关键词： 量子统计   中国科大   材料   中国科学技术大学   凝聚态物理   国家实验室   磁通涡旋   费米子  

摘要： 近日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室教授张振宇课题组的博士生秦维在量子材料的理论研究中取得新进展，为实现手性拓扑超导体和马约拉纳费米子提出新的可行体系。相关研究成果发表在2014年12月31日的《物理评论快报》上。 拓扑超导体和马约拉纳费米子分别是当今凝聚态物理领域备受关注的研究热点。马约拉纳费米子是自身的反粒子，服从非阿贝尔量子统计，因此可以用来实现拓扑量子计算。理论上，马约拉纳费米子可存在于拓扑超导体中，例如无自旋p波超导体的量子磁通涡旋和带自旋的p波超导体的半量子磁通涡旋周围都会存在零能的马约拉纳费米子。实验上，无争议地观察到马约拉纳费米子的存在是物理界所面临的巨大挑战。

关键词： 量子点材料   苏州大学   氧化钨   锂离子电池   超级电容器   可再生能源   存储器件   能量转化  

摘要： 诸如锂离子电池、超级电容器、燃料电池等新兴能量转化与存储器件，在解决传统能源短缺、可再生能源能量来源不稳定等问题上己展示出巨大潜力，并受到学术界和工业界的广泛关注。

关键词： 量子点(QDs)   显示材料   柔性显示器   纳米材料   荧光  

摘要： 半导体量子点(quantum dots,QDs)由于具有独特的发光特性而在显示器材料领域具有极高的应用价值。相比传统显示材料,QDs光器件具有色彩明亮、纯色性好和低能耗的优点,是理想的显示器材料。结合已有的工作介绍了半导体QDs的发光原理、发光特性和常见的制备方法,同时也介绍了目前QDs显示器的技术发展现状和面临的挑战,并对其在柔性显示器方面的发展前景进行了展望。

关键词： 纳米复合材料   量子点   聚合物基复合材料   表面改性   分散  

摘要： 量子点具有优异的光电性能,聚合物具有性质稳定、质轻、可加工性好等优点;将聚合物和量子点复合可综合两者的优点,同时还可使量子点的稳定性得以大幅度提高。得到的聚合物/量子点纳米复合材料应用领域广;其制备方法主要有简单易操作的直接分散法、在聚合物中原位生成量子点的原位生成法、在有量子点存在的聚合场所引发有机单体聚合的原位聚合法、层-层组装法以及在量子点表面直接修饰聚合物的表面直接修饰法。本文就这些制备方法进行了概要综述,并对各种方法的特点进行了总结。

关键词： 太阳能电池   量子阱   电阻特性   生长参数  

摘要： 三元合金InGaN的带隙从近红外光谱区域到紫外光谱区域连续可调，InGaN材料的禁带宽度与太阳光谱完美匹配，理论上可以利用不同In组分的InGaN合金异质结构，设计多结太阳能电池，实现在一个外延系统下满足高效的太阳能电池的需要。此外，InGaN合金还具有高的吸收系数、良好的抗辐射能力、高的载流子漂移速度、易实现多结电池的电流匹配等优点，近年来一直受到人们的关注。本论文主要围绕InGaN基太阳能电池制备的关键问题开展，采用MOCVD方法进行InGaN/GaN多量子阱太阳能材料的外延生长，研究了量子阱及p-GaN层的生长过程，制作了多量子阱结构的太阳电池器件，并对其性能进行测试分析。最后研究了InGaN/GaN多量子阱器件中观察到的负微分电阻特性并对其起源做了研究，本论文所取得的主要研究成果如下:\n (1)采用APSYS软件分别模拟研究了极化对InGaN/GaN多量子阱及InGaN体材料太阳能电池的影响。发现InGaN/GaN多量子阱太阳能电池对极化没有InGaN体材料电池那么敏感。但是当In组分较高，极化电场较大时，极化对多量子阱太阳能电池性能的影响仍然是不可忽略的。并发现提高p-GaN掺杂浓度可以有效的降低InGaN太阳电池中的极化效应的影响。\n (2)研究了量子阱结构对InGaN/GaN多量子阱太阳电池性能的影响。当垒厚从15nm减少至7.5nm的时候，InGaN量子阱的光谱响应明显增加，这主要是由于垒厚变薄，载流子的隧穿效应增强导致的，但当垒层继续减薄至3.75nm时，由于p-GaN晶体质量变差导致耗尽区主要分布在p-GaN一侧。由于量子阱有源区有很大一部分没有耗尽使得电池的光谱响应降低。\n (3)增加InGaN量子阱数目，InGaN/GaN多量子阱太阳能电池的光吸收增加。然而由于应力积累，应力增加到一定程度以后InGaN材料会弛豫，使得量子阱数目太大(例如，在我们的结构中周期数超过25)时光伏电池的外量子效率反而降低。\n (4)研究了低温盖层(LT-cap layer)生长参数对InGaN/GaN多量子阱材料及太阳能电池性能的影响。发现LT-cap层厚度太厚时，会导致InGaN生长表面积累的In原子不能在后面的升温过程中被烤掉，后续转变成金属In的成核中心，加剧InGaN/GaN多量子阱的热分解，使太阳能电池的光伏特性变差。但如果插入较薄的LT-cap层，由于增加了InGaN量子阱的光吸收，可以显著地提高InGaN/GaN多量子阱太阳能电池的光伏特性。\n (5)重点研究了低温生长的p-GaN中碳杂质的补偿作用，发现Mg掺杂GaN的电阻率与样品中碳杂质的浓度有紧密的关系。只有当碳杂质浓度足够低时，才能获得比较低电阻率的低温生长GaN层，这也就是在高的生长温度、高的生长压力和高的Ⅴ/Ⅲ比下更容易获得低电阻率的主要原因;\n (6)研究了低温生长的p-GaN中氢杂质对电阻率的影响，发现氢杂质在p-GaN中起到两方面的作用，一是钝化MgGa受主，二是钝化施主缺陷。低的H杂质浓度并不一定有利于获得低的电阻率，这是由于H杂质除了会钝化受主外，还可以被束缚在施主杂质周围起钝化施主作用，减小p-GaN中施主对受主的补偿作用。\n (7)研究了InGaN/GaN多量子太阳能电池I-V曲线中观察到的负微分电阻现象。发现只有当管芯经过负偏压处理后，负微分电阻才会在正的电压区域出现，并且当管芯经过较高的电流处理后，负阻现象会永久的消失。通过分析，我们认为负的微分电阻及I-V曲线的迟滞现象都主要是由于陷阱的充放电导致。

关键词： 量子阱   自旋极化输运   自旋轨道耦合   偏振光电流效应  

摘要： 自旋轨道耦合作为自旋流产生及其调控的重要手段和自旋弛豫的重要影响机制，是半导体自旋电子学领域的研究热点。自旋光电流效应是研究半导体材料及其低维结构中自旋轨道耦合的有力手段。通过研究不同温度、电场、磁场等条件下的自旋光电流，人们可以进一步探索外场与自旋动力学的内在联系，为半导体自旋电子学的应用奠定基础。本文介绍了半导体自旋电子学领域的研究现状，并利用自旋光电流效应研究了GaAs基量子阱结构的自旋输运现象及其动力学机制。观测到了光致逆自旋霍尔效应、反常偏振光电流效应等现象，研究了非掺杂多量子阱中的自旋输运系数，最后我们介绍了自旋发光二极管中的自旋光电流。另外，通过线偏振光电流的实验，我们还探索到一些跟材料各向异性相关的物理效应（这里的线偏振光电流效应与自旋轨道耦合无关，并非本文研究的重点）。主要研究结果如下:\n 1.研究了非掺杂InGaAs/AlGaAs多量子阱结构中的光致逆自旋霍尔效应(photo-induced ISHE)。首先，研究了非掺杂InGaAs/AlGaAs多量子阱结构中的自旋退极化。通过圆偏光产生自旋极化电子，利用光致逆自旋霍尔效应测量自旋极化电流，该效应也被称为光致反常霍尔效应(PAHE)。我们在低温（80-120K）低电场(50-300V/cm)下，观测到非常明显的自旋退极化。这种自旋极化光电子的自旋退极化来源于电场对自旋极化光电子的加热作用，并且在这种非掺杂InGaAs/AlGaAs多量子阱结构中自旋退极化对温度和电场更加敏感。其次，我们还研究了非掺杂InGaAs/AlGaAs、非掺杂GaAs/AlGaAs两种不同量子阱的光致逆自旋霍尔电流的各向异性，得到了四个不同晶向上的逆自旋霍尔光电导。不同晶向上逆自旋霍尔光电导的不同，一方面可能来源于不同晶向上的逆自旋霍尔系数不同，另一方面也可能来源于不同晶向上的自旋弛豫时间不同。虽然样品不同，但是测量到的逆自旋霍尔光电导有相似的地方，我们初步猜测两者很有可能来源于同一种本征机制。\n 2.研究了非掺杂InGaAs/AlGaAs多量子阱结构中的反常偏振光电流效应。首先，我们研究了非掺杂InGaAs/AlGaAs多量子阱结构中的反常圆偏振光电流效应(ACPGE)。在室温下研究了ACPGE电流的光谱特性，发现ACPGE电流随光斑位置变化出现的极值点是不变的，也就是跟激发波长无关。由于自旋弛豫时间和热电子弛豫时间随激发波长的减小而迅速减小，导致了归一化ACPGE电流随激发波长减小而减小。研究ACPGE电流的光谱特性为深入研究ISHE奠定了基础。其次，我们观察到了非掺杂InGaAs/AlGaAs多量子阱结构中的反常线偏振光电流效应(ALPGE)。该效应来源于光学动量准直效应和光斑的非均匀分布。通过研究该效应的光谱特性，发现ALPGE电流随光斑位置变化出现的极值是不变的，也就是跟激发波长无关。由于动量弛豫时间和能量弛豫时间随激发波长的减小而迅速减小，导致了归一化ALPGE电流随激发波长减小而减小。\n 3.讨论了不同激发波长和不同温度下的非掺杂InGaAs/AlGaAs多量子阱结构中载流子的自旋输运系数。由于PAHE和ACPGE均来源于量子阱结构的ISHE，在加电场和不加电场两种情况下，通过移动光斑，我们可以将两者区分开来。得到了自旋扩散系数与自旋迁移率的比值。从该比值的室温光谱图可以看出，在该材料中空穴的自旋扩散和自旋漂移已经变得跟电子一样重要了。研究并分析了该比值的温度依赖关系。\n 4.研究了自旋发光二极管中的圆偏振光电流，观察到了无外加磁场下磁性金属磁畴对圆偏振光电流的自旋过滤效应。我们深入研究了圆偏振极化率与外加偏压以及温度的变化关系。初步建立了一个类似于遂穿磁阻的模型来解释我们的实验结果。我们初步认为i-GaAs量子阱的位置随内建电场增大虽然漂移速度增大，但较大的内建电场由于Rashba效应导致自旋弛豫加快，这可能是圆偏振极化率线性减小的原因;AlGaAs光电流有多个位置贡献，非常的复杂，可能主要由内建电场为0的位置贡献，也就是扩散起了主要的作用，随内建电场增大，内建电场为0的位置向铁磁金属靠近，扩散、漂移更容易，圆偏振极化率增大。另外随温度的降低，圆偏振极化率线性增大，这可能跟温度降低自旋弛豫时间增大密切相关。我们还得到了由磁性材料引起的平面内强烈的各向异性引起的线偏振光电流的实验结果，由于该部分内容与自旋无关，在本文中并未做详细的数据分析和讨论。

关键词： 凝聚态物理   拓扑绝缘体   磁性元素   电子输运  

摘要： 量子反常霍尔效应是一种不需要外加磁场的量子霍尔效应。它不但是多种新奇量子效应实现的基础，还是量子霍尔态得以广泛应用的关键。目前对量子反常霍尔效应研究的关键在于对其机理和实现材料获得深入的理解，从而可以获得性质更加优越的量子反常霍尔材料。在本论文工作中，利用分子束外延、扫描探针显微镜、电输运测量及微纳器件加工等技术，对磁性掺杂拓扑绝缘体(BixSb1-x)2Te3薄膜的量子反常霍尔效应进行了系统的研究。\n 本研究主要内容包括：⑴利用分子束外延技术生长出性质稳定的、不同Cr含量的系列磁性拓扑绝缘体Cry(BixSb1-x)2-yTe3薄膜，并通过对薄膜电输运性质的系统研究，发现Cry(BixSb1-x)2-yTe3随着Cr含量的增加发生了从稀磁拓扑绝缘体到量子反常霍尔态，再到拓扑平庸铁磁绝缘体的转变。这些转变源于磁性杂质带来的铁磁性的增强和自旋轨道耦合的减弱两种作用的竞争。此项研究揭示了磁性杂质对量子反常霍尔效应的多方面影响，为寻找和实现高温量子反常霍尔效应材料奠定了基础。⑵在量子反常霍尔效应薄膜Cry(BixSb1-x)2-yTe3中首次观测到在磁化反转过程中零霍尔平台的出现。通过对此现象的研究发现量子反常霍尔效应并非量子霍尔效应的简单无磁场版本，而是无论在物理起源还是现象上都与量子霍尔效应有很大不同。此项结果加深了对量子反常霍尔效应微观机制的理解。⑶在量子反常霍尔效应薄膜Cry(BixSb1-x)2-yTe3中实现了双栅极场效应调控，通过对输运性质随两个栅极电场变化的系统研究，揭示出较厚磁性拓扑绝缘体薄膜中的能带弯曲会破坏其量子反常霍尔效应，并对利用电场调控磁性掺杂拓扑绝缘体的磁学性质进行了初步探索。⑷发现通过在拓扑绝缘体(BixSb1-x)2Te3中共同掺杂Cr和V两种磁性元素可以获得比单独的Cr或V掺杂(BixSb1-x)2Te3更好的磁学性质和量子反常霍尔效应行为。通过对Cr、V共掺杂的(BixSb1-x)2Te3薄膜的系统研究，获得了在1.5 K温度下零磁场下霍尔电阻高至0.97 h/e2，纵向电阻低至0.24 h/e2的量子反常霍尔效应样品。此项结果为量子反常霍尔效应的进一步研究和应用铺平了道路。

关键词： 费米子本系   量子输运   自旋性质   非平衡态格林函数  

摘要： 利用非平衡态格林函数方法研究了量子点-Majorana费米子体系的量子输运性质，得出了体系的微分电导，普函数以及自旋电流，并对结果进行了讨论.\n 首先，研究了Majorana费米子耦合平行量子点系统的量子输运性质.此时，上下两个量子点之间通过强自旋-轨道相互作用的半导体纳米线耦合，并且同时与左右电极相连接，形成并联结构.在合适的条件下，沉淀在s-波超导体表面的纳米线的边界将出现局域的Majorana费米子.为了方便表达，定义放置在上边的量子点为量子点1，下边的量子点为量子点2.与单量子点-Majorana费米子体系相似，在零费米能时，每个通道的电导值恒为1/2（单位e2/h），与量子点和Majorana费米子之间的耦合强度以及两个量子点的连接方式无关.固定量子点1和Majorana费米子的耦合强度，量子点2和Majorana费米子的耦合强度λ2较小时对量子点1的普函数影响较大，而λ2较大时对量子点2的普函数具有较大的影响.调节量子点与电极的耦合参数，可以使体系从并联变化到串联，即左电极-量子点1-纳米线-量子点2-右电极的连接方式.由于Majorana费米子的影响，在串联结构下量子点的普函数出现了三个共振峰.体系从串联变化到并联结构时，普函数从三个共振峰变化到两个共振峰.当费米能不为零时，电导随量子点能级的变化显示出了不同的电导平台.两个Majorana费米子之间存在相互作用时，两个通道之间的干涉效应将导致不对称的电导线型.\n 其次，研究了对称双极自旋池结构下Majorana费米子对量子点自旋电流和电荷电流的影响.此时，左右电极的化学式与自旋相关.由于Majorana费米子态的涡旋性，只有自旋向下的电子与Majorana费米子之间存在耦合作用，自旋向上电子的极化电流几乎不受影响.自旋电流和电荷电流除共振峰外都随量子点和Majorana费米子之间耦合强度的增加而增大.无限增大耦合强度到一个理想值时，自旋向下的极化电流变成一个与量子点能量无关的常量.同时，自旋电流和电荷电流除了共振峰之外的能量都对应一个有限的常数值.当量子点耦合正常自旋极化的费米子时，自旋电流和电荷电流都与耦合强度的大小无关.我们同时研究了自旋电流随量子点Zeeman能的依赖关系，发现随着Zeeman能的增大，其中的一个共振峰被强烈抑制.另一方面，随着两个Majorana费米子之间耦合强度的增大，Majorana费米子对体系的影响越来越弱.

关键词： 金属原子线   单分子结   STM裂结法   纳米构筑   量子输运  

摘要： 金属原子线和金属-分子-金属结（分子结）等异质结是纳/分子电子学中研究最广泛的基本单元，它们表现出特殊的量子输运性质，如何构建这些分子尺度的异质结、表征其电荷输运行为并且探究调控电导的因素，是该领域当前的重要研究内容。STM裂结法(Scanning tunneling microscope break junction，STMBJ)是目前研究金属原子线和分子结的成熟方法之一，不仅可以快速重复地构建异质结，得到大量的可用于统计分析的电导曲线，也可以对异质结进行I-V表征。本论文主要运用STMBJ技术，从构建金属原子线到金属-分子金属结，研究金属原子线的量子电导和一系列分子结的电荷输运行为;在此基础上引入光激励系统，探索光与分子结相互作用及光对分子结电学性质的影响。主要研究内容和结论如下:\n 1、基于STMBJ仪器平台的完善。在商品化仪器上与陈招斌博士（厦门大学）合作改造了STM扫描器前置放大电路，扩展测量数据采集的通道数目和电流采集范围，电流检测灵敏度可达10 pA/V～5μA/V，满足金属量子电导和分子电导同时检测的需求，系统可靠性得到4，4\'-联吡啶分子电导的验证，所得电导值与大部分研究组的结果一致;在此基础上，搭建光路系统和观察系统，可以进行激光作用下的实验，可用于分子结的光调控研究。该平台为构建和研究异质结奠定了坚实基础。\n 2、发展了基于jump-to-contact机制的电化学STMBJ方法，用于构建Ag金属原子线并研究其量子电导。通过对比jump-to-contact和crash-to-contact两种机制下构建的银原子线及其电导值的区别，前者构筑的原子线具有晶形结构，Ag量子电导为1、2、3 G0(G0=2e2/h);后者构建的Ag原子线结构不确定，检测到的Ag量子电导为1、2.5、4 G0，其中出现分数倍的量子电导值，揭示了量子电导与原子线结构之间的关系。\n 3、探讨分子结的影响因素。使用STMBJ或者I(s)技术研究了吡啶基功能化的分子、对环芳烷分子、钌金属有机化合物分子、蒽醌类分子的电荷输运行为，这些分子可作为潜在的分子器件或者作为分子器件的构筑模块(buildingblock)。其中包括:(a)对比了金、银电极对吡啶基分子电导测量的影响，Ag电极比Au电极测得的分子电导值低，但是分子结的拉伸长度更长。(b)具有大π键的卟啉衍生物的2D电导统计图中，观察到分子结拉伸过程中分子电导与构型之间的变化关系。(c)金、铂两种电极测试了[2，2]-paracyclophanes分子内π-πstacking的电导性质，在Au电极上测得7.5 mG0，Pt电极上测得0.4 G0，较大的电导值表明[2,2]-paracyclophanes分子内的π-πstacking对电荷的输运是十分有利的。(d)在电化学体系下研究了不同取代基位置的蒽醌衍生物分子，由于分子具有不同长度和共轭性，单分子电导分别为:14aq(4.0 nS)＞15aq(2.1 nS)＞26aq(0.68 nS)。同时，蒽醌分子具有较好的氧化还原可逆性，在还原状态下形成共轭性更好的带酚羟基的分子14aq_r、15aq_r和26aq_r，电导值分别增加到300、145和55 nS。蒽醌衍生物分子还原态/氧化态的开关比大约在70～80倍，蒽醌基团具有分子开关的潜在利用价值。(e)运用I(s)方法研究了一系列三联吡啶配位的钌金属有机化合物分子电导，实验方法获得的分子长度比实际分子长度来得短，这与锚定基团甲硫基的接触构型有关，也与分子在两电极之间有一定的倾斜角、以及分子还没有完全拉伸分子结即断裂有关。虽然这一系列分子具有单金属中心和双金属中心两类，然而他们的分子电导与分子长度的关系依然呈现指数衰减关系，衰减系数为1.5 nm-1，这类分子的电荷输运属于隧穿机理。\n 4、光对分子结的影响。基于光耦合STMBJ研究表面等离激元(SPR)驱动表面催化反应，提出了光催化辅助构建分子结的方法，在针尖-基底耦合以及激光作用在对巯基苯胺(PATP，0.3 mG0)体系中检测到其偶联产物偶氮苯衍生物的单分子电导(DMAB，4.3 mG0)，从单分子水平深入理解SPR驱动的表面催化反应过程。另外，还发现DMAB分子中的N=N双键在紫外光照射下发生顺反异构，异构体具有不同的电导值，开关比约为3。\n 5、“自下而上”构建分子结的方法。自下而上是提高器件集成度，实现分子器件功能的有效途径，本论文利用电化学还原重氮盐前驱体的方法构建Au-C连接的分子层，再通过后续的表面Sonogashira反应修饰锚定基团，最后构建一端Au-C共价连接另一端乙酰巯基（或者二茂铁基团）连接的分子结，I(s)方法测得分子结电导分别为3.0和4.4 nS。另外，在双端硫醇分

关键词： 宏观量子现象   超导材料   物性表征   功能体系   约瑟夫森效应   超导技术   微弱信号检测   耦合常数  

摘要： 超导是一个宏观量子现象，具有零电阻和完全抗磁双重特性。利用这些性质以及约瑟夫森效应，超导技术在电力、能源、交通、医疗、微弱信号检测等方面得到了广泛的应用。常规的超导电性起源于电子和声子间的耦合，由于电声子耦合常数的限制，传统的超导材料临界温度丁很低，使得超导技术的应用仍受到极大的限制。