关键词： 锗硅核壳型纳米线   磁输运   弱反局域化   量子点   安德列耶夫反射   超导电极  

摘要： 本论文针对锗硅核壳型纳米线这种新型半导体材料中的空穴输运性质进行了低温下量子输运性质的实验研究。主要侧重于两个方面：一是通过实验测量弱反局域化来探讨锗硅核壳型纳米线中的各种驰豫机制以及自旋轨道耦合相互作用;二是通过测量由超导材料做源漏电极的量子点器件来探讨锗硅核壳型纳米线量子点中能级结构与其旁边电极中超导态的相互作用。 本论文的主要内容有： 1.简单介绍论文中涉及到的与锗硅核壳型纳米线磁输运性质相关的物理概念。 2.简单介绍了本论文中所涉及到的样品器件在加工过程中需要用到的微纳米加工仪器、工艺和技术,并详细介绍了光刻、电子束曝光等重点工艺的技术技巧。然后对本论文中所用到的样品和器件的加工流程做了细致的介绍。 3.从实验角度,研究了普通金属材料做电极时单根锗硅核壳型纳米线中空穴的弱反局域化现象。并由相应的理论拟合出了空穴输运过程中各种驰豫机制对应的特征量,更重要的是得到了此材料中自旋轨道耦合的强度。并发现这些特征量和自旋轨道耦合强度都可由实验可控参数调制。 4.研究了源漏电极为超导材料的锗硅核壳型纳米线量子点器件。发现在量子点与超导电极耦合较弱时,量子点的正常单空穴隧穿过程由于超导电极中打开的超导能隙而被抑制。 5.研究了同样是源漏电极为超导材料的锗硅核壳型纳米线量子点器件,但是在量子点与超导电极耦合较强时,原来被超导电极中超导能隙抑制的量子点单空穴隧穿过程又被Andreev反射所增强。因而出现了Andreev反射增强的量子点中相位相干的单空穴隧穿过程。 6.在源漏电极为超导材料的锗硅核壳型纳米线量子点器件中,发现了高阶的共隧穿过程,并伴随有负微分电导现象。这些现象都是由于Andreev反射而引起的,并随着超导电极失去超导特性而消失。 7.对以上实验工作进行总结,强调本论文工作意义的同时,提出其中有待改进之处。并对将来在锗硅核壳型纳米线上的量子输运实验研究提出可行性建议。 本论文的主要创新点为： 1.首次对锗硅核壳型纳米线在低温下进行了磁输运性质的系统研究。 2.通过弱反局域化实验,提取出了锗硅核壳型纳米线中的自旋轨道耦合强度,并发现此强度可被外电场调节。从而指出有望将来做出基于锗硅核壳型纳米线的自旋电子学器件。 3.对锗硅核壳型纳米线量子点器件在有超导电极耦合的情况下,针对不同的耦合强度进行了实验研究。加深了对超导电极与量子点相互作用中各种情形的理解。 4.基于实验现象,提出了Andreev反射增强的量子点中相位相干的单空穴隧穿的物理模型,并在实验中给予了验证。而这种现象无论从实验角度还是理论角度都未被报道或者预言过。

关键词： 石墨烯纳米带   分子器件   电子输运性质   电流比   量子化学研究  

摘要： 本论文核心内容主要包含以下两部分： 1.二维石墨烯的输运性质及六方haeckelite缺陷的影响 通过第一性原理计算方法,系统地研究了二维石墨烯的电子输运性质。结果表明：不管是在椅型还是锯齿型方向上,二维石墨烯的输运性质均不同于石墨烯纳米带。二维石墨烯沿椅型方向的电子输运性质呈半导体特性,而在椅型石墨烯纳米带中,如果其dimer line值N满足N=3p-1,p是整数,则此椅型石墨烯纳米带呈导体特性,否则为半导体；二维石墨烯沿锯齿型方向的电子输性质都呈导体特性,其I-V曲线表现出明显的线性关系,而在锯齿型石墨烯纳米带中,如果其zigzag line值R是偶数,则此锯齿型石墨烯纳米带在低偏压下会出现电流压制现象。二维石墨烯椅型与锯齿型方向输运性质的不同以及六方haeckelite缺陷的引入导致二维缺陷石墨烯出现了几种不同类型的I-V曲线,产生这种现象的原因是：六方haeckelite缺陷不但能够阻碍电子的输运,而且其在费米能级附近引入的缺陷带也有可能为电子提供输运通道。 2.C60耦合碳纳米管双电极体系的输运性质与机理通过应用非平衡格林函数与密度泛函理论相结合的方法,研究了C60耦合碳纳米管双电极体系，CNT-C60-CNT的电子输运性质。作为对比,也给出了Li-C60-Li体系的I-V曲线。结果显示,CNT-C60-CNT和Li-C60-Li体系的电子输运性质完全不同。在Li-C60-Li体系中,其I-V曲线呈明显的线性关系；而在CNT-C60-CNT体系中,其I-V曲线呈非线性关系,且观察到了负微分电阻现象。通过探索CNT-C60-CNT的电流随偏压变化的机理发现：在CNT-C60-CNT中,电导、前线分子轨道的能级高低、HOMO与LUMO的能级差以及分子轨道与电极耦合的好坏都对分子器件的输运性质起着非常重要的作用。

关键词： 电子-电子相互作用   电子-声子相互作用   Rashba自旋轨道耦合   量子点   量子环   输运  

摘要： 本论文根据正则变换和非平衡格林函数方法,考虑电子-声子相互作用,对量子环(其中一臂嵌入一个量子点)的输运性质进行了研究。主要考虑电子-电子、电子-声子相互作用以及Rashba自旋轨道耦合对输运性质的影响。结果表明: 1.声子的出现对电导性质的影响非常明显。由于电子-声子相互作用,出现了新的声子峰;主峰的位置也发生了移动,其高度和宽度都明显减小。这些声子峰的位置由声子的频率决定。随着电子-声子耦合强度的增加,声子峰的数量和高度增加。 2.由于量子环的一个臂中嵌入了量子点,电子从左边电极通过不同的隧穿路径到达右边电极,发生了量子干涉,出现了Fano效应。考虑了电子-声子相互作用后,Fano共振随着电子-声子耦合强度的加强而减弱。Rashba自旋轨道耦合可以使Fano共振消失,也可以产生反Fano共振。 3.电子-声子相互作用和Rashba自旋轨道耦合都对自旋极化有强烈的影响。电子-声子相互作用减小自旋极化,Rashba自旋轨道耦合能增大自旋极化。 4.由于电子-电子相互作用,电导随量子点能量变化时,出现一个库仑共振峰,电导随偏压变化时,出现两个库仑共振峰,并且峰的位置随不同的量子点能量发生变化。

关键词： 自旋偏压   自旋流   非平衡态格林函数方法   量子输运  

摘要： 自旋电子学一直是当今的前沿研究领域,其发展对于微电子、光电子以及信息产业影响重大。本文首先回顾了量子输运的一些效应,如量子隧穿、库仑阻塞效应,介绍了自旋偏压和纯自旋流的研究现状以及非平衡态格林函数方法。接着,我们研究了微波场下自旋偏压驱动的量子点模型。结果表明,外加磁场破坏量子点能级的自旋简并,使得电荷流和自旋流的共振峰劈裂开,得不到纯自旋流。加上微波场后,电子可以吸收光子获得能量,等效于增加量子点输运的通道数,电流中出现光子边带峰。特别在强微波场作用下,由于多光子过程的作用光子边带峰的数量明显增多。最后,我们研究了自旋偏压驱动的单分子磁体的量子输运特性。我们只考虑分子磁体的两个自旋简并基态,将其简化为一个二能级模型,分子的中性态和荷电态以及它们的自旋简并基态可以等价于一个耦合的双量子点模型,利用分子的福克态构造系统输运的哈密顿量,由非平衡格林函数的方法计算系统自旋分离的荷电流,自旋偏压下,系统中形成纯的自旋流。通过门电压,可以改变分子磁体从中性态变到荷电态跃迁能的大小,这些跃迁能级刚好就是电子输运的共振能级,随着共振能级相继进入自旋偏压窗口,相应的自旋流出现了共振峰,共振峰很好的对应着跃迁能级。这些结论对有助于更好的了解量子输运过程,同时为自旋电子学的发展提供了很好的理论帮助。

关键词： 量子点   POSS   表面修饰   复合材料   荧光特性  

摘要： 量子点具有尺寸可调的荧光性质,在发光二极管、太阳能电池、传感器、生物荧光标记与成像等方面具有广阔的应用前景。然而,量子点通常是以胶体溶液或固体粉末的状态存在,使其实际应用受到了很大的限制。要想实现量子点从纳米材料到功能器件的转化,需要将量子点与其它基体复合以提高其稳定性和加工性。聚合物材料具有物理化学性质稳定、易加工成型、价格低廉等优点,适合作为量子点的载体。因此,量子点／聚合物复合材料引起了人们的广泛关注。 本文采用多种多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)修饰CdSe/CdS/ZnS核壳量子点,并通过溶液共混法制备了透明的量子点/PVB复合材料。同时,通过红外光谱(IR)、透射电镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)、紫外光谱(UV)、荧光光谱(PL)等测试手段对POSS修饰的量子点以及复合材料的结构和荧光特性进行了详细的研究。 首先,基于巯基与金属之间的相互作用,选用POSS-SH对两种不同发射波长的量子点进行表面修饰,并制备了量子点/PVB复合材料。结果表明,量子点经POSS-SH修饰后,荧光强度小幅提高,这是因为POSS-SH一方面增加了光在增益介质中所走的路程,另一方面减少了量子点的表面缺陷。所制备的复合薄膜在紫外光照射下(λ=365nm),发出均匀明亮的光。通过对复合薄膜表面形貌的分析,POSS-SH有效地改善了量子点与PVB基体的相容性,实现了量子点在PVB基体中的均匀分散。 其次,基于静电作用,选用带有正电荷的OA-POSS与巯基丙酸修饰的量子点进行自组装,并制备了量子点/PVB复合材料。结果表明,量子点与OA-POSS通过静电作用组装成聚集体,产生不同于单个量子点的集体效应,荧光强度大大增强。所制备的复合薄膜光滑平整,具有优异的光学性能。表面形貌分析表明量子点聚集体均匀分散在PVB基体中。 最后,基于静电作用,选用带有负电荷的TMA-POSS与聚乙烯亚胺(PEI)修饰的量子点进行自组装,并制备了量子点/PVB复合材料。结果表明,量子点经TMA-POSS修饰后,荧光强度大大增强。所制备的复合薄膜表面光滑平整,具有优异的光学性能。表面形貌分析表明量子点聚集体与PVB相容性较好,均匀分散在PVB基体中。

关键词： 半导体量子点结构   量子干涉效应   非线性光学效应   高次谐波   光子辅助隧穿输运  

摘要： 本论文重点研究了外加光场作用下半导体量子点结构中的光学特性,包括光吸收特性,量子干涉效应和强场中的非线性光学效应,并利用量子点结构的输运特性表征弱光场与体系相互作用产生的微弱光学信号。 第一部分研究了耦合三量子点和量子环对弱光场的响应。 首先,系统地研究了强驱动下耦合三量子点体系的量子干涉现象。借助光子辅助隧穿输运,将耦合三量子点对光场的响应呈现在体系的隧穿电流上,为实验在固体环境中获取光强较弱的相干光谱提供了一个可行的方案。通过调控耦合三量子点的能级结构,在吸收谱中相继观察到了由量子干涉效应带来的Autler-Townes劈裂、Mollow劈裂、无粒子数反转增益效应、相干俘获等量子相干特性,同时实现了对这些量子相干特性的调控。研究中考虑了声子的自发辐射对各能级电子布居数的影响。探讨了声子的辅助隧穿输运特性,其提供的背景电流可以用来判断驱动场对三能级结构的耦合状况。 其次,研究了磁场调控下的量子环对太赫兹光的吸收特性。借助磁场对量子环能级的调制作用以及光子参与隧穿输运特性,提出了一种频率可调的太赫兹光探测理论模型。在此模型中,连续变化的外磁场实现了对太赫兹光探测的连续可调性;通过调控量子环的半径和宽度可以改变太赫兹光探测的频率范围。 第二部分研究了量子点和耦合三量子点体系在强光场驱动下的高次谐波辐射特性。 本论文研究了强微波场驱动下量子点体系的高次谐波辐射特性,提出了利用此非线性光学效应产生太赫兹辐射的设想。从量子输运动力学角度,揭示了输运体系准能带宽对高次谐波辐射效率起到的决定性作用。 本论文进一步研究了强微波场驱动下的耦合三量子点三能级结构的高次谐波辐射机制和谐波辐射的偏振特性。发现在反演对称性缺失的多能级体系中,可以产生奇次、偶次谐波共存的高次谐波辐射,并阐明这种辐射特性的动力学机制。在耦合三量子点谐波辐射偏振特性的初步研究中,发现谐波辐射场中既有线偏振光又有椭圆偏振光,高次谐波辐射的偏振特性依赖于谐波阶次,并指出这些现象与耦合三量子点中各个偶极子的空间分布有着密切的联系。

关键词： T型双量子点   自旋极化   Fano-Kondo效应  

摘要： 采用Keldysh非平衡态格林函数方法和运动学方程方法,研究了耦合于铁磁极的T型双量子点自旋极化输运。研究发现系统的态密度随着铁磁电极的自旋极化强度的变化而发生变化,这样的一个可以包含单个和双个量子点的系统能为将来自旋阀实验上的进步提供更多的可供参考的的方法。

关键词： 主方程   全计数统计   散粒噪声  

摘要： 近年来,介观系统中量子输运的散粒噪声已引起了广泛的关注,因为散粒噪声的研究不仅可以给出系统本身的输运特性,而且可以揭示输运系统的内部能级结构,用于探测多体纠缠态等。本文首先介绍了量子点和量子点耦合系统的概念、性质以及应用,如量子尺寸效应、量子隧穿效应、库仑阻塞效应等,以及近年来对耦合双量子点理论和实验方面的研究现状。接着阐述了量子主方程方法及其在研究电子在介观系统中量子输运的全计数统计中的应用。最后,基于粒子数分辨的量子主方程,我们研究了一个强耦合双量子点系统电子输运的全计数统计。在不同的偏压下,不同的点间耦合、不同的点与导线耦合下,研究了全计数统计的各阶累积量,进而给出平均电流、散粒噪声和偏斜度随偏压的变化情况,以及各种参数对它们的影响。数值结果表明：平均电流的台阶依赖于系统输运通道的能级结构,两个量子点之间的耦合以及量子点与电极间的耦合决定了输运特性和噪声特性。当两个量子点之间的耦合一定时,如果量子点与左右电极的耦合强度之比小于某个临界值,会出现超泊松散粒噪声,这个临界值依赖于两个量子点之间的耦合强度。

关键词： 透明TiO2纳米管阵列   CdS量子点   太阳能电池  

摘要： 太阳能电池作为一种清洁无污染的新能源技术而备受关注。本文对太阳能电池的发展历史,太阳能电池的分类、结构及原理、发展状况及存在的问题等进行了综述,其中染料敏化TiO2太阳能电池可望在现有太阳能电池基础上大幅度降低成本,但是由于其禁带宽度较大(3.2 eV),使其只能吸收紫外光,导致其转换效率较低,因此要对其进行敏化,以提高其转换效率。本文提出了用CdS量子点敏化透明TiO2纳米管阵列薄膜太阳能电池的设想。首先采用阳极氧化法在ITO导电玻璃上制备透明的TiO2纳米管阵列电极,然后采用连续离子层沉积法在TiO2电极上沉积CdS量子点,制备CdS量子点敏化TiO2光阳极,并组装电池对其进行性能测试和表征。主要研究内容和结果如下： 1、采用磁控溅射法在ITO玻璃上沉积高质量的金属Ti膜,然后在NH4F的乙二醇溶液中进行阳极氧化,再经热处理,制备出透明TiO2纳米管阵列。分析了Ti膜制备和阳极氧化工艺参数对TiO2纳米管阵列形貌和性能的影响。结果表明：在300℃、功率为150W、0.5Pa氩气分压下沉积1h,能够得到致密、均匀、与基板结合紧密的Ti膜；阳极氧化电压为40V,电解液组成为0.3wt% NH4F、1vol%H2O的乙二醇溶液,热处理温度为450℃,热处理时间2h,能够制备出90-100nm,管壁为20nm左右,管长为1.67μm的透明的锐钛矿型TiO2纳米管阵列电极。 2、采用连续离子层沉积法,以Cd(NO3)2、Na2S为Cd2+、S2-的离子源,在不同溶剂中制备CdS量子点敏化TiO2光阳极。分析了溶剂和循环沉积次数对制备光阳极性能的影响。结果表明：以乙醇、甲醇/水为溶剂,能够增大TiO2纳米管对CdS的吸附能力,沉积的CdS量子点的尺寸为5-10nm,在(110)晶面有结晶取向,经4次循环沉积,CdS量子点敏化TiO2纳米管光阳极的转换效率最高。

关键词： QPC   非平衡格林函数   量子输运   电导   散粒噪声  

摘要： 出于研究半导体量子点接触(quantum point contact,QPC)的输运特性和设计电荷传感器的需要,本文建立了基于非平衡格林函数计算方法的QPC结构输运特性及噪声特性的数学模型和算法,在此基础上开发可用于QPC器件设计和研究的模拟软件。 在半导体异质结构QPC的二维电子气层的静电势分布研究的基础上,建立了QPC结构输运特性和噪声特性的数学模型,设计基于非平衡格林函数方法的算法及计算流程,并进行程序的编写和软件实现。通过与解析计算结果及实验结果等的对比验证了模型及软件的正确性和适用性。将软件用于研究温度,尺寸等因素对于QPC输运特性及噪声的影响,模拟实验中观察到的0.7奇异性等效应。最后讨论了软件用于器件仿真和新特性研究的适用性。 本课题所完成的半导体异质结QPC输运特性和噪声模型及模拟软件属于研发QPC实用性器件的奠基性工作,在模拟方法和理论模型与实用性器件设计之间具有桥梁的作用,对半导体QPC新特性的理论研究具有指导性意义。