型Kekulé石墨烯zigzag和armchair纳米带体系的Seebeck系数，发现zigzag纳米带能带结构中翘曲色散的类平带，导致了Seebeck系数的各向异性行为。更重要的是，在室温的情况下，通过门电压调控纳米结左右两端电势，armchair纳米结Seebeck系数可达1370μV/K左右;zigzag纳米结Seebeck系数可达1260μV/K左右。这说明通过门电压调控体系两端的电势，可以提高Seebeck系数。　　综上所述，我们研究了Kekulé石墨烯体系的热电输运特性。Kekulé石墨烯PN结输运性质的研究结果为高性能异质结电子器件的研发提供理论依据。此外，通过研究O型Kekulé石墨烯的Seebeck效应和Nernst效应，提出了调控热电效应的可行性方法，包括晶格间电子跃迁能调控和门电压调控，这为制备高效可控的热电效应器件提供了新思路。

关键词： 低维量子材料   极化电场   能带结构   边缘态相变   量子输运  

摘要： 量子材料具有许多新奇的物理特性,如超导行为,量子涨落和拓扑绝缘态等,对未来多个新技术领域具有潜在的应用前景,如量子传感、量子计算、量子通讯和量子信息等领域。上述领域涉及对量子材料的多种调控手段,其中针对具有压电性的低维量子材料体系,可通过应力或应变在其结区或界面处引入压电极化电荷,利用应变引起的极化电场进行调控,因此需要在低维量子材料中研究和探索利用应变引起的压电极化电场影响量子输运、边缘态相变等物性的物理规律。 本论文从应变引起的压电极化电场调控出发,围绕量子阱和单层过渡金属硫化物等低维量子材料,研究了应变引起的压电极化电场对低维量子材料中的能带结构、相变、输运特性以及带内跃迁光吸收性质等的影响规律,建立了低维量子材料极化电场调控的理论模型,为极化电场调控低维量子器件性能提供了理论基础。 本论文的研究工作如下: 1.研究了应变引起的压电极化电场调控量子阱带内跃迁及光吸收规律,针对Ga N/Al N量子阱,基于自洽求解耦合的一维薛定谔方程和泊松方程方法,建立了极化电场调控量子阱带内跃迁及光吸收的理论模型,研究了极化电场对量子限制效应和量子限制斯塔克效应的影响,并且研究了在近红外区域调控光吸收的影响规律,探讨了极化电场和形变势对带内跃迁光吸收性质的影响,表明应变可以调控吸收波长红移且应变引起的极化电场调控较形变势更明显。 2.研究了极化电场调控锯齿型TMDs纳米带相变的影响规律,基于应变引起的压电极化电荷主要集中分布在纳米带的边缘,建立了完整的极化电场分布模型,表明极化电场能够调控纳米带的边缘态相变。对金属边缘态,半金属边缘态和半导体边缘态等不同相变规律的研究,为应变调控低维量子材料相变提供了理论基础。 3.建立了应变引起的压电极化电场调控扶手椅型Mo S2纳米带器件边缘态隧穿模型,当极化电场平行于边缘态电子输运方向时,构建了基于边缘态输运的量子隧穿晶体管,通过应变调节输运方向上的肖特基势垒分布,研究了极化电场对隧穿电流比较明显的影响,极化电场调控扶手椅型Mo S2纳米带器件可具有较高的应变灵敏度。 4.研究了应变引起的极化电场调控锯齿型和扶手椅型TMDs纳米带电子输运规律,分别研究了极化电场对两种不同结构纳米带边缘态和体态输运性质的调控。在锯齿型纳米带中,极化电场垂直于电子输运方向;在扶手椅型纳米带中,极化电场平行于电子输运方向。 本论文利用应变在具有压电性的低维量子材料体系中引起的极化电场,针对量子输运,能带结构及相变和带内跃迁光吸收等性质开展调控研究。在发现极化电场调控的影响规律后,尝试构建一系列基于应变调控的量子器件,对发展量子压电电子学在低维量子材料中的应用具有重要意义。此外,该调控方式对实验上利用较强电场调控量子材料也提供了参考。

关键词： 马约拉纳束缚态   安德列夫束缚态   量子点   量子主方程   微分电导   噪声谱  

摘要： 马约拉纳束缚态(MBS)是一种奇异的自共轭准粒子态,满足非阿贝尔统计,具有非局域等特殊性质。它的特殊性质使其成为实现拓扑量子计算的较佳候选者,近年来一直备受关注。在本论文中,利用量子主方程方法,我们对量子点与超导纳米线耦合系统的非平衡输运特性进行系统的研究。我们特别关注超导纳米线分别载有马约拉纳束缚态和安德列夫束缚态(ABS)时微分电导和电流噪声谱的不同特征。 本论文的第一项研究工作是量子点两端连接电极下的量子点与超导纳米线耦合系统的的输运特性。研究结果表明,在该模型下,当超导纳米线中载有MBS时,它不仅在微分电导中表现出零偏压电导峰,而且在电流噪声谱中表现出简并拉比谷。而当超导纳米线中载有ABS时,电导的零偏压电导峰和电流噪声谱的简并拉比谷都会分裂。研究结果显示,由于受到电子库的影响,无论零偏压电导峰还是简并拉比谷都不是MBS的独特标识。我们进一步研究发现,零偏压电导峰和简并拉比谷区分MBS和ABS的效率分别受到温度和耦合强度的限制。此外,相较于电导的零偏压电导峰,噪声谱的简并拉比谷对ABS更加敏感。 在本论文的另一个工作中,我们研究了量子点接触探测量子点与超导纳米线耦合系统的输运特性。研究结果表明,在该模型中,当超导纳米线中载有MBS和ABS时,两种情况下的微分电导的特征类似。而在电流噪声谱中,我们发现,当超导纳米线中载有MBS时,电流噪声谱表现出简并拉比峰,而当超导纳米线中载有ABS时,电流噪声谱中简并拉比峰会劈裂。这表明电流噪声谱的简并拉比峰是否劈裂可以用来区分MBS和ABS。但其区分效率受耦合强度、温度以及偏置电压的限制,在小耦合强度、低温和小偏置电压条件下,区分效率更高。这说明在该模型中,电流噪声谱的简并拉比峰也不能作为MBS的独特标识。 我们研究的模型以及所选用的研究参数均在当前实验条件下具备实现的可能性。我们的研究结果对于当前量子点-超导纳米线耦合系统输运特性的研究具有一定指导作用。特别是为如何选择实验参数,提供强有力的依据。

关键词： 量子输运   二维材料   自旋电子器件   谷电子器件   第一性原理计算  

摘要： 近年来,随着纳米技术的快速发展,追求微型化和低能耗的器件已成为纳米电子器件研究的热点。特别是自2004年成功从石墨中剥离出石墨烯以来,二维材料得到迅速的发展,如黑磷、碳化硅以及过渡金属硫化物等陆续问世。这些材料凭借其独特的光电特性已经被广泛应用于纳米电子器件的研究。相较于传统的硅等半导体材料,二维材料具有诸多优势,例如高的载流子迁移率、可调节的带隙以及大的比表面积等,这些优势使得二维材料成为制造高性能电子器件的理想选择。目前,二维材料已经被广泛应用于制造高性能的场效应晶体管、光电探测器、存储器和传感器等器件,为新一代微电子器件和柔性器件的发展提供了新的方向和平台。本文利用非平衡格林函数与密度泛函理论相结合的第一性原理计算方法,研究了基于自旋自由度和谷自由度的新型纳米电子器件的光电输运性质。本文的研究内容主要包括: 1.基于二维In2Se3反铁电自旋光电子器件的研究:利用二维In2Se3面内、面外铁电极化彼此耦合的特点,研究了两种反铁电双层In2Se3自旋光电子器件的光电输运性质。基于非平衡格林函数与密度泛函理论相结合的量子输运方法,从理论上研究了两种反铁电双层In2Se3结构中光伽凡尼效应（PGE）产生的自旋相关光电流。研究发现,由于反铁电双层In2Se3中空间反演对称性的破缺以及强自旋轨道耦合相互作用（SOC）的存在,可以通过PGE实现光致电荷-自旋转换。在两种结构中产生的自旋相关光电流是自旋极化的,相应的自旋极化率在0%到100%之间变化,因此能够产生完全自旋极化的光电流和纯自旋光电流。此外,还可以利用门电压在两个反铁电双层In2Se3态之间切换来调节光电流,两个态的相应光电流相对变化率可以达到10～4%。 2.基于拓扑绝缘体BiBr和SbBr纳米带光电输运性质的研究:由于拓扑绝缘体的边缘态受拓扑保护,与表面具体结构无关的特点,探索光伽凡尼效应产生的光电流是否具有鲁棒性对于未来光电子器件的应用至关重要。基于此,我们研究了拓扑绝缘体Bi Br和Sb Br纳米带的光电输运性质。利用非平衡格林函数与密度泛函理论相结合的第一性原理计算方法,从理论上研究了拓扑绝缘体中空位缺陷对透射系数及光伽凡尼效应产生光电流的影响。研究表明,量子自旋霍尔边缘态（QSHES）产生的PGE光电流通常都是纯自旋流,且不受入射光子能量、偏振角以及入射角的影响。尽管QSHES在直流输运过程中是受拓扑保护的,对缺陷和杂质具有鲁棒性,但这些边缘态通过PGE产生的自旋光电流对缺陷特别敏感。此外,通过调整纳米带中缺陷的位置,PGE产生的自旋相关光电流相较于原始纳米带有显著的增加。 3.基于二维谷材料的纯谷光电流的研究:基于二次响应理论和非平衡格林函数与密度泛函理论相结合的方法,分析了线偏振光照射下二维谷材料中产生的纯谷光电流,发现可以通过门电压对光电流进行调节。基于对称性分析,研究了线偏振光照射下,体光伏效应（BPVE）产生的光电流。在以往的研究中,BPVE只能在非中心对称的系统中产生电荷和自旋光电流。然而,我们证明了即使在空间反演对称存在的情况下,BPVE也能产生隐藏的纯谷光电流。更重要的是,当施加一个面外电场打破空间反演对称时,镜面对称Mx得以保留,可以获得并调控纯谷光电流。我们的理论已经通过第一性原理的计算在石墨烯和锗烯中得到了验证。 4.二维谷材料中电场切换谷极化光电流的研究:基于两能带狄拉克模型,提出了一种利用体光伏效应在K谷和K'谷之间切换完全谷极化光电流的理论方案,这是通过对二维谷材料施加一个面外电场来实现的。通过施加面外电场可以连续调节贝里曲率并翻转其符号。我们发现,完全谷极化光电流的切换与贝里曲率的符号变化有关,并伴随着一个拓扑相变,例如量子自旋霍尔相和量子谷霍尔相。通过第一性原理计算,我们在单层Bi As I2和锗烯中证实了该理论方案,且通过施加平面外电场,相应的谷极化率可以在100%和-100%之间切换。 本文的创新之处: 1.理论提出反铁电双层In2Se3可用于产生自旋极化光电流和纯自旋光电流,揭示了其在二维非易失性自旋光电子器件应用中的潜力。 2.理论揭示了量子自旋霍尔边缘态通过光伽凡尼效应产生的光电流对缺陷具有敏感性,并表明缺陷工程在自旋光电子器件中的调控作用。 3.证明了在空间反演对称存在的情况下,体光伏效应可产生隐藏的纯谷光电流,将体光伏效应扩展到具有空间反演对称性的广泛材料系统中。 4.提出通过电场切换K谷和K'间谷极化光电流的理论方案,为开发易失性谷存储器件提供了理论基础。