关键词： 碱金属离子电池   量子点/碳复合材料   异质结构   协同作用   电化学性能  

摘要： 碱金属离子电池作为可充电电池,是目前重要的储能设备之一。它凭借能量密度大、工作电压高、无“记忆效应”、自放电小、绿色无污染等优点在近些年来受到人们的广泛关注。电极材料是影响碱金属离子电池电化学性能的重要因素之一,因此,寻求比容量高、结构稳定的电极材料是推动碱金属离子电池发展的关键。量子点/碳复合材料(QDs/C)集合量子点与碳材料的优势,是碱金属离子电池优异的候选电极材料。本文首先对量子点进行简要介绍,然后分别综述单质量子点/碳复合材料、化合物量子点/碳复合材料及异质结构量子点/碳复合材料在碱金属离子电池中的应用进展。最后,分析量子点/碳复合材料作为碱金属离子电池电极材料的优势与不足,针对目前存在的问题提出了未来发展的方向:(1)探索新型方法,解决量子点及其复合材料的团聚问题;(2)研究SEI膜的结构性能等,解决首次库仑效率偏低的问题;(3)明确反应机理,获取更优异的电化学性能。

关键词： 权威学术期刊   陕西师范大学   凝聚态物理   应用物理   计算数学   通讯作者   博士后   物理学  

摘要： 近日,国际权威学术期刊《PNAS》报道了陕西师范大学物理学与信息技术学院潘明虎教授团队在拓扑量子材料领域取得重大突破。陕西师范大学为第一且共同通讯单位。物理学与信息技术学院凝聚态物理专业博士后邵志斌为第一作者,潘明虎教授、北京应用物理与计算数学研究所张平研究员和北京大学王健教授为共同通讯作者。

关键词： 量子结构   光电材料   光电子器件   航空航天   界面调控   医疗健康   外延生长   智慧生活  

摘要： 低维量子结构光电材料具有灵活的能带剪裁特性、丰富的异质界面可调性、优异的电子输运特性及独特的光学性能等,在超敏、超快、超低功耗、超高集成的新型光电子器件领域有着重要的应用前景,是实现对航空航天、深地深海深空探测、智慧生活、医疗健康等领域的升级变革的一项关键技术。近年来低维量子结构光电材料能带设计、外延生长、界面调控技术的突破性进展,引领了新型量子材料、红外探测器件、高速晶体管、微型显示等多个领域的发展方向。

关键词： 玻色-爱因斯坦凝聚   人工规范场   隧穿动力学   非互易量子输运   量子相干调控  

摘要： 玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)因其纯净和易操控等特点,为探索凝聚态体系的新的物理现象及物理机制提供了独特的平台,在高能物理,核物理,量子化学,宇宙物理学等领域有着潜在应用.中性原子BEC不能表现出如带电粒子在磁场中运动那样的丰富的量子多体现象,如拓扑绝缘体,整数,分数量子霍尔效应等.在中性超冷原子中实现人工规范场为BEC的相关研究开辟了新的途径.例如,可以利用人工规范场实现BEC复跃迁幅和Peierls相位,这已在实验中实现.随着理论与实验的发展,人工规范场的多种方案被提出并在实验中实现,其中,利用激光辅助跃迁方法在倾斜超晶格中实现了不依赖于原子的内部结构且广泛可调的人工规范场.在此基础上,在实验上观测到了中性超冷原子的量子回旋轨道.超冷原子在人工规范场中的量子隧穿动力学对研究量子输运的新性质具有重要意义.本文主要研究人工规范场下四阱势中BEC的隧穿动力学,重点关注隧穿的非互易性,系统的研究各种参数对非互易量子输运的影响.本文分为四个部分,主要内容如下：　　首先,简要介绍超冷原子物理的理论背景以及BEC的形成和制备过程.简要介绍了人工规范场的几种产生方式以及实验实现,重点介绍了利用激光辅助跃迁实现人工规范场的方法.介绍了非互易输运和Floquet理论的相关概念.　　其次,研究了人工规范场下具有耗散的四阱势中BEC的量子输运动力学.讨论了耗散,耦合强度和人工规范场对四阱势中BEC量子隧穿动力学的影响.研究了在这些参数条件下的量子输运的非互易性.发现通过调节人工规范场等参数,系统在特定的参数范围内发生相干布居破坏现象,从而导致无”输运”现象.同时,研究发现四阱势中BEC在不同参数下的互易量子输运特性始终具有鲁棒性.基于这种现象和特点,设计了一种控制BEC输运的器件——量子互易开关.　　然后,通过在囚禁BEC的四阱势中引入两个相反的相干驱动,打破了BEC在该系统中量子互易输运的鲁棒性,实现了BEC的非互易量子输运.在无耗散的情况下,探究了直流场约化强度,人工规范场和相干驱动参数对BEC量子输运的影响.发现不相等的直流场约化强度是该系统产生非互易量子输运的必要条件.发现人工规范场作为开关与约化强度共同控制系统的非互易输运和非互易输运方向.在存在耗散的情况下,发现耗散强度在一定程度上能增强BEC在该系统中的量子隧穿的非互易性,并且在其它参数的共同作用下,较小的有效耦合强度有利于实现BEC的具有强隔绝度的单向非互易输运.同时也发现,当阱间耦合幅度相等且特定相位条件下,将有一半几率的BEC稳定布局在两个相邻的势阱之中,另一半几率的BEC耗散导致其他势阱无布居,值得注意的是,该现象不依赖于相干驱动和约化强度.　　最后,对本文的工作总结,并对该方向的研究前景和以后的工作进行展望.

关键词： 量子点   抗病毒药物   高灵敏检测   流感病毒   液态芯片  

摘要： 因流感病毒引起的流感是严重的人畜共患病,每年因流感病毒感染导致数百万人的死亡和巨大的经济损失,不仅给全球公共卫生安全和经济带来巨大的挑战,而且影响社会发展。疫苗接种是目前应对流感大流行的首选方法,但疫苗只能用于预防性应用。此外,因流感病毒抗原漂移产生的快速变异限制了疫苗的时效性而且存在生产周期长,易产生过敏反应等问题。在病毒快速进化和开发合适疫苗之间的漫长时期内,迫切需要抗病毒药物。目前抗流感病毒的药物大致可分为三类:M2离子通道抑制剂、NA抑制剂以及病毒聚合酶抑制剂。尽管这些药物在临床具有相当大的抗病毒能力,但近年来关于流感病毒耐药变异的报告越来越多,另一方面长期使用M2离子通道抑制剂或NA抑制剂会表现出神经副作用。因此,迫切需要开发新型的广谱抗流感病毒药物。除了抗病毒药物以外,在疫情爆发初期,病原体的早期诊断对于疫情的控制也发挥着至关重要的作用。令人兴奋的是,得益于纳米技术和纳米科学的快速发展,涌现出许多新型纳米材料。其中,量子点因其独特的理化性质使其在病毒早期检测以及抗病毒治疗中展现出巨大的潜力。利用纳米技术开发快速高灵敏的生物传感器和新型的抗病毒药物在未来病毒大流行中具有广阔的应用前景。本论文立足于量子点纳米材料的设计、合成并利用合成的量子点纳米材料开发高灵敏的诊断方法及广谱的抗流感病毒药物并对其作用机制进行探究,为未来疾病的检测和新型抗病毒纳米药物的开发提供新的思路及理论支持。全文具体研究内容概括如下:1.量子点纳米球的合成及其在流感病毒高灵敏诊断中的应用以聚苯乙烯纳米球为模板,通过简单的聚电解质介导的表面改性实现将QDs通过静电吸附作用吸附在聚苯乙烯纳米球表面,然后通过层层包埋的策略将二氧化硅包覆在其表面,既保证了QDs在各种缓冲液中荧光的稳定性又实现了纳米球的生物相容性。合成的高荧光量子产率、尺寸均一的荧光量子点纳米球可作为新型荧光信号输出材料。同时制备了磁性微球作为反应载体,以避免反复的离心操作,进一步简化实验流程,进而设计了对流感病毒具有特异性识别的高灵敏荧光免疫分析悬浮阵列芯片检测平台。相较于量子点,新合成的量子点纳米球的荧光强度提高达14倍;与商业化时间分辨铕掺杂的荧光纳米球相比,抗猝灭性能更强。我们新型的悬浮阵列芯片平台检测限可达25 PFU/m L。该生物传感器特异性良好,与H1、H3等亚型流感病毒以及NDV,IBDV没有任何的交叉反应。2.基于甘草酸的碳量子点的合成及对流感病毒的抗病毒效果和机制研究首先,以中草药甘草中提取的三萜皂苷化合物甘草酸作为起始原料,通过简单的一步干热裂解法合成了基于甘草酸的碳量子点(GA-CDs)并系统研究了其对流感病毒的抗病毒活性及作用机制。实验结果表明,甘草酸经脱水、缩合、碳化及表面钝化以后所形成纳米粒子分散性良好,尺寸均一,平均尺寸为4.2 nm。相较于原料甘草酸,GA-CDs表现出显著提高的水溶性及抗病毒活性并且抗病毒活性和水溶性与反应温度有密切关系。在最优的反应温度下,20μg/m L的GA-CDs可显著抑制流感病毒增殖,而原药甘草酸即使在200μg/m L也没有表现出任何的抗病毒效果。进一步机制研究表明,GA-CDs主要通过抑制病毒的内化、基因组的复制以及NA酶活性发挥抗病毒作用,同时还可以显著抑制炎性因子的表达。最后,体内实验结果同时证明经碳化形成的GA-CDs可显著降低流感病毒感染引起的体重丢失、肺部病毒滴度及病理损伤,提高存活率,而在相同的浓度下,原药甘草酸没有任何的抗病毒效果。

关键词： 二氧化钛纳米管   水相量子点   半导体复合   环构化  

摘要： 可见光作为新型能源具有廉价易得、环境友好、使用简单等优点,受到化学家的广泛关注。二氧化钛（Ti O2）因其化学性质稳定、无毒、抗腐蚀性强且价格低廉成为广受研究的半导体光催化材料。然而,纳米二氧化钛的禁带宽度较宽,因此只能被波长小于380 nm的紫外光所激发,无法有效利用太阳光。另外,纯二氧化钛在光激发下产生的电子空穴对容易复合,这限制了其在光催化领域的应用。为了提高二氧化钛纳米材料的太阳光能利用率,人们采用不同的改性方法,如贵金属沉积、半导体复合、金属离子协同等手段。本文报道了一种在常压水介质中合成CdSe/CdS核壳结构量子点的有效而简单的方法,该量子点成功地负载于在二氧化钛纳米管（TNTs）表面,形成了QDs/TNTs复合光催化剂材料。这种复合光催化剂材料成功应用于芳胺与一系列醛之间的环化反应,得到了相应的氮杂环类化合物。结果表明,本文开发的QDs/TNTs复合光催化剂材料具有催化活性好、成本低、易于回收、可多次使用等优点。主要研究内容如下:（1）QDs/TNTs复合光催化剂材料的制备方法。首先用水热法制备二氧化钛纳米管（TNTs）,这种管状结构具有较大的比表面积,可以提供良好的附着点。接下来采用直接的水相合成法,制备了水相量子点Cd Se/Cd S核壳结构量子点。采用浸渍法制备出QDs/TNTs复合光催化剂。通过电镜和紫外可见吸收光谱等表征分析,结果表明水相Cd Se/Cd S核壳结构量子点成功分散于二氧化钛纳米管（TNTs）表面,提供了高度分散的活性位点,并将两个半导体之间的界面接触最大化。通过紫外-可见光谱图显示,该复合光催化剂材料在区具有较宽的响应范围,提高了太阳光利用效率。（2）QDs/TNTs光催化诱导芳胺和芳醛类化合物的环化脱氢反应。我们使用QDs/TNTs复合光催化剂材料进行芳胺和芳醛类化合物的脱氢环化反应,并对催化剂、溶剂和底物浓度进行优化以获得最佳产率。在最佳条件下,我们扩展了芳醛类底物的底物范围,成功地合成了喹唑啉类衍生物和苯并噻唑类衍生物等含氮杂环类化合物,产率中等偏上。我们测试了复合光催化剂材料的形貌和紫外可见光谱,发现该催化剂在重复利用后仍然保持着良好的管状形貌,量子点分布均匀,在可见光区显示良好的吸光性能,这表明复合催化剂材料的稳定性良好,在光催化有机合成方面具有良好的应用前景。

关键词： 量子材料   第一性原理计算   电子结构   异质结   原子插层  

摘要： 近二十年,关于量子材料的研究逐渐受到了越来越多的关注,因为它们具有源自其量子力学行为的卓越电子、磁性和光学特性,这些特性使量子材料在电子,计算,能源等领域的应用前景非常广阔。近年来,量子材料的研究取得了许多重大进展。例如,研究人员发现了新的拓扑绝缘体,这些材料只能在其表面导电,而在整体上是绝缘的,有望用于低功耗电子和量子计算应用。此外,对二维电子气中的量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的研究使人们对电子在强磁场中的行为有了新的认识,这有可能用于制造新型电子设备。对于新型量子材料的发现以及量子材料的物性调控是一项具有挑战性的课题,需要深入了解基础物理学和开发复杂的制造技术。研究人员通常结合使用理论预测、实验测量和先进的表征技术来揭示量子材料的迷人特性。在本文中,我们通过第一性原理计算的方法,分别采用构建异质结以及原子插层的手段对几种量子材料进行物性调控的理论研究,研究内容可以总结为如下三条:1)在由二维铁磁,铁电,谷电子材料组成的异质结中实现铁电极化反转对谷极化的非易失性调控近年来,二维谷电子材料因其独特的谷物理性质而受到人们的广泛关注。利用其谷自由度可以设计相关的谷电子器件,如谷自旋阀。通过施加外加磁场或磁性原子掺杂等方法可以打破二维谷电子材料的时间反演对称,从而实现谷极化。根据谷相关光学选择规则,不同的谷极化态可以通过圆偏振光来识别。由此,可以利用二维谷电子材料设计新型的光学存储器件,如何有效调控并保存谷极化对于拓展谷电子器件在实际的应用至关重要。我们在此提出了一种利用铁电极化及其非易失性来调控和稳定保存谷极化状态的方案,并设计了一种由二维谷电子材料Hf N,二维铁磁材料Cr I,和二维铁电材料InSe垂直堆垛构成三层异质结Hf N/Cr I/InSe来验证此方案。基于第一性原理计算,发现铁电极化反转能够改变铁磁材料中磁性原子的自旋取向,从而改变二维谷电子材料的谷极化,当InSe极化向上时,Cr I的易磁化轴为z轴,Hf N的谷极化为15 me V;而当InSe极化向下时,Cr I的易磁化轴为x-y平面,Hf N的谷极化为0。由此,上述方案的可行性被理论证明,这为基于二维谷电子材料的高性能微纳器件设计提供了一种思路。2)通过原子插层实现了铁电性与超导电性在二维插层材料中共存非中心对称超导体具有超导二极管效应,当其时间反转对称也被打破时,相反方向的临界电流是不同的,从而有望用于设计新型的低功耗电子器件。在此,我们理论上提出了一种铁电性与超导电性共存的铁电超导体,可以实现铁电可逆的超导二极管效应。通过第一性原理计算,我们预测了单层Cu NbSe(即插层Cu原子的双层Nb Se)就是这样一种铁电超导体,其铁电性控制着层极化以及自旋轨道耦合引起的自旋劈裂信号。由于临界电流的非互易效应与自旋劈裂对应,所以通过铁电的极化反转可以实现可逆的超导二极管效应。我们强调,在此以Cu NbSe为模型体系预测的效应,可能也存在于一些由层间滑移诱导铁电的二维超导双层体系中。我们的工作为研究二维材料中超导和铁电性之间的相互作用打开了大门。3)通过调控原子嵌入与脱出实现材料的非易失性电导变化受人脑神经突触框架的启发,神经形态计算有望克服传统冯诺依曼架构的瓶颈,应用于人工智能。在此,基于第一性原理计算,我们预测了一类有望用于神经形态计算应用的候选材料MCuX(M=V,Nb,Ta;X=S,Se,Te)。当MCuX插入锂原子时,由于大量电子填充[每化学式单位(f.u.)约0.8 e],系统将从半导体转变为金属,并且仍保持良好的结构稳定性。同时,插入的锂原子在MCuX中具有较低的扩散势垒(～0.6 e V/f.u.),保证了通过栅极电压控制锂原子嵌入/脱出的可行性。这些结果表明,这一类材料可以实现两种稳定记忆状态(即高/低电阻状态)之间的可逆切换,表明它有可能用于设计突触晶体管以实现神经形态计算。这个工作为从理论计算的角度推进与神经形态计算相关的候选材料的搜索提供了灵感。

关键词： 石墨烯量子点   光电性质   电子转移   纳米复合材料  

摘要： 石墨烯量子点（GQDs）因其连续可调的带隙宽度、结构稳定、耐强酸强碱腐蚀、成本低、绿色环保等特点受到了广泛的关注,并在电子、催化、光子学和交叉学科等领域表现出巨大的潜能和应用价值。但是,GQDs具有量子尺寸效应和限域效应,其光生电子与空穴之间容易复合,限制了它在光电转换方面的应用。研究人员通过GQDs与其它材料复合以增强其光电转换能力,但这种GQDs复合材料的研究依旧是有限的且其光电性质还不理想,有必要构建新的复合体系。本文合成了性能稳定的发光GQDs,然后引入二氧化锰（MnO2）和金纳米团簇（Au NCs）,以不同的方法成功构建了GQDs/MnO2和GQDs/Au NCs两种纳米复合材料,通过稳态和瞬态光谱技术、电化学测量等方法对其光电性质进行了研究,并且发现,GQDs/MnO2复合材料能够有效检测谷胱甘肽（GSH）。具体内容和结果如下:（1）以酒石酸和尿素作为反应物,通过热解法合成GQDs。在透射电子显微镜、原子力显微镜、傅里叶变换红外光谱仪、X射线光电子衍射等仪器的观察下,制备的GQDs尺寸均匀,平均粒径为4.87 nm,晶格间距为0.24 nm,与石墨烯（1120）晶面相对应。利用稳态荧光光谱研究了GQDs的光学性质,其发射峰位存在激发波长依赖,在最佳激发波长380 nm激发时,于460 nm处显示特征发射最大值。（2）以GQDs作为电子转移的供体,以MnO2作为电子转移的受体,利用两种纳米材料表面基团之间的静电相互作用制备了满足Ⅱ型能带结构的GQDs/MnO2复合材料,并研究了其在光电转换和GSH检测中的应用。GQDs/MnO2复合材料的荧光猝灭、寿命缩短和瞬态吸收数据都证实了在Ⅱ型能带排列中,电子能够有效的从光激发GQDs转移到MnO2上,其电子转移效率约为14%。在光电流测试中,GQDs/MnO2复合材料的光电流是单纯GQDs的4.54倍,单纯MnO2的2.36倍。此外,MnO2使GQDs猝灭的荧光,可通过GSH获得一定程度的恢复,表现了GQDs/MnO2复合材料与GSH之间的荧光响应行为。GQDs/MnO2复合材料中的电子转移,抑制了激子的直接复合,提高了GQDs的光电性质。（3）以GQDs作为电子转移的受体,以Au NCs作为电子转移的供体,利用两种纳米材料表面基团之间的非共价相互作用构建了满足Ⅱ型能带结构的GQDs/Au NCs复合材料,并研究了复合材料的光电性质和电子转移动力学。Au NCs的引入弥补了GQDs在可见光区光吸收的不足,与单纯Au NCs的强荧光相比,GQDs/Au NCs复合材料表现出明显的荧光猝灭。时间分辨荧光和瞬态吸收动力学清楚地表明,Au NCs的光生电子可以有效地转移到电子受体GQDs上,其电子转移效率约为75%。动态分析得到的电子转移效率与稳态荧光猝灭的电子转移效率具有较好的一致性。在光电流测试中,GQDs/Au NCs复合材料的光电流可达到单纯GQDs的4.80倍,单纯Au NCs的2.69倍。GQDs/Au NCs复合材料明显表现出更强的光捕获能力和光电性质。总之,我们成功制备了GQDs,然后在其基础上合成了GQDs/MnO2和GQDs/Au NCs两种复合材料,并对其光电性质进行了研究。这两种复合材料的成功构建增强了GQDs的光电性质,为开发基于GQDs的光电复合材料提供了一种有前景的策略。

关键词： 量子点   激子   密度泛函理论   含时密度泛函理论   配体  

摘要： 电荷转移激子具有长达微秒尺度的激子辐射衰减寿命和固有偶极,是探讨量子多体现象的重要载体,如玻色-爱因斯坦凝聚和超流体等。然而,电子-空穴在空间上的分离和激子稳定性之间存在着固有矛盾,如何最大化电子-空穴的空间分离同时保持好的激子热稳定性是目前电荷转移激子研究的难点之一。荧光量子点具有宽吸收窄发射、光谱连续可调等优异的光学特性,在发光二极管、太阳能电池和生物检测等诸多领域均具有重要应用前景。量子点由于其三维限域的属性和相对于体材料更弱的屏蔽效应使得量子点材料成为实现电荷转移激子潜在的重要平台。在现有的研究中,量子点材料主要通过核壳工程和配体工程两种途径实现电荷转移激子。核壳工程由于对电子和空穴的限域作用强烈地依赖于壳层量子点厚度,壳层厚度的增加将会降低载流子输运速率和器件效率。配体工程由于其配体分子具有多样性,成为一种诱导生成电荷转移激子极具前途的介质,但配体和量子点的相互作用机制以及配体的选择需要进一步探究。本论文基于含时密度泛函理论,研究量子点材料中激子属性的调控规律,重点探讨该材料体系中电荷转移激子几种可能的实现途径,主要结果如下:(一)提出外延融合量子点作为实现电荷转移激子可能的平台。首先证明II型能带对齐作为实现电荷转移激子的判据在具有强量子限域效应的异质量子点分子中失效,形成局域的Frenkel激子。激子效应在量子点这种强限域体系起着重要作用,造成不同属性激子态的能量反转。其次,将扭转引入到外延融合量子点中,并证实通过量子点相对取向的扭转可以在具有II型和准II型能带对齐的异质量子点分子甚至是同质量子点分子中实现电荷转移激子,扭转在其中起到改变量子点之间的轨道耦合和调制基态轨道波函数的双重作用。该工作创新性地将扭转电子学推广到零维纳米体系中,为操控量子点和相关分子体系的光学性质提供了全新的手段。(二)提出构建有机/无机界面,制定了通过量子点表面配体的调控实现电荷转移激子的策略。在纳米级别的配体/量子点界面上的II型交错能级,由于强激子效应的影响,并不一定意味能够形成电荷转移激子。配体分子的引入可以贡献在最高占据态分子轨道,改变配体/量子点整体的能量排布,形成典型的电子-空穴分离型的电荷转移激子,且随着配体数量的增加,仍然可以保持电荷转移激子的特征。配体分子的结构具有多样性,通过配体交换对其结构进行设计引入吸电子基团和给电子基团,这样可以改变配体分子的固有偶极,从而和量子点作用时形成不同属性的激子。因此,通过设计配体结构调控量子点激子性质也是一个非常可行的途径。通过对量子点中激子属性调控的研究,本论文分别验证在量子点纯无机体系和配体/量子点体系中实现电荷转移激子的途径,为实验上制备能量有利的电荷转移激子提供有利指导。