关键词： 自由电子激光   掺杂半导体   量子阱材料   杂质束缚能   红外探测器  

摘要： 自由电子激光和量子阱材料都是当前科研的热门领域，而自由电子激光对量子阱材料的辐照研究却进行的很少，因而这是一个新颖的课题。本论文首先介绍了自由电子激光、掺杂半导体及半导体量子阱材料。自由电子激光的介绍主要是着重于它的工作原理及特点，最后也简要介绍了北京自由电子激光装置。掺杂半导体部分主要是介绍了杂质能级的形成。半导体量子阱材料主要是从其定义、分类及量子阱红外探测技术方面来介绍。论文的第四和第五章介绍了本人的课题工作，包括对强激光辐照下浅能级杂质基态和第一激发态束缚能的计算以及GaAs／AlGaAs量子阱红外探测器对BFEL的光电响应测试。通过理论计算发现，E、E及E-E随着辐射强度的增加或辐射频率的降低而降低，这表明了强THz激光可以增大对半导体杂质的电离。光电响应测试结果则表明，使用红外自由电子激光，可以成功地对量子阱红外探测器进行光电响应测试。对于高迁移率器件只需在室温条件下即可测得响应信号。

关键词： 纳米材料   量子化   电容充电  

摘要： 一、单层保护的金纳米团簇在超微铂电极上的电化学性质的研究 用示差脉冲伏安法和循环伏安法研究了超微铂电极和常规铂电极，在四氢呋哺(THF)溶液中研究直径为1.5nm的单分子层保护金团簇(MPCs)的量子化充电行为。结果表明超微铂电极表征MPCs的电化学性质具有许多优越性，在没有电解质的0.1mol／L已硫醇保护的金MPCs的THF溶液中，超微铂电极示差脉冲伏安扫描可以出现6对明显的量子化充电峰，在高速扫描的情况下，仍显示良好的电化学可逆性。单阶跃计时库仑法的研究表明，每对量子充电峰对应于一个电荷的充放电。 二、双硫腙保护的CuMPCs的合成以及掺有CuMPCs的PVC膜离子选择性电极对水溶液中AuCl含量的测定 提出一种合成铜的单分子层保护团簇(Monolayer-protected clusters，MPCs)的新方法。在四氢呋哺／NaCl饱和水溶液的两相体系中，在双硫腙存在下用硼氢化钠进行快速还原，通过双硫腙的单层自组装，合成出分布较均匀的、尺径约为40nm的纳米粒子即铜单层保护金属团簇(Monolayer-protected clusters)(CuMPCs)。所得产物用透射电子显微镜术，紫外可见光谱等方法进行了表征。然后将制得的铜纳米颗粒掺入PVC中制成膜，制成AuCl离子选择性电极，对水中的AuCl进行检测，给出电极的能斯特响应斜率，线性响应范围，电极对水溶液中AuCl检测下限，电极的稳定性和重现性都比较好，电极寿命可达3个月。 周培:纳米材料的合成及其量子化电容充电的研究 三水溶性的铜纳米颗粒的合成及表征 半肤氨酸被作为稳定剂应用于制备单层保护的铜纳米团簇，在碱性不同 的水相体系中合成了不同大小的半耽氨酸保护的水溶性的铜纳米颗粒，探 讨了半胧氨酸与铜的不同的摩尔比，溶液的碱性，反应的时间等对合成的 影响，并且用透射电子显微镜、扫描电子显微镜、傅立叶红外光谱、紫外- 可见光谱、X一射线粉末衍射等各种分析手段对产物进行了表征，表明在水 溶液中我们合成了可控大小可控形状的半肤氨酸保护的铜纳米颗粒，且它 们的固体状态能稳定存在。

关键词： 量子线   电磁场   介观瞬态输运   散射矩阵  

摘要： 量子线(纳米线)系统中的电子输运一直是人们非常关心的问题，因为它不仅是一个重要的基础物理问题，而且有着潜在的应用前景，它将是今后纳米电路、纳米器件的重要物理基础。本文以采用自由电子模型，用Landauer-Büttiker输运理论和散射矩阵方法分别研究了几何形状不同的量子线电子输运的性质和直量子线分别受到横向极化电磁场照射时的电子输运性质以及解析的推导了直量子线在纵向极化电磁场照射下的电子透射率公式。 全文共分为五章。第一章简要介绍了介观输运有关的基本理论和散射矩阵方法。 第二章运用散射矩阵方法研究了几何参数对量子线电子输运的影响。分别考虑宽-窄-宽型和窄-宽-窄型两种不同的形状。我们发现这两种形状量子线的输运性质截然不同，得到的结论是：1．对宽-窄-宽型量子线我们预计了电子波函数的干涉现象，出现相干输运。2．对窄-宽-窄型量子线我们预计了在量子线中出现束缚态，透射率出现零点现象。 第三章用量子光学中光场和原子相互作用方法求解含时Shr(?)dinger方程，并用含时模式匹配散射矩阵方法研究了直量子线在横向极化(电场垂直于量子线)太赫兹电磁场部分辐照下的电子输运性质，得出电磁辐射对电子纵向运动的阻塞效应。论证了当外场频率与量子线横向能级间隔匹配时：1．在辐照区内电子在横向态的布居产生空间上的Rabi振荡；2．电磁辐照的区域类似于一个散射势，透射率随电子入射能量的变化曲线产生一个反常的台阶结构。 第四章用处理受激光辐照量子阱问题的散射方法求解含时Shr(?)dinger方程同样利用含时模式匹配散射矩阵方法解析的推导了量子线在纵向极化电磁场辐照下的电子透射率公式。 第五章我们对本文的工作进行了简要的总结，并对这一研究领域的发展前景作了简要的展望。 第二至第四章是本工作的主要创新之处。

关键词： 自旋电子学   铁磁/非铁磁异质结   渡越时间   多臂量子环   持续电流  

摘要： 本论文针对既具有理论意义又有应用价值的铁磁/非铁磁/铁磁异质结及多臂量子环中的输运现象进行了一些理论研究。其目的一方面在于揭示已知量子结构中的新效应及物理机制,另一方面在于探索新的量子结构,为可能的新型量子器件的设计开发提供理论依据。研究的内容及获得的主要结果如下: (1) 利用Rashba自旋轨道耦合模型,同时考虑自旋轨道耦合效应、量子相干效应、量子尺寸效应,导出了铁磁体/半导体/铁磁体异质结中电子传输概率的计算公式,计算结果表明传输概率表现出很典型的共振传输的性质。随着半导体长度的增加,传输概率振荡得越来越快,波峰也变得越来越尖,相邻波峰之间的距离越来越窄。 (2) 利用Rashba自旋轨道耦合模型和群速度的概念, 我们研究了电子渡越铁磁体/半导体/铁磁体异质结的时间特性,结果表明在此结构中自旋轨道耦合效应明显缩短了电子得渡越时间;结果同时表明随着半导体长度的增加,电子的渡越时间并不是线性增加,而是呈现出台阶形变化的有趣结论。 (3) 提出了一种新型的多臂量子环结构,导出了电子通过三臂量子环的传输概率计算公式。计算结果表明多臂量子环中传输概率一个周期内的波峰数目取决于多臂量子环中的波函数的数目。结果进一步表明磁场反平行排列比磁场平行排列(除了奇点附近)有更大的电导,可以高达以上。 (4) 发展了一种计算多臂量子环中持续电流的等效研究方法,并利用此方法计算了电子通过三臂量子环的持续电流。计算结果表明各个臂上持续电流不同,这完全不同于单环和耦合环,并且指出持续电流不同不是由磁场引起,而是由于每个臂上电子的波函数不同;计算结果进一步表明持续电流的振幅正比于Fano振荡和反振荡的斜率;计算结果同时表明此体系中存在巨持续电流。

关键词： 纳米生物医学,量子点,荧光,磁性纳米材料,双功能材料  

摘要： 近十几年来，纳米科技得到了迅猛发展，并且广泛渗透于各个学科领域，形成了一系列既相对独立又互相联系的分支学科，其中由纳米科学、生物学和医学交叉结合形成的纳米生物医学，是最引人注目、最有生命力的发展方向之一。生物医用功能纳米材料的制备与应用是其主要研究内容之一。应用于生物标记的纳米材料稳定性和可控性好，而基于纳米材料标记的生物分析方法具有操作简便、灵敏度高等优点，所以被广泛地研究与应用。其中，量子点由于具有优越的荧光纳米效应，已经越来越多地被应用于荧光标记探针的制备与成像、荧光能量转移等研究中。铁磁性纳米材料由于具有粒径小和强的可操纵性而被成功地应用于疾病的诊断与治疗以及生物物质的分离等方面。 实际应用需要核／壳结构的量子点，制备方法中通常都采用了极其危险且昂贵的金属有机化合物原料或复杂、难以控制的操作方法。荧光标记和分离是生物医学研究中普遍使用的两种技术，如何将上述两类材料有机的结合起来，开发可以同时达到分离和示踪双重目的的双功能纳米材料，并在此基础上使其具有特异性和靶向性，是一个十分有意义、有待研究的课题。鉴于此，本论文在以下几个方面开展了一些工作：1) 采用醋酸镉、醋酸锌等简单盐作原料制备Ⅱ-Ⅵ型核／壳结构量子点，如CdSe／ZnS、CdSe／CdS等，透射电子显微镜（TEM）、UV-Vis吸收光谱、荧光光谱等方法表征的结果表明，产物的晶体结构好、粒径均匀、大小可控、荧光性质优良，量子产率提高了30％-50％。这种制备方法原料稳定、价格低廉，操作安全、简便，重复性好，不需要苛刻的设备条件，使得实验室大规模制备成为可能。2) 采用简单的机械研磨法，快速地对核／壳结构量子点进行修饰，使其从疏水性转变为亲水性，原子力显微镜、荧光显微镜观察的结果表明产物（BSA-QDs）仍然具有好的单分散性和荧光性质，将它们用作选择性Cu2+探针，得到了满意的结果。3) 采用一种新的有机相高温分解的方法，制备了粒径均匀、分散性好、具有顺磁性甚至超顺磁性的纳米γ-Fe2O3，方法安全、简单，成本低廉。4) 采用无乳化剂法制备粒径均匀、表面清洁的聚苯乙烯、苯乙烯—丙烯酰胺二元共聚等纳米球。 在此基础上，首次采用简便快速的方法将上述核/壳结构的量子点和纳米 Y一FeZo3同时包埋入纳米球，得到新型的、可用于构建一系列纳米生物器件的磁 性荧光双功能材料，用扫描电镜、高分辨透射电镜、能量分布X一射线谱等方法 对产物的性状进行了研究。并进一步将叶酸修饰到材料的表面，得到癌细胞靶向 纳米生物器件，将它们应用于Hela、MCF一7上皮组织癌细胞的识别取得了初步 成功，为进一步地进行多种靶细胞的同时可视化识别与分选奠定了基础。

关键词： 有机电致发光   蓝光材料   密度泛函理论   态密度   金属配合物  

摘要： 现有蓝光材料在发光效率、成膜性和寿命等综合性能上尚不如人意,并成为电致发光器件应用于全色显示的主要制约因素之一。本论文通过化合物设计、合成和器件制备、测试,对高性能蓝光材料和器件进行了探索。并以量子化学计算为主要工具,对蓝光材料的结构-性能关系进行了较深入的理论探讨。 实验研究主要结果为:⑴基于用取代基增加空间位阻、提高成膜性及发光效率的基本思路,设计、合成出两种新的蓝光化合物─α-TMADN（即 2,3,6,7-四甲基-9,10-（1-二萘基）-蒽）和β-TMADN（即2,3,6,7-四甲基-9,10-（2-二萘基）-蒽）─并进行了光物理等性能的测试。两种化合物的熔点均超过320oC,具有优异的耐热性。⑵分别用两种新化合物作发光层制备成功高性能的蓝色电致发光器件。β-器件最大发光效率为4.5cd/A;α-器件为3.1cd/A。⑶发现α-和β-TMADN二元混合物用作发光层材料可显著提高发光效率。在最优配比α:β=9:1下最大发光效率达到5.2cd/A。 理论研究主要结果为:⑴用密度泛函法预测了两种新化合物的几何结构及IR和Raman光谱,用从头算-密度泛函结合方案计算了其1H-NMR谱,结果均与实验谱图准确相符,为新化合物的结构鉴定提供了可靠的理论佐证。⑵用密度泛函法计算了三齿金属配合物Al（Saph-q）和Al（azb-q）的电子结构及其固相薄膜的态密度分布及能带特征,阐明了桥原子制约吸收、发光频率的机制,揭示了Al（azb-q）呈现发射红移的原因─N原子取代了-CH-基团使前线轨道附近的能级易位,禁带变窄。⑶基于双核金属配合物Al（Saph）-AA、Al（Saph）-DBM和Al（Saph）-DPM的电子结构计算结果阐明了第二配体对该类化合物荧光量子产率的影响:当第二配体为柔性链段AA或者DPM时,光吸收/发射跃迁所涉及的前线轨道对（最高占轨+最低空轨）成分均来自同一个三齿（第一）配体,故荧光量子产率较高;当第二配体为共轭性较强的刚性链DBM时,最高占轨与最低空轨的成分则分别来自第一和第二配位体,荧光量子产率相对较低。

关键词： MOCVD   半导体量子阱激光器   材料结构   波导模式理论   光致发光  

摘要： 大功率半导体量子阱激光器是一种性能优越的发光器件，具有寿命长、阈值电流密度低、效率高、亮度高以及良好的单色性、相干性、方向性等特点，广泛应用于军事、工业加工、通信及信息处理、医疗保健等领域。材料的外延生长是整个激光器器件制作的基础，对器件的光学和电学性能有着重要的影响，生长不出优质的材料体系，获得高性能的器件就无从谈起，因此，材料的外延生长便成为了整个半导体激光器制作过程之中的重中之重。MOCVD外延生长技术是目前发展水平较为成熟、外延质量较高的一种外延生长方法，对MOCVD技术的研究也成为了国内外研究的重点。目前，中国电子科技集团第十三研究所光电专业部拥有具有世界先进水平的AIX7RON-2000型MOCVD外延生长设备，并且在量子阱激光器的研究中获得过大量的研究成果，有着丰富的实践经验，因此，保证了对MOCVD外延技术研究的理论及实验条件。 本文对发光波长为940nm的量子阱激光器材料结构进行了设计，采用分别限制异质单量子阱（SCH-SQW）结构、In0.15Ga0.85As量子阱，阱宽经计算得80。然后在不同的有源区生长温度、Ⅴ/Ⅲ比、掺杂方式及浓度情况下对激光器材料进行外延生长，并利用光荧光（PL）技术对不同生长条件下外延材料的光致发光特性进行了测试对比，结果表明在下列条件下生长出来的材料具有更好的光学和电学性能：有源区生长温度在700℃、波导层Ⅴ/Ⅲ比选择为60、n型波导渐变掺杂190sccm-590sccm的SiH4、p型波导渐变掺杂90sccm-490sccm的DMZn。 另外本文还对光波导模式理论进行了理论分析和计算，得到了量子阱激光器光场分布的波动方程，利用逐步逼近的方法推导出了远场分布的数值模型，通过计算机软件模拟出了激光器远近场分布图，并利用模式扩展层对光场的限制作用得到了窄远场发散角（约为21°）的量子阱激光器材料结构。对于本文中采用的分别限制单量子阱发光波长940nm半导体激光器的波导结构，利用该理论方法进行模拟对比后，得到当波导层Al组分为0.25宽度为150nm时远场发散角为35.8°，较以往有很大的改善。 在确定了MOCVD生长940nm量子阱激光器材料的最佳生长参数和结构参数后，我们将这些结果应用于激光器的制作，经过一系列工艺过程，得到条长1cm的半导体激光器阵列。在脉冲频率500Hz，脉冲宽度100μs，占空比5％的条件下，单条输出光功率室温高达106.3W，斜率效率达到1.019W/A，光电转化效率最高达到43.3％，远场角37.1°，略高于模拟值。

关键词： 钴氧化物   杂质原子取代   量子化学计算   电子结构   热电性能  

摘要： 本文运用量子化学计算方法对Ca3Co2O6和Ca3Co4O9层状氧化物体系的热电性质进行了研究，解释了其传导特性及其具有良好热电性能的原因。并对掺杂的Ca3Co2O6体系进行计算，预测了不同掺杂元素对其热电性能的影响。 运用基于密度泛函和赝势理论的量子化学软件包CASTEP计算了Ca3Co2O6及其掺Na模型Ca1.5Na1.5Co2O6、掺Ni模型Ca3CoNiO6的电子结构。价带顶和导带底的有效质量从计算得到的能带结构中求出。根据所求出的有效质量、载流子浓度估算了上述三个模型的电导率、热导率、Seebeck系数和材料的热电品质因子，计算结果与实验测量值的变化趋势一致。掺杂模型的能带结构显示，由于在半导体母体中进行杂质原子取代而形成了杂质能级。掺Na后材料具有p型半导体的特性，而掺Ni后则具有n型半导体的特性。两种掺杂模型的电导率都高于未掺杂的Ca3Co2O6，而Seebeck系数和热导率都降低。不同的是，在Ca1.5Na1.5Co2O6中，由于电导率的上升幅度远大于Seebeck系数的下降幅度，使得材料的热电品质因子提高，材料的热电性能得到改善。在Ca3CoNiO6中则由于Seebeck系数的下降幅度较大，使材料的热电性能下降。计算所得到的Ca3Co2O6、Ca1.5Na1.5Co2O6和Ca3CoNiO6热电品质因子分别为：10-5K-1、10-4K-1和10-6K-1。 简化的Ca3Co4O9模型的键级、净电荷和分子轨道组成用相同的方法进行计算。结果显示CoO2层中的Co（1）-O成键作用比Ca2CoO3层中的Co（2）-O成键作用强，而且，它们都比Ca3Co2O6中相应化学键的作用强。不同的化学成键作用可能导致Ca3Co4O9和Ca3Co2O6中不同的热电性能。 通过比较Ge、GaP、GaAs和InP的计算结果和实验结果之间的差别，对该方法的计算误差进行了估算，分析了由于忽略杂原子取代所导致的晶格畸变产生的误差，并提出了解决办法。

关键词： 纳米结构体系   模板法   纳米复制   阳极氧化铝模板   稀土荧光材料   准分子激光淀积   量子点阵  

摘要： 模板法制备纳米结构体系是20世纪90年代中期发展起来的一种靠自组装构筑纳米结构体系的新工艺。即在一定的工艺环境（液相或气相）中，直接在模板的微孔内进行纳米结构的原位复制，从原子或分子开始生长纳米结构。且这种纳米结构的物性，可通过改变模板的结构参数进行调制。这种概念上创新的纳米结构制备方法，现在国际上称之为纳米复制（Nano-copy），这是当今国际热门研究之一，这为设计下一代纳米结构的元器件奠定了基础，具有重要的科学意义和实用价值。 本论文以阳极氧化铝模板（AAO，Anodic Aluminium Oxide）为模板，采用准分子脉冲激光溅射（PLD，Pulse Laser Deposition）法来制备稀土荧光材料的量子点阵。该技术路线是以前未见报道过的，是我们首创的。因此存在一些问题和困难，主要是： （1）氧化铝（AAO）模板的薄膜厚度与孔径的比例要小，以使制备材料能顺利通过氧化铝（AAO）模板到达衬底。但是常用的氧化铝（AAO）模板的长径比高达5000，要使靶材物质穿过这么长的“隧道”到达衬底是很困难的。这就要求我们适当控制长径比。 （2）孔径可控的氧化铝（AAO）模板制备比较困难。要制备尺寸为40～200nm的纳米结构体系、量子点阵均需尺寸可控的AAO模板。 （3）氧化铝（AAO）模板上微孔排列通常是不规则性的。只有微孔排列规则，才能得到规则排列的量子点阵、纳米结构体系。 （4）氧化铝（AAO）模板是一种厚度很薄（仅有几十个微米）的薄膜，虽然有相对高的硬度和耐冲击性，但是比较脆、易碎。 本文综述了当前国际上应用模板纳米结构研究的最新进展，概括了阳极氧化铝模板的产生、发展历史及制备机理模型等，提出我们的方案，比较了一步阳极氧化法、两步阳极氧化法实验结果并，在此基础上总结出我们制备阳极氧化铝（AAO）模板的最佳工艺，获得了尺寸（Φ40～200nm）可精确控制的AAO模板。并以阳极氧化铝模板为掩模板用准分子激光溅射（PLD）制备稀土荧光材料量子点阵的开展研究工作，主要取得了以下成绩： （1）我们开创性地提出了氧化铝模板和准分子脉冲激光溅射结合这一思 路，并成功地实现了这一方法，以AAO为掩模板，在MgO单晶衬底上 成功地生长了稀土荧光材料Lao.95Euo.o5BaBgol6的量子点阵。实验证明 此方法是可行的，这为未来合成其他纳米结构体系材料开辟了一条新的 途径。在目前的基础上可以合成发光阵列体系作为显示材料。还可以利 用纳米结构体系的新效应、新性能来制作各种功能器件等。这一方法的 实现，可以真正做到纳米复制（Nan。一copy），这是当今国际热门研究之 （2）分别采用一步阳极氧化法和两步阳极氧化法制备纳米孔洞尺寸 （巾40ZO0nm）可控的双通氧化铝模板。实验结果表明，要想制备获得高 度规则有序的AAO模板，两步阳极氧化法优于一步阳极氧化法。通过 摸索制备阳极氧化铝模板（AAO，Anodi。Aluminum oxide）的工艺条件， 找到了我们设备下，外加电压对模板有序性（纳米孔径）、氧化时间对模 板厚度的影响、pH值对模板有序性的影响关系。 （3）用固相反应法制备合成稀土荧光材料，并分别在不同烧结条件下烧结 制备PLD溅射用的靶材，找到其最佳烧结工艺条件。 （4）对纯度为99.996%的铝箔进行一系列的退火处理，适当的退火使铝 箔晶粒长大，消除内应力，对形成规则纳米孔洞结构是有利的。

关键词： 量子线,波导管,晶格格林函数,有限长锯齿超晶格,T-型量子线  

摘要： 准一维量子结构（如量子线、波导管）的物理性质的研究是 目前凝聚态物理十分活跃的前沿研究领域之一，不断揭示出一系 列重要的物理内禀，同时也展现出广泛的应用前景。本文运用格 点格林函数方法针对准一维结构的电子输运现象做了一些理论研 究。其目的在于揭示这种结构中的新效应及其物理机制，并为设 计和实现具有优良性能的量子器件提供物理模型和理论依据。　 本文共分五章。第一章从整个介观体系出发介绍了介观体系 的制备、一些典型介观结构及其量子现象。　 在第二章中，我们介绍了格点格林函数方法，特别是递归格 林函数方法。与其他的数值计算方法相比较，本方法能较方便的 处理磁场和无序（如参杂）等问题。而递归格林函数方法则能用 来有效的解决大尺寸和复杂体系的输运问题。　 在第三章中，我们利用递归格林函数方法研究了在量子线中 嵌入锯齿形量子点和一段有限长锯齿形超晶格及在它们内部加上 磁场或周期性的磁场的输运性质。结果显示，电子输运要受到量 子点的形状的影响和制约。量子点内的弱磁场使干涉效应更加显 著。当锯齿形的超晶格嵌入量子线中时，除了在准束缚态峰上有 ｎ 重劈裂外，其他的都是 ｎ－１ 重劈裂。如果在这种超晶格中加入 周期性的弱磁场，第二个共振峰上的共振劈裂变成了 ｎ 重。　 在第四章中，我们发展了一种格点格林函数方法计算在 Ｔ－ 型量子线中加入势垒后的输运情况，讨论了在垂直电极和水平量 子线中加入势垒后对输运的影响。结果表明，势垒使得单个Ｔ－型 量子线的水平和弯曲电导谱上出现了一个谷－峰对。势垒宽度的 变化使得谷－峰对变得越来越明显并且增加了电导谱的振荡。而 对两个耦合 Ｔ－型量子线的研究说明，我们可以通过对势垒高度和 宽度的调制来实现电导谱的裁剪从而得到各种的电导谱。　　 1 陈元平 湘潭大学硕士毕业论文 第五章对本论文的工作进行了总结，并对以后的工作提出了 一些设想。