关键词： 高压   铜氧化物超导体   铁基超导体   拓扑绝缘体  

摘要： 本论文主要介绍高压在铜氧化物超导体合成方面,以及在新型量子功能材料如铁基超导体和拓扑绝缘体压力效应研究方面的应用。主要内容包括:(一)在高温高压下制备了Sr2CuO3+δ超导体,对其进行了相关的结构和物性研究。在本组刘清青博士原有的实验基础上,进一步优化实验条件,在具有最佳掺杂的Sr2CuO3.4超导体中,大大提升了超导相含量,同时得到了Tc=75K和Tc=48K两个超导相共存材料。通过透射电镜分析,并将其与高压制备的Tc=75K样品,退火处理后的Tc=89K与Tc=95K样品透射电镜结果进行对比,得知Tc=48K样品新相具有对称性为2√2ap×2√2ap×cp的Pmmm调制结构,并绘制出所有已知超导相与其调制结构的对应表。(二)对新发现的具有四方超导相的FeS进行了系统的压力下电输运以及结构研究。当加压至0.4GPa时,即有小部分的四方相FeS转变为六方结构并且一直存在。在更高的7.4GPa出现正交相,9.0GPa转变为单斜结构。四方相FeS的超导在压力下被抑制,这一点与四方相的FeSe材料不同。随着压力增加,S-Fe-S键角略微变化,压力下的不稳定性使阴离子高度变小,远离1.38?。阴离子高度的减小以及压力下结构的不稳定可能是导致超导被压制的主要原因。另外由四方相到正交相的结构转变导致的金属-半导体相变在6.0GPa被观测到。9.6GPa以后的电阻反常上升可能是由于单斜结构的电子能带结构变换引起的。结构相变与阴离子高度决定了压力对超导性的抑制,这也侧面印证了对FeS超导体阴离子高度相比FeX4的四面体规则性来说是决定超导温度的主要因素这一观点。最终,我们建立了四方相FeS的压力温度相图,揭示了超导相FeS的结构和物性随压力的变化。(三)通过进行压力下的电输运性质和晶体结构的测量并辅以理论计算,系统研究了拓扑绝缘体HfTe5的压力效应。结果表明,伴随压力的升高可能先由弱拓扑性向强拓扑性转变,同时因为Lifshitz相变而产生的电阻异常所在温度Tp随着压力出现先降低后上升的趋势。压力上升到5.5GPa,Tp最大并伴随着超导现象的出现。该超导转变温度在20GPa左右最高,达到约5K。高压晶体结构研究表明,随着压力增加由Cmcm相转变为C2/m相,进而变为P-1相,其中超导的出现是由C2/m结构相变引起的。基于此,我们对HfTe5压力下的奇异拓扑量子现象以及拓扑相变的发生有了更深入的认识,也通过压力这一手段丰富了我们对于新型拓扑量子材料的研究。

关键词： 碳量子点   荧光   磷光   复合材料  

摘要： 碳量子点(Carbon dots or CQDs)是继石墨烯、碳纳米管、富勒烯后,新出现的一种碳纳米材料,其粒径尺寸一般小于10 nm,具有很强的量子限域效应。由于其制备方法简单,合成成本低,制备出的碳量子点光学稳定性好,毒性低,易于表面功能化,所以在很多领域都受到了广泛关注。但目前碳量子点仍然存在一些急需解决的问题:(1)产量低碳量子点的产量一般为毫克级,无法大规模生产;(2)应用范围窄碳量子点的应用主要基于单个粒子或在水相中的应用;(3)磷光研究少目前对碳量子点光学性能的研究主要集中在荧光方面。本论文针对目前碳量子点所存在的一些问题,通过选择和优化合成策略,获得了不同性能的荧光碳量子点。另外,还将合成的碳量子点复合到了各种基质中,制备了荧光/磷光双发射的碳量子点基复合材料。具体内容,主要分为以下三个部分:在第二章中,我们以异氟尔酮二异氰酸酯(IPDI)为单一碳源,微波辐射法制备了氮掺杂的碳量子点(N-doped CQDs)。该合成方法简单、高效,而且未使用有机溶剂,绿色环保。更重要的是,我们的合成产率高达83%,克服了目前碳量子点由于产率低,无法用于大规模生产的缺陷。另外,我们还通过傅里叶红外光谱法研究了碳量子点的形成机理,在反应过程中异氰酸酯首先发生自聚,形成碳化二亚胺、二聚体和多聚体结构,在高温下碳化二亚胺结构分解,然后通过成核、裂变形成碳量子点。合成的N-doped CQDs为油溶性的,可以稳定的分散于各种常见的有机溶剂和单体中。我们利用“monomer as solvent”的方法,将碳量子点原位分散到IPDI单体中,合成了碳点/聚氨酯复合材料。令人惊奇的是,合成的复合材料不仅在紫外光下发蓝色荧光,而且在紫外灯熄灭后室温下还有肉眼可见的余辉现象。该磷光主要来源于碳量子点表面芳香羰基的激发三线态,同时基质与碳量子点之间形成的氢键和基质本身的刚性,减少了激发三线态的非辐射跃迁。另外,复合材料的磷光还对氧气具有一定的响应性,可以用于氧气传感。第三章中,针对第二章制备的油溶性碳量子点不能用于水相的问题,我们以第二章合成的N-doped CQDs为原料,一步水热法制备了两亲性碳量子点(ACDs)。该合成方法简单、温和,无需表面钝化剂或强酸、强碱处理。制备的ACDs在水中可以稳定的存在,光学稳定性好,抗光漂白性强,在pH=4～11范围内荧光强度不变。ACDs对三价铁离子具有很好的响应性,检测范围宽(0～200 mM),最低检测限为1.62 mM。另外,ACDs细胞毒性低,具有荧光上转换特性,被成功的用于单/双光子细胞成像。利用ACDs的双亲性特性,我们还将ACDs原位复合到了 PU和PVA基质中,制备的复合材料既发荧光又发磷光。而且ACD/PVA复合材料的磷光寿命长达450 ms,实现了两亲性碳量子点在磷光材料中的应用。第四章中,我们报道了一种新的碳量子点基室温磷光材料,并且提出了碳量子点磷光调控的新策略。该策略主要是将碳量子点分散到三聚氰酸钠中,通过调节体系pH值来实现磷光的可控。基质和碳量子点之间形成的氢键,可以有效的固定磷光发色基团(C=O)。当体系pH=11.5时,碳量子点基室温磷光材料的磷光寿命长达700毫秒,磷光效率高达15%。据我们所知,这是目前报道的磷光寿命最长,效率最高的碳量子点基室温磷光材料。实验结果证明,磷光性能的可控主要归因于碳量子点本身独特的pH响应性。碳量子点表面羧基的去质子化,更有利于荧光和磷光的发射。此外,基于稳定有效的荧光/磷光双发射特性,我们的复合材料可以用于构建新型的化学传感器和LED。

关键词： 半导体材料   量子阱结构   光电性能   应变加载   数值分析  

摘要： 半导体光电器件的发展已从传统的晶体材料半导体、量子限制结构半导体到现在复杂结构的半导体器件，其发展过程都离不开对能带结构的调节设计及实现手段的开发。从量子限制结构、应变工程到柔性器件，半导体作为一种智能人工材料，其每一次跨越式发展就代表了设计自由度的提高。针对近年来的热点工作，本论文主要在如下方面开展研究:　　通过自编软件进行采用应变材料、量子阱结构材料的光电器件的光电特性模拟，并结合力学有限元模拟对应变加载和光电效应之间的作用进行分析。具体包括对量子阱材料的稳定快速数值解法推导和实现;对应变硅锗量子阱的光电性能进行了自洽分析;对柔性基底的刚性半导体进行应变加载，并进行了数值分析。本文的主要成果包括:　　1、综述了半导体及微结构的主要机理和发展过程，并引入应变半导体的简介和可延展柔性无机半导体的研究。明确了论文的研究背景和研究思路。　　2、具体介绍了本论文工作中采用的理论方法，从晶体能带的薛定谔方程微扰求解出发，详细介绍了考虑应变的有效质量理论，及其实空间求解的数值方法。　　3、详细讨论了有效质量理论的数值求解中的不稳定问题，总结了引起不稳定性的几大因素，并获得具有稳定边界条件、可用于微结构的薛定谔方程哈密顿量。　　4、针对稳定边界条件的哈密顿量，推导了去除其不稳定性的有限差分方法，并采用本论文的方法计算了实际器件中的能带结构。得到了高效稳定的数值求解方法。　　5、详细讨论了重掺杂型应变硅锗量子阱中的光电特性问题。针对改善硅基光电器件性能的应变和掺杂方法，采用了薛定谔-泊松方程联立迭代计算。结果表明，载流子屏蔽效应对光电性能有很大的影响，得到了更为精确的掺杂-应变-光电性能的关系。　　6、讨论了结合可延展柔性无机半导体器件中的设计，利用应变集中结构和界面黏附作用，研究了强耦合作用下单轴拉伸的半导体条带中的应变分布。得到了一块均匀的大应变加载区域。　　7、研究了针对不希望应变加载的弱耦合结构，采用了三维翘曲结构，使得器件在变形过程中不发生应变集中、也不容易碰撞，获得具备高占空比和高可延展性的光电器件结构。

关键词： 6-巯基嘌呤   CdTe量子点   金属有机骨架材料   碳量子点   苏丹红Ⅰ-Ⅳ  

摘要： 荧光探针法以其灵敏度高、选择性强、操作简单、实验成本低等优势,能够很好的满足新型分析检测技术的要求,在化学和生物传感、生物成像、食品安全以及医疗诊断等领域得到广泛应用。利用金属有机骨架材料(MOFs)、半导体量子点(QDs)以及碳量子点(CDs)荧光材料构建的荧光探针具备良好的荧光性能以及优异的光化学稳定性,因此在食品安全的快速检测以及临床用药浓度的灵敏监测中备受关注。第一部分:绪论首先对荧光探针的概念进行了简要概述;其次系统介绍了荧光探针的分类以及各类荧光探针的制备方法、基本性质、发展现状以及在多个领域的应用;最后对本论文的研究目的以及意义进行了简要概述。第二部分:金属有机骨架-量子点比率荧光探针选择性检测6-巯基嘌呤6-疏基嘌吟(6-MP)作为一种细胞毒性抗癌药物,对多种类型的癌症均有抑制作用,如急性淋巴细胞白血病以及绒毛膜上皮癌等。服用过量的6-MP常常会带来严重的毒副作用,因此在临床上对6-MP的监测就显得尤为重要。本研究合成了3-巯基丙酸(MPA)稳定的 CdTe 量子点(MPA-CdTeQDs),将 MPA-CdTeQDs与水热法合成的MOF材料NH2-MIL-53(A1)混合,首次制备出了一种新型的双发射比率荧光探针用于6-MP的检测。6-MP的巯基(-SH)可与MPA-CdTe QDs表面缺陷结合,形成Cd-S键,从而增强MPA-CdTeQDs的荧光,同时NH2-MIL-53(A1)与6-MP之间由于存在荧光内滤效应,故NH2-MIL-53(A1)的荧光强度随6-MP浓度的增加而减弱,因此通过监测比率荧光探针的荧光强度变化实现了对6-MP的快速检测。6-MP检测的线性范围为1-50 μM(R2=0.9937),检出限为0.15 μM(S/N=3)。结果表明,该荧光探针用于检测6-MP具有简单、灵敏、选择性好的优势,并成功应用于人体尿液样品中6-MP含量的测定。第三部分:基于氮掺杂碳点荧光探针检测苏丹红Ⅰ-Ⅳ苏丹红Ⅰ-Ⅳ是一类人造偶氮染料,该类化合物常用于纺织品、颜料、塑料、汽油、印刷油墨和化妆品等的着色。由于苏丹红颜色鲜艳且价格低廉,曾被作为食物色素使用。但已有实验证实,苏丹染料能引起大鼠肝脏以及膀胱发生癌变,因此对人类也存在潜在的致癌危险。许多国家以及欧盟,已禁止苏丹红染料作为食用色素在食品加工中使用,因此苏丹红Ⅰ-Ⅳ的检测已成为食品安全监测中的一项重要内容。在本研究中,根据苏丹红Ⅰ-Ⅳ的吸收光谱和氮掺杂碳点(NC-dots)的发射光谱有较大重叠,苏丹红Ⅰ-Ⅳ能够显著猝灭NC-dots的荧光,因此利用NC-dots构建荧光探针,实现了对苏丹红Ⅰ-Ⅳ的简单、灵敏、快速检测。该探针对苏丹红Ⅰ-Ⅳ均具有较宽的线性范围,分别为:0.5-80μM(R2=0.9909),0.5-80μM(R2=0.9920),0.5-60 μM(R2=0.9931)和 0.5-80 μM(R2=0.9955),对应的检出限(S/N=3)分别为:0.16,0.14,0.12和0.16 μM。将该荧光探针用于辣椒粉样品中苏丹红Ⅰ-Ⅳ的快速筛查,获得满意结果,证明了所构建的荧光探针在食品安全检测领域具有一定的应用潜力。

关键词： 石墨烯   拉曼光谱   量子点器件   电子束光刻   低温输运  

摘要： 量子点体系作为量子计算体系的一员由于其扩展性比较强,日益受到重视。通过自旋态的控制,半导体量子点体系有望制备成量子计算所需要的半导体芯片。本文以石墨烯材料为基础,加工制备了量子点器件,研究了石墨烯量子点的基本输运性质,使用CVD和机械剥离两种石墨烯进行了石墨烯量子点器件的制备,针对两种方式的石墨烯设计了不同的实验方案,对量产量子点器件进行了尝试。通过低温测试研究了石墨烯量子点的基本性质。在量子点器件制备之前我们通过拉曼光谱研究了受电子束辐照后,石墨烯在空气中的电学性质变化,为优化量子器件制备工艺,合理设计实验做了前期准备。文章内容主要有:1、通过拉曼光谱分析了石墨烯受电子束辐照后其电学性质随放置环境、时间的变化。实验中我们研究了辐照后石墨烯的电学性质与拉曼光谱性质。结果表明单层石墨烯易受到电子束辐照的影响。石墨烯拉曼光谱中D峰的出现表明电子束辐照在石墨烯晶格中引入了缺陷。石墨烯的载流子类型和电学电阻率通过电子束辐照能大范围的改变。这说明电子束辐照可以作为一种新的缺陷工程方法来改变石墨烯的性质。实验结果对包含电子束辐照的石墨烯纳米器件的制备和测量(如扫描电镜与电子束曝光)有很重要的指导意义,也为优化制备量子点器件实验步骤和工艺做了铺垫。2、通过大量实验获得了用电子束曝光制备量子点的工艺参数,如:束流、写场、调焦、剂量、临近效应的补偿。实现了20 nm量级以下的曝光精度和高达4:1的深宽比,为精确可控制备量子点结构打下基础。3、基于CVD石墨烯,结合紫外光刻与电子束光刻技术制备了石墨烯量子点器件。实验使用光刻、电子束蒸镀、氧等离子刻蚀、电子束曝光、反应离子刻蚀、引线等工艺来完成器件的制备,获得了成功制备量子点的关键参数,如:紫外光刻曝光时间、对准精度和显影时间,电子束蒸镀速率,氧等离子刻蚀功率,刻蚀时间,反应离子刻蚀时间,气体选择比,功率,和电子束光刻调试参量等。实现了石墨烯量子点的可控制备,并对量产石墨烯量子点器件进行了尝试。4、基于机械剥离的石墨烯用电子束曝光方法加工制备了石墨烯量子点器件,筛选出了势垒沟道电阻在25.8 k?至1000 k?的量子点器件,在低温下对它们进行了测试,实验测得了库仑阻塞效应和库仑菱形图,从中筛选出了合乎要求的石墨烯量子点器件。

关键词： 自旋-轨道耦合   BHZ模型   Roquet理论   拓扑态   自旋输运  

摘要： 时间周期性外场驱动下凝聚态系统的拓扑态以及和其相关的输运现象的研究一直是近几年的热点。本文主要分为两部分,第一部分讨论了二维拓扑绝缘体中的Floquet拓扑相变和自旋极化输运现象；在第二部分,我们提出了二维拓扑绝缘体中的一种绝热拓扑自旋泵浦效应。本文的内容安排如下：第一章中,我们简要介绍了拓扑绝缘体理论的发展以及由拓扑绝缘体衍生出的更为广泛的对称保护拓扑态的概念。在第二章中,我们首先介绍了由拓扑绝缘体的研究发展而来的拓扑能带理论,并利用对称性分析的方法讨论了石墨烯晶格中的自旋轨道耦合项,并由此推导出Kane-Mele模型哈密顿量的二次量子化形式。其次我们用较短的篇幅介绍了BHZ模型的理论和实验。最后,我们用路径积分的方法得到了Keyldsh-Green函数的基本形式,然后借助于这套方法得到了线性响应下电导张量的具体表达式,并证明了零温条件下电导与拓扑不变量之间的关系。在第三章,我们首先给出了Floquet理论的基本框架,并且证明了非共振光极限下的有效哈密顿量的表达式。我们利用这套理论研究了二维平面内时间周期性圆偏振光驱动下的Bernevig-Hughs-Zhang模型,我们发现在非共振光极限下,光场的贡献等价于Zeeman交换场的贡献,并且附带一个修正Dirac质量的项,而且这两个附加项可以被光场的旋转方向和强度所调控。随着光强从零开始增大,我们发现不管系统的初始状态是量子自旋Hall态还是拓扑平庸态,都将经历一次拓扑相变到量子反常Hall态。这提供了一种实验上实现量子反常Hall效应的新方案。通过对纵向电导的计算,我们发现一种可控的自旋极化的输运方案,这为研究拓扑自旋器件提供了新的思路。在第四章,我们提出了一种用自旋陈数刻画的拓扑自旋泵浦效应——自旋陈泵浦效应。不同于第三章的Floquet:方法,我们这里考虑的是绝热近似下的驱动。我们发现每经历一次时间周期,由于系统有着非零的自旋陈数,有数量正比于样品宽度的电子被泵浦到非磁性电极上。此外,我们设计了一套实验方案,利用自旋极化金属导线来测量量子化的电荷泵浦电导,从而实现对系统自旋陈数的测量。这个发现使得我们可以直接利用拓扑绝缘体的稳定拓扑性质。在本文的最后,我们做了一点总结和展望。

关键词： 第一性原理   二维纳米材料   自旋极化   量子自旋霍尔效应   半导体性质  

摘要： 二维纳米材料由于原材料丰富以及性质优良等突出特点,是当今科学研究领域的热点。尤其是在石墨烯成功制备后,人们发现这种二维单层材料具有良好的机械性能和物理化学性质。石墨烯的成功问世,进一步激发了人们探索新型二维纳米材料的研究热情。目前,已有诸多二维纳米材料被成功预测甚至合成,它们优异的性能在不同领域都表现出重要的应用价值。如,在自旋电子学应用方面,二维磁性纳米材料体系具有较稳定的自旋极化性质和优良的结构-性能稳定性,能够满足当今时代越来越高的存储和处理能力与越来越小的器件尺寸的双重需求,可以作为新一代高性能自旋纳米器件;在新奇物理效应方面,二维拓扑绝缘体材料体系具有奇异的量子自旋霍尔效应,即边缘态受到拓扑保护,并且自旋在边缘态中可以无耗散的高速迁移,在进一步提高新一代自旋电子设备性能、降低能耗等方面表现出重要的应用潜力;在半导体应用方面,二维半导体纳米材料体系通常具有超高的比表面积、外场可控的能带结构、较高的载流子迁移率和合适的半导体带边位置,为我们寻找新型高效的纳米半导体材料,实现电子器件和光催化等方面的应用提供了新途径。在本论文中,我们借助第一性原理计算系统地研究了一系列新型二维纳米材料体系的电子结构和相关性质,并对其微观物理机制进行了深入探讨,研究了二维纳米材料在自旋电子学、量子自旋霍尔效应和半导体电子结构及调控等多方面的性质,为二维纳米材料在节约能源、降低能耗和能源转换等多方面的应用提供了系统的理论指导。本文第一章介绍二维纳米材料的发展现状与应用以及本论文主要研究内容。第二章介绍第一性原理计算的理论基础和软件包。第三章研究基于过渡金属的二维磁性纳米材料体系的电子结构和自旋极化性质,并探讨了体系自旋极化性质的调控。第四章详细地展示了二维纳米材料体系中的量子自旋霍尔效应,设计了一系列室温二维拓扑绝缘体体系。第五章详细研究了二维纳米材料和其复合体系的半导体电子结构调控以及在电子器件、光解水等方面的潜在应用。第六章对本论文的主要结论和创新点进行了总结,并对新型二维纳米材料的理论研究做了展望。本论文的主要研究内容和结果如下:(1)研究了二维 TM(TM = Ti、Zr、Hf、V、Nb 和 Ta)单层材料以及 TM(TM= Ti、V、Cr、Mn和Fe)与锗环构成的纳米分子链[(Ge5)TM]∞的电子结构和自旋极化性质。研究表明Ti、Zr、Hf单层以及[(Ge5)TM]∞(TM=Ti和Fe)具有铁磁基态,其铁磁性来源于TM原子的d电子。此外,TM单层的居里温度大于580 K,在室温下也能保持较高的自旋极化率。这些结果为新型自旋电子器件的发展开辟了道路。(2)探索了一系列二维纳米材料体系中的量子自旋霍尔效应,其中包括g-TlA(A = N、P、As和Sb)和TMC6(TM = Mo和W)体系。结果表明这些体系中较强的自旋轨道耦合作用(SOC)能够在费米能级附近引入能带反转,同时产生拓扑保护的边缘态。且这些二维体系的带隙宽度均大于室温下电子的跃迁能(26 meV),是室温下理想的二维拓扑绝缘体材料。(3)研究了二维复合拓扑绝缘体体系GeI/MoTe2的电子结构和拓扑性质。并且证实MoTe2都是二维拓扑绝缘体GeI单层的理想衬底。以MoTe2为衬底的GeI单层,其带隙宽度是240 meV,比室温下电子跃迁能(26 meV)大了将近一个数量级。同时,SOC作用下费米能级附近非平庸的能带反转机制可以通过直接计算体系的自旋陈数Cs= 1得到证实。我们解决了目前二维拓扑绝缘体和衬底相互作用过强使得边缘态与衬底能带相耦合,导致实验中不能观测到拓扑态的关键科学问题。(4)探索了二维复合半导体材料体系graphene/g-C3N4和MoS2/MXene(MXene = Ti2C02、Zr2C02和Hf2C02)的电子结构和能带调控。研究结果表明层间弱范德瓦尔斯相互作用能够使得体系的电荷重新分布,导致复合体系的能带结构兼备两种不同单层的性质。Graphene/g-C3N4复合体系是带隙宽度为106meV的半导体,而其费米能级附近仍能够保持类似石墨烯体系中的较小的有效质量和较大的费米速度。MoS2/MXene体系形成了 Type-II半导体能带对齐方式,使得电子和空穴分别分布在MXene和MoS2上,实现了载流子的空间分离。另外,研究还发现这些二维复合纳米材料体系的能带结构均可以通过外场(电场、应力等)进行有规律地调控。(5)研究了一系列新型非金属硅基二维材料p-SiX(X = B、C和N)以及无机非金属螺旋纳米链体系XYP(X = Si、Ge和Sn;Y = Cl、Br和I)。结果表明p-SiC和无机非金属螺旋纳米链体系XYP是带隙宽度在2.21～2.96 eV之间的半导体体系,其带隙宽度恰好对应太阳光谱的可见光波段。进一步研究表明这些材料具有较高的载流子迁移

关键词： 气体传感器   硫化铅   二氧化锡   碳纳米管   胶体量子点  

摘要： 半导体气体传感器具有灵敏度高、响应快速和工作寿命长等特点,在环境监测、工业生产控制、安全防爆等领域发挥着巨大作用。工作温度高、选择性差是制约其进一步发展的关键。利用低维纳米材料的特殊活性,发展高性能、低功耗的半导体式传感器是目前研究的主流方法之一。碳纳米管凭借着比表面积大,载流子传输能力强的特性,往往作为气体吸附或载流子传输材料被引入气体传感器中,其优秀的力学性质也被广泛应用于柔性器件的制备中。胶体量子点凭借比表面积高、表面活性大、可溶液处理、可与多种衬底兼容等优势成为潜在的理想气敏材料之一。本文首先利用PbS胶体量子点与多壁碳纳米管（MWCNTs）制备了PbS/MWCNT复合材料。通过Raman、HRTEM及UV-vis等测试分析,证实了复合结构中量子点锚定在MWCNT表面的特殊结构形成。通过室温旋涂和配体置换技术将之制备成气敏薄膜,对40 ppm的NO2,室温具有高达175的响应,响应恢复时间为14/25 s。更进一步,利用胶体量子点对各类衬底的兼容性优势,本文制备了PbS/MWCNT复合材料纸基柔性器件,通过对四类纸质衬底上器件性能的探测和微观形貌表征,发现石头纸为最佳器件制备衬底;通过不同的PbS和MWCNT混合比例气敏材料的性能测试,找寻到最佳制备工艺比;通过不同角度弯曲性能测试及30o弯折角下600次弯折测试,证实了加入碳纳米管后复合材料气体传感器在抗弯折性、抗疲劳性上的进一步提升。本文采用类似的工艺完成了SnO2 CQD/MWCNT复合材料的合成和气敏薄膜的制备。SnO2/MWCNT复合材料对50 ppm H2S,70 oC下展现出108的响应,响应恢复时间分别为23 s和44 s。通过开尔文探针、循环伏安法等方法,分别建立了PbS/MWCNT复合材料和SnO2/MWCNT复合材料的界面能带结构。研究发现,无论是n型SnO2还是p型PbS,复合材料界面均适宜气生载流子（电子和空穴）从气体吸附的量子点表面流向MWCNT中,进而借助MWCNT优秀的载流子传输能力传输到电极中,并提高响应。这是胶体量子点/MWCNT复合材料气体传感器设计的关键。

关键词： 密度泛函理论   STM 模拟   硼烯纳米带   CH3NH3PbBr3钙钛矿   单原子催化  

摘要： 近几年来,低维功能纳米材料因其优异的特性及潜在的实际应用价值,已经成为当今纳米材料研究的前沿和热点。理论研究和设计低维功能纳米材料,并对其物理和化学性质进行分析,有助于人们更好的理解和认识低维功能纳米材料。另外,通过理论指导实践,还可以帮助人们更好的将低维功能纳米材料应用于纳米器件、纳米新能源、纳米催化等新兴领域。虽然目前科学家们对应用于各个领域的低维功能纳米材料的研究,已经取得了许多突破性的进展,但是不可避免的还存在一系列的问题有待解决。例如,目前有的一维导电纳米线在稳定性或建立有效纳米线-电极接触等方面还存在问题,严重影响和阻碍了纳米器件在实际生活中的广泛应用;钙钛矿固有的不稳定性仍然是阻碍钙钛矿太阳能电池工业生产和应用的主要难题;单原子催化剂实际制备困难,且贵金属成本高等等。本论文利用第一性原理计算(DFT)与电子输运计算、扫描隧道显微镜(STM)模拟相结合,对硼烯纳米带、钙钛矿表面缺陷和基于二维衬底的单原子催化剂进行了系统的研究。本论文的主要内容包括以下几个方面:1.我们采用密度泛函理论和电子输运计算,考察了硼烯纳米带的原子结构、稳定性、导电性以及硼烯纳米带与Ag(111)表面之间的相互作用等,论证了其未来在纳米电路中作为一维纳米导线的可能性。2.我们采用DFT计算和STM模拟,对CH3NH3PbBr3钙钛矿表面缺陷进行了系统地研究,揭示了 CH3NH3PbBr3钙钛矿表面缺陷的化学身份,并分析了缺陷对钙钛矿材料稳定性的影响,可以为稳定CH3NH3PbBr3钙钛矿材料的发展提供重要的信息。3.我们通过理论模拟设计了基于单层VS2的过渡金属单原子催化剂,并筛选出了能够在VS2表面单原子分散的非贵金属Fe和Cu原子。非贵金属单原子催化剂不仅可以提高催化剂的原子利用率和反应活性,还能大大降低生产成本。总的来说,本论文通过计算研究和理论设计,(1)成功证明了硼烯纳米带于未来纳米电路中作为一维纳米连接导线的可能性;(2)通过钙钛矿表面缺陷的研究为理解CH3NH3PbX3钙钛矿的不稳定性提供了重要的信息;(3)成功筛选出了可以在单层VS2表面单原子分散的非贵金属催化剂Fe和Cu,为解决低维功能纳米材料领域目前存在的一些难题提供了可靠的理论依据。

关键词： 硅烯   二维纳米材料   狄拉克费米子   拓扑绝缘体   密度泛函理论  

摘要： 硅烯,类似于石墨烯的六角硅单层结构,是二维量子材料中新起的明星材料。相比于同周期的碳原子,硅原子具有更强的自旋轨道相互作用等优势,一些理论工作预言了硅烯在超导和拓扑等领域的新奇特性。在近几年以来,实验学家已经成功地在Ag(111)、Ir(111)等衬底上合成出了单层硅烯。有着更为广泛应用意义的多层硅烯结构也一直吸引着研究的热潮。目前一些实验组报道了在Ag(111)衬底上使用MBE生长方法可以合成几十原子层厚的多层硅烯结构。但是多层硅烯的结构和电子性质等关键问题依然存在争议,有待于澄清和验证。另外,二维硅纳米量子材料可以具有狄拉克费米子、拓扑和超导等丰富而又新奇量子特性,又能与当代半导体硅工业相兼容,在新型量子器件方面有着较大的应用潜力和前景。在本论文中,我们利用第一性原理对二维硅纳米材料进行了系统的研究。我们在硅烯领域的工作致力于能够在多层硅烯的生长机制、原子结构和狄拉克特性来源等硅烯领域热点问题上给出清晰合理的理论解释。另外,我们还从应用角度出发对以硅为主体的新型二维功能化量子材料进行设计和探索。概括本文的主要内容如下:1.结合第一性计算原理和扫描隧道电子显微镜,我们系统地对独立的多层硅烯和外延生长在Ag(111)衬底上的多层硅烯的结构与物性进行了研究。首次提出了一种具有1.16 eV间接带隙的双层硅烯结构,并基于该结构实现小剪切力驱动的金属-半导体转变。另外再对更厚的多层硅烯进行模拟后,我们发现当硅原子层逐层生长上去后会自发地形成层间共价键绑定的类金刚石结构,同时表面会自发形成一种弱重构的√3×√3相结构。这种重构是Si(111)表面的本征特性,与是否有衬底无关。不同于大家熟知的Si(111)的7×7等强表面重构,这种弱重构没有硅硅键的断裂重整,只有表面硅原子的起伏发生改变。该弱重构的√3×√3相结构在一定温度下会和它的镜像对称结构相互转化,从而使STM在高温下观测到的动态的六角相结构。在电子性质方面,能带投影的方法把硅烯与衬底的能带贡献分开,澄清了多层硅烯表面的弱重构会使表面较低的三配位硅原子形成超六角的平面结构,从而导致了硅烯表面新奇的狄拉克电子态。2.在进一步的工作中我们通过对这种弱重构的Si(111)-√3表面进行考虑自旋极化的第一性原理计算,发现这种弱重构表面出现自发的长程有序的铁磁基态。由于这种表面具有自发的自旋极化的狄拉克电子态,并且考虑自旋轨道耦合后可以约15 meV的能隙。我们预测了一种本征的纯硅二维磁性拓扑材料,为在轻元素体系中寻找磁性和自旋电子器件提供了新思路。3.最后,我们对以硅为框架的卤化硅二维材料进行功能化。通过应力的调控,将其由普通绝缘体变成有着较大自旋轨道耦合能隙的拓扑绝缘体材料。其中,对于碘化硅薄膜材料施加约为2.5%的小的拉伸应力就能使其转变成为具有0.5eV拓扑能隙的二维拓扑绝缘体,为实现室温量子自旋霍尔效应提供了新材料。本论文对纳米结构领域的硅基二维量子材料进行了设计和探索。研究结果为寻找新型硅基磁性材料、自旋电子器件等开阔了新的思路,对将硅为基础材料的纳米电子学和电机械学扩展到量子领域具有促进作用。