关键词： 量子点   二氧化钛纳米管   电致化学发光   光电化学  

摘要： 在本论文中,我们分别采用了电致化学发光(ECL)和光电化学(PEC)分析技术结合Ti02纳米管材料的功能化,分别构建了signal-on的ECL氨基酸传感器和高灵敏度的PEC免疫传感器。第一章简要综述了电致化学发光生物传感器的原理与分类及其在生物分析中的应用,光电化学生物传感器的原理、分类及在生物分析中的应用,纳米材料在生物分析中的应用。第二章提出了一种基于CdTe/TiNT复合纳米管阵列ECL的Ni2+一组氨酸特异性识别“开关”。首先在TiNT上组装L-半胱氨酸修饰的CdTe QDs,得到具有较强ECL信号的CdTe/TiNT复合纳米管。当Ni2+进入到复合纳米管中时,CdTe QDs表面的氨基与羧基能够与Ni2+发生络合,ECL信号减弱甚至猝灭;当往上述体系中加入组氨酸,由于组氨酸与Ni2+的特异性的亲和作用,使Ni2+从CdTe上脱离下来,ECL信号重新恢复。该传感器灵敏度高,特异性好而且分析速度快。第三章发展了一种基于CdS/TiNT复合纳米管阵列的高灵敏的光电免疫传感器。采用连续化学浴沉积装法在TiNT上组装CdS纳米晶,制备的CdS/TiNT复合纳米管阵列在可见光区具有稳定光电响应。当Au作为二抗载体引入体系后,二抗上标记碱性磷酸酶(ALP)与底物3-吲羟磷酸二钠盐(3-IP)在Au纳米粒子催化下发生反应生成Ag(0)沉积在Au表面,使体系的光电流出现降低。除了纳米粒子的位阻效应外,CdS在光激发下,与AgNPs之间产生了激子-等离子体激元相互作用,上述两个原因使光电流发生明显降低,从而实现了对抗原的高灵敏检测。当没有用ALP与3-IP反应来进行Ag沉积时,检测抗原的线性范围为1.0×10-14-1.0×10"8g mL-1,检出限为1.0x10-15g miL-1：当体系沉积了Ag NPs后,抗原的检测线性范围为1.0×10q8～1.0×10-8g mL-1,检出限降低到1.0×10-19g mL-1,灵敏度明显提高。该传感器实现了免疫信号的放大,获得了极高的检测灵敏度,为PEC在免疫传感中的应用提供了一种新思路。

关键词： 电-声子相互作用   热电效应   量子点体系  

摘要： 近年来随着介观尺度设备和纳米结构制备技术的快速发展,量子点体系中的固态热电领域获得了研究者们的广泛关注。究其原因,这不仅仅是对基础理论的进一步丰富,同时也是为设计和制备各种低维量子器件提供理论支持。电-声子相互作用作为量子点体系中一种典型的退相干机制,它对体系的各种性质会产生奇特的影响。因此,研究电-声子相互作用对量子点体系中热电效应的影响是非常必要的。 本文采用非平衡态格林函数和正则变换的理论,较为系统地从理论上研究了两种量子点结构中电-声子相互作用对其热电效应的影响。我们选取了耦合双量子点以及单量子点与三电极耦合两种结构。工作重点是针对不同理论模型以及环境参数下热电效应相关物理量电导、热导、热功率及热电优值的谱图进行分析对比,并最终得到一些有意义的结果。本论文主要展开如下两个方面的理论研究： 首先,在耦合双量子点体系中引入局域磁通,选取不同的参数,调节电-声子相互作用的强度。我们发现在局域磁通φ=0时,电导幅值和热导幅值均受到抑制,同时谱图出现明显振荡并伴随线型的移动,这说明电-声子相互作用破坏了体系中的电子输运。但是,热功率及热电优值的谱图却展现出与此相反的变化。随着电-声子相互作用的增强,热功率极值变大。热电优值的谱图中,谱图振荡更加明显,伴峰的峰值增加显著。这主要是共振通道中电-声子相互作用的贡献。在局域磁通Φ=π时,电-声子相互作用对热电效应的影响效果更加明显,表现在各参量谱图呈现的变化更为显著。 其次,我们选取了单量子点与三电极耦合的结构。着重考虑量子点与两铁磁性终端电极的耦合强度分别为零的情况。通过调节电-声子相互作用的强度,我们发现,电-声子相互作用使得体系中的热电效应更加显著。这主要表现在热功率与热电优值谱在某些值处增加明显,甚至出现极值。此外,我们考虑了该体系在非线性区的情况,电-声子相互作用对此部分影响较为复杂。在非线性区内,体系取为两终端铁磁性电极时,电-声子相互作用对体系的热电效应起积极的作用。当体系结构为三电极时,电-声子相互作用表现出消极的负面效果。

关键词： 介观系统   量子输运   量子波导   自旋轨道相互作用   拓扑绝缘体  

摘要： 在本文中，我们从理论上研究了二维弯曲量子波导系统，Rashba自旋轨道耦合系统以及两个磁势垒拓扑绝缘体纳米管的物理性质，为设计具有优良性能的量子器件提供理论依据。 本论文首先介绍了量子输运的物理背景，以及介观体系中几个常见的典型效应，包括Aharonov-Bohm效应，弱局域化效应等。在第二章中，给出了研究介观体系输运性质的Landauer-Buttiker理论和散射矩阵方法。 在第三章中，我们研究了电子在弯曲量子波导中的电子输运性质。由于传播态和局域态的干扰，透射系数发生了一系列的Fano共振式下降，透射率随着弯曲区域角度和曲率的增加而振荡。 在第四章中，对多栅极Rashba自旋轨道耦合系统电子输运性质进行了研究。计算表明自旋向上和向下的电子波函数的干涉效应受栅极个数和栅极电压的调制。对于以一定能量入射的电子，在Rashba自旋轨道耦合系数确定的条件下，不同自旋方向上的电子透射率与极化率随栅极长度L2以π/k0周期振荡。由于栅极电压对电子透射的阻碍作用，随着栅极个数的增加，透射率在加剧振荡的同时，“零”透射率区域增宽。在极化率的一个振荡周期中，有2i个振荡的峰值（i是波导系统所含栅极数量）。 在第五章，利用三维拓扑绝缘体表面态理论计算了电子在两个磁势垒拓扑绝缘体纳米管中的输运。计算结果表明当磁通量φ=φ0/2时，系统不存在能隙，入射能量和半径的增加使有效能级增加，所以电导系数随入射能量和半径的增加呈台阶式上升，并且电导系数对于磁场呈周期性变化。

关键词： 新奇超导基态   超导配对对称性   量子自旋液体   极化效应   激光光源角分辨光电子能谱  

摘要： 固体中的电荷、自旋、轨道、晶格等自由度相互竞争和合作,使其呈现丰富多彩的物理性质和电子基态相图。新奇材料的合成,新奇物态的出现,伴随着理论的发展和实验技术手段的进步,这一直是凝聚态物理领域发展的主题。高温超导和量子自旋液体是凝聚态物理中的两个新奇量子态。为了解这些体系中的微观电子行为如何决定物质的奇特宏观性质,本文通过高分辨角分辨光电子能谱(ARPES)手段,对处于新奇超导基态的铁基材料NaFe0.9825Co0.0175As以及有机量子自旋液体材料EtMe3Sb[Pd(dmit)2]2的电子结构进行了系统地研究。主要结果和讨论总结如下： 1.铁基材料中的新奇超导基态。在第三章中,我们对铁基材料中一类比较特殊的超导体进行了研究,这类材料处在反铁磁相和超导相的重叠区域。我们选择的实验对象是NaFeo.9825Coo.0175As单晶样品,通过角分辨光电子能谱手段对其三维布里渊区的电子结构进行了详细地探测,并对比不同温度下的电子结构演化,我们首次在动量空间找到了超导序和反铁磁有序共存的证据,并进一步证实这种共存是本质上的微观共存。同时我们对NaFeo.9825Coo.o175As样品三维费米面上的超导能隙进行了细致扫描,我们发现超导能隙的分布在布里渊区中心呈各向同性而在布里渊区顶角呈现很强的各向异性,我们对此进行了讨论分析,认为这种奇特的能隙分布行为是共存态下的反铁磁有序作用的结果。这些实验结果为铁基高温超导体的超导配对理论中的s±波配对机制提供了实验支持,也为进一步理解磁性在非传统超导体中的作用提供了重要的信息。 2.有机量子自旋液体材料的电子结构。在第四章中,我们对处在量子自旋液体基态的有机化合物EtMe3Sb[Pd(dmit)2]2进行了角分辨光电子能谱的研究。我们首次对这个基态的材料的电子结构进行了实验上的测量,角分辨光电子能谱得到的能带结构几乎没有色散,表明在EtMe3Sb[Pd(dmit)2]2材料中的电子态相当局域。而且实验得到的跳跃积分t、同位库伦相互作用U等能带参数都远远小于之前的理论计算结果,对理论模型提出了重大的挑战。进一步,我们继续测量了这个材料的两个姐妹材料Et2Me2P[Pd(dinit)2]2和EtMe3P[Pd(dmit)2]2的电子结构,它们分别处于长程反铁磁有序和价键态的基态。通过对这些材料的ARPES谱进行数值的拟合分析,我们的结果表明在这类材料中存在着很强的电子——玻色子相互作用,这个结论很好地解释了之前其他实验手段测量的结果,也为角分辨光电子能谱实验结果和能带计算的差别提供了合理的解释。体系中强电子——玻色子相互作用的发现为理论进一步研究X[Pd(dmit)2]2这一类材料的电子基态以及为解释量子自旋液体基态的机制提供了新的模型和新的方向。 此外,在文章最后详细介绍了激光光源角分辨光电子能谱系统的搭建以及结合这套系统取得的一些重要结果。激光光源角分辨光电子能谱系统具有更高的能量动量分辨率和kz方向的分辨率以及其探测的信息更具有体的代表性,可以帮助我们更清楚地探测一些容易被表面敏感的谱重掩盖掉的一些本征电子结构信息。为我们理解和分析He灯以及同步辐射光源采集的实验数据提供了重要的信息补充。

关键词： 单分子磁体   人工分子磁体   哈伯德格林函数   近藤效应  

摘要： 单分子磁体是一类特殊的磁性纳米材料。在2005年,美国和荷兰的实验小组制备出了Mn12单分子晶体管,实现了真正意义上的单分子磁体量子输运。近年来,单分子磁体的量子输运研究已经揭示出许多新的输运特性,如负微分电导,近藤效应,极化电流导致的分子磁体翻转,几何位相导致的自旋阻塞和振荡等等。然而,对于对于给定的单分子磁体,它的各种参数是无法改变的,这给单分子磁体输运的进一步研究和应用带来诸多不便。于是人们想到利用等效的人工系统来替代单分子磁体。这种人工分子磁体的优势在于它的参数可以根据需要人工控制,而且制作电极比单分子磁体更容易,从而更便于实现在微电子学中的应用。 处理大自旋系统输运问题的方法有主方程方法和重整化群方法。本文把哈伯德格林函数方法应用到分子磁体的输运中,也包括人工分子磁体在顺序隧穿区和近藤区的输运特性以及考虑声子效应后的非弹性输运。具体内容如下： 第一章介绍分子磁体和人工分子磁体的研究现状,包括一些量子输运中的基本概念,如库伦阻塞,共隧穿,近藤效应等等。 第二章介绍非平衡格林函数理论以及哈伯德格林函数方法。 第三章中讨论如何把格林函数方法扩展到大自旋系统。其中会遇到两个关键难点,分别是大自旋的处理和平均值的计算。第一个难点我们用哈伯德算符表示大自旋的方式来解决,第二个难点我们引入了两个新的格林函数,从而解决了计算平均值时条件不够的问题。把大白旋哈密顿量、局域推迟格林函数重新表述成哈伯德算符的形式,并用运动方程方法得到顺序区和近藤区推迟格林函数的解析结果。 第四章讨论人工分子磁体在顺序区和近藤区的输运性质。在顺序隧穿区微分电导会出现三高三矮的结构。在近藤区,微分电导中的2S+1个峰对应着态密度中的2S+1峰。这些峰起源于电极空穴和局域空穴形成的自旋单态,并且这些单态与平行对态和反平行对态密切相关,故而作者称之为自旋对态近藤效应。 第五章讨论人工分子磁体与声子相互作用所导致的输运特性。我们发现,在低温时,态密度会表现出自旋对态近藤效应和声子辅助的自旋对态近藤效应,即在费米面附近出现2S+1个近藤峰,在这些峰的两侧还会出现与大自旋量子数相关的声子伴峰。在微分电导中同样出现了这两种近藤峰,因此我们预期上述讨论的性质可以在电导实验中测量出来。

关键词： 双量子点   磁通量   库仑相互作用   隧穿磁阻   负微分电导  

摘要： 在自旋电子学中,自旋磁性的利用和自旋极化的理论研究是众多研究者感兴趣的地方。而量子点模型作为研究载体备受关注,量子点模型包括单量子点模型和多量子点模型。单量子点模型结构简单,计算也比较容易。目前,无论是在理论上还是实验上单量子点模型的研究都已经比较丰富了。相对于单量子点模型而言多量子点模型具有更丰富的物理意义和更大的应用潜力。多量子点模型的研究现在还处于起步阶段,很多东西都还有探究的必要。本文采用的是嵌入介观环中平行双量子点模型,通过双量子点分别与其左右两端的铁磁电极连接来研究系统的输运性质。 我们主要探究了双量子点能量相等的对称态和能量不等的非对称态。系统分别在这两种状态下,考虑量子点间的库仑相互作用和穿过系统的磁通量对输运性质的影响。通过理论计算我们得出了以下几点结论：(1)在对称态下,磁通量φ=π/2可以明显提高磁性结构分布为反平行的电流幅度；在非对称态下φ=π/2的磁通量又可以使磁性结构分布为反平行的负微分电导消失。(2)无论是在对称态还是非对称态下,磁通量φ=π都可以大幅度地提高磁性结构分布为反平行的电流,以至于超过磁性结构分布为平行时的电流,这样就直接导致了负隧穿磁阻的出现。(3)库仑相互作用U=0.8可以使系统的电流从一个台阶分裂为两个台阶。没有库仑相互作用时,系统有磁通量的作用会使隧穿磁阻增加,但有了库仑相互作用后,隧穿磁阻却随着磁通量的增加而减少。(4)双量子点能量的不等性可以使系统产生负的微分电导。通过我们的理论研究,得出了系统在一定条件下出现负隧穿磁阻、巨大隧穿磁阻、负微分电导以及量子点能量的非对称效应。我们希望这些新的性质对相应的实验研究者有参考价值,同时我们也相信这些结果在自旋电子学中具有一定的应用潜力。

关键词： graphene   spin current   spin polarization   ferromagnetic proximity   spinorbit interaction   quantum pumping   quantum transport  

摘要： Graphene is a strictly two-dimensional material of carbon atoms, which has attracted considerable research attention since its discovery in2004. Apart from its many peculiar and interesting electronic properties, graphene is also regarded as a promising candidate for spintronic devices. A number of experimental studies of graphene have proven it to be a material possessing characteristics suitable for spintronic applications, such as the long spin relaxation length and the gate tunable room temperature spin transport. This thesis discusses a numerical study of the manipulation of electron spin in graphene with the help of exchange interaction induced by ferromagnetic proximity effect or spin orbit interaction (SOI). It consists of the following seven chapters. Chapter one is an introduction to the research background. A brief introduction is given to the physical characteristics of mesoscopic systems, and we qualitatively characterize the quantum transport regimes. The electronic properties of graphene and its advantages for spintronic applications are briefly introduced. We also review the developments of spintronics, which helps us better understand the research background. In chapter two, we introduce the most popular theories for quantum transport. Scattering matrix, transfer matrix and Green's function are all introduced with brief derivations, and the definitions and properties of these powerful approaches are also considered. In chapter three, we propose a method of generating spin currents in mono layer graphene through adiabatic quantum pumping by applying two periodic oscillating gate voltages to a monolayer graphene with exchange splitting induced by ferromagnetic proximity. The pumped charge and spin currents are sensitive functions of the Fermi energy and pure spin current and spin current with different degrees of polarization and large magnitudes are obtained in our scheme. We find that large spin currents can be obtained when the pumping

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： 量子点   苯环型量子点   自旋极化   格林函数  

摘要： 作为展现低维结构的典型代表量子点体系已经成为近年来的研究热点。本论文利用格林函数理论对几种量子点体系电子及自旋输运性质进行一些理论研究。 首先，我们研究了量子点嵌入在介观环一臂中自旋极化输运性质。研究发现，（1）电子经过AB环结构时由于上臂和下臂这两条路径之间的量子相干，会出现Fano效应，并且两条路径之间的相位差可以通过调节磁通来控制；（2）由于塞曼效应，量子点内存在分裂能级时，自旋向上（向下）电子电导的共振峰分别出现在E=-Ed-U，E=-Ed以及E=Ed-U，E=Ed能级位置处；（3）在某些能级处，自旋极化率可达到100％；（4）体系的电导随磁通量周期变化，周期为2π。 然后，我们设想了一种自旋检测器理论模型，它由一个量子点与两个电极耦合构成，其中电极中的化学势是与自旋相关。利用非平衡态格林函数的方法，在理论上研究了量子点自旋极化输运性质。研究发现，量子点中电流的方向是依赖量子点中电子的自旋态。这样，能够通过测量电流方向来判断量子点中的原始自旋的方向。 最后，研究了苯环型量子点系统电子的输运性质。通过理论计算得到了线性电导和微分电导表达式。数值计算表明没有磁通量且量子点能级相同时电导谱显示出四个共振峰。当量子点能级不等时，由于两个不同路径之间的干涉，电导谱显示出明显的不对称结构。微分电导随磁通量改变而周期性变化，周期为。即使在高温下，电子在输运过程的相干行为仍然存在。

关键词： 间隙表面等离子体波   局域表面等离子体波   子带跃迁   左手材料  

摘要： 左手材料是一类介电常数和磁导率同时为负值的人工电磁超介质材料,具有一系列常规材料所不具有的独特的电磁特性(负折射效应、突破衍射极限的平板成像等),是当前研究的热点问题之一。 2001年,SMITH等人利用金属线阵列和金属谐振环构造左手材料,在微波段首次证实其左手性能。之后,大量基于劈裂环变形的分型结构被提出,例如S状结构,Ω状结构,H状结构等等,并且通过缩小结构的尺寸,左手性能的频段也从微波段推进至红外乃至可见光。双渔网结构是在“金属-介质-金属”三明治结构上分布孔阵列的一类左手材料,这类结构不仅可以实现介电常数和磁导率同时为负,并且还有着丰富的电磁波模式。另外,此结构便于制作加工,且其在光电子器件方面有很好的应用前景。 本文研究了一种金属-介质-金属微腔的光电性质,微腔的金属层刻有周期性亚波长矩形孔阵列,中间的介质层是砷化镓量子阱。我们理论研究了这种微腔(双渔网等离子体微腔)中的光学模式,电场分布以及光学模式和量子阱子带跃迁模式之间的耦合机制等等。通过研究我们发现,微腔的光学模式可以和量子阱的子带跃迁模式发生耦合,进而对双渔网的负折射特性进行调控。 (1)双渔网等离子体微腔(DF微腔)中存在三种光学本征模式：微腔的两个本征模式Gap Surface Plasmon, GSP和Localized surface Plasmon,LSP,以及量子阱中的Intersubband transition, ISBT。其中GSP和ISBT有较强的耦合作用,而LSP和ISBT耦合作用很弱。 (2)量子阱是低维半导体材料的一类代表,在器件应用方面有着举足轻重的地位,随着材料生长技术的不断进步,量子阱生长的可控性越来越高,改变量子阱的特性参数值,可以详细的探讨微腔中的电磁波模式与半导体结构能级跃迁之间的耦合机理。 (3)通过给双渔网结构加偏压,即调节量子阱中的电子浓度,可以调节微腔中的光学模式与量子阱子带跃迁模式的耦合,进而可以实现负折射的原位调节,这在光电器件方面有着很大优势。 (4)通过对各向异性半导体材料(类量子阱)与双渔网等离子体微腔之间的耦合研究,发现利用DF微腔里的不同的本征模式具有不同的电场分布,可以将其与对应方向的各向异性介质相结合,更好的利用微腔中的能量。 这些研究展现了左手材料(DF微腔)与低维半导体QW构成的光电超材料的特性,对负折射调控的系统研究,也为慢波,补偿损失,及添加增益介质的研究做了很必要的铺垫工作。