关键词： 三角晶格   笼目晶格   海森堡反铁磁体   阻挫磁性   量子自旋液体  

摘要： 阻挫量子磁性是强关联电子体系的一个前沿研究领域,其中具有强几何阻挫性的三角和笼目晶格海森堡反铁磁体是典型的二维自旋阻挫体系,为研究阻挫磁性提供了理想的平台。强几何阻挫和量子涨落将导致多个有序相的相互竞争,因而自旋系统在基态能量附近能态密度极高,从而导致超越经典朗道理论的量子自旋态,例如量子自旋液体。量子自旋液体态通常被认为出现在自旋量子涨落较强的小自旋阻挫系统(例如自旋1/2),自旋较大(例如自旋5/2)的系统将接近经典极限,那么具有中等大小自旋(例如自旋3/2)的阻挫系统能否实现量子自旋液体呢?另一方面,自旋1/2笼目晶格海森堡反铁磁体基态的自旋液体性质仍处于激烈争议中。基于这两个核心热点问题,本博士论文使用磁化、比热、电子自旋共振和中子散射等实验手段,对两种二维阻挫海森堡反铁磁材料的量子磁性进行了深入研究。本文研究内容如下:一、利用高质量样品,系统研究了铜铁矿氧化物材料α-CrOOH的阻挫磁性,发现该体系可以使用具有弱单离子各向异性(D)微扰的自旋3/2三角晶格海森堡反铁磁模型描述。电子自旋共振、中子衍射和比热的结果表明,该体系的120°奈尔序被有效抑制,并且体系的基态接近自旋液体态。通过拟合高温磁化率以及电子自旋共振线宽,得到该体系中单离子各向异性强度为|D|/J1～5%。此外,非弹性中子散射的低能自旋激发表明微扰项是易轴单离子各向异性(D<0)。易轴单离子各向异性可以有效抑制系统的长程120°奈尔序,进而增强低温量子自旋涨落,可能导致其基态接近于自旋液体态。除此之外,次近邻相互作用也可能是导致体系量子涨落较强的原因。这项工作为在自旋3/2的阻挫体系中寻找量子自旋液体提供了新的思路。二、利用无明显孤立自旋((?)0.8%)的单晶样品,系统研究了自旋1/2笼目晶格海森堡反铁磁材料YCu3(OH)6.5Br2.5的量子磁性。第一性原理计算结果表明,该体系中存在的OH和Br替位无序,导致Cu构成的笼目晶格中70(2)%六边形的相互作用强弱相间(J1-△J和J1+△J),其余30(2)%六边形的相互作用几乎均匀分布(J1)。进一步拟合YCOB的磁化率,发现△J/J1=0.7时的键随机模型能够很好解释该材料的实验数据,包括磁化率在低温时的上翘行为以及磁化曲线轻微的极化现象。此外,低温比热结果表明,当温度降低至0.36 K时,该体系仍没形成长程磁序。该体系的比热在温度低于1 K时近似正比于温度的平方,表明其基态可能接近无能隙(自旋能隙≤0.025J1)狄拉克量子自旋液体。这项工作有助于人们理解YCu3(OH)6.5Br2.5及其它材料中与随机性相关的无能隙量子自旋液体行为。

关键词： 香豆素   对映体   碳量子点   离子识别   手性识别   荧光传感器  

摘要： 荧光传感器凭借快速响应、高灵敏度、操作简单、成本低等优势而受到相关领域科研人员极大的关注。本论文设计并合成了一系列有机小分子及碳量子点荧光传感材料,并且重点研究了它们在有害离子和对映体识别方面的应用。本论文的工作主要有以下三个方面: 首先,以不同取代基的香豆素为底物,环己二胺为手性诱导源,合成了三种非Salen型香豆素基席夫碱的有机小分子。该系列化合物利用香豆素吡喃环上酯羰基的氧原子和亚胺的氮原子弱配位作用与离子或分子发生相互作用,构筑OFF-ON-OFF型荧光/CPL材料。通过对金属阳离子和氨基酸对映体的识别能力深入研究,基于光致电子转移（PET）效应,提出了传感器的识别机理。L-H和L-OH对Zn2+有显著的选择性识别能力,L-OMe可以作为Mg2+和Zn2+的高灵敏性的双重检测离子传感器,且Mg2+和Zn2+的加入均能开启L-OMe的圆偏振发光（CPL）发射,并且加入EDTA能再次关闭其荧光发射,实现OFF-ON-OFF型分子开关性能。此外,本文还研究了L-H和L-OMe的手性酸对映体的识别作用,发现L-OMe对D/L-樟脑磺酸对映体有极其优异的选择性识别能力。 其次,以2,2-二（丙-2炔-1-基）丙二酸作为底物,通过水热法制备一系列能够检测金属离子和阴离子的双功能碳量子点传感器,其中Hg2+和Cu2+对a-CDs和b-CDs有明显猝灭作用,同时a-CDs和b-CDs也能高效识别Cl O-和Mn O4-,检测限分别低至0.12 ppm和0.06 ppm。AA可以通过将KMn O4/HCl O氧化产生的ox-CDs还原为re-CDs来部分再生荧光,表明CDs还具有氧化还原开关的特性。手性c-CDs是优异的ON-OFF型Hg2+荧光传感器;单组分情况下它对色氨酸、焦谷氨酸和苹果酸三种对映体都表现出较好的识别能力,与Hg2+协同后能提高对扁桃酸、樟脑磺酸、脯氨酸和酒石酸的对映体识别能力。 最后,以易成环的柠檬酸为碳源,手性L/D-色氨酸为氮源和手性源,通过水热法得到荧光量子产率高达60%的两亲性手性碳量子点。借助红外光谱、紫外光谱、荧光光谱、透射电镜、X射线光电子能谱和圆二色谱对合成的L/D-Trp-CDs进行了形貌、结构和光学性质的表征。值得注意的是,虽然L-Trp-CDs和D-Trp-CDs具有相似的形貌和手性信号,但具有不同的荧光性质,L-Trp-CDs能特异性识别焦谷氨酸,ef值高达2.383。在Cu2+协同作用下,L-Trp-CDs能特异性识别半胱氨酸,ef值达1.515,而D-Trp-CDs在Cu2+协同前后都对樟脑磺酸具有较好的识别效果。此外,研究表明这些碳核内部结构和表面基团的差异可能是L/D-Trp-CDs具有不同的荧光光谱和识别能力的原因。

关键词： 安德森局域化   一维无序两粒子晶格模型   一维准周期晶格模型   迁移率边   量子输运  

摘要： 在无序存在情况下物质波的量子输运一直是凝聚态物理学中的一个重要课题。由于随机无序势的存在,在周期晶格模型中扩展的单粒子Bloch波会经历一个由破坏性干涉所诱导的量子相变,从而变得指数局域。这种机制通常称为安德森局域化。在一些与随机无序势类似的确定性势中,局域的单粒子态也可以通过一个由自对偶对称性所决定的非局域化-局域化相变来获得。准周期晶格模型中的非公度势便是一个著名的例子,且已经运用标准的Aubry-André模型进行了广泛研究。这样的势已经被证明能够展示出有趣的量子输运现象。例如,准周期的晶格模型可以具有分形的能谱。另外,与能量相关的迁移率边(mobility edge)能够存在于一些一维的准周期晶格模型中,其在一个临界能量处分隔了扩展和局域的本征态,且只会出现在三维的无序系统中。然而,在无相互作用的量子系统之外,仍缺乏对无序晶格模型中相互作用粒子局域性质的研究和观测,并且对具有迁移率边的准周期晶格模型中量子输运的研究仍待探索。为解决这些问题,本文对一维无序的两粒子晶格模型及两个具有迁移率边的一维准周期晶格模型进行研究。 首先,在一维无序的晶格模型中,为探索两个具有最近邻相互作用粒子的局域性质,通过逆参与率(inverse participation ratio)与空间关联这两个实验上可测量的含时物理量,在三种类型的初始条件、短时和长时的演化尺度及两种类型的无序下,系统地研究具有最近邻相互作用的两玻色子和两费米子安德森局域化。研究发现,由逆参与率所表征的两粒子局域行为依赖于最近邻相互作用的强度、无序的类型及初始条件,但与两粒子的量子统计性质、演化的时间尺度及最近邻相互作用是吸引的还是排斥的无关。同时,两粒子的空间关联显示出更多新奇和独特的特性。在有序情况中,呈现出两种类型的两玻色子绑定现象与玻色子的“费米化”现象,其归因于系统的能带结构。在无序情况中,再次检验最近邻相互作用对两粒子安德森局域化的影响,并且无序与最近邻相互作用的联合效应也得到揭示。此外,利用打破两种特定对称性之一的初始条件,进一步证明逆参与率或空间关联对最近邻相互作用强度符号的无关性能够消除,从而可以区分最近邻的吸引和排斥相互作用。最后,这些结果能够在二维的无序线性耦合光学波导阵列中直接观测,并且阐明其实验实现的相关细节。 其次,为揭示一维准周期晶格中安德森局域化的发生与迁移率边的存在对拓扑边界模之间绝热泵浦的影响,在具有迁移率边的一维推广Aubry-André模型中,通过设计并借助两个末端-体-末端通道来研究左和右末端模之间的绝热泵浦。研究发现,随着迁移率边的引入,整个系统可以处于一个混合局域和扩展相的中间机制,甚至当决定非局域化-局域化相变的参数超过标准Aubry-André模型的阈值时,其中一个通道仍能保持完好,这导致该通道中成功泵浦的临界条件得以放宽。此外,拓宽该混合相区域的范围会增强迁移率边对该绝热泵浦的影响。为证实这些结论,泵浦的结果得到基于保真度的量化,相应的泵浦过程也得到检验。通过设计另一个通道,进一步实现四种类型广义末端模之间的灵活绝热泵浦。 最后,为进一步阐明安德森局域化与迁移率边对系统输运特性的影响,在具有迁移率边的一维准周期晶格模型中研究量子输运问题,即边缘模之间的拓扑泵浦与边界激发的转移。一方面,借助两个边-体-边通道实现边缘模之间的拓扑泵浦,并证明该拓扑泵浦的成败取决于相应的体子通道是否经历非局域化-局域化的相变。研究发现,与标准的Aubry-André模型相比,迁移率边的引入会引起这两个通道中的成功泵浦产生相反的结果,其表现为临界条件的差异,并能够改善该拓扑泵浦抵御准无序的鲁棒性。另一方面,对位于该晶格模型两边界处激发之间的转移而言,可以出现以增强的准无序有助于该边界激发转移为特征的反常现象。此外,当迁移率边存在时,系统具有一个参数机制,其中会发生非互易效应,导致该边界激发转移的单向输运行为。

关键词： 二维磁性材料   量子反常霍尔效应   谷极化   量子反常谷霍尔效应   第一性原理计算  

摘要： 以石墨烯为代表的二维材料具有良好的电学、力学等物理学特性,近年来应用到通信、生物等领域,已成为一大研究热点。作为二维材料的重要分支,二维本征磁性材料在二维极限条件下可以保持长程磁序并进行外场调控,这为研究新奇的量子物理效应提供了理想的平台。量子反常霍尔效应具有电子无阻输运的特点,在低功耗电子器件方面有很大的发展前景。人们常用磁性掺杂和构建异质结的方法实现量子反常霍尔效应,但目前实验上仅在少数材料中观察到该效应,且实现温度较低。因此,科研人员希望获得具有较高居里温度的本征磁性拓扑绝缘体以实现量子反常霍尔效应。类比于电荷和自旋自由度,二维材料的谷自由度同样可以实现信息编码和存储。操纵谷自由度的关键是打破不同谷之间的简并,实现谷极化;调控谷电子学材料的布里渊区中不等价的谷,实现反常谷霍尔效应。光学泵浦和磁性原子掺杂是常用的调控谷极化手段,但在实际应用中仍存在一些问题。光学泵浦在器件应用时不好控制,磁性原子掺杂易引起杂质散射。与此同时,本征谷极化材料为谷电子的发展提供新的契机,目前已知的谷极化材料有限,寻找较大谷极化材料有助于开发更多适合制备电子学器件的材料。此外,拥有多种霍尔效应的磁性谷材料也引起研究人员的关注。量子反常谷霍尔效应是一种新奇的与谷相关效应,它具备谷和能带拓扑之间的相互作用,谷和量子反常霍尔效应的结合有望实现高性能量子器件的应用,进一步推动谷电子学和自旋电子学的发展。但量子反常谷霍尔效应的实现所需条件较多,这对二维材料的研究提出挑战。本文基于第一性原理计算,通过研究二维六角晶格材料的电子性质和磁性,探究二维磁性材料的拓扑性质和谷相关效应。首先,作为一种从层状MAX相中化学剥离的二维过渡金属碳化物,二维MXenes结构近年来受到广泛关注。在二维MXenes材料中寻找具有较高居里温度的本征拓扑绝缘体成为一个热门研究方向。我们系统地研究了二维MXene Mo YNCSCl的电学、磁学和拓扑性质。结果表明单层Mo YNCSCl是一个半金属材料,体系呈长程铁磁序。居里温度为619.1 K,有望实现高温量子反常霍尔效应。由于对称性破缺导致自旋轨道耦合（SOC）效应,能带中出现约为37.3 meV的拓扑非平庸带隙且陈数C=1,这是由于d和d轨道之间发生了能带反转。含有一条导电通道的边缘态和非零的贝里曲率计算进一步证实MXene Mo YNCSCl具有的拓扑性质。施加应变和调控磁化方向可以实现MXene Mo YNCSCl的拓扑相变。值得注意的是,在电子关联相互作用U的调控过程中,MXene Mo YNCSCl可以实现节线半金属态,考虑SOC情况下,其仍可实现陈数C=1的量子反常霍尔效应。其次,人们在二维材料2H VSe中提出了铁谷的概念,铁谷材料拥有自发谷极化和本征磁性,为谷自由度的调控提供了新方向。目前,自旋与谷极化共存的铁谷材料只在少数材料中存在。本文中,我们提出2H Janus LuClF是一种2D铁谷材料,基态为铁磁半导体。在时间反演破缺和SOC作用下,价带自发谷极化达到33.6 meV,贝里曲率中K和K'谷的绝对值不同且符号相反。施加外部电场时,单层LuClF会实现反常谷霍尔效应。双轴应变对单层LuClF的谷极化调控明显,在-3%的压缩应变下,单层LuClF的谷极化达到75.88 meV。不同的U值同样对能带有着显著影响,U值从0 eV变化到4 eV的情况下,谷极化呈鲁棒性。因此,单层LuClF是具备潜力的谷电子学材料。最后,谷电子学与能带拓扑结合的量子反常谷霍尔效应吸引了研究人员的目光。量子反常谷霍尔效应的实现对材料要求较高,人们在努力寻找在实验中易于合成的2D材料。我们研究了二维磁性材料2H ScBr在不同电子关联作用U作用下能带性质的变化。对于垂直磁各向异性,U=3 eV时,考虑SOC的情况下2H ScBr的谷极化为60.74 meV,翻转磁化方向可以调控谷极化的反转,施加电场可实现反常谷霍尔效应。随着U值的增加,2H ScBr经历由铁谷态到半谷金属态到量子反常谷霍尔效应到半谷金属态再到铁谷态的相变。U值在3.68 eV到3.80 eV范围内可以观察到能带中存在d/d和d轨道成分反转,并且看到符号可逆的贝里曲率。当U=3.742 eV时,ScBr的陈数C为1并有一条连接导带和价带的导电通道。我们研究了不同U值条件下的本征磁各向异性,考虑本征磁各向异性时没有量子反常谷霍尔效应或谷极化现象。本项工作主要探究电子相互关联作用U值及磁各向异性对单层2H ScBr能带结构的影响。关于量子反常谷霍尔效应的研究为调控二维磁性材料的谷相关量子器件提供思路。

关键词： 镉基量子点   光催化   产氢   二氧化碳还原  

摘要： 人类对地球的矿产和资源的无尽索取,产生了大量的污染,造成了能源和环境的双重危机。利用太阳能分解水制氢和将二氧化碳还原成燃料或有机化学品的光催化技术是解决能源和环境问题行之有效的方法之一。基于此,本文以镉基量子点为基础,与不同的半导体材料复合,制备了一系列的镉基量子点复合光催化剂。表征了复合光催化剂的结构、光电化学性质,同时研究了其光催化性质提高的机理。研究内容主要包括:（1）通过超声沉淀法合成了花状CaMoO微球。随后利用水相Cd Se量子点复合到花状CaMoO微球的表面,制备了Cd Se/CaMoO复合光催化剂。研究了Cd Se/CaMoO复合光催化剂的光催化产氢性质。Cd Se量子点的引入,提高了复合光催化剂的光吸收能力,延迟了电子和空穴的复合,加快了电子和空穴的转移。通过调节Cd Se量子点的浓度,Cd Se/CaMoO-2复合光催化剂的产氢速率可以达到10162.33μmol g·h,是Cd Se量子点的3倍,同时该催化剂具有良好的循环稳定性。（2）首先通过溶剂热法合成了花状Mn InS微球,在空气中煅烧制得花状Mn掺杂的InO（Mn-InO）微球。随后制备了Ni掺杂的Cd S量子点(CdNiS),并将其与Mn掺杂的InO复合制得CdNiS/Mn-InO光催化剂。通过改变Ni离子的掺杂量,研究了CdNiS/Mn-InO材料的光催化二氧化碳还原的性质。研究发现,CdNiS/Mn-InO具有最高的光催化二氧化碳还原性质,在3小时内的一氧化碳产量为43.40μmol·g。构建的Z型异质结实现了电子与空穴的分离,增强了光吸收能力,最终提高了其光催化二氧化碳还原的性质。（3）首先通过水热法合成了CeO的前驱体,在空气中煅烧制备得到CeO纳米棒。然后合成水相ZnSe量子点,并在其表面外延生长Cd Se制备得到ZnSe@Cd Se核壳量子点。通过改变ZnSe@Cd Se量子点的浓度,研究了具有不同ZnSe@Cd Se负载量的ZnSe@Cd Se/CeO复合光催化剂的光催化产氢性质。其中ZnSe@Cd Se/CeO-2具有最高的产氢速率,在5 h内可以达到14352.88μmol·g。复合之后的ZnSe@Cd Se/CeO-2样品相比ZnSe@Cd Se和CeO具有更宽的光吸收范围,更高的光电流响应强度和更低的电化学阻抗。构建的II型异质结构可以实现电子和空穴在空间上的分离,避免电荷重组。

关键词： 钙钛矿   金属有机框架   稳定性   白光LED   光催化  

摘要： 有机-无机MAPb X3（MA=CH3NH3,X=Cl,Br,I）钙钛矿量子点由于具有发射波长可调、色纯度高和高光致发光量子产率等优点,近年来在发光二极管（LED）器件、太阳能电池、光催化以及光电探测器等多个领域均受到愈加广泛的关注。然而,由于其表面和结构的缺陷,在受到外界影响,比如接触到热作用、光照或极性溶剂时量子点发生团聚或者降解,导致发光性能的下降甚至完全失去发光性能,因此稳定性的缺陷限制了钙钛矿进一步的实际应用。针对这一问题,目前已经提出了离子掺杂、表面改性和基体封装等策略来提高钙钛矿量子点材料的稳定性。本文采用基体封装策略,通过引入金属有机框架（MOF）作为引发剂,诱导钙钛矿前驱物PbBr2转化为化学性质稳定的PbBr（OH）保护基体包覆MAPbBr3量子点颗粒,从而得到稳定性提升的MAPbBr3@PbBr（OH）量子点复合材料,并对合成出的复合材料结构、形貌与发光性能进行了表征,接着进一步测试了材料的发光稳定性,并对其形成机理进行了研究,最后将复合材料应用于组装白光LED器件以及作为光催化剂在水溶液中降解有机染料碱性绿。实验研究表明:（1）通过在前驱体溶液引入预先合成的MOF(两步诱导合成MAPbBr3@PbBr（OH）,简称两步法)或者硝酸盐,咪唑和甲醇(一步诱导合成MAPbBr3@PbBr（OH）,简称一步法),均可以诱导PbBr2转变为PbBr（OH）,并通过定向自组装制备出MAPbBr3@PbBr（OH）复合材料。相比未被包覆的钙钛矿量子点,制备出的复合粉体量子产率可达到45%（两步法）和90%（一步法）,并且稳定性得到显著提升,特别是合成出的复合材料在接触多种极性溶剂超过60天（两步法）和210天（一步法）,发光强度仍能保持初始值的95%以上。（2）向前驱体溶液中直接引入MOF时（两步法）,在前驱体阶段MOF会诱导PbBr2在MOF周围形成中间相Pb4O3Br2·H2O水合物,同时在MOF内部形成钙钛矿量子点前驱体。当前驱体溶液加入甲苯继续搅拌时,伴随着MOF框架的坍塌,Pb4O3Br2·H2O进一步转化为PbBr（OH）,同时由于溶剂极性的变化,溶液中生成MAPbBr3量子点并被PbBr（OH）封装得到最终的复合材料。当向前驱体溶液中引入Zn（NO3）2·6H2O/Co（NO3）2·6H2O,2-甲基咪唑以及甲醇时（一步法）,在前驱体溶液中,形成的MOF和MABr之间发生了相互作用,从而阻止了在前驱体溶液中PbBr2向PbBr（OH）发生转变,当随后加入甲苯继续搅拌时,PbBr2才在MOF诱导作用下形成PbBr（OH）,并与同时形成的MAPbBr3量子点进行自组装,从而得到高性能的复合材料。（3）通过将两步法合成的复合材料与商业红色荧光粉K2Si F6:Mn4+沉积在蓝光芯片In Ga N上,制备了具有显色指数（CRI）值为70.4,相关色温（CCT）为6164 K的冷白光LED器件。器件的CIE色域覆盖面积达到NTSC标准的111%,Rec.2020标准的83%,同时在20-130毫安的电流范围测试中保持稳定的发光性能。此外,通过将一步法合成的复合材料作为光催化剂,在去离子水中对有机染料碱性绿进行降解,在光照3小时后,污染物浓度下降至初始的5%以下。

关键词： BiAlO3(0001)极性表面   二维/铁电异质结构   电子和自旋调控   量子输运   第一性原理计算  

摘要： 近年来,随着原子尺度极限厚度二维层状材料的迅猛发展,二维层状材料与铁电材料堆叠的范德瓦尔斯异质结构(二维/铁电)在纳米(光)电子学和自旋电子学等领域的应用日益受到重视。这不仅是由于铁电材料高的介电常数和可反转的铁电极化能够对二维层状材料的光电性能和输运行为进行有效调控,而且因为二维材料无悬挂键的平坦表面和原子尺度的极小厚度可以有效提高器件稳定性并抑制短沟道效应。在实际的二维/铁电异质结构器件中,其界面电磁调控及量子输运微观机制对器件物理性能至关重要,是非常值得研究的课题。然而,与二维/铁电异质结构领域众多的实验研究相比,该领域界面电磁调控及量子输运微观机制的理论探究较少,并且其中大多数使用了热力学上不稳定的铁电表面终结层,这使得理论计算与实验结果难以比较。本文以热力学稳定的钙钛矿型铁电BiAlO3(0001)极性表面为基础,将其与几种二维材料堆叠而构建二维/铁电异质结构及相关的纳米场效应器件,通过第一性原理密度泛函理论并联合非平衡格林函数法进行了深入的理论探究。主要研究成果如下:1.二维/铁电异质结构中的界面电荷转移并不直接决定于极化方向,而是与二维材料与铁电极性表面之间的特定能带排列以及界面化学环境有关。具体而言,除了大的离子-范德瓦尔斯界面耦合外,石墨烯/BiAlO3(0001)和MoS2/BiAlO3(0001)异质结构中也存在一种反常的静电掺杂效应,即热力学稳定的BiAlO3(0001)正(Z+)和负(Z-)极性表面上石墨烯中的载流子类型分别为p型和n型;BiAlO3(0001)Z-表面上的MoS2是n型静电掺杂。研究发现是石墨烯(或MoS2)和BiAlO3(0001)极性表面之间的特定能带排列和界面化学环境导致了这种反常的静电掺杂行为。铁电极化反转对石墨烯(或MoS2)中静电掺杂的影响意味着石墨烯(或MoS2)/BiAlO3(0001)异质结构在石墨烯(或MoS2)基场效应晶体管器件中有很好的应用前景。此外,由于石墨烯(或MoS2)在相反极化的BiA1O3(0001)表面上具有大的能带偏置,预计可以通过在BiAlO3(0001)衬底中设计畴结构来制造具有陡峭内建电场的石墨烯(或MoS2)p-n同质结。2.二维VX2(X=S,Se)单层的自旋和相关电子特性显著依赖于BiAlO3(0001)基底的电极化方向。与以往研究中报道的受外部刺激调控的电子和自旋性能以及弱磁电耦合或小的磁晶各向异性不同,VX2单层的电子结构和自旋性质是通过铁电开关调控的,铁磁半导体2H-VS2和铁磁金属1 T-VSe2单层的磁矩、交换相互作用、磁晶各向异性和居里温度显示出对BiAlO3(0001)电极化方向的显著依赖。在二维VX2/BiAlO3(0001)多铁异质结构中发现的显著铁电栅依赖的电子和自旋特性使得体系可以作为一种有效的电子和自旋开关,为下一代纳米低功耗器件的创新设计和实现提供选择方案。3.在BiAlO3(0001)基铁电隧道结中,由于铁电BiAlO3(0001)势垒的可逆金属化,通过切换BiAlO3(0001)势垒的电极化,可以实现与大多数全范德瓦尔斯隧道结相当的约1458%的巨大隧穿电阻比。通过极化反转对势垒高度和宽度的有效调控,在电极/势垒界面的一侧插入石墨烯层可以获得接近1 04%的增强隧穿电阻效应,铁电隧道结器件的写入耐久性也有望得到显著提高。对于所探究的三种BiAlO3(0001)基铁电隧道结,计算得到的ON态电阻面积的乘积均不超过100Ω.μm2。这些结果表明所提出的BiAlO3(0001)基铁电隧道结在设计具有优异性能的下一代高密度和低功耗非易失性纳米存储器方面拥有巨大的潜力。4.通过切换铁电 BiAlO3(0001)介质的电极化,所研究的基于MoS2/BiAlO3(0001)异质结构的部分铁电场效应晶体管器件的界面势垒和输运特性是高度可调控的。在两种极化状态下,可以获得从接近欧姆接触到肖特基接触的转变,以及n型和p型肖特基接触的相反接触极性,这表明其在非易失性信息存储方面具有不错的性能指标。由于在某些极化态下具有接近欧姆接触的特性,所探究的铁电场效应晶体管器件即使在常规场效应晶体管模式下工作,也能极大地实现理想的低阈值电压和界面接触电阻。结合带有界面插层的MoS2/铁电体系中形成的范德瓦尔斯界面,预计所提出的铁电场效应晶体管也能够在循环寿命和存储密度方面展现优异的器件性能。

关键词： 量子-电磁计算方法   太赫兹超材料   第一性原理计算   材料建模   不连续伽辽金时域方法   GPU计算   并行计算   稳定性分析  

摘要： 随着太赫兹技术与电磁超材料的快速发展,结合物态可调控材料与金属人工微结构的太赫兹超材料成为了研究热点,为太赫兹波的自由调控提供了切实可行的科学道路。近年来太赫兹波产生与探测仪器的发展给很多材料与器件带来了新的实验见解,但相关的理论研究依然缓慢。一方面,很多物态材料在外部激励下的太赫兹响应仍是凝聚态物理领域尚未明晰的问题。另一方面,结合物态材料的太赫兹超材料阵列器件是大规模多尺度的复杂结构,如何快速准确地对其建模对传统的电磁计算方法提出了挑战。除了太赫兹超材料,国防与工业界电磁设备的规模与复杂度日益提升,对电磁算法的精度与效率都提出了更高的要求。 针对以上科学问题,本论文基于新兴的不连续伽辽金时域（DGTD）电磁算法,提出了低内存方案与GPU并行加速技术,以及时间步预估方法与MPI+MPI CPU并行算法,对于大规模多尺度电磁问题实现了出色的内存压缩性能、精确的时间步估计和快速准确求解;基于第一性原理提出了光控砷化镓（Ga As）、温控二氧化钒（VO）的太赫兹等效色散模型,有效分析了其太赫兹特性,并结合高效的DGTD并行算法实现了物态调控太赫兹超材料的高精度仿真。论文给出大量的数值仿真和实验测试,验证了提出的量子-电磁计算方法的正确性和有效性。具体的研究内容和创新点包括: 1、提出了混合DGTD（HDGTD）方法的低内存方案。首先对HDGTD方法的基本矩阵进行矢量叠层基函数展开与线性映射,把每个四面体单元几何相关的基本矩阵分解为参考四面体单元内几何无关的通用矩阵。在对矩阵进行内存分析之后,分类推导了所有基本矩阵的展开表达式及通用矩阵的定义,使每个网格单元从存储矩阵转变为只需存储少量还原系数,从而显著降低内存消耗。数值算例表明,应用通用矩阵技术,内存占用与传统HDGTD相比大大降低,内存压缩率随着基函数阶数升高而提升,最高能压缩到传统HDGTD的1/18。 2、提出了两种基于局部时间步进（LTS）HDGTD算法的GPU并行加速技术,即1D线程块和2D线程块并行框架。当问题规模较小,内存占用小于GPU显存时,采用1D线程块框架,预处理时重组矩阵传输到GPU端,时间步进时每条线程负责矩阵与向量的乘加操作,加上并行归约算法的应用降低了计算时间复杂度,使得1D线程块框架有极高的加速比。当问题规模较大,内存占用大于GPU显存时,采用2D线程块框架加速低内存方案,每条线程负责矩阵重组与矩阵向量乘,减少数据传输量的同时适当增加计算时间,使得一边传输数据一边计算的时间重叠率高,在降低内存消耗的同时获得可观的加速效果。数值算例表明,与传统的全局时间步进HDGTD方法相比,中小规模复杂问题实现了590倍以上的杰出加速比,大规模复杂问题实现了150倍以上的加速比和13倍的内存压缩性能。 3、提出了基于麦克斯韦方程组的DGTD（DGTD-ME）方法的时间步准确预估方案,通过局部谱半径分析建立了高效的逐单元求解的时间步预估方案。经过与时域有限差分（FDTD）方法类似的稳定性分析,对DGTD-ME方法进行全局谱半径分析,得到解析的时间步界限;分析DGTD-ME的局部系统特性,将全局矩阵的谱半径分解到局部系统中,从而获得逐单元的时间步预估方案;选取权重系数时忽略第二层相邻单元的影响,进一步降低局部矩阵维度,提高预估效率。由于仅在全局矩阵分解时引入1次不等式放缩,提出的方法有杰出的预估准确度。数值算例表明,与精确的时间步长相比,该方法预估的最大时间步长准确度高达0.95;与广泛应用的局部能量预估方法相比,该方法的预估准确度提高到3.83倍。 4、提出了DGTD-ME-LTS方法的MPI+MPI大规模CPU并行算法,以及对应的双层负载平衡与双层通信技术。将同一节点内的CPU核心绑定成组,通过MPI共享内存窗口实现数据的直接访问,而节点间采用优化的MPI点对点通信,大大提高了信息交互速度。对应于双层通信架构,提出了双层网格分区策略以及对应的双层负载平衡方法。MPI+MPI通过节点内的核心共享内存机制大大减少了分区数量,使得核心间的负载平衡转变到节点间的负载平衡,提升了负载平衡度,从而显著提高了LTS方法的并行效率。数值结果表明,针对大规模多尺度复杂问题,该方法在6400核的并行效率高达94%;即便网格尺度比高达3个数量级,并行效率仍在90%以上,极大地提高了并行可扩展性。 5、提出了光控Ga As的量子-电磁太赫兹等效色散模型,有效提高光控Ga As材料及其太赫兹超材料的仿真精度。采用密度泛函理论（DFT）与杂化泛函计算Ga As绝缘态的能带结构与带隙,利用密度泛函微扰理论（DFPT）计算其介电常数,并通过实验验证结果的正确性;光激发Ga As呈现金属态时,应用电声耦合方法计算不同激发强度下的电子输运特性,结果与已发表的测试数据一致。基于第一性原理分析的

关键词： 凝胶多糖   碳量子点发光   细胞毒性   pH响应  

摘要： 作为一类零维的碳纳米材料,碳量子点因其低毒性和独特的光电性质在生物成像和荧光探针等领域的应用研究受到关注。利用无机或有机的各类载体对碳量子点进行稳定负载,能够显著改善其荧光寿命、发光效率和聚集猝灭等问题,极大提升发光性能。天然高分子与其功能化衍生物具有环境友好、可再生和稳定性高等优点,不仅可负载提升碳量子点发光性质,还能够赋予碳量子材料机械性能。本论文基于功能化凝胶多糖构筑了兼具碳量子点的荧光特性和天然高分子生物相容性的两种新型红光碳量子点材料。首先,论文对凝胶多糖(CD)进行取代反应制备羧甲基凝胶多糖(CCD),同时通过水热法制备以盐酸多巴胺和邻苯二胺为氮源的红光碳量子点(RCDs),而后将RCDs与CCD通过酰胺反应结合,再与溶菌酶热缩为羧甲基凝胶多糖负载碳量子点复合溶菌酶纳米球(RNMS),经NMR、FT-IR、UV-vis、TEM、XPS、XRD和FS系统进行了结构和发光性能研究。研究结果表明,在560 nm波长激发下,RNMS发出红色荧光,荧光寿命τ=2.4161 ns,绝对荧光量子产率为6.6%;在560 nm激光器照射500 s内平均升温27℃,具有良好的光热转换性能;对于25-600μg/m L浓度的RNMS,Ha Cat细胞存活率基本保持100%。此生物相容性极好的RNMS在体内成像和诊疗一体化方面具有开发前景。然后,论文通过凝胶多糖氧化获得凝胶多糖醛(CA),将RCDs与CA通过Schiff反应实现动态可逆结合,调节温度制备凝胶多糖醛动态可逆结合碳量子点凝胶(CRDG)。CRDG在560 nm激发下发出红光,平均荧光寿命为τ=2.4083 ns,绝对荧光量子产率为6.7%,pH=2-14时,其发光强度随pH增大先增后减,在pH=7-8处最强。响应机制在于CRDG内部亚胺键随pH变化发生断裂和恢复,且CRDG荧光可对于酸碱产生可循环的“开-关”响应作用,可用于发光油墨和动态信息加密,在信息安全和信息防伪上具有开发应用价值。

关键词： 非平衡格林函数方法   四方硅烯   β12硼烯   自旋极化   自旋电流分离装置   纳米开关   输运性质  

摘要： 基于扶手椅型四方硅烯(ATSNR)和β硼烯(ABNR)两种类六角蜂窝结构,本文建立了这两种二维材料的异质结模型。研究发现,垂直电场和交换场同时作用会使四方硅烯异质结中出现完全自旋极化现象,导致中心散射区的电子处于高度极化状态。特别是,在自旋轨道耦合较强时,自旋极化现象仍能存在;边缘势垒会使硼烯异质结打开带隙,使硼烯从金属态转变成半导体态。本文研究了势能、垂直电场、铁磁交换场和自旋轨道耦合对四方硅烯能带的影响。研究结果表明,正(负)势能可以抬高(降低)能带曲线;垂直电场可以打开四方硅烯的带隙,带隙的大小等于两倍的子晶格势能;在垂直电场的作用下,交换场可以重新调制自旋相关能带,并在费米面附近出现完全自旋极化的子带,此时子晶格势能等于交换场幅值。如果子晶格势能大于交换场幅值,则可以使体系打开带隙;自旋轨道耦合让自旋子带倾斜,倾斜角度跟自旋轨道耦合强度呈正相关。本文研究了硼烯的尺寸效应以及边缘势垒对硼烯能带结构的影响。研究发现,在N≤22时体系为半导体,而在N≥27时转变为导体;边缘势垒对硼烯的能带有明显的调控作用。当N=22时,随着边缘势垒的增大,硼烯发生从半导体到导体,再到半导体的重复变化;当N=27时,边缘势垒的加入使硼烯从导体转变成半导体。另外,本文利用四方硅烯和β硼烯两种材料分别设计了一个电子器件,并对这两个器件的输运性质进行了研究:1.开关控制的四端口ATSNR自旋电流分离装置。中心散射区两个独立通道中的电子,在电场和交换场的综合影响下处于自旋极化的状态。由于两通道电场和交换场的方向相反,因此它们的极化状态相反。开关可以选择性接入高势垒,当势垒为零时,电子更倾向通过开关区域流入中间端口;接入势垒时,电子的流动路线被阻断。通过不同的开关组合,此装置可以控制中间端口的自旋极化方向。2.边缘势垒控制的阶梯延展的回型ABNR电流开关装置。中心散射区通过四个阶梯结构延展成回型样式,两个通道形成一个回型闭环结构。上下边缘接入一个线状底栅极电压,以此来控制通道中电子的流通状态。当只有一个通道的边缘势垒存在时,电子可以通过另一个通道流入;当两个通道均接入边缘势垒时,此装置的电子在较大的能量范围内无法发生透射。阶梯结构的阶梯数对装置的输运性质也会产生影响,计算结果表明,阶梯结构会带来零电导平台,当阶梯数足够小时,零电导平台消失。此装置可用来制作硼基纳米开关。