关键词： 石墨烯   量子点   铕配合物   复合材料   功能化   光电性能   水热法  

摘要： 石墨烯量子点（GQDs）作为一种新型的纳米碳材料，其光致发光的性能引人注目，在荧光探针、光电器件等领域具有较好的应用前景。但其低的荧光量子效率、窄的发光范围等缺点还是有待改善。研究显示利用小分子对石墨烯量子点的表面进行功能化修饰会显著提高其荧光强度、扩展其发光范围，得到荧光性能优越的功能化石墨烯量子点（F-GQDs）。除了荧光性能，这种零维的石墨烯纳米材料自身的石墨烯层状结构也赋予其一些突出的特性如优异的机械强度、大的比表面积、高的热稳定性等。因此，表面修饰的石墨烯量子点也可作为一种合适的支撑平台与铕的配合物相结合得到光电性能优越的复合材料。本论文主要的三部分研究工作如下所述：\n （1）以碳纤维为原料，水热法制备了产率高达25%黄色荧光石墨烯量子点，从而降低了生产成本，提高了生产效率。GQDs粒径均一，平均直径3.8 nm。其表面大量的含氧基团如羧基、环氧基能够诱导电子-空穴对的非辐射复合，使其荧光量子效率较低，只有1.6%。\n （2）我们利用一系列脂肪胺对制备的GQDs进行了表面功能化修饰。氨基功能团的存在取代了含氧基团所引起的非辐射能量损失，从而得到了荧光强度显著提升了蓝色荧光GQDs，其中GQDs-C2NH2的荧光效率高达13.2%。并利用GQDs-C2NH2对Fe3+离子进行检测，检测限低至40 nM。\n （3）在本章的研究内容中，我们使用双氮类中性配体对石墨烯量子点进行了共价功能化修饰，然后利用配体与铕离子间的配位作用制备了铕配合物-石墨烯量子点复合发光材料（Eu-GQDs）。值得注意的是，这类材料表现出较强的铕离子特征的红色荧光发射，其在有机电致发光器件领域具有潜在的应用前景。

关键词： 量子点   量子比特   电荷噪声   光子辅助隧穿   砷化镓  

摘要： 半导体量子点因其独特的电控性与可集成性逐渐成为量子计算的最可能载体，本文是基于GaAs栅极电控量子点的一系列研究。作为量子计算的基本单元，过去几年在掺杂GaAs量子点中科学家们已经完成关于电荷量子比特和自旋量子比特操作的一系列实验。但是传统GaAs量子电荷比特还存在一些不足，比如较短的弛豫时间T1(～10ns)和退相干时间T2*(＜1ns)。为了提高GaAs量子点的退相干性能，本研究致力于新型GaAs量子点的制备和基本性质的测量，主要包括以下内容:\n 1、表述传统掺杂GaAs异质结2DEG形成机理，描述量子点形成过程。随后引入量子点系统常相互作用模型，介绍单量子点系统中常见概念及现象，如充电能、电化学势、库仑阻塞、库仑菱形等。最后介绍利用QPC通道感应探测量子点电荷态的测量方式。\n 2、介绍量子点纳米器件加工过程需要的一系列微纳米加工设备，接着详细介绍传统掺杂GaAs量子点的具体制备步骤。\n 3、介绍串联双量子点系统的电流输运蜂窝图，计算推导双点体系中常见参数以及这种体系中电荷量子比特的构建。\n 4、在同一块掺杂GaAs基片上制备一种新型浅刻蚀量子点和传统单量子点。引入电荷噪声的概念，在两种结构上完成单量子点库仑峰区域低频电荷噪声的测量并进行比较。得出结论AlGaAs掺杂层确实会增加量子点的电荷噪声，从而可能进一步影响基于掺杂GaAs体系的电荷、自旋量子比特的相干时间。\n 5、提出一种全新的双层栅极结构电子型非掺杂GaAs量子点的制备方式,顶部电极用来积累电子，下层门电极用来形成势垒，从而得到非掺杂的双量子点。通过下层栅极的调控可以有效调节两个量子点的耦合强度2tc，完成从两个分立量子点到一个大量子点的电操控转变。\n 6、在形成的非掺杂双量子点系统中，构建一个电荷量子比特，在该电荷比特上完成利用光子辅助隧穿（PAT）来研究该系统退相干参数的实验。观测到多阶光子吸收隧穿现象，并且通过定量的测量得到电荷比特的弛豫时间及退相干时间的具体数据。\n 7、总结前面几章基于GaAs量子点的几项工作，提出其中不足有待改进之处。并对将来空穴型非掺杂GaAs量子点的制备以及量子输运实验研究进行展望，提出可行性方案。\n 本文的创新点主要有:\n 1、很少文章对于量子点中的电荷噪声进行具体分析讨论，在本文中我们构建一种全新的浅刻蚀量子点，对于库仑峰区域的低频电荷噪声进行定量的测量，并且与相同掺杂基片上形成的传统GaAs量子点进行低频噪声比较。这个工作对于提高掺杂GaAs量子比特退相干性能在样品加工工艺的改进上提供了一条新的路径。\n 2、非掺杂GaAs异质结拥有比掺杂GaAs异质结更高的载流子密度和迁移率，但在非掺杂GaAs异质结构上形成电子型量子点的工作还很少。我们利用全新的斜蒸发镀膜工艺和双层门电极工艺，在非掺杂GaAs上形成稳定的电子型双量子点器件。从系统的电流蜂窝图，我们可以看到在下层电极的调控下，两个完全独立的量子点转变为一个完全耦合的大量子点的连续过程。\n 3、在电子型非掺杂GaAs双量子点中，我们首次对电子温度进行定量的标定，也得到器件耦合强度随调控电极电压的指数变化。此外，我们也对这种新结构中形成单量子点以后库仑峰区域的低频电荷噪声进行测量，与传统的GaAs量子点电荷噪声相比也有所降低。\n 4、首次在电子型非掺杂GaAs电荷量子比特上完成PAT实验，并且观察到高阶PAT现象，同时得到在该结构上电荷态相干时间的定量数据。

关键词： 量子点   石墨烯   功能复合材料   电化学生物传感   溶剂热法  

摘要： 本论文将巯基丙酸（MPA）修饰的CdTe量子点（QDs）通过静电吸附分别与核壳结构的多壁碳纳米管@还原氧化石墨烯纳米带（MWCNTs@rGONRs）或 Bi2S3纳米棒（NRs）复合，分别制得了CdTe QDs修饰的功能复合物 CdTe/MWCNTs@rGONRs或CdTe/Bi2S3，然后基于所制备功能复合物良好的光/电化学性能，构建了胆固醇全固态近红外（NIR）电化学发光（ECL）传感和啶虫脒光电化学（PEC）传感平台，取得了一些创新性且很有价值的成果，具体研究内容如下：\n （1）首先将部分氧化剥离法制得的核壳结构MWCNTs@氧化石墨烯纳米带与阳离子聚合物聚二烯基丙二甲基氯化铵（PDDA）复合后，用水合肼还原，制得MWCNTs@rGONRs；然后通过静电吸附作用，将其与水相回流法制备的 MPA修饰的 CdTe QDs复合，制得CdTe/MWCNTs@rGONRs。X射线光电子能谱（XPS）、紫外（UV-vis）和荧光（PL）等谱学实验证实CdTe/MWCNTs@rGONRs被成功制备，且具有近红外（NIR）PL发射；透射电子显微镜（TEM）显示，CdTe QDs均匀分布在MWCNTs@rGONRs表面，没有明显的脱落和团聚现象。对比研究发现，CdTe/MWCNTs@rGONRs的 ECL信号强度是CdTe QDs的4.3倍，且其ECL起始电位降低了100 mV。进一步以制备的 CdTe/MWCNTs@rGONRs为胆固醇氧化酶（ChOx）固定载体和 ECL发光试剂，基于 ChOx催化氧化胆固醇产生的H2O2会增敏复合材料中的CdTe QDs ECL信号，构建了全固态 NIR胆固醇 ECL生物传感器。在优化条件下，胆固醇浓度的对数在1.0×10-6 mol/L~1.0×10-3 mmol/L区间内，与ECL信号呈良好的线性关系，检出限为3.3×10-7 mol/L（S/N=3）。该传感器已用于实际样中胆固醇的检测。\n （2）UV-vis光谱证实“种子生长法”制备的Au NRs的纵向特征吸收峰与CdTe/MWCNTs@rGONRs的PL光谱峰重叠，表明Au NRs可以作为能量受体，与CdTe/MWCNTs@rGONRs中的能量供体CdTe QDs，实现共振能量转移。基于该共振能量转移体系，结合啶虫脒适配体特异性识别，构建了一种 PEC适配体啶虫脒传感器，该传感体系中MWCNTs@rGONRs不仅可以作为CdTe QDs的载体，还可以有效放大CdTe QDs的光电流信号（约2.3倍）。在优化条件下，啶虫脒浓度的对数在5.0×10-13 mol/L?1.0×10-5 mol/L区间内，与PEC信号呈良好的线性关系，检出限为1.7×10-13 mol/L（S/N=3）。该传感器已用于实际样中啶虫脒的检测。\n （3）采用溶剂热法制备了Bi2S3 NRs，并通过 X-射线粉末衍射（XRD）、TEM、紫外漫反射光谱和Zeta电位等手段对其进行了表征，结果证实，制备的Bi2S3 NRs边缘较平整，长度约为210 nm，是正交晶相结构，且结晶度较高，表面带正电荷，其禁带宽度约为1.55 eV。进一步将其通过静电作用与带负电荷的MPA功能化的CdTe QDs复合，制得了CdTe/Bi2S3。对比研究发现，所制得的CdTe/Bi2S3的光电流信号分别是CdTe QDs和Bi2S3 NRs的30倍和1.6倍，这归因于CdTe/Bi2S3的形成有效地抑制了半导体电子-空穴重组，提高光电转换效率。CdTe/Bi2S3良好的PEC性能，为进一步拓展其在PEC传感领域的应用奠定了基础。

关键词： 金属有机骨架化合物   晶体结构   修饰电极   量子化学计算   有机配体  

摘要： 距离金属有机骨架材料（Metal-organic frameworks，MOFs）定义的首次提出虽然已经有几十年的历史，但是直到美国Yaghi课题组合成出具有稳定孔道结构的MOFs材料，这一领域才得以成为诸多科学家的研究热点。通过更换不同的有机配体与溶剂，可以获得不同结构的孔道MOFs材料。\n 本文以1,2,4,5-苯四甲酸(H4BETA)、吡啶-2,5-二甲酸(2,5-bipy)、噻吩-2,5-二甲酸(2,5-tdc)与1,2,3,4-丁烷四羧酸(H4BTCA)及2种辅助配体1,10-邻菲罗啉(1,10-phen)、4,4’-联吡啶(4,4-pydc)为有机配体，采用溶剂热法，成功合成了11个金属有机骨架材料，并利用X射线单晶衍射、红外光谱（IR）、紫外光谱（UV）、荧光光谱（P L）和热重分析（TG/DTG）等测试手段对这11个MOFs材料进行了表征。并将其中的一种 Zn-MOFs修饰到玻碳电极表面，用以检测抗坏血酸含量。最后，通过量子化学计算方法佐证[Co5(BETA)2(OH)2(H2O)2]?10H2O(1)、[Zn(pydc)(tdc)]n(8)和[Mn2(BTCA)(H2O)3]?H2O(10)的配位模式。具体研究成果如下：\n （1）以苯羧酸、吡啶羧酸、噻吩羧酸和丁烷羧酸为主配体成功合成8个具有3D结构，2个2D结构，1个1D结构的MOFs。其中，化合物7、8由单核金属连接形成三维框架结构，沿 a轴方向具有一维孔道结构，其中最大孔径可以达到1.062×1.068nm2，研究了目标产物的谱学性质。\n （2）选用孔道尺寸最大的[Zn(pydc)(tdc)]n(8)作为修饰电极的原料，成功修饰到玻碳电极表面，采用循环伏安法对修饰电极进行电化学表征，通过优化扫速及电解质溶液pH值，确定pH=5，扫速0.1V/s为检测抗坏血酸的最优条件。Zn-MOFs/GC检测Vc的工作曲线线性方程为I=-1037.07C+0.01765，相关系数r为0.996，检出限为6.7×10-6mol/L。\n （3）选取 B3LYP/LANL2DZ基组分别模拟配体 H4BETA、2,5-tdc、H4BTCA的分子结构和化合物1、8、10的晶体结构，通过前线轨道、电荷分布及结构优化佐证其配位模式。

关键词： 储能器件   超级电容器   电极材料   石墨烯膜  

摘要： 超级电容器是一类介于传统电容器和锂离子电池之间的新型环境友好型能量转化与存储体系，具有高功率密度，快速充/放电特性（几秒以内），循环寿命长(＞100000圈)等优点，但是受限于电极材料的比容量和工作电压窗口，能量密度较低。因此，通过电极材料纳米结构化的设计、炭材料与过渡金属氧化物或导电聚合物相结合等手段优化电极材料的性能，是实现高能量密度超级电容器的有效方式。石墨烯具有高的比表面积，其作为导电基底可以实现金属氧化物的有效负载，防止金属氧化物的团聚。量子尺寸的金属氧化物作为典型的赝电容材料，具有丰富的氧化还原活性位点，能够提高反应速率和电子转移动力学。\n 本研究主要内容包括：⑴通过简单的溶剂热法制备了氮掺杂石墨烯负载Fe2O3纳米点复合材料(记作Fe2O3NDs@NG)，Fe2O3NDs@NG复合材料在KOH水系电解液中具有优异的电化学性能。最佳Fe2O3NDs负载量的复合材料，在1Ag-1的电流密度下具有高达274Fg-1的比容量，即使电流密度增加至50A g-1，比容量仍有140Fg-1，展现了优异的倍率性能。更引人注目的是，在5Ag-1电流密度下，循环100000圈后，具有优异的容量保持率(约75.3％)，这是迄今为止所报道中氧化铁在碱性电解液中长期循环稳定性最好的结果。如此优异的电化学性能源自于高度分散的Fe2O3 NDs和氮掺杂石墨烯的复合，使得Fe2O3NDs@NG-0.75可以有效缓解在充放电过程中Fe2O3NDs体积的变化，并提供丰富的可利用的氧化还原活性位点，以及快速的电子转移和电解质扩散。⑵氮掺杂石墨烯负载Mn3O4纳米点的复合材料（记作Mn3O4 NDs@NG）通过简单溶剂热法，在表面活性剂辛胺存在条件下制备得到。复合材料中Mn3O4 NDs粒径约5nm，且均匀分散在NG片层表面。Mn3O4NDs@NG复合材料在EMIMBF4离子液体电解液中具有优异的电化学性能。最佳Mn3O4 NDs负载量的复合材料，在0.5Ag-1的电流密度下，比容量高达158.9Fg-1，即使电流密度增加到20Ag-1，比容量仍然高达76Fg-1，展现了高的比容量以及良好的倍率性能。

关键词： 氮杂石墨烯   量子点   卤化氧铋   纳米复合材料   光电化学传感器  

摘要： 本论文将制备的氮杂石墨烯量子点（NGQDs）与卤化氧铋（BiOX，X=Br，I）材料进行复合，得到了具有良好光电化学性能的BiOX/NGQDs功能纳米复合材料；光电化学性能研究表明：NGQDs的引入，改善了BiOX纳米材料的光电化学活性和稳定性；进一步基于BiOBr/NGQDs和BiOI/NGQDs良好的光电化学性能，分别构建了灵敏检测生物分子谷胱甘肽和农药毒死蜱的光电化学传感平台，取得了一些创新性和有价值的研究结果。具体内容如下：\n 1、采用快速、绿色、简单的常压热裂解法，以柠檬酸铵为单一起始原料，制得了NGQDs，并通过各种手段对其进行了表征。透射电子显微镜（TEM）、高分辨率TEM（HRTEM）和原子力显微镜（AFM）等形貌分析发现，所制备的NGQDs粒径在1~5 nm范围内，厚度约为3 nm；同时制备的NGQDs结晶度好，其0.20 nm的晶格结构与石墨碳源相一致，说明热裂解反应后，柠檬酸铵被碳化为石墨烯量子点（GQDs）。X射线光电子能谱（XPS）和傅里叶红外光谱（FT-IR）等谱学实验证实N原子被成功引入到GQDs中，紫外（UV-vis）和荧光（PL）等谱学实验表明所制备的NGQDs具有良好的紫外和荧光性能；与GQDs相比，NGQDs的荧光峰蓝移了18 nm，这也再次表明N原子被成功掺杂入GQDs中。\n 2、以乙二醇为溶剂，Bi(NO3)3·5H2O和十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）分别为铋源和溴源，与制备的 NGQDs混合，采用溶剂热法制备了一系列NGQDs含量不同的BiOBr/NGQDs纳米复合材料。拉曼（Raman）、XPS、X射线衍射（XRD）和FT-IR等谱学实验证实NGQDs与BiOBr被成功复合。TEM和 HRTEM等形貌分析发现，NGQDs均匀分布在BiOBr纳米片上，呈现片上载点的形貌，且复合材料中的 NGQDs和 BiOBr均具有良好的结晶度。BiOBr纳米片和BiOBr/NGQDs纳米复合材料光电化学（PEC）性能对比研究表明：BiOBr/NGQDs纳米复合材料的光电流强度是BiOBr的3.3倍，说明NGQDs的引入，增强了BiOBr的PEC信号。基于BiOBr/NGQDs纳米复合材料优异的光电化学性能，构建了谷胱甘肽（GSH）PEC传感平台。GSH可以大量消耗价带上的空穴，有效降低电子-空穴对的重组，增大光电流，从而实现了对GSH的超灵敏检测。GSH浓度在5~800μM的范围内与光电流强度呈现良好的线性关系（线性相关系数：R2=0.993），检出限低至1.7μM(S/N=3)。同时以BiOBr/NGQDs纳米复合物为光催化剂，考察其光催化降解罗丹明B（RhB）发现：可见光光照1 h后，RhB降解率达到100%，说明该材料具有良好的光催化活性。\n 3、以Bi(NO3)3·5H2O和KI分别为铋源和碘源，乙二醇为溶剂，与制备的 NGQDs混合，采用一步溶剂热法，制备了中空状BiOI/NGQDs纳米复合微球。XRD、FT-IR和 XPS等表征结果证实NGQDs被成功掺杂到BiOI微球中；扫描电子显微镜（SEM）和氮气吸附-脱附实验（BET）证明，所制备的材料是中空状微球结构，且NGQDs掺杂量影响着中空状微球的孔径大小；进一步探究了由NGQDs所引起的中空微球结构的形成机理。考察 NGQDs不同掺杂量的BiOI/NGQDs纳米微球的PEC性能发现，NGQDs与BiOI的投料质量比为0.07时，所形成的BiOI/NGQDs的光电化学性能最优；进一步以该纳米复合微球为传感界面，基于 Bi3+与毒死蜱中 C=N和P=S键之间的螯合作用，构建了超灵敏、高选择检测农药毒死蜱的光电化学传感平台。毒死蜱浓度在0.1~50ng mL-1范围内，与光电化学响应信号呈良好的线性关系（线性相关系数R2=0.998），检出限低至0.03 ng mL-1(S/N=3)。结果表明，所构建的传感器可用于农药毒死蜱的超灵敏、快速检测。

关键词： 量子输运   重费米子材料   磁性拓扑   绝缘体薄膜   非平衡格林函数  

摘要： 量子输运是研究材料性质的重要手段。近些年来随着实验技术的进步，量子输运在凝聚态系统的研究中发挥了重要作用。本论文主要通过非平衡格林函数方法研究重费子材料和磁性拓扑绝缘体薄膜的量子输运性质。\n (1)我们研究了正常态重费米子材料的电输运性质。我们采用了大U极限近似下的周期性Anderson模型。着重研究了Fano和空间路径干涉效应、探针和样品的耦合强度及其与能带特征，如杂化能隙和范霍夫奇异点，之间的竞争与合作。我们发现在探针和样品接触界面较大的情形，空间干涉效应会压制杂化能隙附近的电导谱。这是由于空间干涉导致电子到样品中布洛赫态的跃迁是动量依赖的。我们认为这对应于点接触测量的情形，因为点接触区域的面积通常是较大的。考虑到重费米子材料中f电子的能带会被重整化到费密面附近，这一压制效应导致点接触测量会丢失f电子的部分信息。Fano干涉源于电子到巡游导带和经由局域的f电子能带再进入导带之间的干涉效应。我们发现这会导致电导谱中出现极小值，进而增加电导谱的非对称特征。此外，我们发现在探针和样品局域耦合的情形，增强耦合强度会导致在杂化能隙内出现电导峰。这是源于局域束缚态的出现。\n (2)我们研究了磁场和门电压对处在量子反常霍尔(QAH)相的磁性拓扑绝缘体薄膜的影响。我们计算了体系相应于门电压和费密能的相图。我们发现门电压会破坏QAH相，并在其取值极大时形成平庸的相。QAH的电阻平台不会被磁场破坏，并且在强磁场下演化到量子霍尔效应的相。适当强度的磁场在某些参数下会导致一个类似量子自旋霍尔效应的相。在标准的六端口霍尔测量中，我们发现磁场会导致一些霍尔电阻和纵向电阻的取值均为分数的平台。

关键词： 发光二极管   纳米材料   荧光量子点   无机物杂化材料   制备工艺  

摘要： 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100 nm)或由它们作为基本单元构成的材料。与体相材料相比，纳米材料拥有诸多特异的光学、力学、光电化学、电磁学等性能，受到了研究者们的广泛关注。在纳米材料中，半导体量子点纳米晶由于其特殊的量子尺寸效应、介电限域效应、表面效应、小尺寸效应、库仑堵塞、宏观量子隧道效应及体积效应等特殊的物理效应，被大量应用于生物标记、太阳能电池、催化、发光二极管、传感器等领域。然而，这些应用目前大部分还仅限于实验室研究阶段，未能大规模应用与工业与生活中。究其原因，主要有如下几点:1、大多数工艺成熟、性能优越、成本低廉的量子点主要集中于Cd、Pb等重金属半导体，在生产制备过程中不可避免的会产生有毒重金属废水，限制了其可持续化发展;2、量子点为纳米材料，合成制备后的产量较低，若要达到工业化应用的产量，费时费力;3、化学湿法合成的量子点原液中固含量极低（＜5wt％），若要应用到实际生产中，一般需进行离心纯化过程;4、量子点的粒径极小(＜20nm)，比表面能极高，导致体系不稳定，极易团聚，导致量子点的性能变差。\n 近年来，通过无机基质对量子点进行包覆组装以实现纳米复合材料的功能化，取得了很大的进展。因此，基于此种组装方法为指导，设计合成了新型绿色环保、稳定性高、成本低廉的多种荧光纳米复合材料，并将这些复合材料进一步应用至发光器件中，具体开展了以下工作:\n (1)以大规模绿色合成荧光材料为导向，基于共沉淀法，制备了荧光纳米晶。首先通过水相加热回流含有Cd2+与HTe-的混合液，制备了荧光CdTe量子点。不经提纯，直接在量子点原液中加入NaOH与CaCl2溶液，在生成Ca(OH)2沉淀的同时将量子点与游离未反应的Cd2+完全从原液中分离，巧妙地避免了镉废水污染的问题。分析了CdTe@Ca(OH)2纳米晶的形貌、粒径、成分等理化特征。调节了Ca(OH)2的用量，获得了此工艺下荧光最强的纳米晶粉末。对纯CdTe量子点粉末与CdTe@Ca(OH)2纳米晶粉末进行热处理，对比了各自前后的荧光光谱与荧光动力学参数，用动力学方程定量地解释了各自荧光参数的变化。探究了Ca(OH)2含量对CdTe@Ca(OH)2纳米晶荧光寿命的影响。并将此荧光纳米晶应用至白光LED中。基于Ca(OH)2晶体微溶于水的特性，将复合纳米晶浸于饱和CaCl2溶液中，重结晶获得了荧光棒状CdTe@Ca(OH)2-CaCl2异质结晶。分析了异质结晶的形貌、成分、荧光光谱、荧光寿命等。最后，初步定性探究了量子点发射波长与其浓度的关系。\n (2)以制备高荧光强度的纳米荧光粉末为导向，首先微波加热制备了高量子产率(60％)的水相CdSe/CdS/ZnS核/壳/壳量子点，随后借助于共沉淀法，将制备的水相量子点包覆于BaCO3沉淀分离出来。利用TEM等手段对量子点、纳米杂化材料进行表征。调节了BaCO3的用量，获得了此工艺下荧光强度与包覆率均较好的纳米晶粉末。探究了BaCO3的包覆对量子点荧光寿命的影响。将此荧光纳米复合材料作为光转换材料，构筑了白光LED。\n (3)以制备功能化的荧光水滑石为导向，在微波晶化制各Mg2Al(OH)7水滑石之前，在前体中加入水相CdTe量子点，在晶化生成水滑石的过程中将量子点包覆入内，即制得荧光水滑石。比较了纯水滑石与量子点掺杂的水滑石的形貌结构特征，结果表明掺杂后的水滑石依然保留有较好的纳米片状结构。分析了水滑石晶化过程对量子点发射波长以及荧光寿命的影响。为拓展水滑石的应用，将制备的CdTe@Mg2Al(OH)7荧光水滑石作为荧光粉用于白光LED中。

关键词： 催化剂   纳米结构   碳量子点   水热合成  

摘要： 当前环境与能源问题日趋严重，在治理环境污染问题方面，环境污染物以催化剂为媒介可转化为对环境无毒无害的物质，且过程中不产生二次污染。因此，对于催化材料的研究开发，一直以来都是国内外科研工作的热点。近年来,碳量子点作为一种新型的荧光碳纳米材料，具有粒径小，良好的光致电子转移特性，低毒性，生物相容性高等优点，在催化剂的设计制备方面有着广阔的应用前景。本论文以制备的碳量子点基纳米材料的催化性能为主要研究对象，分别对碳量子点自身，量子点与贵金属复合物以及与金属半导体复合物的形貌，结构和催化性能进行研究。\n 本研究分为四个部分：第一章首先简单介绍了纳米催化技术、光催化技术和碳基材料。然后阐述了碳量子点的制备方法，性质及应用。同时介绍了碳量子点表面基团的影响，与贵金属，半导体复合物的催化性能。最后提出了论文设想。第二章以乙二胺为碳源，用水热法在200℃一步合成碳量子点。对碳量子点做了透射电镜分析，荧光光谱，紫外可见吸收光谱，X射线光电子能谱分析表征。并对所制备的碳量子点的催化性能进行了研究。在可见光照射下，所制备的碳量子点对亚甲基蓝具有优异地催化降解性能。第三章以硝酸银和偏钒酸铵为原料，水热法合成高纯度钒酸银纳米带。将所制备的钒酸银纳米带和碳量子点复合后形成碳量子点/钒酸银复合纳米材料。可见光照射下，对曙红染料进行催化降解，结果表明，碳量子点/钒酸银复合纳米材料的光催化效率高于钒酸银纳米带。第四章以乙二胺和硝酸银为原料，一步水热法合成银掺杂碳量子点。以银掺杂碳量子点为催化剂，NaBH4为还原剂，可快速催化降解亚甲基蓝，其效率高于未掺杂碳量子点。

关键词： 半导体材料   Ⅲ族氮化物   弱极性晶面   量子阱结构   晶体生长   光电特性  

摘要： Ⅲ族氮化物半导体材料具有许多优良的性质，其纤锌矿结构晶体具有宽禁带，直接带隙，化学特性稳定，耐高温，质地坚硬等特点。近十几年对其的研究取得了瞩目的成果，商业价值巨大。具体应用包括显示，照明，存储，探测器，通讯，农作物生长照明，医疗健康，以及电力电子器件等领域。尽管如此，Ⅲ族氮化物材料在发光器件应用领域仍然面临许多需要解决的问题，例如:电极化效应，高缺陷密度，光提取效率低，droop效应，Green Gap等。\n 为了改善上述问题，科研人员提出了多种研究方案，其中采用弱极性量子阱结构是比较有前景的研究方向之一。弱极性量子阱具有阱内极化电场较小，发光效率高，适合制作长波段器件，droop效应低等优点。因此，弱极性晶面量子阱的相关研究逐渐受到重视，尤其是在光电特性以及阱内动态复合机制方面的研究。在此背景下，本文围绕如何改善Ⅲ族氮化物量子阱结构发光效率这一主题，首先研究了采用选区外延技术生长的{11(2)2}和{1(1)01}两种弱极性晶面量子阱的光电特性和阱内动态复合机制的特点，其次提出在弱极性量子阱结构中引入阱内In组分渐变技术来进一步优化其发光效率，并通过理论计算对阱内In组分渐变的形式进行了优化研究。本文主要研究内容和结论摘要如下:\n 1.利用MOCVD外延设备并采取选区外延技术来生长立体形貌的{11(2)2}和{1(1)01}弱极性量子阱。根据变温光致荧光(PL)实验的测试结果得出:{1(1)01}弱极性量子阱LED结构的室温PL归一化强度约为6.2％，比极性阱提高一倍多，也就是说其相对内量子效率比极性阱提高一倍多。此外，{11(2)2}弱极性阱结构的室温PL归一化强度约为12％，表现出比{1(1)01}阱还要高的效率。变温时间解析光致荧光测试和理论计算验证了弱极性量子阱具有较高效率的结论。\n 2.根据对样品变温光致荧光测试和变温时间解析光致荧光测试的结果，本文讨论了弱极性量子阱的阱内载流子的动态复合过程，解释了弱极性量子阱光荧光光谱峰值随着温度增加并没有出现明显的类“S”型变化的原因，提出由于弱极性量子阱阱内极化电场的减弱，导致载流子与声子耦合强度减弱，使得载流子hopping/tunneling等运动相对极性量子阱要弱。这表明弱极性量子阱的阱内载流子有更大机率进行原位辐射复合，而载流子的再分布过程相对较弱。这一特性有助于降低载流子被缺陷捕获的机率，提高弱极性量子阱的辐射复合效率。\n 3.本文提出了将In组分渐变技术引入到弱极性量子阱结构中，来优化弱极性量子阱的辐射复合效率。并采用k·p能带理论，研究了不同的阱内In组分渐变形式对弱极性量子阱光电特性的影响。通过计算，获得了导带和价带能带结构，阱内波函数分布，并进而获得波函数交叠积分，跃迁矩阵元，自发辐射谱，偏振率等参数。根据计算结果讨论得出:电子-空穴的波函数交叠积分和自发辐射谱（y\'偏振）随着阱内In组分最大值和最小值差值的增加而增加，随着阱内In组分最大值沿着恒定组分弱极性量子阱阱内极化电场相反的方向移动而增加。其中，在类抛物线渐变3nm量子阱中，当In组分最大值的相对位置为3/4，且In组分最小值为0％的结构电子-空穴波函数交叠积分达到了94.15％，这相对于组分恒定极性量子阱的30.37％和组分恒定的弱极性量子阱的83.74％都有了很大的提升。\n 4.根据k·p能带理论计算结果，本文还进一步讨论了In组分渐变弱极性量子阱的光偏振特性。得出In组分渐变弱极性量子阱的偏振比率ρy\'x\'髓着阱内In组分最大值和最小值差值的增加而降低，随着阱内In组分最大值沿着恒定组分弱极性量子阱阱内极化电场相反的方向移动而增加。其中，阱内In组分最大值的相对位置为3/4且In组分百分比最大值与最小值差值为5％的结构偏振比率ρy\'x\'最大，达到了44.6％;而阱内In组分最大值的相对位置为1/4且In组分最小值为0％的结构偏振比率ρy\'x\'最小，数值为36％。\n 5.此外，对不同阱宽结构的理论计算结果表明，随着弱极性量子阱阱宽的增加，阱内In组分渐变形式经过优化的弱极性量子阱的波函数交叠积分尽管会随着阱宽的增加而降低，但是其降低的速率比阱内In组分恒定的弱极性量子阱要慢。阱内In组分渐变弱极性量子阱的偏振比率ρy\'x\'随着阱宽的增加而增加，但是增加速率相对于阱内In组分恒定的弱极性量子阱要慢。