关键词： 氟喹诺酮类抗生素   钙钛矿量子点   ZIF-8   荧光传感  

摘要： 氟喹诺酮类抗生素因组织渗透性好,血药浓度高且稳定,在畜牧业和渔业中常被用于动物疾病的预防和治疗。长期大量使用会导致在动物源性食品中的残留,人类通过饮食摄入后,会引起神经系统毒性反应、过敏反应或产生耐药性等安全隐患。因此,开发一种食品中氟喹诺酮类抗生素简单、快速、高灵敏检测方法至关重要。 本文以钙钛矿量子点（PQDs）和碳点（CDs）作为荧光信号物质,基于咪唑类金属有机框架（ZIF-8）对量子点的容纳保护和对目标物的吸附富集作用,通过粒径调控策略,实现ZIF-8对不同信号物质的封装,制备获得了钙钛矿量子点嵌入的金属有机框架（CsPbBr3@ZIF-8）及碳点和钙钛矿量子点嵌入的金属有机框架（PQDs/CDs@ZIF-8）两种荧光复合材料,实现了对恩诺沙星和环丙沙星的荧光传感检测,具体内容如下: （1）CsPbBr3@ZIF-8复合材料制备及在恩诺沙星检测中的应用 采用室温一步法制得ZIF-8,采用配体辅助再沉淀法,实现钙钛矿量子点在ZIF-8孔道中的原位生长,从而获得CsPbBr3@ZIF-8材料;利用3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）的原位水解,实现对CsPbBr3@ZIF-8表面包硅及功能化,进一步提升其稳定性。CsPbBr3@ZIF-8在520 nm具有良好的荧光发射,且恩诺沙星对其荧光呈现出灵敏的淬灭作用,荧光淬灭机理为电子转移。基于此,构建了恩诺沙星荧光传感检测方法,该方法对恩诺沙星检出限（LOD）为0.058 mg/L,线性范围为0.1-25.0 mg/L,精密度良好。将该方法应用于鱼、虾、蜂蜜、牛奶等样品中恩诺沙星检测,添加回收率为85.1%-106.7%,相对标准偏差（RSD）为2.0%-6.8%。 （2）PQDs-CDs@ZIF-8复合材料制备及在环丙沙星和恩诺沙星检测中的应用 分别合成碳点、钙钛矿量子点、大尺寸ZIF-8三种材料,采用室温孵育法将CDs嵌入ZIF-8中,合成CDs@ZIF-8;借助四甲氧基硅烷（TMOS）的快速水解作用,将钙钛矿量子点封装在ZIF-8框架内,制备得到PQDs-CDs@ZIF-8荧光复合材料。该材料兼具碳点和钙钛矿量子点的荧光性能,在470 nm和517 nm呈现出荧光发射;基于恩诺沙星对钙钛矿荧光的淬灭作用及环丙对碳点荧光的增强和对钙钛矿量子点荧光的淬灭,借助乙醇溶剂对恩诺沙星良好的溶解选择性,构建了基于PQDs-CDs@ZIF-8材料的荧光传感器,该传感器具有“一石二鸟”的作用,既可利用单一信号模式实现对恩诺沙星的检测,又可采用双信号比率型模式实现对环丙沙星的检测。该方法对恩诺沙星和环丙沙星的LOD分别为0.038 mg/L和0.030 mg/L,线性范围均为0.05-5.0 mg/L。采用加标回收实验,验证了该传感体系的实际应用性能,对恩诺沙星回收率为94.2%-105.6%之间,相对标准偏差为1.7%-4.2%;对环丙沙星回收率为95.6%-105.4%,相对标准偏差为1.3%-4.5%。

关键词： 第一性原理   范德华异质结   二维多铁   自旋   能谷  

摘要： 以石墨烯为代表的二维材料凭借着特殊的结构和优异的物理性能,在自旋纳米器件中有着巨大的应用潜力,近年来愈发受到科研工作者的广泛关注。通过将两种单层二维材料进行堆垛构成的范德华（van der Waals,简称vdW）异质结,不仅可以弥补单层的缺陷,还能产生新的光、电、磁学等性质,在现代信息存储和传输领域占据了重要的地位。本论文基于密度泛函理论的第一性原理计算,采用Vienna ab-initio software package（VASP）软件包计算了二维多铁vdW异质结LaBr2/α-In2Se3和VSeTe/Sc2CO2的基本物理性质,并研究了应变和电场对其电子结构、量子自旋特性、能谷电子学性质的影响,为今后研发相关新型自旋/能谷电子器件提供理论基础。本论文具体研究内容如下: （1）首先研究了单层LaBr2和单层α-In2Se3的基本电子结构及性质,然后在稳定单层的基础上,构建了二维多铁LaBr2/α-In2Se3vdW异质结,通过第一性原理模拟计算,得出最稳定的平衡结构,并从热力学、动力学等角度验证其稳定性。考虑范德华力、电子关联和自旋轨道耦合效应,对LaBr2/α-In2Se3异质结的平衡结构、能谷极化、带边排列、电荷转移和内建电场等进行计算分析。通过施加应变和电场对异质结进行有效调控。结果表明:随着铁电层α-In2Se3铁电极化方向的反转,LaBr2/α-In2Se3异质结经历从半导体到半金属的转变。通过施加外力,我们可以有效地调制异质结的能带结构和能谷极化,实现I型、II型和III型可控切换以及控制能谷的打开和关闭,并且这些转变具有可逆性和非易失性。 （2）对单层VSeTe和Sc2CO2的基本电子结构及性质进行研究,并在此基础上构建了12种可能的异质结。通过第一性原理计算,对VSeTe/Sc2CO2vdW异质结从几何结构、磁性基态、电子结构、磁各向异性等方面进行研究分析和调控。结果表明:随着铁电层Sc2CO2铁电态的转变,VSeTe/Sc2CO2范德华异质结从铁电向上态时的金属变成铁电向下态时的半导体。与此同时,VSeTe/Sc2CO2异质结界面处的电荷也会随着铁电态的转变而重新分布,导致费米能级附近电子态的分布发生改变,从而促使异质结的磁各向异性能(EMAE)产生变化。此外,双轴应力同样会给异质结带来半导体和金属的可逆性和非易失性调控。

关键词： 铁电隧道结   量子输运   ReS2   第一性原理计算  

摘要： 随着科学的进步和发展,电子产品的更新速度越来越快,人们对电子器件的性能提出了更高的要求。随着器件不断小型化,硅基半导体器件尺寸已经达到其物理极限,所以研究新材料来代替硅基材料变的越来越迫切。随着二维范德华材料的兴起,为新型电子器件的发展带来了机遇。二维材料具有原子级厚度、层间依靠范德华力结合和表面无悬挂键等特性,在数据存储领域具有广阔的前景。目前,基于二维材料已经发展了各种原子级数据存储器件,其中铁电隧道结由于其具有非易失信息存储态脱颖而出。最近以双层h-BN滑移铁电性为代表的滑移电子学的出现,进一步推动了铁电隧道结的快速发展。本文采用第一性原理计算方法,基于非平衡格林函数结合密度泛函理论研究了多层ReS2基滑移铁电隧道结的电子输运特性,揭示了其与电极、铁电势垒层层数的依赖关系,主要研究内容和结果如下: （1）不同电极对双层ReS2基铁电隧道结的电子输运性质的影响研究。首先我们计算了双层ReS2的铁电极化强度,结果表明不同堆叠方式ReS2所表现出来的铁电极化方向相反,分别是0.30 pc/m和-0.31 pc/m。基于此利用两种不同堆叠方式的ReS2为中间势垒与不同电极材料设计了三种范德华铁电隧道结:石墨烯/双层ReS2/石墨烯、石墨烯/双层ReS2/Pt Te2、Pt Te2/双层ReS2/Pt Te2。计算结果表明:平衡态下,对称的石墨烯电极、非对称的石墨烯/Pt Te2电极以及对称的Pt Te2电极的隧道结的电致电阻（TER）为69%,25%,10%。进一步,在施加偏压的作用下,相应的TER最大可达到663%,563%,152%。综合比较这三种电极组,我们发现对称的石墨烯电极是双层ReS2基铁电隧道结的最佳选择。 （2）采用非对称电极,在势垒层和电极之间加入一层BN隔离相互作用来研究铁电隧道结的电子输运性质。在上一章节的基础上,设计出多种异质结构:石墨烯/BN/双层ReS2/石墨烯、石墨烯/BN/双层ReS2/Pt Te2、石墨烯/双层ReS2/BN/Pt Te2、Pt Te2/BN/双层ReS2/Pt Te2。利用第一性原理计算结果表明:它们在平衡状态下的TER分别为26%,233%,235%,12%。进一步在施加偏压的作用下,相应的TER最大可达到6.16×10～4%,537%,2.82×10～4%,257%。同时对Cu金属电极做了研究,搭建了Cu/双层BN/ReS2/Pt Te2范德华异质结构,计算其平衡状态TER为33%,在施加偏压下最大可达到174%,综合比较,认为石墨烯/双层ReS2/BN/Pt Te2器件性能最佳,也说明加入一层BN,提高了器件的性能。 （3）铁电势垒的层数对铁电隧道结的电子输运性质的影响研究,对于石墨烯/双层ReS2/BN/Pt Te2,我们改变了ReS2的结构层数,分别用三层和四层的ReS2结构来代替双层ReS2搭建范德华铁电隧道结,利用第一原理计算其电子输运性质,结果表明,改变ReS2的结构层数,也可以改变其输运性质,经过计算,三层ReS2结构在平衡状态下的TER为615%。四层ReS2结构在平衡状态的TER为223%。施加偏压后,相应的TER最大可达到2.06×10～5%,1.05×10～6%。说明铁电势垒层数对铁电隧道结性能影响很大。

关键词： 数据驱动   Atomly材料数据库   Kagome材料   范德瓦尔斯二维材料   非常规低维材料  

摘要： 物质科学发展至今,经历了从经验科学到理论科学,再到理论计算模拟的研究范式转变。随着计算机技术的发展,当今物质科学领域已经开始步入以数据驱动为核心的物质科学研究模式。借助第一性原理计算工具,以超级计算机作为载体,通过高通量的方式批量产生材料数据,最后以数据库为容器去收集整理计算数据,形成计算材料数据库。利用计算材料数据库可以发掘具有新奇特征的化合物,加速了对未知材料的探索步伐。 本论文以Atomly材料数据库为数据支撑,筛选了新型量子材料与低维材料,具体内容如下: （1）Kagome材料具有众多新奇物性,该系统对于理解如超导性和量子磁性等现象至关重要,它所展示的丰富的拓扑电子态,为研究新型量子计算机和实现拓扑量子计算提供了理想的物理系统。为了探索更多具有新奇物性的Kagome材料体系,通过材料数据库的方法去搜寻潜在的Kagome材料就有了迫切的必要。在这个背景下,我们以CsV3Sbs,CsV6Sb6和TbMn6Sn6三种当下受到广泛研究的Kagome材料为结构模版,通过元素替换去生成未知化合物,再计算其热力学稳定性,共筛选出了48种有望实验合成的Kagome材料,并分析了不同化合物间电子结构的变化规律。 （2）接着,基于拓扑缩放算法（TSA）,从Atomly材料数据库中筛选出了所有的层状结构并剥离出范德瓦尔斯二维材料,再以高通量的方式,通过第一性原理计算二维材料的能量信息与电子结构信息,最终生成包含了9,213个材料信息的范德瓦尔斯二维材料数据库,对比了同C2DB数据库之间的差异,并从数据库中筛选出了潜在的59种二维铁电材料,69种由金属元素组成的Kagome结构的材料,以及54种由非金属元素组成的Kagome结构的材料。 （3）我们还研究了在低维材料领域,两类研究较少的非常规低维材料体系:非范德瓦尔斯二维材料、一维范德瓦尔斯链状材料。对于非范德瓦尔斯二维材料,由于该类材料对应的体相母结构并非是由范德瓦尔斯相互作用凝聚而成的层状结构,使得这类材料不适合用于识别层状材料的TSA算法去判别材料的可剥离性。我们开发出了一套专门用于判别非范德瓦尔斯材料可剥离性的算法与流程,利用该方式,成功剥离并计算出了6,590个非范德瓦尔斯二维材料的能量信息与电子结构,通过对这些结构的剥离能与热力学稳定性计算共筛选出了952个有望通过实验剥离的非层状结构。对于一维范德瓦尔斯链状材料的筛选,我们利用TSA算法,筛选并成功剥离出了4,374个一维范德瓦尔斯链状材料并对这些材料的组分进行了统计分析。 以数据驱动的方法在新型材料探索与性质预测中扮演着越来越重要的角色,通过使用数据库中的材料数据可以构建筛选与判别模型,以加快识别利于实验合成的最佳候选材料。本论文通过对Atomly材料数据库的筛选与发掘,研究了三类Kagome结构体系,给出了有望实验合成的化合物,生成了范德瓦尔斯二维材料数据库以及非常规低维材料数据库。

关键词： In2Se3   铁电异质结   光生电流效应   光电流   量子输运模拟  

摘要： 近年来,铁电材料中的光生电流效应在太阳能电池、光电探测和非易失性存储等领域展示了应用潜力,激发了广泛的研究兴趣,但目前能覆盖全太阳光谱的窄带隙铁电材料仍较为稀少,而且对于现有铁电光电器件而言,增强偏振敏感度和提高开关比仍有很大的空间。针对这些问题,本论文采用量子输运模拟方法研究二维窄带隙InSe/In2Se3铁电异质结的光生电流效应。主要研究内容和结果如下: 基于非平衡格林函数理论,推导了由椭圆偏振光激发的光电流理论公式,给出了光电流随光的螺旋度及入射角的依赖关系。利用上述公式结合量子输运计算方法,研究了二维InSe/In2Se3铁电异质结的光生电流效应。计算表明,当In2Se3的铁电极化方向分别指向面内和面外时,异质结均具有Ⅱ型匹配的能带结构,对应的带隙分别为0.98 eV和1.19 eV,可吸收从近红外到全部可见光波段的光子能量。研究发现,由于异质结具有非空间反演的C3v对称性,在光子能量为0.7～3.2 eV的椭圆偏振光照射下,可产生显著的光生电流效应。在倾斜入射时,可同时产生圆光生电流效应和线光生电流效应,而垂直入射时只能产生线光生电流效应。总体而言,圆光生电流效应明显强于线光生电流效应,光电流大小的比值可达10～3。光电流还具有优异的偏振敏感性,当铁电极化指向面外时,最大消光比可达410。反转铁电极化的方向可有效调节光电流的大小。在低光子能量范围内（0.7～1.5 eV）,铁电极化指向面内时的光电流明显大于极化向外时的光电流。在特定的光子能量和螺旋度下,反转铁电极化的方向,光电流的比值（开光比）高达563。 综上所述,二维InSe/In2Se3铁电异质结在椭圆偏振光的照射下可产生显著的光生电流效应,调控异质结的铁电极化方向,可获得大开关比和高偏振敏感度。本论文研究结果表明,二维InSe/In2Se3铁电异质结在偏振敏感的光电探测和非易失性存储等领域具有应用潜力,可为设计相关二维铁电电子器件提供理论参考。

关键词： 纳米线场效应晶体管   鳍式场效应晶体管   量子输运   非平衡格林函数   多物理   温度   热应力   建模仿真  

摘要： 在信息化时代背景下,微电子产业飞速发展。然而,随着器件尺寸逐渐接近材料微缩极限,延续摩尔定律面临前所未有的挑战。对于由量子力学效应主导输运特性的纳米半导体器件,传统载流子输运模型不足以准确描述器件行为,需要引入量子修正或采用量子输运模型。此外,随着集成密度提升,集成电路热功耗密度显著增加,导致严重的自热效应,同时也加剧了热力学效应。电场/载流子输运、温度、热应力的相互作用共同影响器件性能和可靠性。国内外学者一方面致力于开展建模仿真研究以深入理解器件物理机制、优化器件设计和改善器件性能;另一方面则致力于对新型材料、结构和工艺的探索,寻求新的发展路径,所衍生出的新型电子器件为超越摩尔定律提供了可能。 本论文针对新型纳米半导体器件中的量子输运和多物理耦合效应开展建模仿真研究,主要研究内容和创新点概括如下: 1.提出了一种基于模空间法的围栅纳米线场效应管(NWFET)含时量子输运仿真方法,实现了晶体管瞬态特性仿真分析和本征性能极限评估。基于模空间法将三维含时量子输运问题解耦为二维截面量子限域问题和一维含时量子输运问题,研究了沟道电荷的开关瞬态特性;仿真分析了沟道电荷和漏极电流对不同频率小信号栅极电压的响应;计算并讨论了受载流子输运时间限制的本征性能极限,包括与频率相关的栅极电容和跨导、3dB带宽以及截止频率。 2.提出了一种量子输运-热-热应力多物理协同仿真算法,揭示了自热或热环境所致热应力对超薄体鳍式场效应管(UTB-FinFET)量子输运的影响机制,实现了多物理耦合效应对晶体管导通和亚阈值特性影响的仿真分析。在仿真中考虑了与温度相关的热力学参数,采用从量子输运模拟中提取的热源进行宏观热分析,并利用六带k·p哈密顿量捕获热应力对材料能带结构的影响。研究了热应力如何影响器件势能、导通电流、泄漏电流和亚阈值摆幅(SS)等关键性能指标,比较和分析了不同晶向配置、沟道长度以及热环境下的情形。 3.提出了针对具有多尺度、多物理场、多材料参数交叉耦合特征的异质集成结构的多物理仿真算法,揭示了异质集成结构中的多物理耦合作用机理,仿真分析了大功率器件自热引发的热应力对FinFETs量子输运的影响。 4.提出了新型量子光子器件和垂直输运场效应管(VTFET)载流子输运仿真算法,并结合实验验证了算法的准确性。揭示了量子光子器件中砷化镓(GaAs)量子点内载流子的弛豫机制和VTFET在不同控制电压下的工作机理。