关键词： 介观输运   Majorana费米子   电导  

摘要： 近年来,在拓扑超导体中寻找Majorana费米子引起了人们广泛的研究兴趣,因为Majorana费米子有着独特的性质,如反粒子是其本身且满足非阿贝尔统计等。由于量子点是很好地探测Majorana费米子的体系,所以研究包含Majorana费米子的量子点系统的电子输运性质变得非常重要。本文中,我们主要运用非平衡格林函数的方法研究典型的由量子点和Majorana费米子组成的体系的量子输运性质。第一章我们主要介绍了量子点以及介观输运的基本概念与理论,另外简单概括了Majorana费米子基本概念、性质。然后讨论了由量子点和Majorana费米子构成的介观系统的三种输运形式,最后介绍了Majorana费米子的研究现状。第二章中简单介绍了关于非平衡格林函数的基本概念和公式,包括它的定义,格林函数在Numbu表象下的表示,涨落耗散定理,Langreth定理,运动方程,Dyson方程以及广义LandauerButtiker公式。第三章中我们构建了一种由三个量子点和Majorana束缚态组成的介观环系统,运用非平衡格林函数的方法研究了它的输运性质。这个介观环包含由一对Majorana束缚态构成的通道一和由量子点2构成的通道二两个通道,有三种输运形式,分别为:正常金属中的单电子顺序遂穿(ET),Andreev反射(AR),交叉Andreev反射(CAR)。通过比较通过通道一与通道二的这三种输运形式,我们对这一介观环进行了系统的研究。有趣的是我们发现与通道一不同的是,在通道二中存在CAR辅助的ET输运过程,正是由于ET,CAR的输运过程导致ET,AR和CAR输运图像会清晰的呈现出X型。然后我们研究了当通道一分别为ET结构和CAR结构时通道二对这三种输运形式的影响。从而表明通过调节量子点2的能级可以调控体系ET,AR和CAR的输运性质。一般来说,Majorana束缚态可以镶嵌到量子点系统中或者是一端与量子点体系相连。第四章中我们构建了两端分别耦合Majorana束缚态的三量子点系统。首先计算了当量子点与Majorana束缚态之间的耦合系数,量子点间的耦合系数以及Majorana束缚态之间的耦合系数改变的情况下,体系两端分别耦合Majorana束缚态与一端耦合Majorana束缚态的电导,分析得出体系中存在两对Majorana束缚态时电导峰的位置相对于体系存在一对Majorana束缚态时远离零偏压方向。然后在体系两端分别耦合Majorana束缚态的情况下,分析耦合系数不对称时体系量子输运的特性。最后对本文做了总结与展望。

关键词： 量子功能材料   Aurivillius相氧化物   结构调制   结构转变   多铁性   陶瓷   单相   室温  

摘要： 具有“复合”特性的量子功能材料通过利用自身的多参量f包括电荷、轨道和自旋自由度)和光、电、磁、声、热等外场作用可以实现包括存储和调控等多元化处理,从而为未来的固体量子器件集成提供传输、转换、存储、调控、放大、热能再利用等多重关键功能。因此,多参量复合的量子功能材料是量子信息技术发展的关键,其研究具有重要意义。然而,目前对复合量子功能材料体系仍缺乏系统的研究,在许多方向上还存在空白。因而致力于研究新型复合氧化物量子功能材料体系,对于发现新的原理、新的物理现象以及产生新的材料、新的物理方法非常重要。作为复合氧化物量子功能材料的潜在候选者,层状氧化物因其层状结构可以实现一个结晶轴上至少两个结构序参量耦合而受到研究者们的广泛关注。2009年以前,这类层状氧化物材料的研究大部分集中在铁电和介电材料体系,而对于具有磁电耦合性能的复合层状氧化物材料的研究则是零星的。2009年,毛翔宇、陈小兵、陆亚林等人利用铁钴互置换的办法,成功的合成了新型四层Aurivillius相Bi5Fe0.5Ti3O15复合结构材料,实现了铁磁相变温度远高于室温和大的铁电铁磁响应[***.95,082901 (2009);中国专利授权号CN101607818B]。随后,陆亚林等人又通过磁性层插入铁电层状结构框架的方法,合成了新型单相磁电多铁陶瓷材料SrBi5Fe0.5Co0.5Ti4O18,实现了优秀的室温以上铁电性和铁磁性并且获得了室温以上的磁电耦合效应(在-370 K,磁电耦合系数-350μV cm-1 Oe-1) [Materials Horizons,2,232-236 (2015);中国专利授权号CN102875145B]。这些研究实现了层状氧化物材料在量子功能领域方面的突破,同时也表明了利用人工设计合成具有所谓的“内秉”磁电耦合的设想是很好的思路。2012年,中国科学技术大学陆亚林教授在国家重大科学研究项目(2012CB922000)中提出了“多参量复合氧化物量子功能材料”这个概念,具体是利用新型晶胞原子层间嵌入合成技术实现具有晶胞内磁电调制“复合”结构及“复合”有序相新型复合氧化物量子功能材料。这种“复合”不同于原先自然材料中固有存在,而是上升到人工设计及合成复合超结构层面。然而,当前利用这类“复合”,形成的新型复合氧化物量子功能材料仍然显示很弱的磁性及磁电耦合性能,仍不能满足量子功能器件实际应用的需求。因此,探索发现更多的新型参量复合氧化物量子功能材料,对拓展量子多功能材料体系,增强量子多功能复合及调控,发展新颖的量子调控和复合理论机制,具有重要意义。本论文以通过化学元素替代组成新型参量复合氧化物量子功能材料,以及过量替代引发材料体系结构调制为主线,着重研究材料体系Bin+1 Fen-3Ti3O33n+3(n为钙钛矿层数)中化学掺杂形成新型参量复合氧化物材料的基本物性和过量化学元素替代引发的结构转变过程及结构变化所导致的新奇物理现象和特殊的耦合性能。本论文主要研究包括：1)通过不同位置的化学替代来实现多种新型参量复合氧化物材料,并比较不同位置的替代对其新型氧化物材料的结构和性能影响；从而详细地理解组分调制作用下的内在物理意义；2)通过化学替代实现对新型参量复合氧化物量子功能材料的钙钛矿层结构调控：并在结构转变区间发现类准同型转变效应,实现了大的铁电、介电、铁磁响应；这些物理效应实现了新型的量子复合机制。丰富了基础物理知识；3)在新型的共生相层状结构材料体系中通过化学修饰来实现新型参量复合氧化物量子功能材料,并探讨其物理性能及化学替代对该材料微观结构转变特征；该工作显示了在更复杂的层状氧化物体系中,新型氧化物的结构及物性特征。总之,这些研究丰富了对层状氧化物材料体系中新型参量复合氧化物量子功能材料的认知,为未来探索更多新型参量复合氧化物量子功能材料提供了大量的借鉴意义。具体章节主要内容如下：第一章概述了新型多参量复合量子功能材料,并综述了近年来这类新型参量复合氧化物量子功能材料的研究进展及存在的问题。第二章分别研究了A位Gd掺杂和B位Ni掺杂对Aurivillius相Bi7Fe3Ti3O21氧化物的结构及性能的影响。第三章研究过量钴替代铁原子对六层均相氧化物Bi7Fe3TijO21的结构调制及性能的影响规律。第四章介绍了非均质相无序排列的Aurivillius相氧化物Bi11Fe3Ti6O33材料,并研究了微量钴掺杂对共生结构材料的性能影响。第五章介绍一种鉴定和量化Aurivillius相参量复合氧化物材料中铁磁性杂质的技术手段,称为磁失重(DTMG)法。第六章是对本论文的总结以及对未来工作的展望。

关键词： 金属硫蛋白   碳量子点   镉   重金属去除  

摘要： 镉(Cd)是一种剧毒的重金属元素,在自然界中过量的积蓄会对环境造成严重污染,并威胁着人类健康。因此,自然界水体中镉的去除对环境以及人类健康具有重要意义。金属硫蛋白(MTs)是一类广泛存在于生物体内的富含半胱氨酸的低分子量金属结合蛋白,它对于某些重金属具有特异性结合作用,可用于对重金属的富集、去除和回收。碳量子点作为一种性能优异的新型碳纳米材料,因其纳米级别的尺寸、稳定的机械性能和化学性能以及环境友好无毒害等特点,近年来逐渐成为人们的研究热点。利用金属硫蛋白和碳量子点制备而成的固相复合材料,为固相吸附提供了更大的比表面积,同时具有良好的吸附选择性。目前,关于碳量子点固载的金属硫蛋白复合材料应用于水体中重金属污染物去除的研究还未有报道。本文以柠檬酸为碳源与硅胶混合高温灼烧,一步法制备得到固载在硅胶微球上的碳量子点,再通过酰胺反应修饰金属硫蛋白,得到碳点固载的金属硫蛋白固相复合材料MT@C-dots@SiO2,并对该材料进行了红外(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)、热重(TGA)等表征。金属硫蛋白(MTs)固载量为823μg g-1。对得到的MT@C-dots@SiO2复合材料的应用性能进行了全面的考察,结果表明,在pH 5.0-9.0之间材料对Cd2+均有较高的吸附效率,静态吸附遵循Langmuir吸附模型,其吸附动力学符合准二级动力学模型。材料静态吸附容量为303 μgg-1,动态吸附容量为233μg g-1,与未经修饰的二氧化硅相比,静态和动态吸附容量分别是其2倍和2.4倍。另外考察了水体中常见干扰离子对材料吸附过程的影响,结果表明常见金属离子对Cd2+去除效率基本没有干扰。通过对该新型复合材料去除水体中镉离子的性能进行了全面考察,结果表明该材料能够实现对水体中镉高效、高选择性的吸附去除。

关键词： 非平衡格林函数   碳纳米管   Majorana费米子   散粒噪声   电流关联  

摘要： 对于介观尺寸器件中散粒噪声的研究一直是十分活跃的科研领域,而且这一研究领域随着现代电子科技与纳米技术的迅猛发展与人们的生活实际联系越来越密切。近些年来,人们已经能够在实验室成功制备出多种介观器件,例如,量子点,量子线,铁磁-半导体-铁磁异质结,以及介观尺度的碳纳米管等。这些低维介观系统中产生的一系列新的现象和效应引起了人们的兴趣和关注。上世纪末,碳纳米管的发现与成功制备为纳米器件提供了新的材料,随着人们对碳纳米管研究的深入,发现碳纳米管在力学、热学、光学、电磁学以及声学方面都具有优异的性能,这使得碳纳米管具有非常广阔的应用前景。在电子科技高度发展的今天,碳纳米管基电子器件的设计与研究显得尤为重要。随着新材料的不断发现,也使得物理学科中的各研究领域不断被拓展,对石墨烯、拓扑绝缘体以及拓扑超导体的深入研究,使意大利物理学家Ettore Majorana预言的Majorana费米子进入了更多人的视野。在研究材料、系统或是器件的电学相关性质时,人们通常会研究系统中的电流、电导以及散粒噪声,相对于电导而言,噪声能够给出更多更为详细的系统信息,因此我们将主要精力集中在对系统或器件中散粒噪声的研究上。在本文中,我们首先介绍了与我们的研究相关的几个概念,给出了我们在解析计算中所采用的理论方法,然后介绍了我们研究的不同系统中的电流、电导、散粒噪声以及Fano因子。在文章的最后,对本文进行了总结,并对相关研究的发展进行了展望。在本文第一章中,我们首先介绍了介观输运相关的基本概念,之后对碳纳米管的发现进行了阐述,并对碳纳米管的结构和性质进行了归纳和总结。在本章第三节中简单介绍了Majorana费米子及其研究进展。在本章第四节中介绍了热噪声和散粒噪声的概念。在第五节中给出了整篇论文的结构框架。在第二章中,介绍了我们在研究中所采用的理论方法,首先介绍了格林函数的定义,随后介绍了非平衡格林函数。非平衡统计的微扰理论建立在复编时格林函数之上,而电流、电导等可观测量与实时格林函数相联系,故我们介绍了连接这两者的桥梁Langrenth定理,以及与此有关的Dyson方程。之后,我们简单阐述了格林函数的运动方程解法。在此基础之上,在本章的最后,我们较为详细地叙述了从系统哈密顿量开始,运用连续性方程和海森堡运动方程求出系统中的电流算符,然后进一步利用电流关联和非平衡格林函数,最终求出系统散粒噪声的一般思路。在第三章中,我们研究了旋转磁场扰动下环形碳纳米管干涉仪中的散粒噪声。通过计算电流关联函数推导出了散粒噪声的一般式。发现光子的吸收和辐射使动态散粒噪声产生了一些新的特征。散粒噪声和Fano因子随着Aharonov-Bohm(AB)磁通量变化敏感地依赖于Zeeman能、旋转磁场的频率以及源漏极之间的偏压。通过调节塞曼能,散粒噪声和Fano因子的AB振荡结构可以表现出峰-谷之间的转变。随着塞曼能和光子能量的增加,散粒噪声非线性增加。散粒噪声的增强以及非对称性均可以归因于自旋翻转效应。在第四章中,我们利用非平衡格林函数方法研究了耦合Majorana费米子环形碳纳米管干涉仪中的电流、微分电导、散粒噪声和Fano因子。通过计算电流关联函数,推导出了耦合Majorana费米子环形碳纳米管干涉仪中的散粒噪声。耦合Majorana费米子后,系统中许多新的电子输运通道被打开,且使半导体型环形碳纳米管的能隙变窄。Majorana费米子导致了正常隧穿电流和Andreev反射电流之间的关联,从而使散粒噪声和Fano因子增强。电导、电流和散粒噪声均被Majorana费米子改变,展现出不同的振荡和共振结构,这些量的具体表现与金属型和半导体型环形碳纳米管都完全不同。在第五章中,我们利用非平衡格林函数方法研究了微波扰动下量子点耦合Majorana费米子系统中的动态特性。在Nambu表象中计算了系统的光子辅助微分电导、电流、散粒噪声以及Fano因子。在没有微波场的情况下,电流-电压特性曲线上有三个台阶,这反应了通过正常通道和Andreev反射诱导通道的电子隧穿,与此相应,微分电导曲线上展现出三个大的共振峰,Andreev反射对每一个共振峰都有明显贡献。当光子辐照在Majorana费米子耦合系统上时,每一个光子诱导边通道都伴有Andreev反射诱导通道,所以有新的电流台阶出现。光子扰动引起了电导边共振峰,Andreev反射使得光子辅助电导峰周围有新的共振峰出现。光子辐照抑制了中心电导,但同时提供了新的边电导作为补偿。通过计算电流关联我们推导出了散粒噪声公式,正常隧穿、局域以及交叉Andreev反射之间的电流关联均对总的噪声有贡献。微波场的扰动导致了散粒噪声中的动态效应,在源漏偏压为零的情况下,动态散粒噪声不为零。与没有耦合Majorana费米子的系统相比,Majorana费米子显著地增强了系统的散粒噪

关键词： 二维拓扑绝缘体   硅烯纳米条带   能带结构   自旋相关输运   热电性质   非平衡格林函数  

摘要： 二维狄拉克电子体系,包括石墨烯、拓扑绝缘体和硅烯等,由于其能带在费米能级附近具有线性色散的狄拉克锥结构,呈现出无质量手征特性,因而需采用类狄拉克方程来描述。由于这类体系中可以实现许多新颖量子效应,如量子自旋霍尔效应和量子反常霍尔效应等,进而实现无能耗或低能耗的电子传输,在自旋电子学和谷电子学方面具有重要的基础意义和应用背景,近年来受到人们越来越多的关注。本学位论文工作采用非平衡格林函数方法,较系统地研究了二拓扑绝缘体Hall bar、硅烯纳米条带铁磁电极下的量子输运与热电性质,旨在为未来基于二维狄拉克电子体系的纳米(自旋/谷)电子器件的设计提供物理基础。全文共分为六章。第一章为绪论,简要介绍了二维和三维拓扑绝缘体以及硅烯这类狄拉克电子材料的理论预测和实验制备,以及相关的自旋轨道耦合与量子自旋霍尔效应。第二章详细介绍了本文中采用的Landauer-Biitittiker公式和非平衡格林函数方法。第三章研究了正常/铁磁/正常二维拓扑绝缘体的能带结构和自旋相关输运性质,其中铁磁区域由掺杂磁性Mn原子来实现。我们发现,有限尺寸的量子限制会使得体系的能带打开带隙；掺杂磁性Mn原子所产生的交换场会引起能带自旋劈裂并打破自旋简并的电导；通过调节费米能量和交换场强度,或者通过调节费米能量和铁磁区域长度,体系可以实现从量子自旋霍尔态到量子反常霍尔态的转换。这些结果能为设计无耗散的自旋过滤器件提供理论依据。第四章研究了锯齿型硅烯纳米条带(ZSiNR)和扶手椅型硅烯纳米条带(ASiNR)的能带结构和电子输运性质。硅烯由于其错层结构,其纳米条带都不具备σ镜面对称特征,我们发现ZSiNR的电子输运性质却存在对称性,从而导致当ZSiNR的原子链数N取偶数时体系的磁阻可以达到100%,而N取奇数时则没有此性质,所以采用偶数的N-ZSiNR来设计自旋阀器件比采用奇数的更具优异性。我们同时研究了ZSiNR的自旋转矩随两铁磁电极磁化方向的相对夹角以及随费米能量的变化,发现随夹角呈现出类似正弦函数的变化关系,随费米能量的变化则关于狄拉克点反对称。此外,安德森无序对自旋转矩的影响在狄拉克点附近区域比较敏感,而远离狄拉克点的区域则基本不受较小安德森无序的影响。另外,我们发现ASiNR的能带带隙随着其宽度N的增加,以3为周期振荡减小。如果满足N=3n+2则体系是金属(其中n是正整数),否则就是半导体。金属型和半导体型ASiNR的电子结构和输运性质都可以通过有效自旋轨道耦合强度和垂直电场来调控。最后,我们发现较小的安德森无序对ASiNR中的电导基本没有影响。第五章研究了ZSiNR在外加垂直电场下的热电性质。我们发现ZSiNR的热电性质同样具有对称性,类似于其在第四章中研究过的电子输运性质。在无外电场时,6-ZSiNR其自旋塞贝克系数比7-ZSiNR的要大1个数量级。但是,随着外加垂直电场的增强,6-ZSiNR其自旋塞贝克系数减小,而7-ZSiNR的则随之增大。通过调节电场的大小,7-ZSiNR的自旋塞贝克系数其绝对值可以增大至6-ZSiNR的一样大接近200μV/K。我们进一步考虑了温度和磁化强度对自旋塞贝克系数的影响,发现随着温度的增加,6-ZSiNR中的自旋塞贝克系数减小,而7-ZSiNR的则增大。铁磁强度对6-和7-ZSiNR的自旋塞贝克系数影响定性上相同。最后,我们研究了磁化强度对自旋热电品质因子的影响,发现随着磁化强度的增加,6-和7-ZSiNR的自旋热电品质因子都增大,但6-ZSiNR中的自旋热电品质因子比7-ZSiNR的要大4个数量级。我们的研究结果也表明采用偶数的N-ZSiNR来设计热电器件比采用奇数的明显更具优异性。第六章,我们对本文的工作进行了总结和归纳,并对基于这类二维狄拉克电子体系的理论研究进行了展望。

关键词： 掺杂纳米晶   异价掺杂   掺杂发光   大斯托克斯位移   聚合物   复合材料   太阳能荧光聚集器  

摘要： 本文主要研究了两个科学问题,一是对半导体纳米晶的金属异价掺杂问题:采用“由外及里”的离子交换方法,利用膦配体（如三丁基膦等）诱发的阳离子交换合成掺杂有异价离子Cu+的II-VI族半导体纳米晶,并对其吸收及发射特性、斯托克斯位移、电子掺杂态等进行了调控研究;二是利用原位聚合的方式制备了异价掺杂半导体纳米晶/PMMA及PDMS复合材料,研究了复合前后纳米晶及聚合物各自性能的变化并探讨了其作为太阳能荧光聚集器的应用。主要取得的成果及创新点如下:1.利用阳离子交换方法制备浓度可控的异价Cu+掺杂CdS纳米晶。几何相位分析（GPA）证实了Cu离子的掺杂为深度掺杂而非表面掺杂;X射线吸收近边结构（XANES）和扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）、X射线光电子能谱（XPS）证实了Cu离子的掺杂为+1价态为主的异价掺杂,且掺杂浓度可控;透射电子显微镜（TEM）结果表明合成的掺杂纳米晶单分散性良好、尺寸分布均匀;高分辨TEM（HRTEM）及X射线粉末衍射（XRD）结果表明合成的掺杂纳米晶为稳定单一的六方相纳米晶;紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）、荧光光谱（PL）、荧光寿命拟合等证实了以Cu+掺杂为主导的掺杂发光,其斯托克斯位移可达0.88 eV,有效解决掺杂过程中的自淬灭效应,加大了其在光电器件方面的应用,为后续研究奠定了基础。掺杂发光为红色荧光,成双指数衰减,分别为0.2μs和1.3μs,绝对量子产率（QY）可达28.9%。紫外光电子能谱（UPS）确认了掺杂纳米晶为p型半导体。高度单分散的CdS纳米晶还实现了大规模自组装,将会加速其在光电器件上的应用。2.将上述大斯托克斯位移的Cu+掺杂CdS纳米晶以及其他几种金属离子掺杂纳米晶与PMMA或者PDMS材料进行复合,采用原位聚合的方法制备复合材料。核磁共振氢谱（H-NMR）、红外光谱（FT-IR）、热重分析（TG）结果表明纳米晶的存在并未对PMMA主要化学结构造成影响。凝胶渗透色谱（GPC）结果表明纳米晶的存在使得聚合物PMMA的分子量变大,原因是量子点表面油酸油胺的包覆与非结晶PMMA链段相互作用。显微荧光光谱结果表明量子点小团以0.5-10μm不等的尺寸分散在聚合物中,其仍然保留了良好的发光性。紫外外吸收光谱、荧光光谱、荧光寿命、量子产率结果表明复合材料的吸收光谱荧光寿命、量子产率均保持与原纳米晶一致,没有发生表面氧化或荧光淬灭。荧光光谱由于自吸收现象的存在存在一定的红移,但是由于原本量子点自身较大的斯托克斯位移其并未造成太多能量损失。

关键词： 量子输运   第一性原理计算   密度泛函   非平衡格林函数   二维层状半导体材料  

摘要： 自旋电子学已经成为一个热门的研究领域,大量的研究工作致力于探究其相关器件在介观尺度下的物理机制以及提高其性能。与此同时,二维层状半导体材料也在蓬勃的发展之中,优异的机械、电学以及光学性能使得其受到广泛的关注。而将自旋电子学与二维半导体材料相结合,也已经成为了新的研究趋势,它亟需人们大量相关的理论工作来预测及解释其新异的量子输运效应。本论文的研究工作是利用密度泛函理论结合非平衡格林函数方法,通过第一性原理计算从理论上研究自旋相关器件以及新型二维半导体材料的量子输运特性。主要研究内容及成果如下：1)提出并理论验证了一种全新非常有潜力的两端口磁性隧道结(MTJ)结构,Fe(001)/O/NaCl(001)/O/Fe(001),隧穿磁电阻率(TMR)值最大可超过3600%。巨大的TMR来源于MTJ结构的自旋过滤效应,它能过滤掉几乎所有向下自旋通道的隧穿作用。另外向上自旋通道的输运过程主要由对称性为△1与△s态所贡献,与此同时通过计算散射态密度发现在MTJ结构中的FeO界面处存在很强的谐振态,使得△l和△5态的输运过程得到非常大的增强。2)利用非平衡格林函数方法的第一性原理量子输运理论研究了Fe和Ni四端口纳米结构的反常霍尔效应(AHE)。在Landauer-Buttiker公式的框架下,从量子输运的角度来定义非零反常霍尔电阻的内禀项。通过分析自旋轨道耦合作用,发现纳米尺度下的Fe和Ni表现出相反的反常霍尔系数,与它们各自的块体材料保持一致。另外通过分析局域散射态态密度(LDOSS),发现纳米尺度下Ni的反常霍尔系数的负值主要由四端口电极的散射作用所贡献。最后,我们通过散射矩阵的方法在四电极AHE结构中发现了相似的Onsager关系。3)研究了包含自旋轨道耦合作用的单层WSe2薄膜的场效应晶体管(FET)的量子输运性质。在强大的自旋轨道耦合作用以及特殊的二维的原子结构,使得单层WSe2的自旋劈裂类似于Zeeman型,通过从外部施加栅极电压向薄膜中引入一个Rashba型的自旋轨道耦合作用,实现利用外电场改变WSe2薄膜中载流子自旋取向,当与FET漏极处自旋取向完全相匹配时系统的电导率最大；当与漏极处自旋取向完全不匹配时,系统的电导率最小。最后我们把FET电流Iτ,s同时由valley指数τ和spin指数s表示,在同一器件中实现valleytronics和spintronics。4)研究出了一套能定性以及定量预测非平衡态下的极化valley流的第一性原理量子输运计算方法。由于单层WSe：薄膜具有非常强的自旋轨道耦合作用,它的量子态能够用倒空间valley指数和spin空间指数来标定。构建出的WSe2-FET在外偏压下,通过照射圆偏振光,能选择性的将净极化的valley和spin流Iτ,s从源极输送至漏极。同时由于WSe2-FET在输运方向缺少平移对称性,由此发现了其中的去valley极化效应,该效应随着晶体管的长度减小而增大。5)从理论上研究了能够与单层黑磷(BP)有良好接触的金属材料。通过分析接触面几何结构、成键状态、电子结构、及电荷转移等,找到了Cu(111),Zn(0001),In(110),Ta(110)-BP,和Nb(110)-BP这5种合适的金属表面。由接触面势垒的分析,发现Cu(111)是能与单层BP形成完美欧姆接触的最佳金属面,其他的四种金属或组合的表面与单层BP接触面有较大肖特基势垒。同时研究了单层半导体BP与电极形成的面内电流输运模型(current-in-plane, CIP)的能带弯曲特性,通过功函数及非平衡格林函数法分析CIP结构的电子结构,发现单层独立BP薄膜与以上几种电极相连接处均为n型能带弯曲。

关键词： ZnO   CdSe   碳杂化纳米结构   光电   压阻  

摘要： 低维碳纳米材料具有大的表面积和良好的导电性,通常被用作电极材料。量子点由于自身表面缺陷存在,光激发产生的电子空穴对很快在其表面重新复合。本论文以三乙醇胺作为络合剂,通过低温燃烧法分别合成了C镶嵌ZnO和CdSe量子点杂化纳米材料。ZnO和CdSe量子点在光照下产生的光生空穴在自建电场作用下很容易转移到碳上,实现了与光生电子-空穴对的有效分离。在此基础上,分别对ZnO/C及CdSe/C杂化纳米材料进行物相、形貌以及结构表征以及对基于其组装的器件在电输运、光电及压阻性能进行了研究。主要结果如下:1、SEM扫描分析结果表明ZnO/C杂化纳米结构多为片状结构,CdSe/C多为带状结构。高分辨透射电镜下可以看到ZnO以及CdSe量子点都均匀镶嵌在碳纳米材料中,与其在原子层面上形成良好杂化结构。2、电输运实验结果表明ZnO/C及CdSe/C杂化纳米材料均为P型半导体材料,计算得知ZnO/C杂化纳米片的载流子迁移率为924.7 cm2V-1S-1,空穴浓度为2.192*1014 cm-3;CdSe/C杂化纳米带的载流子迁移率为2.719*103 cm2V-1S-1,空穴浓度为2.197*1014 cm-3。3、光电实验结果表明ZnO/C杂化纳米片光电探测器在其本征带隙边缘及近红外光都有明显光谱响应,之后测得其在高强度980 nm红外光照射时或者器件升温到30°C均可出现电流急剧减小至几乎不导通状态,并测得其热敏性系数高达-54440。最后将其组装成压阻器并进行性能测试,结果表明其具有很高的压阻重复性以及灵敏性,并测得其在最大压应变量和张应变量下,前后阻值比分别高达1:22和8:1。此外,在张应力作用下,压阻器具有一定存储性能。4、对基于CdSe/C杂化纳米带组装的光电探测器进行光电探测,结果表明其在200～900 nm范围内都有明显的响应,尤其在840 nm以及890 nm处出现了非常强的光谱响应。

关键词： Dirac费米子   石墨烯   石墨炔   拓扑绝缘体   核多项式方法  

摘要： 石墨烯是一种由碳原子构成的二维材料。2004年,Geim和Novoselov首次从实验上成功制备出单层的石墨烯,这一突破掀起了对石墨烯电子性质研究的高潮。石墨烯是一种零带隙半导体,其低能电子具有线性的色散关系,而且可以用一个无质量的Dirac方程描述。因此,石墨烯表现出很多不同于常规半导体材料的电子性质,如弱反局域化效应、Klein佯谬和半整数的量子Hall效应等。作为一种典型的Dirac费米子材料,石墨烯可以模拟在真空中难以观察到的量子相对论现象,这对量子电动力学的研究有重要的意义。除了石墨烯之外,还可能存在其它的Dirac费米子材料,如石墨炔。石墨炔也是由碳原子构成的二维材料,但其中含有碳碳三键,即炔键。石墨炔有多种不同的结构,其中有些结构中的低能电子也是无质量的Dirac费米子,而且还表现出一些其它的特征,如Fermi速度的各向异性等。石墨烯和石墨炔这两种Dirac费米子材料都是碳材料,实际上Dirac费米子还可能存在于其它材料如拓扑绝缘体中。拓扑绝缘体存在体带隙,但在体带隙中会出现受拓扑保护的表面态或边缘态。二维拓扑绝缘体也称为量子自旋Hall绝缘体,其边缘上存在一对自旋和动量都相反的一维态,这种自旋与动量的捆绑特性称为螺旋性,是Dirac费米子的典型特征。三维拓扑绝缘体的表面态也遵循无质量的Dirac方程,但与石墨烯不同,在三维拓扑绝缘体的一个表面上必存在奇数个Dirac圆锥。这种非简并的Dirac费米子也叫做Weyl费米子。Dirac费米子材料因其独特的电子性质,在量子信息、量子计算、微电子学等领域有广泛的应用前景。研究固体材料的电子性质都需要从体系的Hamilton量出发,而固体材料的Hamilton量主要有两种表现形式:分立格点化模型和连续模型。紧束缚模型是一种常见的分立格点化模型,其基本思想是以原子轨道波函数为基函数来表征体系的电子态。另外,分立格点化模型也可以通过将连续模型在Brillouin区某点附近作展开获得。在基于分立格点化模型的数值计算中,体系的Hamilton量总是可以用一个有限大小的矩阵表示,通过求这个矩阵的本征值或者求解体系的Green函数就可以获得体系的能带结构、电子态密度和电导率等。分立格点化模型可以将不同类型的散射体方便地纳入体系的Hamilton量中,而且可以通过数值计算获得精度很高的结果。连续模型的Hamilton量往往是从体系Fermi能级附近的电子态出发,用k·p方法获得的。连续模型的优点是,它通常可以给出解析的结果,有助于直观地理解物理现象、建立清晰的物理图像。在本论文中,我们分别用这两种模型研究了几种不同的Dirac费米子材料的电子结构及量子输运性质。本论文的研究内容主要分为以下四个部分:首先,我们建立了一个简单实用的紧束缚模型来描述四种典型石墨炔的低能电子性质。通过第一性原理的计算可知,这几种石墨炔Fermi能级附近的电子态主要由碳原子的pz轨道贡献。因此,我们可以建立一个仅包含pz轨道的紧束缚模型。通过对石墨炔晶格对称性的分析,我们在这几种石墨炔的紧束缚模型中至多设定三个参数,然后通过与密度泛函的能带结果拟合确定所有参数的值。与第一性原理能带结果的对比显示,我们建立的紧束缚模型能够有效地描述这几种石墨炔的低能电子性质。另外,我们还在低能极限条件下,用重整化方法对石墨炔的晶格进行了约化,并得出关于它们能带结构的解析结果,尤其是解析地确定了这几种结构的Dirac点在Brillouin区中的位置。最后,我们用Lanczos迭代法计算了这几种石墨炔在它们原胞中不同原子上的投影态密度,并讨论了van Hove奇点与能带中鞍点的对应关系等细节问题。总之,我们所建立的紧束缚模型能够定量地描述几种典型石墨炔的低能电子结构,并将为进一步研究关于石墨炔的其它问题如电子输运性质、纳米结构和光学过程等提供一种简单且有效的途径。第二,我们用连续模型研究了电子隧穿石墨烯晶格中多条线缺陷时的透射几率谱。我们所研究的线缺陷是一种以两个五边环和一个八边环为基本重复单元的线缺陷结构,这种结构已经可以在实验中制备。从紧束缚模型出发,可以建立石墨烯的Dirac方程在这种线缺陷处的连接条件。如果在石墨烯中周期性地平行嵌入线缺陷,可以形成一种超晶格结构。我们利用Dirac方程及其在线缺陷处的连接条件推导了这种超晶格结构的能量本征方程及本征波函数的解析表达式,并在此基础上计算了电子隧穿石墨烯中多条线缺陷时的透射几率谱。我们发现,线缺陷的存在导致了谷极化的电子隧穿几率谱,而且由于线缺陷引入的矢量势破坏了石墨烯电子的手征性,我们在这个体系中观察不到Klein佯谬。但是,电子以其它角度入射时可能发生共振隧穿,隧穿的角度依赖于入射电子的能量和相邻线缺陷之间的距离。值得注意的是,在一定入射电子的能量范围内,输运谱中会出现全反射

关键词： 多酸   量子点   荧光可逆开关   生物成像   二氧化硅粒子  

摘要： 荧光开关材料可通过调控外部刺激对体系荧光的开/关以及荧光发射波长进行精准控制,因而在彩色显示器、高密度光存储、生物荧光成像探针等领域具有广泛的应用前景。高密度光子存储和高分辨荧光成像要求荧光开关材料必须具有耐疲劳性高、热稳定性好、响应速度快和多色/多态的荧光开关材料。本文基于多酸化合物优异的电致变色和光致变色特性及量子点的荧光特性,发展对比度高、耐疲劳性好、响应快、稳定性好的光/电控荧光开关无机纳米材料,并将其可逆荧光特性应用于光学信息存储以及细胞和浅表面生物组织荧光成像。与已报道的光响应荧光蛋白和聚合物荧光开关材料相比,多酸/量子点复合纳米材料作为荧光开关材料具有多重优点:（1）可实现电/光控多色荧光;（2）高成像信噪比;（3）由于活性成分为无机物,具有良好的光稳定性和耐疲劳性,可进行反复多次荧光开关。具体研究内容如下:在生物医学研究和临床诊断领域,多色荧光材料可同时应用于多种类生物分析,但它的应用受到生物自身荧光信号的干扰,而开发多色可逆荧光开关材料可降低此干扰。基于量子点荧光发射波长可调及多酸的光致变色特性,论文利用自组装法与溶胶-凝胶技术制备了基于多酸P8W48与CdSe@Cd S量子点或CdTe量子点的多色光控可逆荧光开关纳米粒子。在紫外光下,纳米粒子中的多酸变为蓝色,在可见区有强的光吸收,而CdSe@Cd S或CdTe量子点的荧光可经荧光共振能量转移作用传递给P8W48,从而导致纳米粒子荧光淬灭。相反,在可见光下,P8W48恢复至无色,在可见区的光吸收大大降低,纳米粒子中CdSe@Cd S或CdTe量子点与P8W48之间不能发生荧光共振能量转移,从而导致其荧光恢复。可通过调节多酸的层数和量子的粒径大小实现对复合纳米粒子的光控荧光颜色和开关比的调控,最高开关比可达80%,且该复合二氧化硅纳米粒子的荧光开关性能具有良好的可逆性（50个循环无明显变化）,短的响应时间（紫外光:5 min,可见光:10 min）,无需物理接触等优点。此外,在同一光源照射下,复合纳米粒子可实现多色可逆荧光开关成像。目前开发的多数荧光开关材料仅具两态调控功能,具有多态调控功能的荧光开关材料开发较少,本文将多酸P8W48和量子点CdSe@Cd S利用层层自组装技术组装成薄膜材料,第一次成功地构建了一种由纯无机纳米材料组成的多态荧光可逆调控材料。基于还原态多酸P8W48和多种CdSe@Cd S量子点之间的荧光共振能量转移作用,该纳米薄膜材料的荧光在氧化还原电位的作用下对多种荧光颜色的量子点可实现可逆的荧光转变,且该纳米薄膜材料的电控荧光开关性能具有响应速度快（关:17 s,开:38 s）,开关比高（91%）,循环稳定性好（200次循环后仍有91%的保留）和低能耗等优点。最后,通过优化纳米薄膜材料的多层膜结构,本文将不同粒径的量子点组装在同一纳米薄膜材料上,可实现多态荧光的可逆调控。利用本文制备的P8W48/CdTe@SiO2复合纳米粒子的优异可逆荧光开关性能、水合粒径较小（225 nm）及易修饰性的特点,将复合纳米粒子应用于细胞成像与活体成像。与传统荧光染料（如DAPi）相比,P8W48/CdTe@SiO2可逆荧光纳米粒子具有更好的光稳定性与分辨性,并首次成功实现纯无机纳米材料在同一光源下的细胞多色可逆成像。最后,研究了P8W48/CdTe@SiO2复合纳米粒子经注射后,在荷瘤裸鼠身体各器官的分布情况,结果表明复合纳米粒子在肿瘤组织、肾脏和肝脏中积累较多。