关键词： 隐身材料   加拿大   量子   研发   伪装材料   隐身效果   周围环境   生物科技  

摘要： 2012年12月16日，加拿大超级隐形生物科技公司声称已经研发出通过使周围环境光波弯曲而实现隐身效果的量子隐形伪装材料。该伪装材料将对军事领域产生影响。这种隐身材料轻便、便宜，并且能消除热特征。身穿该材料的作战人员能够让人不知其所处位置，迷惑敌方作战人员。

关键词： 量子点   量子输运   量子主方程   自恰波恩近似   非平衡近藤效应   散粒噪声  

摘要： 与平均电流相比，散粒噪声（电流涨落）可以反映出输运机制中更深层次的意义。过去十年中，在零频和低频噪声方面人们做出了很多工作，也包括全计数统计。然而，更多的信息隐含在有限频率电流噪声中。例如，有限频噪声对量子统计更为敏感，可以在频率范围内揭示出不同统计的交叉(crossover)。此外，对于频率高于外加电压或者温度时的量子体系，有限频噪声是探测与本征激发和相互作用相联系的系统动力学的特征时间的一个有力工具。\n 在众多的计算散粒噪声的技术中，主方程方法，特别是粒子数分辨的主方程方法，是最为方便和有效的一个方法。然而，这种方法一般是建立在二阶Born-Markovian主方程基础上，这样就限制了它只能适用于大电压极限下的零频和低频噪声。\n 基于自洽波恩近似，我们发展了量子输运中一个改进的主方程方法，它超越了通常的二阶波恩近似。基本的思路是:在波恩近似下，用一个有效的约化传播子代替隧穿自能中的自由格林函数。我们将会证明这种改进的效果是十分显著的:它不仅可以重复出任意电压下非相互作用的精确结果，而且还可以预言库仑相互作用系统中的共隧穿(cotunneling)和非平衡近藤效应。特别的，粒子数分辨的自洽波恩主方程还提供了一个研究散粒噪声和计数统计的有效方案。\n 为了计算散粒噪声谱，我们在自洽波恩近似下建立粒子数分辨主方程（number-resolved master equation）。该主方程本质上是非马尔科夫的，而且包含多隧穿过程(multi-tunneling processes)和多体关联。我们将粒子数分辨主方程应用于非平衡近藤系统，预言了散粒噪声谱的非平衡近藤特性。粒子数分辨主方程方法超越了波恩-马尔科夫主方程方法，可以处理存在强库仑关联的非马尔科夫体系，即非平衡近藤系统在小电压情况下的输运散粒噪声。\n 此外，由于其拥有优美的结构，自洽波恩-量子主方程应用起来特别方便和准确，因此，它是量子输运中一个很好的工具。

关键词： 电流振荡   电流台阶   量子输运   电子迁移率   无结硅纳米线   晶体管  

摘要： 当前半导体工业已完全实现22 nm技术节点，器件物理栅长已经接近10nm。随着MOSFET尺寸继续缩小，当器件物理栅长减小至10nm甚至更小时，对于常规基于P/N结反型模式或者基于P+/P(N+/N)结积累模式晶体管，需要实现掺杂浓度在10nm内的突变，给工艺制备造成巨大挑战。在这种研究背景下，不含P/N结的无结硅纳米线晶体管被认定是纳米尺度MOSFET未来发展的一个重要方向。无结硅纳米线晶体管为统一重掺杂的栅控电阻。在器件导通态，载流子在纳米线体内输运，在截止态，纳米线沟道被完全耗尽。本论文对无结硅纳米线晶体管的工作原理、制备工艺以及电学特性进行了详细探讨，并重点研究了无结硅纳米线晶体管在低温下电子量子输运行为及电子迁移率特性。\n 首先，介绍了无结硅纳米线晶体管的基本工作原理，通过与常规反型及积累模式晶体管对比，揭示了无结晶体管的巨大优势。从基本泊松方程出发，推导了无结晶体管阈值电压、源漏电流、亚阈值斜率的表达式，并阐述了其物理内涵。\n 其次，介绍了无结硅纳米线晶体管的制备工艺，并重点介绍了几步核心工艺，包括利用电子束光刻(EBL)和硅感应耦合等离子体(ICP)刻蚀在SOI衬底上定义出长度约500 nm，最小宽度仅为～50 nm的规则纳米线条，纳米线条误差在10nm以内;通过牺牲氧化去除刻蚀损伤并进一步细化纳米线条;利用电子束负胶APN-7520.18定义最小尺寸仅为70 nm的多晶硅栅条。最终得到横截面尺寸约为30 nm×30 nm的规则纳米线条。\n 第三，研究了单沟道器件低温下(＜100 K)的量子输运行为，在器件转移曲线上平带电压之前表现出明显的电流振荡，平带电压之后表现出周期性的电流台阶。平带电压之前的电流振荡可能是因为电子的共隧穿的结果，周期性的电流台阶对应连续被填充的子带。通过实验结果与理论计算相结合，证实了低温下电子从零维到一维的输运演变特性。\n 最后，研究了低温电子迁移率特性，揭示了无结器件低温电离杂质散射对电子迁移率的支配作用，并研究了极低温度下(＜30 K)，杂质不完全对电离对电子迁移率的影响。因热激活和杂质散射的共同作用，从7K到75 K，电子迁移率在15K取得最小值。实验测试得到归一化电子迁移率的温度依赖特性与理论计算结果十分吻合。

关键词： 深紫外发光二极管   光学偏振特性   光致发光谱   量子结构   光学特性  

摘要： Ⅲ族氮化物材料包括氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)和氮化铟(InN)及其三元、四元合金，是当今化合物半导体材料体系中最重要的一种。Ⅲ族氮化物是直接带隙半导体材料，其禁带宽度从窄带隙InN的0.7eV到宽带隙AlN的6.2eV宽广范围内连续可调，这使得它们非常适合于从近红外到深紫外波段的光电应用。例如，发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、和光电探测器(PD)等。本文主要利用光谱学手段研究用于紫外LED的GaN基材料及其低维量子结构。\n (1)研究了三个不同波长c面紫外LED的发光偏振特性。随LED有源区AlGaN材料的Al组分提高，即紫外LED发光波长越短，LED边发射光的偏振度降低，而辐射功率与外量子效率也同时降低。对于同一波长的紫外LED，紫外LED的边发射光偏振度和外量子效率随注入电流增大而降低。\n (2)研究了Al0.26Ga0.74N/GaN超晶格发光的偏振特性及其应变效应。结果表明Al0.26Ga0.74N/GaN超晶格边发射光的偏振特性与GaN相近，均以TE模为主。Al0.26Ga0.74N/GaN超晶格边发射光的偏振度随面内压应变增加和量子限制增强而减小，其变化趋势与高Al组分AlN/AlxGa1-xN量子阱结构刚好相反。在实验外加应变范围内，Al0.26Ga0.74N/GaN超晶格边发射光的偏振度与面内应变εxx的关系可以线性拟合得到:P(SLs)=0.70+46.39εxx。AlxGa1-xN(AlN)/GaN超晶格结构作为紫外LED的有源区有利于提高LED的光抽取效率。相关结果对AlxGa1-xN/GaN超晶格结构紫外LED的器件设计具有指导意义。\n (3)通过不同In组分的c面InxAl1-xN材料的三个价带能级位置关系和相对振子强度(ROS)的计算结果详细分析了c面InxAl1-xN材料的光学偏振特性。无应变下，InxAl1-xN材料发光模式在TE模与TM模的转变点的In组分约为0.81。随着压应变增加，InxAl1-xN发光模式的转变点向低In组分方向移动;反之，随着张应变增大，其发光模式的转变点向高In组分方向移动。由理论分析结果，可以解释文献报道的与GaN晶格匹配组分的InxAl1-xN(x=0.17)材料发光较弱的现象。\n (4)对局域化能量不同的高Al组分AlGaN进行了变温光致发光谱的稳态与瞬态测量。研究了两个样品的热激活能，该激活能反映的是非辐射过程中的有效激活能。样品PL谱峰位随温度的变化呈现明显的“S”曲线，利用Varshni方程得到了样品的局域化能量。此外，还分析了样品的变温时间分辨光致发光谱，并由拟合求得样品荧光寿命τPL，辐射复合寿命τrad，和非辐射复合寿命τnr随温度的变化趋势。通过对上述结果的分析，我们认为AlGaN合金中可以出现与InGaN类似的强的激子局域化，而局域化的激子态发光，能够有效减弱非辐射复合作用，提高AlGaN材料的发光性能。

关键词： 碳量子点   杂化材料   光电转化   纳米材料  

摘要： 纳米材料作为纳米技术发展的重要基础，在微电子、生物医药工程、材料化学工程和传感器等诸多领域发挥出了重要作用。近年来，作为一类重要的纳米材料，荧光碳纳米颗粒（碳量子点）以其优异的光学性能、显著的尺寸效应和激发响应特征，引起了人们广泛的研究兴趣。与传统的荧光染料相比，这类荧光纳米粒子具有连续的发射光谱和稳定的光学性能，在水中的分散性更为优良。此外碳量子点由于具有生物相容性好，廉价无毒，环境友好等特点被广泛认为是传统的重金属基量子点的替代品。当前，碳量子点主要有三个发展方向:一是探索碳量子点荧光物理行为的产生机制，为碳量子点的研究提供理论支持;二是寻求简便高效的合成方法，为碳量子点的研究提供技术支持;三是开发面向能源、生物医学、材料、微电子等多领域的新型应用，解决现有应用中存在的瓶颈问题。\n 近几年来，通过微纳米加工技术实现碳量子点的构筑有了飞速的发展，但是传统的加工技术中仍存在合成步骤繁琐、反应条件苛刻以及合成成本高等缺点，从而限制了碳量子点的制备。因此，设计开发创新性的绿色、高效加工技术，以制备出高功能性、无毒环保的新型碳量子点纳米材料仍是纳米科学的一个巨大挑战。此外，碳量子点在实际应用中具有难以操控和加工成型等缺点，而通过碳量子点与聚合物复合杂化的方式可以克服这一问题，并赋予材料新的功能和特性，实现纳米材料工程化和结构、功能的集成一体化。\n 本文以高性能荧光碳量子点的合成为导向，基于低温等离子体技术和高温裂解技术实现了性能优异的新型荧光碳量子点的快速制备，重点研究了其在光电器件领域的潜在应用;同时成功构筑了具有新颖功能的多维尺度碳量子点-聚合物复合杂化材料，满足了实际应用的需要。具体开展了以下工作:\n (1)以合成功能性碳量子点为目标导向，采用丙烯酰胺为碳源前驱体，通过低温空气等离子体辅助法，在10 min内快速制备出具有优异光学性质的碳量子点。通过合理优化工艺条件调控碳量子点的生长过程，通过红外、紫外-可见吸收光谱、荧光光谱、荧光寿命、TEM等表征手段考察碳量子点各项性能，同时探索等离子体合成碳量子点的机理，并研究了不同条件（如激发波长、等离子体处理功率等）对碳量子点的荧光性能及量子产率的影响。更有趣的是，我们进一步开发了其在LED器件构筑领域的应用，为碳量子点在光电器件领域的应用提供了一条新途径。\n (2)进一步拓展荧光碳量子点的制备新方法，以来源广泛廉价的天然原料作为前驱体，通过高温热分解法直接制备具有优异荧光性能的碳量子点。通过合理优化工艺条件调控碳量子点的生长过程，探索了并研究了碳量子点在不同条件下（如激发波长、pH值和溶剂等）的荧光性能;创新将其应用于敏化太阳能电池领域，实现了碳量子点的光电转换。这种方法以生物质为前驱体，不仅保证了产物的低毒性和低成本，而且克服了之前报道的碳量子点制备方法复杂的问题，为新型碳纳米材料的研究提供新的理论依据和思路。\n (3)以实现碳量子点与高分子聚合物的功能集成为目的，构筑综合性能优异的碳量子点-聚合物杂化材料，并通过不同手段实现多尺度下杂化材料的形貌调控，分别采用微流体纺丝技术、流延刮涂成膜技术和微流控技术构筑1D、2D和3D的碳量子点-聚合物杂化材料，实现两者综合性能优异的目的，探讨各参数对杂化材料微观结构及光学性能的影响。最后，开发杂化材料在平板显示和荧光防伪方面的潜在应用，为构筑功能性荧光碳量子点-聚合物杂化材料提供了一条可行之路。

关键词： 隐形材料   加拿大   量子   研发   美国国防部   高科技公司   先进材料   夜视镜  

摘要： 加拿大一家高科技公司研发出一种名为“量子隐形”的先进材料。据报道，使用“量子隐形”材料制作成的衣服，可以透过反射穿衣者身边的光波，使穿着这种衣服的人达到“隐形”的效果。该技术更可用于军事上，让士兵像穿上“隐形军服”，还可以避过夜视镜。据介绍，该技术已经向美国和加拿大军方展示，而且已经获得美国国防部的支持。（***）

关键词： 量子输运   零结果测量   量子相干   连续能谱   势阱间转移   多体纠缠态  

摘要： 量子点与具有连续谱介质之间的耦合，涉及到许多基础的物理问题，展示了丰富多彩的物理现象，受到研究人员的广泛关注，并取得一系列的进展。人们通过研究这些相关的问题，建立了许多适用于实际系统的理论模型。\n 我们考虑这样一个量子体系:两个量子点被具有连续能谱的热库介质远距离分隔，并且量子点分别与库耦合。在这样具有一般意义的量子系统中，系统展现了非常奇特的性质。我们研究了粒子在这种系统中的行为。\n 我们发现，虽然整个系统具有一个连续谱介质，但体系在介质中可以具有局域化的本征态，这些局域化本征态就是在被分隔开的量子点中局域化量子态的线性叠加。实际上，在连续介质中的局域化本征态类似于原子系统中的“暗”态。不同之处在于这里的态是两个空间距离较远的成分的线性叠加。揭示了大尺度上的量子相干效应。\n 一个初始状态在势阱中的粒子，可以穿过一个具有连续能谱的库，出现在另一个量子势阱中。并且，在这个过程中，如果对库进行连续测量，不会在库中探测到这个粒子，这样的隧穿过程就是零结果(null-result)测量。\n 我们发现，对库的连续观测并没有影响粒子在势阱间的转移。这意味着在热库中没有观测到粒子的情况下，粒子却有一定的几率出现在右边的势阱中。并且，我们阐述了这样一个现象:所有隧穿通过分立态之间连续介质的粒子，在介质中是探测不到的。如果粒子在库中被探测到，它就不会再出现在右边的势阱中。\n 在库中零结果的测量，可以证明从任意的初始态自由演化，这些本征态都是孤立的。并且，在连续谱中，系统可以从任何初始状态通过幺正演化趋近于局域化态。通过改变势阱和库之间的耦合比值，可以来调节最终的叠加态。可以通过加大这个比值，把粒子锁定在其中一个势阱中。通过调节量子势阱的参数，制造远距离的量子点中的多体纠缠态。

关键词： 石墨烯   第一性原理   量子输运   场效应管   能隙调控   金属界面性质  

摘要： 随着2004年出现物理微机械剥离生产石墨烯的简单方法，真实的二维单原子层材料第一次出现在人们面前。石墨烯立即成为物理化学和材料科学的研究热点，并且于获得了2010年的诺贝尔物理学奖。人们对材料的认识也从三维、零维、一维推进到了严格的二维。纳米材料的研究也从零维的纳米晶粒/富勒烯，一维的纳米线/纳米管为主，把注意力越来越转向二维纳米材料。石墨烯中的电子可视为无质量的狄拉克费米子，具有很高的载流子迁移率，可以用作制备快速切换的场效应管。同时由于其平面结构，也使其易于集成到装置中。\n 由于纯的石墨烯能隙为零，石墨烯场效应管的室温开关比很低，不适合做有效的逻辑器件，所以打开它的能隙并维持高迁移率是其走向逻辑器件应用的关键。本文中，我们首先提出一种打开单层石墨烯能隙同时保持其高载流子迁移率的方法，将单层石墨烯夹于双层硼氮片形成三明治结构。我们通过第一性原理研究其电子性质。发现发现在合适的堆叠方式下，石墨烯可以打开0.16 eV的能隙。如果在BN/石墨烯/BN复合结构加上垂直电场，能隙可以进一步提高到0.34 eV。考虑多体效应作GW修正后，能隙可增加50％以上，可以满足实际逻辑器件的需要。通过有效质量计算，他们发现石墨烯的高迁移率在能隙打开后仍然可以维持。第一性原理量子输运计算也显示基于此三明治结构的双门场效应管具有电场增强的输运能隙，且电流开关比相比纯单层石墨烯场效应管大8倍。理论上讲，BN/石墨烯/BN片三明治结构是目前连续调控单层石墨烯能隙又能维持高迁移率的最有效的方法之一。\n 尽管纯石墨烯不适合做逻辑器件，但可利用高的载流子迁移率做高截止频率的射频器件，因为射频器件不需要很大的开关比，所以石墨烯的射频研究是石墨烯器件研究的另一个热点。目前实验上石墨烯场效应管测得的截止频率一直随沟道长度的减小(已减小到40nm)而增大，测得的最大截止频率为300GHz。我们通过第一性原理量子输运方法研究了亚10纳米石墨烯场效应管的射频性质，发现其截止频率依然随沟道长度减小而反比增大，因此可以通过连续缩小石墨烯晶体管的沟道长度提高截止频率，最高可达几十太赫兹。如果设法打开石墨烯能隙，其输出特性曲线会出现非常明显的电流饱和，这将大大提高器件的电压赢得和最大震荡频率，同时太赫兹以上的截止频率依然得到保持。本工作为把石墨烯射频场效应器件表演推向极限提供了理论指导。\n 石墨烯的器件应用通常需要金属做电极，当器件的尺寸较小时，金属电极与石墨烯之间的接触作用通常会对器件的性能表现产生重要影响。同时实验上一般通过化学气象沉积法在金属衬底表面生长大面积的单层或多层石墨烯。所以石墨烯与金属接触的界面性质研究也很重要。我们最后通过第一性原理系统研究了双层石墨烯与不同金属表面接触的界面性质。根据吸附的强度和双层石墨烯电子结构受到的影响程度，这些界面可以分为三类。第一类衬底的界面包括Al，Cu，Ag，Au和Pt，双层石墨烯物理吸附在这一类衬底上，并且打开一个0.10-0.20 eV的能隙。第二类衬底的界面包括Co，Ni和Ti，双层石墨烯化学吸附在这一类衬底上，接近金属表面的底层石墨烯的电子结构被严重破坏而远离金属表面上面一层石墨烯的电子结构保存完好。第三类衬底的界面包括Pd，双层石墨烯在其上面的吸附处于典型的物理吸附和化学吸附之间，底层石墨烯的电子结构被严重破坏，而顶层石墨烯被打开一个大小为0.12eV的能隙。本工作不仅为双层石墨烯与金属衬底接触的界面性质提供了一个全面的认识，同时也为双层石墨烯器件选择合适的电极材料提供了指导。

关键词： 自旋电子学   异质结构   量子输运   磁阻效应   自旋流  

摘要： 巨磁阻效应和自旋流操控是自旋电子学的中心课题，也是凝聚态物理研究的热点。它们不仅具有理论价值，也具有非常广泛的应用价值，能为现代电子学的发展产生革命性的影响。比如传统的基于三明治结构的巨磁阻效应已经被应用到现代计算机的存储系统，促进了现代存储技术的不断发展。而关于自旋流的产生和操控的研究则将为未来电子器件的发展和应用引领新的方向。另一方面，铁磁和超导作为两种不同的物质序无论从基本物理机制方面还是从未来应用方面都激起了人们不断的研究兴趣。\n 本论文以异质结构在自旋电子学中的应用为出发点，利用Blonder-Tinkham-Klapwijk(BTK)理论研究了包含超铁磁和超导的异质结构中的量子输运问题。在这种异质结构中，低能输运性质由Andreev反射主导，而Andreev反射又受到铁磁与超导相互作用的影响，从而使得在这些系统中发现了奇异的电输运和自旋输运性质，获得了电巨隧穿磁阻效应和自旋巨隧穿磁阻效应。这些输运性质和效应在未来的量子器件设计方面具有重要的应用价值。\n (1)铁磁体/铁磁体/s波超导体双结结构中的巨隧穿磁阻效应。在该系统中当左边铁磁体处于半金属极限时，低能电输运由相同自旋子带Andreev反射过程主导，在该过程中入射电子和Andreev反射空穴属于相同的自旋子带。该系统中的相同自旋子带Andreev反射非常敏感地依赖于铁磁中的两个磁矩的相对取向，基于不同磁矩取向对应的电导值，定义了该系统中的隧穿磁阻并且得到了巨大的磁阻值。在T/Tc＜＜1时，TMR＞106％。除此之外，还发现了隧穿磁阻随中间铁磁的宽度和自旋极化的振荡行为。\n (2)铁磁体/铁磁体/s波超导体双结结构中的自旋输运。在该系统中隙内自旋导通过Andreev反射非常强地依赖于两个磁矩的相对取向，当系统处于磁矩共线结构（平行或反平行）时，有限温度的隙内自旋导接近为零;当系统处于非共线结构时，隙内自旋导取有限值，该有限值在磁矩互相垂直附近达到最大值。基于共线和非共线结构的隙内自旋导值，定义了该系统的自旋隧穿磁阻，并且获得了巨大的磁阻值。还对自旋隧穿磁阻的温度效应，随自旋极化的变化以及关于铁磁厚度的振荡行为进行了研究。\n (3)铁磁体/自旋三重态超导体中的磁阻效应。在该系统中，由于自旋三重态超导中d矢量的存在，Andreev反射依赖于铁磁中磁矩和三重态超导中的d矢量的相对取向，这是铁磁序和超导序相互作用的结果。研究了三种类型的p波能隙函数对应的隧穿电导和磁阻效应。巨大的磁阻值可以在强自旋极化和低温区获得。\n (4)正常金属/铁磁体/自旋三重态超导体中的量子输运。在该系统中，不仅有可能通过外加弱磁场调节铁磁中磁矩方向的方式获得奇异的电输运和电隧穿磁阻效应，而且有可能通过相同的方式获得新奇的自旋输运性质。当铁磁中磁矩处于z轴方向而且与三重态超导中d矢量垂直时，系统中的自旋沿z轴的自旋导恒为零，这与系统中其它参数无关，是铁磁和三重态超导相互作用的结果;当磁矩和d矢量方向不垂直时，自旋导为有限值。这使得该系统有可能作为自旋输运的开关。\n 这里需要指出，虽然在上述系统中电或者自旋输运性质都依赖于系统中的两个矢量的相对取向，但是对每个结构而言这种依赖关系是不同的，它们源于不同结构中的不同的物理机制。期望这些结构中的奇异输运性质能够在实验上得到验证并被用于未来的量子器件的设计中。

关键词： 串型耦合双量子点   自旋阻塞   自旋反转隧穿   磁输运性质  

摘要： 使用双杂质安德森模型的哈密顿量,从理论上研究了串型耦合双量子点系统处于自旋阻塞区时的磁输运性质,并用主方程近似方法求解了哈密顿量.结果表明,自旋轨道耦合作用导致的双量子点间的自旋反转隧穿能够解除系统的自旋阻塞.同时也研究了超精细相互作用导致的在量子点内自旋反转和双量子点之间的自旋关联对系统的磁输运性质的影响,取得了一些有价值的结果,并对相关的物理问题进行了讨论.