关键词： 量子点存储器   空穴存储   热激活能   存储时间   红外探测  

摘要： 基于量子点能够俘获载流子并具有三维量子限制效应的特性，可将其作为信息存储单元，制作量子点存储器。这种存储器具有寿命长、容量大、读写速度快、存储时间长等潜在优势，在下一代非易失性(non-volatile)高性能存储器的研制中具有很大潜力。本论文基于InAs/GaAs及GaSb/GaAs两种量子点材料开展了新型存储器的研究，所取得的成果如下:\n 1.设计并研制成功在正偏压下工作的具有红外探测及电致发光双重功能的量子点新结构。此器件通过在单层量子点两边引入非对称的AlGaAs势垒来分别对电子和空穴施加不同的量子限制效应，并引入二维电子气对量子点补充电子以提高量子点子带跃迁几率。77K温度下该器件在3～7V正偏压之间实现了对5.6微米峰值红外光的探测，当偏压大于11V时，则可以发射峰值波长为1.03微米的电致荧光。\n 2.通过抑制As/Sb互混反应，成功在GaAs衬底上生长出高质量的Ⅱ型GaSb自组装量子点结构，量子点密度为2.8×1010cm-2，并具有较好的光学性质，13K时光荧光谱峰值为1.3微米，半宽为75meV。\n 3.利用InAs/GaAs量子点材料，设计并研制了电子型量子点存储器，深能级瞬态谱(DLTS)测得该存储器在负偏压下量子点的电子热激活能为220meV，室温存储时间理论值约为4微秒。同时，我们利用傅里叶红外光谱仪测试，得到量子点子带跃迁能量为220meV，与DLTS测试结果相符，说明量子点热激活能与子带跃迁能量基本相同。\n 4.重点研究了基于Ⅱ型GaSb/GaAs的空穴型量子点存储器。与InAs/GaAs量子点存储器相比，此结构具有更大的局域能，并且空穴有效质量大，逃逸几率低，因此具有更长的存储时间。我们引入AlGaAs势垒来进一步提高量子点对空穴的热激活能，通过DLTS测试得到负偏压下GaSb量子点对空穴的热激活能为540meV，通过CV测试得到了写入数据“1”和“0”的偏压范围。最终，我们研制了具有完整读写功能的三端量子点存储器器件，此器件通过在量子点下方引入二维空穴气以形成导电沟道，读写功能由控制栅压并测量沟道电流来实现。在室温和77K下均观察到读取电流回滞曲线，并通过在写“1”和写“0”脉冲下分别进行读取电流实时测试，最终得到该存储器不加偏压时室温存储时间为1.2s。

关键词： 量子点   共轭聚合物   复合材料  

摘要： 以过硫酸钾为引发剂,3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷为偶联剂,在甲基丙烯酸乙酯和甲基丙烯酸发生共聚的同时,将ZnO纳米粒子负载到聚合物上得到量子点ZnO/共轭聚合物复合材料。采用电镜(TEM和SEM)、红外光谱(IR)、紫外可见吸收光谱、荧光光谱(PL)、差示扫描量热仪(DSC)等方法表征复合材料的结构、形貌和光学特性。结果表明该法制备的无机/有机纳米复合材料不是简单的物理共混,聚合物表面与纳米ZnO之间存在分子间的作用力,纳米ZnO的加入增强了聚合物的吸光强度,并且使ZnO的吸收光谱发生了蓝移,聚合物的热分解反应速度加快。

关键词： 分子自旋滤波器   电子自旋输运   有机基团   密度泛函理论   量子输运   非平衡格林函数  

摘要： 在分子自旋电子器件中，单个分子被用作自旋的输运通道，因此分子自旋电子学有可能成为一种可行的途径在单分子水平上控制和操纵自旋的量子输运特性。实现自旋极化是构建具有特定功能、性能良好且结构稳定的分子自旋电子器件的前提。在本论文中，利用密度泛函理论与非平衡格林函数相结合的方法，分别设计了以金块体和单壁碳纳米管为电极的两类分子自旋滤波器，并重点研究了磁性分子和连接基团对以单壁碳纳米管为电极的分子自旋滤波器自旋输运特性的影响。\n 首先研究了通过-C≡C-、-CH=CH-、-CH2-CH2-、-CH2-这四种有机基团与金电极共价相连的苯分子的电子输运特性。理论计算结果表明，对于前三种连接基团，随着体系中π键的减少和σ键的增多，金-苯-金分子结在费米能级附近的透射系数依次减小。但对于亚甲基(-CH2-)连接基团，金-苯-金分子结在费米能级附近形成了一个透射系数很大且分布较宽的透射平台，其原因在于亚甲基的插入改变了金电极表面凸出金原子与苯分子平面的相对位置，从而大大增强了苯分子的π型前线分子轨道与金电极能带结构之间的耦合。可见，利用不同的连接基团能够有效地改变金-苯-金分子结的输运特性。因此，在苯分子两侧各增加一个-CN基团形成对苯二甲腈(p-dicyanobenzene，简写为DCB)，再将DCB分子分别通过Co或Fe磁性原子连接至金电极，发现这两种分子结均具有自旋滤波特性。特别是金-Fe-DCB-Fe-金分子结，不仅具有高达95%的自旋极化效率和自旋电流注入效率，而且费米能级附近少子通道的透射系数也达到0.61。\n 与金块体电极相比，单壁碳纳米管电极具有诸多优点，例如直径与典型的分子磁体尺寸相当从而有利于实现器件的高密度集成，并且易于大量获得高质量的单壁碳纳米管。更为重要的是，单壁碳纳米管中电子自旋的迟豫长度非常大，可用作具有弹道输运特性的自旋通道。但是，单壁碳纳米管本身是自旋简并的，需要磁性分子来实现自旋极化。因此，磁性分子以及分子与单壁碳纳米管之间的连接基团的选择对以单壁碳纳米管为电极的分子自旋电子器件的输运性质具有重要的影响。以Ni原子为连接基团，研究了二茂铁、二茂钴和二茂镍这三种金属茂络合物分子在单壁碳纳米管侧壁吸附对单壁碳纳米管自旋输运特性的调制作用。计算结果表明，Ni原子是一种较好的连接基团，因为Ni原子不但以很高的结合能吸附在单壁碳纳米管侧壁，而且既不改变单壁碳纳米管的自旋简并特性也几乎不改变单壁碳纳米管在费米能级附近的透射特性。当Ni原子进一步与金属茂络合物分子相结合时，Ni原子的态密度受金属茂络合物分子的调制从而引起碳管中的电子散射。特别是对于二茂钴和二茂镍分子，碳管的输运特性发生自旋极化，表明金属茂络合物分子与单壁碳纳米管相结合可用于构建未来的分子自旋电子器件。\n 最后以二茂镍分子为例，研究了化学上更容易实现的氮杂环丙烷(aziridinering)、吡咯烷(pyrrolidine ring)和酰胺基(amide group)这三种有机连接基团对侧壁吸附磁性分子的单壁碳管自旋输运特性的影响。计算结果表明，与吡咯烷和酰胺基不同，氮杂环丙烷不改变单壁碳管吸附位置处碳原子的sp2杂化性质从而对碳管费米能级附近的透射影响甚微。当二茂镍分子通过这些连接基团结合到单壁碳管侧壁后，单壁碳管均会表现出自旋极化的特性。但是，只有当氮杂环丙烷作为连接基团时，整个分子结的透射曲线才在费米能级附近出现较大的自旋极化。这表明氮杂环丙烷作为磁性分子与单壁碳管之间的连接基团能够使碳管呈现较好的自旋滤波特性。

关键词： Energy gap  

摘要： Properties of wave transmission in a photonic quantum well (PQW) structure containing superconducting materials are theoretically investigated. We consider two possible PQW structures, (AB)(P)(CD)(Q)(AB)(P)-asymmetric and (AB)(P)(CD)(Q)(BA)(P)-symmetric, where the host photonic crystal (PC) (AB)(P) is made of dielectrics, A = SrTiO3, B = Al2O3, and the PQW (CD)(Q) contains C = A and superconducting layer D = YBa2Cu3O7-x, a typical high-temperature superconducting thin film. Multiple transmission peaks can be seen within the photonic band gap (PBG) of (AB)(P) and the number of peaks is directly determined by the stack number of PQW, i.e., it equals Q-1. Additionally, the results show that symmetric PQW structure is preferable to the design of a multichannel transmission filter. The effect of stack number of photonic barrier is also illustrated. Such a filter operating at terahertz with feature of multiple channels is of technical use in superconducting optoelectronic applications.

关键词： cyclopentane derivatives   high energy density materials   impact sensitivity   quantum chemistry   DFT   available free space  

摘要： Nitro and amine groups were introduced into the cyclopentane skeleton, and the heats of formation, detonation performance, bond dissociation energies, and impact sensitivity for these aminonitrocyclopentanes were calculated in detail at the B3LYP/6-311G** level. The results show that all of the derivatives have negative heats of formation, which are influenced by the position of the substituent groups. Their stabilities were estimated and analyzed according to their bond dissociation energies and calculated characteristic H-50 values. Most of the compounds were found to have a lower impact sensitivity than HMX. Furthermore, the detonation velocities and detonation pressures were predicted via the Kamlet-Jacobs equation. Of all these aminonitrocyclopentanes, E has the best detonation properties (p = 2.05 g/cm(3), D = 9.11 m/s, P = 39.62 GPa) and can be considered as a candidate high energy density material.

关键词： 北京大学   凝聚态物理   博士后   材料科学   招聘启事   量子  

摘要： 北京大学量子材料科学中心(ICQM,http://***/)是直属于北京大学的一个新型教学与科研机构,成立于2010年1月。中心依托北京大学深厚的学术积累和多学科优势,打造一个适合于凝聚态物理和材料科学基础研究的开放型学术平台。中心致力于创造良好的学术研究环境,通过广泛的国际/国内、校际/校内合作,吸引一批国际一流的科学家、富有潜力的中青年科学工作者、年轻的博士后和学生,让他们在这一

关键词： 量子阱红外探测器   金属有机物化学气相沉积法   高分辨透射扫描电镜   室温   光致荧光谱  

摘要： GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器（Quantum Well Infrared Photodetectors，QWIP）是先进薄膜生长技术与微电子学相结合的新型红外探测器。具有材料均匀性好，生长制备工艺成熟，价格低，抗辐照性能好，及易于实现多色探测等优点。广泛用于生物医疗成像，空间资源检测，军事领域现代化高科技武器装备、地雷探测、红外制导系统、战场侦察、反坦克导弹热瞄镜等领域，已成为红外探测器的主流技术。但其较大的暗电流，较低的量子效率与过窄的频带宽成为其快速发展的瓶颈。 本文以GaAs/AlGaAs QWIP单元探测器为应用背景，从相关器件结构优化设计入手，使用金属有机物化学气相沉积法（Metal Organic Chemical VaporDeposition，MOCVD）进行量子阱材料生长，设计QWIP样品性能参数自动测试系统，利用高分辨透射扫描电镜（High resolution transmissionelectron microscopy，HRTEM）对器件展开微观结构分析研究，采用室温光致荧光谱（Room TemperaturePhotoluminescence，RT-PL）对样品进行势垒与势阱PL谱测试，以对其微观能级结构进行剖析研究。旨在提高光电流，减小暗电流，建立器件微观结构与宏观表征的关系，为实现QWIP能级结构设计与材料生长工艺的优化奠定基础。论文主要研究内容，结论与成果如下： 1、采用MOCVD生长30～50周期300μm×300μm台面，峰值响应波长8.5μmGaAs/Al0.3Ga0.7As量子阱样品数件，其电极压焊点面积大小与位置不同。对器件样品进行宏观光电特性测试，实验结果显示：样品暗电流，噪声，响应特性，伏安特性及探测率等呈现正负偏压的不对称性。结合样品的微观结构形貌，研究结果表明：样品界面位错穿过区域靠近AlGaAs层附近衬度区域的加宽，致使Al原子从AlGaAs层析出，导致穿透位错造成相位分离，这是引起量子阱光电性能变差的主要原因；材料生长工艺自身引起不同生长次序中GaAs与AlGaAs界面不对称性与掺杂元素的扩散，及GaAs薄膜中大量缺陷，其中包括有生长技术或掺杂带来的点缺陷及由衬底异质外延晶格失配引起的缓冲层缺陷等。这都是引起器件宏观特性曲线出现不对称的根本原因；样品器件位于台面的电极造成器件结区暗电流增加，表面及压焊点电极漏电也有一定影响。 2、根据GaAs/AlGaAs QWIP的结构参数，建立了QWIP理想势阱模型。通过对QWIP样品解理后侧向剖面QW进行PL测试，结合势阱与势垒发光峰的位置，根据理想GaAs/AlGaAs势阱模型与量子阱能带理论进行数值拟合运算，获得QWIP样品的势垒组分、量子阱宽度等各项结构参数，并由此得到量子阱子带间跃迁能量，及其相应的峰值响应波长。实验结果显示：器件结构中势阱宽度偏离设计值1～2个原子层，势垒中Al组分偏离设计值1%2%。虽然实际值相对于设计值有一定偏差，但该工作有利于防止偏离设计值的晶片流入器件制备工序，另一方面能够促使改进MOCVD生长工艺使其达到设计要求。 3、建立QWIP荧光量子阱响应波长能带模型，确定QWIP峰值响应波长与势垒中Al组分关系，建立器件微观结构形貌与宏观光电特性关系。采用MOCVD制备Al摩尔含量为0.23，0.32实验样品。光谱测试结果显示：3#，4#样品峰值响应波长为8.36μm，7.58μm，与据薛定谔方程得到峰值波长9.672μm，7.928μm误差分别为15.6%，4.6%。研究结果表明：铝原子在GaAs与AlxGa1-xAs界面处扩散促使GaAs量子阱由标准方势阱变为余误差决定的形状，导致势阱降低，宽度增加，子能级分布变化，响应波长蓝移。说明光激发载流子正从束缚态到连续态向束缚态到准束缚态跃迁方式转变。HRTEM技术分析发现：位错引起GaAs与AlGaAs晶格不匹配及量子阱材料生长过程中对材料控制精度不够是造成3#样品误差过大主要原因。说明势垒中Al组分减小致使量子阱子带间距离逐渐缩小，导致峰值响应波长红移。RT-PL实验结果与理论计算相符合，说明势垒中Al组分可修饰QWIP光电特性。 4、确定QWIP响应波长与GaAs势阱宽度关系。根据理想二维方势阱模型设计器件量子阱能级结构，采用MOCVD生长阱宽为4.5nm，5.5nm GaAs/Al0.3Ga0.7AsQWIP样品，利用傅里叶光谱仪对样品进行77K液氮温度光谱响应及势阱与势垒的PL测试。光谱实验结果显示：5#，6#样品峰值响应波长为8.39μm，7.69μm，与据理想二维方势阱模型获得8.924μm，8.051μm误差为6.36%，4.7%；同时响应光谱半高宽从27.3%上升至44.2%。而PL实验结果

关键词： 量子点   CdTe/CdSe   ZnSe/ZnS   CdTe/蒙脱土   荧光标记   指纹显现   纳米复合材料  

摘要： 半导体量子点（1-10nm）是一类尺寸介于单个分子与体相材料之间的纳米晶，由于具有独特的表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等，使其具有不同于对应体相材料的光学特性，在发光材料、生物标记、光电化学传感器、太阳能电池等方面具有广泛的应用。具有荧光性能的半导体量子点比常规有机染料具有激发光谱宽、发射光谱窄、耐光漂白、生物相容性好等优点。目前，水相合成量子点的方法因其操作简便、成本低、毒性小且可以直接使用，是制备量子点的研究重点。在本论文中，采用水相方法合成了具有良好荧光性能的CdTe/CdSe和ZnSe/ZnS核壳量子点，并对其制备工艺，材料结构和荧光性能进行了系统的研究，并对其指纹助显效果进行了评价。另外采用简单离子交换的方法，将CdTe量子点引入蒙脱土（MMT）层间，系统的研究了不同的制备工艺条件对CdTe/MMT粉体荧光性能的影响，并尝试将其复合到聚丙烯高分子材料中。研究结果如下： 1、采用水相合成法，分别以巯基乙酸、巯基丁二酸、L-半胱氨酸为修饰剂，碲粉、硒粉、亚硫酸钠和氯化镉为原料，合成了粒径约5nm的水溶性CdTe/CdSe量子点溶液。通过对反应时间、物料配比等的调节，得到荧光发射波长从500-700nm可调的多色量子点。在最佳反应条件下，CdTe/CdSe量子点发射波长为610nm，量子产率为16.3%。CdTe/CdSe核壳量子点用做指纹助显试剂，在短时间内能够与指纹物质结合，得到清晰的红色指纹图谱，能够显示出指纹细节，对油潜指纹显现有良好的适用性。 2、以硒粉、亚硫酸钠、ZnCl2为原料，巯基乙酸和巯基丁二酸为修饰剂，在紫外光照下合成了分散均匀的ZnSe/ZnS量子点水溶液，对反应时间、光照时间及[Zn/Se]比进行优化，当使用巯基丁二酸为稳定剂，[Zn/Se]=1时，紫外照射80min，得到的ZnSe/ZnS量子点荧光强度最高，得到ZnSe/ZnS量子点的荧光波长在380-420nm可调，可以较清晰的对指纹助显，显现蓝色指纹图像。 3、以蒙脱土为载体，对CdTe量子点进行分散。通过对不同合成工艺与不同蒙脱土原料的反应条件对比，发现使用有机蒙脱土，离子交换的方法制备的CdTe/MMT复合荧光材料的性能最好，HRTEM表明CdTe均匀的分散在蒙脱土的硅酸盐层结构中间，并且蒙脱土极大地增强了量子点的热稳定性，可以通过共混挤出工艺将其复合到聚丙烯材料中，形成具有较强荧光特性的CdTe/MMT-聚丙烯复合材料。

关键词： 量子点   格林函数   Fano效应   Rashba自旋轨道相互作用  

摘要： 量子点具有与原子类似的能级结构，且可以通过调整其尺寸等结构参数来改变量子点中电子能级的高低。量子点体系也向人们展示了独特的物理性质：量子隧穿效应、量子干涉效应、库仑阻塞效应、Fano效应和近藤效应等，这些效应及电荷与自旋输运特性可以做为新型纳米器件的物理基础，因而量子点体系具有广泛的应用前景。耦合量子点体系与单量子点相比，具有更多可调结构参数，通过调节这些参数可以更加容易地控制电荷及自旋输运，因此耦合量子点结构常常被考虑用于设计实用的量子器件。理论上研究耦合量子点体系电荷及自旋输运特性可为实际设计量子器件提供必要的理论支撑，对介观器件的设计和研制的发展起到重要的推动作用。因而理论研究耦合量子点体系电荷及自旋输运特性有重要的理论和实际价值。在本论文中，采用非平衡格林函数方法，研究耦合三量子点体系电荷及自旋输运性质，讨论了量子点能级、量子点内电子间库仑相互作用、Rashba自旋轨道相互作用和外磁通等多种因素的联合作用对耦合三量子点体系电荷及自旋输运性质的影响。 首先，研究量子点—“量子点分子”Aharonov-Bohm干涉仪的电荷及自旋输运性质。使用非平衡格林函数运动方程和Dyson方程，同时采用Hartree-Fock近似，推导出了体系电导表达式。数值结果展示出不同自旋电子的电导能够在同一能级位置处分别出现共振或反共振，因此可以实现电子自旋过滤。通过控制“量子点分子”中两个量子点之间有或无耦合，能够实现100%极化与无极化状态之间的转变，这种结构能够被用来设计实现极化脉冲器件。此外，通过调节“量子点分子”中两个量子点之间的耦合强度，能够改变自旋极化的方向及极化率大小。 其次，研究耦合三量子点Aharonov-Bohm干涉仪的电荷输运性质。当三个量子点具有不同的量子点能级，且点间耦合强度相同时，点内电子间库仑相互作用对体系电荷输运性质产生显著的影响。与不考虑点内电子间库仑相互作用的情况相比较，更多的电导峰出现在电导能谱中。随着点内电子间库仑相互作用的增强，电导能谱中六个电导峰由三组变成了两组，两组电导峰线型并不相同。通过控制点内电子间库仑相互作用，共振峰和Fano反共振峰两者之间可以相互转换。磁通和点内电子间库仑相互作用的联合效应可导致电导峰的简并。当三个量子点具有相同的量子点能级和点间耦合强度时，点内电子间库仑相互作用使得体系电导能谱中出现两组相似的电导峰。当点内电子间库仑相互作用强度取固定值时，磁通将成为显著影响体系电荷输运性质的主要因素。 再次，研究三Rashba量子点体系电荷及自旋输运性质。分三种情况讨论了体系的电荷输运性质:（1）当一个量子点与电极无耦合且与另一个量子点间为弱耦合时（此时该量子点为一个侧向悬挂量子点），两个尖锐的共振峰分别出现在电导能谱中能级ε=ε0和ε=ε0+U（U是量子点内电子间库仑相互作用强度）的位置；随着悬挂量子点与相邻量子点间耦合强度的增强，两个尖锐的共振峰转变成两个Fano共振峰；当两者耦合强度足够大时，两个Fano共振峰又转变成两个共振峰；（2）当一个量子点仅与两个电极耦合时（设两者间耦合强度为Γ3），与平行耦合双Rashba量子点体系电导能谱比较发现两个新的Fano共振峰出现在电导能谱中。随着耦合强度3的增强，两个新的Fano共振峰转变成两个共振峰；（3）当三个量子点耦合为线型结构，且三个量子点都与电极耦合的情况下，两个新的Fano共振峰也被观察到。磁通和Rashba自旋轨道相互作用的联合作用，可实现自旋极化传输。 最后，对于三个量子点形成环形结构且三个量子点同时与电极耦合的体系构型，研究了体系的量子点能级与点间耦合强度对Fano效应的影响。当三个量子点之间对称耦合（即:ti=t）且耦合强度较大时，三个量子点能级的不同取值(即: ε1σ≠ε2σ=ε3σ或ε1σ≠ε2σ≠ε3σ)会导致在电导能谱中出现Fano效应。当体系中有一个量子点能级取值不同于另外两个相同的量子点能级时，一个Fano反共振峰出现在电导能谱中；当三个量子点能级取值互不相同时，两个Fano反共振峰出现在电导能谱中。若三个量子点能级完全相同(即: εiσ=ε0)，三个量子点之间耦合强度的不同取值（即:t1=t2≠t3或t1≠t2≠t3）也能够导致出现Fano效应。当在三个量子点间耦合强度中有一个取值发生变化时，一个Fano反共振峰出现在电导能谱中；当三个量子点间耦合强度取值互不相同时，两个Fano反共振峰出现在电导能谱中。 总之，通过对耦合三量子点体系电荷及自旋输运性质的研究。明确了点内电子间库仑相互作用和Rashba自旋轨道相互作用等体系结构参数对电荷及自旋输运性质的影响。这样的模型结构简单，并可在实验上使用现有的技术手段来实现。这些结果对未来量子器件设计是有重要意义的。

关键词： 北京大学   凝聚态物理   博士后   材料科学   招聘启事   量子  

摘要： 北京大学量子材料科学中心(ICQM,http://***/)是直属于北京大学的一个新型教学与科研机构,成立于2010年1月。中心依托北京大学深厚的学术积累和多学科优势,打造一个适合于凝聚态物理和材料科学基础研究的开放型学术平台。中心致力于创造良好的学术研究环境,通过广泛的国际/国内、校际/校内合作,吸引一批国际一流的科学