关键词： 碳纳米管场效应管   氧化物介质   电荷缺陷   电流强度   启动电压  

摘要： 本论文利用紧束缚模型近似和非平衡格林函数方法来计算长沟道的p型碳纳米管场效应管中电流强度。我们讨论了当碳纳米管场效应管氧化物介质（SiO2，ε=3.9）中存在两个缺陷电荷时,所引起的电流强度相对减少幅度（无规则电报信号强度）和启动电压（阈值电压）推迟量。如果两个电荷电量Q1=Q2=+1e（e为电子电量），并且都靠近源极（或漏极）或者一个靠近源极另一个靠近漏极，在工作状态下的电流强度相对减少幅度会比单个正电荷Q=+1e靠近一个电极引起的大很多。如果两个正电荷都在沟道中央附近，随着这两个电荷的轴向距离减少，启动电压（阈值电压）推迟量会有明显地增加，可达到0.35V。当两种缺陷的电荷状态在中性和+1e之间随机交换时，处于工作状态的无规则电报信号杂音强度在低漏电压下可达到60%。　　电流强度相对减少幅度和启动电压推迟量不仅依赖于电荷的位置,而且还依赖于碳纳米管沟道长度和介质的厚度等。本文也讨论了双缺陷电荷引起的电流强度相对减少幅度和启动电压推迟量与沟道长度、介质厚度的依赖关系。

关键词： VECSEL   量子阱   光致发光   反射谱   DBR  

摘要： 垂直外腔面发射半导体激光器(VECSEL)是近几年发展起来的一种新型的光电子器件。它成功地将固体薄片激光器外腔的可扩展性和半导体激光器波长的可调整性等优点结合在一起,不仅能获得高输出功率和高光束质量,还可以方便地进行内腔倍频和调Q、锁模操作等,成为半导体激光和光电子技术交叉学科中的研究热点之一。因此本论文开展了基于InGaAs量子阱的VECSEL增益芯片的材料研究,并在此基础上初步进行了光泵浦垂直外腔面发射半导体激光器的制作。首先,通过分布布拉格反射镜(DBR)的反射率和带宽理论,增益材料的应变理论和增益理论,对DBR和多量子阱有源区(MQWs)进行了理论计算和结构设计,在此基础上设计了 VECSEL增益芯片的完整结构。其次,通过金属有机气相外延技术(MOVPE)对所设计的结构进行材料制备,并采用高分辨率X射线衍射(XRD)、室温光致发光(PL)、扫描电子显微镜(SEM)、以及分光光度计等测试来验证我们所设计的增益芯片的生长情况。DBR的测试结果表明厚度误差保持在3%左右,阻带g约100 nm中心在997 nm。多量子阱有源区的发光波长在961 nm—1000.6 nm范围内可以通过线性控制TMIn流量来进行调整,但随着发光波长变长,InGaAs多量子阱层的应变失配分别是从0.81%增加到1.18%,且有源区的发光特性变差。增益芯片的测试结果表明外延材料晶体品质较好,厚度满足精度,DBR区的反射谱和量子阱的发光谱能很好匹配。此外,针对VECSEL增益芯片PL谱中出现的不同于多量子阱有源区单个发光峰的多个峰值现象,我们分析认为增益芯片的PL谱是受到DBR结构和其他结构层干涉作用后受到调制的面发射PL谱。最后,设计并搭建了光泵浦VECSEL的光路,采取衬底刻蚀和水冷制冷相结合的方法去除增益芯片在工作过程中所产生的废热,采用808 nm半导体激光器作为光泵浦源。入射光功率小于3W时,VECSEL增益芯片的泵浦光吸收率可达80%左右。光泵浦正序VECSEL器件在955.3 nm和1011 nm处,光泵浦反序VECSEL器件在1113 nm处得到较强的光输出。

关键词： 磷化铟量子点   碳纳米材料   杂化   光电探测器  

摘要： 磷化铟(InP)量子点具有较低的毒性,可应用于LED、太阳能电池等众多领域,但存在量子产率低、无法大规模量产、难以固化到电子器件上等问题,严重制约了InP量子点的应用。本文以InP量子点为研究对象,主要内容包括:1.采用热注射法合成InP量子点。利用稳定、廉价的三(二甲胺基)膦做磷源,研究了不同合成条件下InP量子点的形貌和光学性能,分析晶体尺寸(带隙)随成核时间、成核温度、氯化锌含量等制备条件的变化规律。采用核壳结构解决InP量子点量子产率不高的问题,在InP量子点外包裹一层硫化锌(ZnS)外壳,并对比了ZnS外壳的实验变量,最终得到了高量子产率(43.4%)的磷化铟/硫化锌(InP/ZnS)核壳量子点。通过控制实验条件实现对量子点的荧光光谱调控,实验合成的量子点发光光谱范围为505nm-630nm。2.设计了一种高效制备磷化铟/碳纳米杂化材料的方法,碳纳米材料为石墨烯和碳纳米管。通过热注射法同步反应功能化后的碳纳米材料,分别合成出了磷化铟/石墨烯(InP/RGO)杂化材料与磷化铟/碳纳米管(InP/CNT)杂化材料。3.通过对材料的表面修饰,有效地将磷化铟及其杂化材料中的油胺等有机杂质去除,大大改善了材料的光电性能。实验表明原本无光电响应的材料在配体交换后,光电性能显著提高。4.分析了磷化铟/碳纳米杂化材料器件的光电响应,电子器件采用不同磷化铟、碳纳米材料摩尔比的杂化材料。在不同波长与强度的光照条件下,器件的IV、I-T特性曲线呈现规律性的电流变化,证明了磷化铟/石墨烯杂化材料复合情况较好,线性的I-V曲线表明杂化材料与器件形成了可靠的电学接触。

关键词： 二氧化钛纳米管   氮、硫掺杂石墨烯量子点   氮、硫掺杂二氧化钛   带隙可调   光催化降解  

摘要： 全球工业快速发展的背后是日益严重的环境问题。工业废水和有机染料的大量排放已经造成了严重的水污染。二氧化钛（TiO2）得益于其廉价、强氧化性、无毒及耐腐蚀等众多优势,使其被广泛应用到光催化等领域。然而,TiO2禁带宽度较窄（3.0-3.2 e V）,只能吸收小于380 nm的紫外光。另一方面,TiO2的电子在被光照激发后,不能高效地传递到材料表面,更多的光生电子会与空穴复合,导致电子-空穴复合率较高,也限制了光催化性能。石墨烯量子点（GQDs）是一种准零维材料,因其纳米量级的尺寸具有量子局限效应,因此,GQDs也具有优越的电学、光学及磁学等多方面的性能。GQDs与石墨烯不同之处在于GQDs具有带隙,能够在外界条件激发下产生电子跃迁,具有半导体性质。研究报道指出GQDs由于其独特的电子能带结构使之具有优异的催化性能。已有文献报道可以通过制备TiO2/GQDs复合材料来提高材料整体的催化性能。然而,目前的研究尚有许多需要改进之处,如:简便的合成方法、减少副产物以及降低成本等。基于以上考虑,我们采用“自下而上”的方式,使用成本低廉的P25作为钛源、柠檬酸为碳源、硫脲为氮、硫源,合成氮、硫共掺杂石墨烯量子点/二氧化钛纳米管（N,S-GQDs/TiO2NT）纳米复合材料。主要研究内容如下:1.我们合成了二氧化钛纳米管-石墨烯-氮、硫掺杂石墨烯量子点三元复合材料（TiO2NT+rGO+N,S-GQDs）。首先,采用改进的Hummers法制备氧化石墨（GO）。GO和P25按照不同质量比:5:95、10:90、15:85进行水热反应,得到TiO2NT+rGO二元材料。通过可见光下降解甲基橙（MO）表征其光催化性能,TiO2NT+10%rGO表现在最佳光催化性能。所以,将TiO2NT+10%rGO与N,S-GQDs复合,得到最终的TiO2NT+10%rGO+N,S-GQDs三元复合材料,其催化反应速率是TiO2NT+10%rGO的1.8倍,是P25的16.3倍。2.我们通过一步溶剂热的方法合成了带隙可调的氮、硫掺杂二氧化钛/石墨烯量子点二元复合材料（NSTG）。我们通过改变柠檬酸和硫脲的摩尔比例来调控掺杂剂的量,摩尔比按照:1:0.5、1:1和1:3。通过XPS VB谱表征复合材料价带的位置。我们发现通过改变掺杂剂的量可以调控体系的价带位置。通过可见光照射下降解亚甲基蓝（MB）的实验表征其光催化性能,NSTG（1:1）样品表现出了最佳的光催化活性,其反应速率为氮、硫掺杂二氧化钛（NST）的2.4倍,为纯P25的50.7倍。

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   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： 高压   Rashba半导体   拓扑绝缘体   超大磁阻半金属  

摘要： 新型量子功能材料中Rashba型自旋轨道耦合半导体BiTeX（X=Cl,Br,I）和展现超大磁阻效应的镧氮系列拓扑平庸半金属LaB（B=Sb,Bi）被预言在压力作用下可以实现拓扑相变。强自旋轨道相互作用可以诱导产生独特的量子现象,例如拓扑绝缘体,Rashba效应,p波超导体。在一个化合物中产生这三种量子态将引起研究上的极大兴趣。BiTeX化合物作为具有强自旋能带劈裂的Rashba型半导体在压力作用下可以实现连续的量子相变。镧氮系列化合物LaB作为4f态未被占据的半金属材料,在磁场和压力作用下可以展现丰富的物理性质,由于具有简单的结构,可以作为理想模型的代表,来理解拓扑半金属在打破时间反演对称性后表现出的奇异现象。本论文主要介绍Rashba型半导体BiTeX（X=Cl,Br,I）和具有超大磁阻效应的拓扑平庸半金属LaSb的压力效应研究。主要内容包括:1.对BiTeX（X=Cl,Br,I）化合物中具有最强Rashba型耦合的BiTeI化合物进行高压下的物性研究。通过对BiTe I单晶材料进行高压电输运实验、高压同步辐射实验以及高压拉曼实验,我们发现BiTeI在压力作用下出现由Rashba拓扑平庸相到拓扑绝缘体,再到超导电性的连续量子相变过程。电阻率随压力增长出现的V型变化标志着在2 GPa压力附近带隙逐渐闭合又打开,由于能带反转产生的Rashba拓扑平庸相到拓扑绝缘体的转变。超导相变出现在压力8 GPa,临界温度5.3 K左右。超导转变是由压力诱导出的拓扑相演化而来,高压磁化率实验证明超导电性属于体超导。结构精修表明连续相变与BiTe、BiI键长,TeBiTe键角随压力的变化有关。霍尔效应实验揭示了超导电性和载流子浓度的非常规变化,推断可能存在非常规的超导电性。2.对BiTeX（X=Cl,Br,I）化合物中具有最弱Rashba型耦合的BiTeCl化合物进行了高压下的物性研究。实验包括高压电输运实验、高压同步辐射实验以及高压拉曼实验,最高压力达到54.8 GPa。我们成功地在BiTeCl中发现了压力诱导的连续量子相变,即从Rashba型半导体到绝缘态,再到超导转变的过程。BiTeCl在压力2.8 GPa出现了压力诱导的金属态到绝缘态的转变,在6.8 GPa出现金属化并伴随超导转变,超导转变温度在32 GPa达到最大值4.2 K。我们还在高压下发现了两个超导态,一个是压力低于28 GPa时的n型载流子态,另一个是压力大于28 GPa时的p型载流子态。BiTeCl出现第一个结构相变的压力点比BiTe I相变压力点低,这主要是由于Cl离子半径小于I使BiTeCl增加了内部化学压力。BiTeCl在压力作用下出现的超导相是由绝缘态的前驱相演化而来,这个超导相是否与反常规超导有关还需要进一步研究。通过对BiTeBr高压下的物性研究,发现BiTeX（X=Cl,Br,I）三种材料都由Rashba相发生结构相变到正交相Pnma,且结构相变压力点随卤族元素Cl,Br,I的原子半径减小而下降,超导转变都是在正交相内开始出现。这些性质可以总结为是这个系列材料的共性与规律。3.对具有超大磁阻的拓扑平庸半金属LaSb的压力效应研究。我们发现了超大磁阻逐渐被抑制到拓扑相内的超导转变,再到结构相变后超导相含量增大的连续量子相变过程。初始超导压力点在5.2 GPa左右出现,在压力大于13.9 GPa出现立方相到四方相结构相变。演化过程如下:（1）常压磁阻在7 T作用下可以达到10～5%量级,在3.5 GPa压力点就被抑制到了10～0%量级,压力下超大磁阻的抑制是纯电子效应,不存在结构的剧烈变化。（2）进一步加压后半导体电输运行为伴随超导转变出现,且相变压力点与理论预言的拓扑相变压力点相近;超导转变温度在常压相内随压力增大逐渐被抑制,并且与载流子浓度出现反常关系变化。（3）在高压相内超导转变温度以下RN的下降速率vR与载流子变化趋势一致,在压力大于33 GPa的范围内,载流子浓度与vR同时增大一个数量级,我们推断在压力大于33 GPa,没有结构相变发生,但出现了电子结构相变,导致超导相含量得到了提高。

关键词： 石墨烯量子点   铁酸锌   氧化锌   三氧化钼   气敏性能  

摘要： 石墨烯量子点（GQDs）是尺寸小于20 nm的石墨烯片,由于量子局域限制和边界效应而表现出很多优异的物理、化学性能。目前已被应用于例如荧光探针、光催化、电化学检测、生物成像、药物运输和传感器等领域中。本文围绕GQDs展开,详述了近年来常用的GQDs制备方法及其生成机理,之后以一水合柠檬酸为原料,合成了GQDs,再通过水热法将GQDs掺杂进金属氧化物中,制备出了GQDs-金属氧化物复合材料,着重研究了GQDs-金属氧化物复合材料的气敏性能。通过水热法制备了含有不同GQDs比重的GQDs-ZnFe2O4复合气敏材料,首先通过扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）以及高分辨投射电镜（HRTEM）观察了复合材料的形貌特征,然后通过X射线衍射（XRD）、热重分析（TG-DSC）、红外光谱（FT-IR）、拉曼光谱（Raman）、X射线光电子能谱（XPS）、氮吸附以及孔径分布等表征手段将掺杂GQDs前后的气敏材料进行比较,证明GQDs的确已复合进金属氧化物材料中。一系列气敏测试结果证实了GQDs的加入在降低最佳工作温度的同时也增大了其对某种或多种气体的灵敏度。GQDs-ZnFe2O4（S-15）复合气敏材料在室温下对1000 ppm丙酮的最大灵敏度为13.31,且响应恢复时间较短,可检测到丙酮的最低浓度为5 ppm;通过水热法制备了ZnO和GQDs-ZnO复合气敏材料,首先对这些材料进行与GQDs-ZnFe2O4复合气敏材料相同的表征测试,再将这些复合材料与纯ZnO进行气敏测试。实验结果表明GQDs-ZnO（S-10）复合气敏材料在室温下对1000ppm乙酸气体的最大灵敏度为642,是纯ZnO最大灵敏度的72.1倍,室温下可以检测到的乙酸最低浓度为1 ppm。通过水热法制备了MoO3和GQDs-MoO3复合气敏材料,在进行表征测试之后再进行气敏测试。实验结果表明GQDs-MoO3（S-6）复合气敏材料对三甲胺气体的气敏性最好,选择性变高的同时灵敏度也有了非常大的提升。在最佳工作温度230℃时,对1000 ppm三甲胺的最大灵敏度为74.08,是相同工作温度下,纯MoO3对三甲胺灵敏度的13.9倍,可以检测到的三甲胺最低浓度为1 ppm。

关键词： 拓扑绝缘体   锡烯   二维材料   稀磁半导体   角分辨光电子能谱  

摘要： 新颖量子材料的不断发现是凝聚态物理蓬勃发展的重要源动力之一。近年来,多种拥有特殊物理性质的量子材料成为研究的热点,例如拓扑绝缘体、狄拉克半金属、外尔半金属、拓扑超导体、类铁基超导体结构的Mn基稀磁半导体、线性巨磁电阻材料等等。这些新奇物性的背后往往和它们奇特的电子结构密切相关,因此对其电子结构精确而系统地测量具有重要的物理意义。电子结构的表征有助于理解相关物理机制,同时还能够在制备与寻找特殊性能的材料方面提供重要的实验依据。本论文以分子束外延和角分辨光电子能谱技术作为主要研究手段,针对大能隙二维拓扑绝缘体材料锡烯薄膜和ZrTe5单晶、三维拓扑绝缘体PbTe（111）/Bi2Te3（111）异质薄膜、线性巨磁电阻材料γ-PtBi2单晶、Mn基稀磁半导体Ba(Zn0.875Mn0.125)2As2单晶等体系开展了深入的研究,取得了一些重要科研成果,主要结果如下:1.利用分子束外延在Bi2Te3（111）上首次成功外延制备出单层的二维锡烯薄膜。高精度的扫描隧道显微镜测量发现,锡烯薄膜中锡原子和石墨烯中的碳原子情形不同,并不在同一水平面内,而是构成具有一定翘曲的双原子层结构。该双层原子在水平面内的投影形成蜂窝状结构。ARPES测量的能带结构与第一性原理计算结果符合很好。结合理论计算,我们发现位于布里渊区边界K点处由锡的pz轨道构成的悬挂键极易被饱和。我们的实验结果直接从实验上证明具有低度翘曲结构的锡烯薄膜在基底上是可以稳定存在的,为锡烯的实验研究打开了大门。2.利用角分辨光电子能谱在ZrTe5单晶材料中直接观察到一维边缘态。ZrTe5是一种层状化合物,在理论上介于弱三维拓扑绝缘体和强三维拓扑绝缘体之间,计算结果强烈依赖于面外晶格常数的变化。通过在两个不同解理晶面上的高分辨能带测量,我们发现在一个特定的晶面上只存在一维边缘态,并不存在二维表面态,这个发现证明ZrTe5单晶体材料是一种弱三维拓扑绝缘体,即每一个ZrTe5范德华尔斯层都是二维拓扑绝缘体。我们的实验也是首次用光电子能谱直接观测到二维拓扑绝缘体的一维边缘态。3.利用分子束外延制备了超薄PbTe（111）/Bi2Te3（111）异质薄膜。发现两者界面会发生互混,进一步的实验发现退火有利于界面处的相互扩散。实验测得的能带结构与第一性原理计算的结果非常符合。这表明超薄PbTe（～3层以内）能够在Bi2Te3（111）表面形成（PbTe）x（Bi2Te3）1-x,是一种三维拓扑绝缘体,具有拓扑表面态。4.利用角分辨光电子能谱结合STM对γ-PtBi2的晶体结构和电子结构进行了系统研究。发现γ-PtBi2具有非中心对称的晶体结构。在两个相对的解理面上,观察到了不同的形貌结构和表面态。ARPES首次给出了高精度的三维能带色散及费米面,实验结果和非中心对称结构晶胞模型的第一性原理计算结果非常吻合。5.利用角分辨光电子能谱对Ba(Zn0.875Mn0.125)2As2的电子结构进行了全面的测量。由于散射截面较小,以往x光波段的光电子能谱在费米能级附近缺乏可靠的数据,我们的实验在真空紫外波段精细地测量了Ba(Zn0.875Mn0.125)2As2的能带结构。通过与第一性原理计算结果对比,发现Ba(Zn0.875Mn0.125)2As2体系中基本没有电子强关联效应,总体能带宽度和DFT计算符合很好。发现Mn的3d电子局域态中存在两个强度较为接近的特征能量状态,Mn和As之间的杂化较DFT计算预期的要强,但Mn的局域态和As的巡游电子能带相互作用还没有大到足够在能谱上产生可以直接观测的能隙。如果BaZn2As2母体单晶质量能够提高,我们就有望通过和母体的对比相应实验结果来进一步检验理论模型。

关键词： 光催化   铌酸铋   碳量子点   沙拉沙星   降解  

摘要： 近年来,环境污染问题日益严重,而水体中抗生素污染物的含量更是逐年提升,我国渤海湾地区地表水中喹诺酮类药物的含量甚至达到了 6800 ng/L。为了解决这一问题,迫切需要开发一种新型的高效水处理技术。光催化技术是近年来发展最为活跃的水处理技术之一。TiO2作为光催化剂具有诸多优点,但其在可见光范围催化活性较低,严重制约了它的广泛应用。铌酸铋是一种新型的宽带隙半导体材料,具有良好的微波介电性能和光催化性能,在光催化领域内的应用和机理研究工作尚处于探索阶段,有待深入研究。本文利用水热-煅烧法制备出了具有高光催化活性的金属含氧酸盐BiNbO4,及其它的同系物Bi5Nb3O15,并利用碳量子点的特殊性质,将其与Bi5Nb3O15材料复合,以达到改良光催化剂催化性能的目的。本论文主要工作如下:(1)以Bi(NO3)3·5H2O和NbCl5为起始原料,利用水热-煅烧法成功合成正交相α-BiNbO4和三斜相 β-BiNbO4。结果表明:α-BiNbO4的禁带宽度为3.71 eV,比表面积为30.92 m2/g,平均孔径为16.96 nm;β-BiNbO4的禁带宽度为3.21 eV,比表面积为2.71 m2/g,平均孔径为14.29 nm。对比α-BiNbO4和β-BiNbO4在氙灯下对沙拉沙星的光催化性能,发现α-BiNbO4降解效果更佳,因此以α-BiNbO4为主要研究对象,探讨了 α-BiNbO4光催化降解沙拉沙星的影响因素。溶液初始浓度为10 mg/L,催化剂用量为2.0 g/L,初始溶液pH为3,在氙灯下光照降解反应150min,对沙拉沙星的降解率为97.37%;α-BiNbO4对沙拉沙星的光催化降解反应符合降解一级动力学模型。(2)以柠檬酸和尿素为原料,利用水热法合成了碳量子点CQDs。结果表明,碳量子点表面富含亲水基团,在水中分散性良好,没有明显的团聚现象,其粒径约为5 nm,粒径分布较窄,具有良好的光致发光特性,在紫外光照射下显示明亮的蓝色荧光,当激发光波长为333 nm时,发射波长为438 nm,其量子产率可达到13.39%。碳量子点具有明显的激发光依赖性,不仅发射光的强度随激发光波长变化,而且发射光谱主波长也随激发光波长的增加有不同程度的红移现象。(3)以Bi(NO3)3·5H2O、NbCl5和碳量子点为原料,利用水热法合成了CQDs/Bi5Nb3015纳米复合材料。结果表明,Bi5Nb3O15属正交晶系,呈现不规则颗粒状;并发现CQDs/Bi5Nb3O15在28.6°处的衍射峰出现分峰现象,这可能归属于CQDs的复合导致Bi5Nb3O15的晶格发生畸变,测得其禁带宽度为2.65 eV。以沙拉沙星为降解对象,评价了 CQDs/Bi5Nb3O15复合材料光催化性能。当沙拉沙星溶液的初始浓度为10mg/L,催化剂加入量为2.0 g/L时,250 W氙灯照射反应150 min,3 wt%CQDs/Bi5Nb3O15复合材料的光催化性能最佳,对沙拉沙星的降解率可达87.90%,与纯Bi5Nb3O15相比较,其降解率提高了 39.52%;稳定性实验表明,CQDs/Bi5Nb3O15复合材料重复使用5次后,降解率仍能达到86.95%。