关键词： 量子点   输运   微分电导  

摘要： 采用格林函数方法,计算了电子通过量子点输运的微分电导,计算结果显示电导与偏压关系曲线中出现一个狭窄的电导尖峰和一个展宽的电导峰,与实验观测一致,本文分析了两个电导峰出现的物理原因.

关键词： 石墨烯-量子点复合材料   制备方法   应用  

摘要： 石墨烯因其独特的物理化学性质以及潜在的巨大应用价值引起了越来越多的研究兴趣,但其特殊的零带隙结构却限制了它在光电领域的应用。半导体量子点因其特有的量子尺寸效应而表现出迷人的光学性能,已成功应用于生物标记及电化学等领域,但电子-空穴对易复合湮灭,导致电子迁移率较低,限制了其在光电转换方面的应用。石墨烯独特的结构和电子特性使其成为优秀的导电支架,可从量子点中捕获并输运电子,实现了电子空穴对的有效分离。石墨烯-量子点复合材料不仅具有石墨烯的高电子传输性能,而且具备量子点特殊结构产生的量子尺寸效应和边缘效应,二者复合后在纳米器件和光电器件等领域极具应用潜力。本文详细总结了近年来石墨烯-量子点复合材料的制备方法,包括相转移法、静电复合、水热和溶剂热法以及电化学法和微波辅助法等,并简要介绍了相关应用领域的研究进展,以期为石墨烯基纳米复合材料的发展研究提供相关的参考与依据。

关键词： ENERGY transfer   PHOTOSYNTHETIC reaction centers   QUANTUM theory   STOCHASTIC convergence   ENERGY gaps (Physics)  

摘要： Underlying physical principles for the high efficiency of excitation energy transfer in light-harvesting complexes are not fully understood. Notably, the degree of robustness of these systems for transporting energy is not known considering their realistic interactions with vibrational and radiative environments within the surrounding solvent and scaffold proteins. In this work, we employ an efficient technique to estimate energy transfer efficiency of such complex excitonic systems. We observe that the dynamics of the Fenna-Matthews-Olson (FMO) complex leads to optimal and robust energy transport due to a convergence of energy scales among all important internal and external parameters. In particular, we show that the FMO energy transfer efficiency is optimum and stable with respect to important parameters of environmental interactions including reorganization energy lambda, bath frequency cutoff gamma, temperature T, and bath spatial correlations. We identify the ratio of k(B)lambda T/(h) over bar gamma g as a single key parameter governing quantum transport efficiency, where g is the average excitonic energy gap. (C) 2014 Author(s). All article content, except where otherwise noted, is licensed under a Creative Commons Attribution 3.0 Unported License.

关键词： 分子束外延   锑化物   迁移率   量子阱   结构设计   电学性能   晶格失配  

摘要： 随着Si基晶体管集成度规模的成倍增大、线宽尺寸的不断减小，其速度和功耗等综合性能正在逼近物理极限，作为替代，采用Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料成为发展下一代更高速、更低功耗微电子学集成器件的主流路线图之一。相对于研究较早的GaAs、InP体系微电子学器件，锑化物体系微电子学物理和器件研究则相对较少。但实际上，锑化物半导体不仅具有独特的能带结构，而且其电子、空穴迁移率都远远超过上述其他材料体系，是实现高速、高频、低功耗和低噪声器件的理想结构。近年来，锑化物材料实验研究逐步深入，其高电子迁移率n-沟道、高空穴迁移率p-沟道晶体管器件的结构设计、材料性能、器件工艺研究成为这一领域的前沿热点。本论文围绕锑化物外延材料生长、器件制备工艺等核心科学技术问题，深入系统地开展了锑化物高迁移率电学器件的结构设计、材料外延生长及电学性能表征等研究工作，利用AlGaSb缓冲层解决了半绝缘GaAs衬底上有源区与衬底材料晶格失配难题，实现了AlSb/InAs/AlSb高电子迁移率量子阱、AlGaSb/InGaSb/AlGaSb高空穴迁移率量子阱结构，主要研究结果如下:\n (1)研究了半绝缘GaAs衬底上外延生长～8％的晶格失配的AlSb和Al0.75Ga0.25Sb两种缓冲层结构。研究表明:AlSb与GaAs界面处存在螺旋位错导致AlSb层表面有螺旋形鼓包，而采用Al0.75Ga0.25Sb的缓冲层表面鼓包不存在螺旋台阶。\n (2)对比了AlSb和Al0.75Ga0.25Sb为缓冲层上生长的AlSb/InAs/AlSb深量子阱结构。相比于AlSb缓冲层，采用Al0.75Ga0.25Sb缓冲层的量子阱其表面更平滑，室温电子迁移率较高达到27，000cm2/Vs。透射电子显微镜研究表明，进一步采用有源区快门优化控制方法可以获得界面平整的AlSb/InAs/AlSb高质量异质结。\n (3)生长了Al0.84Ga0.16Sb/In0.41Ga0.59Sb/Al0.84Ga0.16Sb、AlSb/In0.41Ga0.59Sb/AlSb和Al0.84Ga0.16Sb/GaSb/Al0.84Ga0.16Sb三种高空穴迁移率量子阱结构。其中，有2％压应变的Al0.84Ga0.16Sb/In0.41Ga0.59Sb/Al0.84Ga0.16Sb量子阱的空穴迁移率最高，空穴迁移率在[110][1-10]两个方向相差很小。由此获得的In0.41Ga0.59Sb量子阱沟道材料外延生长温度的优化参数为350℃～370℃。截面透射电子显微镜、原子力显微镜、XRD衍射和Hall bar测试结果显示:Al0.84Ga0.16Sb应变缓冲层完全弛豫，有效阻止了失配位错的延伸，样品表面形貌光滑、有源区界面陡直。\n (4)优化了Al0.84Ga0.16Sb/In0.41Ga0.59Sb/Al0.91Ga0.09Sb量子阱Be调制掺杂浓度。在掺杂浓度为3.34×1018cm-3时，室温空穴迁移率最高达1000 cm2/Vs。变温霍尔测试表明:从300K到160K，空穴迁移率主要受声子散射制约;低于160K时，空穴迁移率主要由电离杂质散射机制决定。从300K到77K，空穴掺杂面密度与温度无关，证实了量子阱中二维空穴气来源于调制掺杂。

关键词： 半导体量子点   量子比特   光子辅助隧穿   电容耦合四量子点   近藤效应  

摘要： 半导体异质结门控量子点，在目前试图实现量子计算的各种方案中，是一个有力的竞争者。同时也是研究量子输运过程一个优秀平台。本文针对这两个方面，在极低温环境下展开了一些工作:1研究了半导体平行串联双量子点（单比特）上的光子辅助隧穿过程;在此基础上，进一步研究了电容耦合四量子点（两比特）的比特间耦合强度，为进一步完成受控非门量子操作打下了基础。2在电容耦合四量子点上，探索了近藤效应这一量子输运过程。\n 本文主要包括以下内容:\n 1介绍了关于半导体量子点上实现量子计算的基本概念以及原理。\n 2介绍了从晶圆开始，完成半导体量子点样品的整个微纳加工工艺流程，包括一些技巧和经验。以及搭建一个实验所需要的极低温平台。\n 3从一个串联双量子点上的光子辅助隧穿实验出发，介绍了基本的测量方法和原理。最高我们观察到了14阶光子的过程，并从干涉图样证明了这是一个Landau-Zener-Stükerlberg(LZS)过程。\n 4介绍了半导体门控量子点上实现量子受控门的基本原理。我们设计了量两比特的实现结构，将双量子点扩展到电容耦合四量子点。我们实现了其中非常重要的参数，两组量子点之间的电容偶和强度J的测量。数值在20GHz左右。结合之前测得的双量子点间的隧穿耦合强度来看，完全有希望在这个系统上实现一个受控非门操作。\n 5介绍了半导体门控量子点上近藤效应的一些主要进展，包括单量子点上的单磁性杂质近藤效应和双量子点上的双磁性杂质近藤效应。我们进一步研究了四量子点上的近藤效应。通过一组双量子点来调制另一组双量子点，我们发现了一种新的近藤效应电导图样。\n 本文的主要创新点有:\n 1在较高的电子温度(3-4K)下，观察到了阶数非常高(14阶)的光子辅助隧穿过程。并进一步证明了LZS干涉过程的存在。这为在双量子点上完成一个单比特操作提供了一个重要保证。\n 2在半导体门控量子点体系上，两比特实验研究的数目非常少。文中详细描述了一个电容耦合四量子点结构，并测量出了这个系统哈密尔顿量中的最重要参数。这为在四量子点上完成一个两比特操作提供了一个重要保证。\n 3在半导体门控四量子点体系上，从未有过关于近藤过程的实验研究。本文首次对一组双量子点受到另一组双量子点耦合调制情况下的近藤效应进行了研究，发现了一些从未报道过的全新现象。

关键词： 碲化汞量子阱   拓扑绝缘体   散射矩阵   量子自旋霍尔效应   电子输运   狄拉克费米子  

摘要： 本文从理论上研究了HgTe拓扑绝缘体材料中，狄拉克电子的输运性质。我们的研究包括了狄拉克费米子的基本物理特性和如何利用这些输运特性在微结构中实现特定的电子器件功能。全文分为如下六章:\n 第一章为绪论，主要介绍拓扑绝缘体材料的一些基本概念，研究动机和重要的研究进展。\n 第二章介绍本论文采用的理论模型，我们给出了散射矩阵方法的两个例子和详细理论推导。\n 第三章我们理论上分别研究了狄拉克电子在具有反转结构的HgTe/CdTe量子阱的体系下通过一个量子点接触和两个量子点接触的输运性质，从理论上提出可以利用量子点接触全电地控制HgTe二维电子气霍尔沟道中边缘态的输运。通过改变量子点接触栅极上的电压，可以调节量子点接触的宽度，从而实现调控增强或减弱边缘态之间的耦合，阻断和导通沟道的导电行为，控制拓扑边缘态的输运。当量子点接触的宽度接近于电导的开/关态的转折点，电导随着量子点接触的长度的变化出现由Fabry-Pérot共振引起的震荡行为。拓扑边缘态通过量子点接触的输运特性同样可以通过调节拓扑边缘态和体态之间的干涉来实现，这为操控边缘态提供了另外一种手段;在拓扑绝缘体材料中我们发现了完美的共振态，即边缘态可以共振遂穿通过由于有限尺寸效应导致的带隙Eg，而对于普通绝缘体则无法通过带隙Eg。\n 第四章我们理论研究了电子在HgTe/CdTe量子阱的准一维系统中，通过周期调制势结构的输运情形。调制势可以通过门电压产生，在实验上容易实现。我们发现不同的周期调制势区域之间的耦合作用机制产生两种超晶格效应导致的超晶格mini-gap（△g1和△g2）能够完全阻塞边缘态，实现全电操控边缘态的目的。其中△g1来源于有限尺寸效应的Egap在引线端的能谱垂直移动了V0/2造成的;△g2则是由于边缘态与体态的耦合导致的带隙。如果考虑门电压引起的Rashba自旋轨道耦合作用，我们发现不用自旋之间完全spin-flip的输运特性。这种利用电调制和周期结构来操控边缘态实现“开”/“关”态以及自旋完全spin-flip的机制，为我们在实验上操控边缘态提供一种方便的手段。\n 第五章我们理论研究了二维拓扑绝缘体HgTe材料中狄拉克电子加上磁场后的性质以及在单个垂直磁垒下的量子输运行为。我们发现HgTe拓扑绝缘体（量子自旋霍尔效应）加上磁场后，会有一个从量子自旋霍尔效应到量子霍尔效应转变的一个机制，当磁场超过某一临界磁场时，就变成量子霍尔效应;对于加上相同的磁场大小和方向，spin-up与spin-down的能谱会发生完全不同的变化。我们计算了方形单个磁垒下的电导和透射几率。我们发现对于方形磁垒，总电导和透射几率依赖于磁场强度的大小（磁垒的高度），磁垒的长度以及入射费米能量。当磁场强度大于某一临界值时，出现了半电导行为(G=e2/h)，即一支边缘态可以通过，而另外一支边缘态被blocked掉。这些研究为让我们更深刻了解了HgTe拓扑绝缘体中加上磁场后的性质，也为我们提供了利用拓扑绝缘体材料构件波矢过滤器的新方案。\n 第六章是本论文的简要总结。

关键词： 多量子阱   应力调制   量子限制斯塔克效应   载流子捕获   内量子效率   复合机制   发光二极管  

摘要： GaN基光电子器件是当今半导体光电子领域的科学研究和产业发展的热点。其中GaN基发光二极管(LED)、激光二极管(LD)在固态照明、宽带激光通讯、高密度存储、彩色复印和打印和医疗诊断等领域有广泛的应用和巨大的市场需求。在迅速产业化的基础上，LED发光效率的提高仍是目前科技界和产业界的主要关注热点。InGaN/GaN多量子阱结构拥有较宽的谱线覆盖范围，从紫外到近红外，并且有良好的发光性能，为氮化物LED和LD的有源区结构，是决定发光效率的关键之一。InGaN/GaN多量子阱结构中存在显著的量子限制斯塔克效应(QCSE)，高In组分黄绿光波段的LED发光效率很低，高In组分结构外延生长困难，晶体质量变差使得器件特性进一步恶化。本论文工作就此开展了InGaN/GaN多量子阱结构和性质的研究，运用能带工程，通过优化异质结构，克服晶格自身的应力场，抑制QCSE，获得高效率的发光性能。并针对InGaN/GaN量子阱内部的复合发光机制，阱间载流子交互，微结构与宏观光学性质之间的关系进行了系统的实验研究，取得的主要成果如下:\n 首先，研究了三明治多量子阱结构与双波长量子阱结构相结合的新型LED结构，明确了新结构对提高LED发光效率所起的显著作用。实验表明:新型LED结构的内量子效率大幅提高，并且表现出反常的变温特性——即随着温度的升高，内量子效率出现反常上升现象。在325nm激发下，总的发光强度在温度10K到140K之间略微下降，从140K开始上升直到220K，之后又下降。而470nm左右的主发光峰更是在温度10K到140K之间内量子效率保持平稳不变，140K以上开始上升，在220K到达最大值125％，之后随着温度的升高内量子效率有所下降，但直到常温仍大于100％，即常温的发光性能优于10K时的发光性能。\n 其次，从作用机制上对三明治多量子阱结构和双波长量子阱结构进行了载流子动力学研究。通过改变激发波长，达到双阱激发和只有深阱被激发两种情形，从而分析浅阱的载流子输运作用。通过与长有普通双波长量子阱结构的对照样品对比分析可以得到三明治量子阱结构的性能优势。借助变温时间分辨光谱的实验结果，可以进一步对阱间载流子交互及量子阱内载流子复合特性进行分析研究。研究表明:三明治结构能够有效提高电子空穴交叠，减小组分涨落，抑制QCSE，从而提高内量子效率;双波长量子阱结构提供了载流子的重分配，浅阱为深阱提供了补充载流子，另外新型的三明治结构具有很高的载流子捕获能力，从而大幅提高了深阱的发光效率。\n 另外，鉴于光谱学研究作为表征材料、结构特性，研究内部作用机制重要的研究手段，提高精度、构建丰富实验条件诸如一系列激发波长、显微/大光路、变温、高压等，对于设计实验和分析研究具有重要的意义。作者参与了基于SPEX1403双光栅光谱仪的开放式PL/Raman谱仪平台的搭建和完善工作，本论文对内外光路调节及匹配，显微光路的调节和耦合匹配等内容做了总结。

关键词： 强自旋轨道   耦合量子   压力效应   拓扑超导  

摘要： 高压可以诱导强自旋轨道耦合量子功能材料的绝缘-金属转变，高压在调控材料功能特性以及诱导材料新性质方面具有化学掺杂无法比拟的干净有效的特点。对于强自旋轨道耦合效应引发的3D拓扑绝缘体A2B3(A: Bi，Sb;B:Te，Se)体系，我们先前的实验研究表明压力可诱导Bi2Te3和Sb2Te3超导转变，进一步结合第一性原理计算表明超导态在低压区间保持常压拓扑结构属性，这为实现Majorana费米子及其在量子计算中的应用提供可能。为寻找更多可能的拓扑超导体我们在本论文对Bi2Se3、 Bi2Te2Se和Bi2TeSe2拓扑量子序化合物进行了高压在位结构和物性研究。结果表明压力诱导了绝缘金属转变，这与压力诱导的电子拓扑转变相互关联。进一步加压诱导了以上拓扑量子序化合物的超导态。和Bi2Te3及Sb2Te3的常压相就可以呈现压力诱导的超导转变不同，我们发现Bi2Se3的超导转变源于晶体结构相变。虽然Bi2Se3高压相具有体态金属特点，高压相的超导“遗传”了常压拓扑相的某些特点，呈现非常规超导特征。Bi2Te2Se和Bi2TeSe2常压相诱导了超导。我们的实验发现以上三种拓扑绝缘体的压力诱导超导转变温度（死）随压力的演化与载流子浓度密切相关。高压同步辐射XRD和高压拉曼显示它们发生结构相变，进一步结合电学性能测量，我们构建了超导结构相图。对于Sb2Se3，理论计算研究表明其在2～3 GPa压力附近从拓扑平庸绝缘体转变为拓扑非平庸绝缘体。高压电学测量表明，其在2～3 GPa附近发生绝缘体向金属相转变，在10 GPa诱导超导。超导转变温度（TC）随着压力的增加而增加，与载流子浓度变化密切相关，在20 GPa附近TC随着压力增加的增长率变小。高压XRD结果表明，在30 GPa内，Sb2Se3保持常压相晶体结构。高压Raman显示，在2.3 GPa、10 GPa和20 GPa附近发生局域结构演变，我们观察到压力诱导的绝缘-金属-超导转变与结构参数的变化密切相关。\n 过渡金属氧化物由于轨道、自旋、电荷，与晶格之间强的关联和耦合作用，展现了大量奇特的物理、化学性质。压力通过改变晶体材料的晶体场、原子间距以及成键强度，使得电子关联自由度发生变化，从而改变材料的体性质。在铱氧化物中，自旋轨道耦合与在位Mott相互作用、以及洪德定则耦合处于相同能量尺度，结构的些许变化将引发不同的基态量子序。高压成为调控诱导这些化合物新奇量子序的重要手段。本论文同时研究了具有强自旋轨道耦合特点的5d过渡铱氧化物压力调控的量子有序演化。

关键词： 量子点   超导体   Master方程   Andreev反射   输运特性  

摘要： 近些年来，随着自旋电子学和纳米加工技术的发展，在超小的纳米或分子设备中操纵电子电荷及其自旋已成为一个很活跃的研究领域，其目的是为了达到将单个分子作为元素器件的最终目标。在纳米结构体系中，量子点耦合多端子的混杂系统中一端子为超导电极已成为研究热点。一方面，此类混杂系统不仅扩展了自旋器件在自旋极化方面的输运而且还对理解超导机制提供了重要的信息;另一方面此类混杂系统为产生、调控、检测自旋提供了新颖的方法。\n 本文我们利用Master方程方法研究了量子点耦合了超导电极的三端子系统的自旋相关的输运性质。第一章主要介绍了一些基本概念和研究背景。第二章介绍了利用Master方程基本的推导方法。第三章以耦合到超导电极、铁磁金属电极及正常金属电极的三端子量子点混杂系统为研究对象，系统研究了自旋极化电子的Andreev反射过程对热电流的影响。研究发现，Andreev反射过程及正常的隧穿过程两种机制的竞争不仅导致热电荷流大小和方向的改变，而且导致热自旋流大小和方向的改变。实验上可通过调控门电压及超导体与量子点耦合强度来实现。还计算了此混杂系统的塞贝克系数，探讨了塞贝克系数随温度和超导电极的变化关系。第四章本章首先以一个量子点耦合两个铁磁电极和一个超导的混杂系统为研究对象，探讨了在偏压条件下通过可调控的门电压，来研究交叉Andreev反射，发现通过门电压可实现对超导电极中的电流进行调控，同时还发生超导电极的隧穿磁电阻效应(TMR)受到失谐的δ的调控。其次再把两个铁磁电极换成一个正常金属电极，一个铁磁电极，混杂系统变为一个量子点耦合一个正常金属电极、一个铁磁电极和一个超导电极，通过对右边正常金属电极电荷流的研究，我们发现在Andreev电流和自旋积累的相互作用下，正常金属电极可以产生纯的自旋流。还发现正常金属电极端产生的电荷流也受到失谐δ的调控。最后一章我们作了一个简单的总结和展望。

关键词： 静电纺丝   纳米晶   纳米杂化材料   图案画   荧光量子点材料  

摘要： 作为纳米科技的基础，纳米材料已经在医药工程、生物、电子、光学器件、传感器等诸多领域发挥出了重要作用。量子点纳米晶作为一种重要的荧光纳米材料，与传统的染料相比，具有稳定的荧光性能和连续的发射光谱，而且因其独特的量子尺寸效应、表面效应、小尺寸效应、介电限域等效应，量子点纳米晶展现出了独特的电、磁、光、催化等性能，因此引起了科研工作者广泛的研究兴趣。然而，如何实现量子点纳米晶低成本和可持续性制备，仍然是一个亟待解决的问题。另一方面，量子点纳米晶具有难以精确控制成型加工的缺点，不易在实际应用使用，限制了其应用和发展。而荧光纳米材料和聚合物的组装结合可以克服这一问题，并赋予材料新的功能和特性。因此，如何提高量子点纳米晶与聚合物的相容性，实现对荧光纳米材料与聚合物的快速加工，实现荧光纳米材料结构功能的一体化，促进量子点纳米晶材料的制备以及在光、电、传感器中的应用，是荧光纳米材料发展急需解决的问题。\n 近年来，通过微纳米加工手段实现量子点纳米晶的功能化构筑取得了很大的进展，但传统的制备方法仍存在反应条件苛刻，毒性大、成本高等缺点，限制了量子点纳米晶的制备和应用。因此设计新型绿色环保、成本低廉的技术来制备量子点纳米晶功能化材料，仍是一个不小的挑战。基于此，本文主要通过新型的绿色合成路径降低制备成本，以应用为导向制备高质量的量子点纳米晶开展了以下工作:\n (1)以绿化量子点合成工艺为导向，基于静电纺丝技术通过固-液界面合成法，制备了无配体的CdSe半导体纳米晶。首先通过考察供给电压、接收高度、推进速度等不同纺丝条件对纤维形貌的影响，确定海藻酸钠的最佳纺丝条件。以负载金属离子的纺丝膜为固相，Se-TOP为液相，在140℃下通过固-液界面合成制备无配体CdSe纳米晶。探索了CdSe纳米晶在不同反应物配比情况下的反应动力学。以制备的无配体CdSe纳米晶为“荧光纳米墨水”，结合喷墨打印技术有效实现了纳米晶的荧光图案化，打印出的图案显示出“可见光不可见-紫外可见”的性能，可在防伪领域有广阔的应用。该绿色方法简便快速并易于控制，为制备半导体纳米晶提供了一条实用化新方法。\n (2)以设计功能性纳米微反应器为出发点，通过静电纺丝技术制备海藻酸钠纳米纤维。借助海藻酸钠对金属离子的螯合作用，通过负载镉离子于纤维表面，实现限域空间的微反应器单元的构筑，通过引入硫源成功制备了CdS纳米晶。通过紫外、荧光、时间分辨荧光光谱的表征表明，得到的CdS纳米晶荧光性能良好，结合TEM分析制备的CdS结晶性较好。利用该微反应器反应原理，通过丝网印刷实现了纳米晶的功能性图案画，该应用可潜在用于S2-纳米传感器的设计。\n (3)以实现量子点与高分子聚合物的功能集成为目的，利用乳液静电纺丝静电纺丝结合气相沉积技术，制备了具有荧光-超疏水-光转换三功能的碳量子点/二氧化钛超细杂化纤维膜材料。考察了纺丝工艺如纺丝液浓度、电源电压、接收距离和推进速率等对杂化纤维膜微观结构和宏观性能的影响。通过不同温度的高温处理制备了不同荧光的聚合物基量子点杂化膜，水接触角测试表明高温处理后纤维膜仍可保持超疏水性能，创新的将该纳米杂化纤维膜其用于敏化太阳能电池领域，实现了碳量子点的光电转换。