关键词： 有机共轭聚合物   电-声耦合   量子输运   交流门电压  

摘要： 有机分子及聚合物材料因具有良好的溶液加工性、与柔性固体载体的兼容性、低成本等优势,被广泛应用于分子整流器、有机发光二极管(OLEDs)、有机太阳能电池(OSCs)、有机场效应晶体管(OFETs)等光电器件中.制成的有机分子器件可突破摩尔定律预言的尺寸极限,是下一代光电器件的主流.场效应晶体管是数字革命的基石,是各种电子电路的核心器件,也是探索有机半导体中载流子注入、输运和发光等基本物理过程的理想平台.除了有机分子本身的性质外,器件运行的驱动模式也是影响器件性能重要的一方面.在门电极上施加交变电压可有效避免直流门电压的不良影响.从实际应用角度,具有交流操作的器件结构可以为OFETs的未来发展提供一种可行的途径.本文构建了由有机分子、源漏电极和门电极组成的三终端结构体系,模拟了在交流门信号下,电荷注入、输运的瞬态过程.其结果为理解有机分子器件中载流子动力学过程的物理机制并提高器件性能提供理论依据.1.将有效描述电子-声子相互作用的SSH模型(Su-Schrieffer-Heeger,SSH)与求解开放量子系统演化的级联运动方程(Hierarchical Equations of Motion,HEOM)结合,采用非绝热分子动力学方法,模拟了交流门电压驱动下OFETs内载流子的瞬态输运性质.首先以开放系统能量极小态作为动力学演化初态,施加正弦形式门电压后,电流随电压呈现周期性变化.在四分之一和四分之三周期时刻,电荷注入量达最大,注入率最小,左、右电极电流趋于0.每个周期电荷注入率出现4次最值,电流随时间演化呈现4个峰,电流的演化表明了电子和空穴在门电压下的交替注入.此外,系统对门电压的响应并非瞬时,各性质达到动力学稳定需要一定时间.门电压强度较小时,趋于稳定时间较长,随着强度增大,系统能较快趋于稳定演化状态.电-声耦合作用下注入的电子和空穴,在分子中形成短暂的自陷态,使得系统性质变化与施加门电压不同步.周期变短,在器件导通状态时,相同的门电压强度下电流振幅增大.周期越长,分子本征能级随时间的演化越偏离正弦形式,同时电流随时间演化的峰变得越来越尖锐,电-声耦合导致的自陷效应越明显.2.较长分子链中电-声耦合作用带来的效应得以充分体现.电子和空穴在交流门电压控制下交替注入,由于强电-声耦合作用形成自陷态,其占据能级成为带隙中的深能级.由于自陷效应,门电压改变后的一段时间内深能级仍旧可以存在于带隙中.这就造成了注入的电子(空穴)在门电压改变后,来不及注出,就遇到了后半个周期注入的空穴(电子),形成激子态.激子形成于每个周期内门电压改变方向的时刻.随门电压的变化激子态在每个周期经历了产生、湮灭、再产生、再湮灭的过程.由于器件中激子的产生可以使得器件具有发光性能,因此有望实现电流调制和发光性质一体化.

关键词： 能量转移   瞬态吸收光谱   量子点   氧化石墨烯   碳化钛  

摘要： 量子点与碳基二维材料复合体系能量转移动力学的相关研究,能够为高性能光电器件的制备提供理论储备和技术支撑。目前,在金属掺杂量子点与二维材料复合体系中,掺杂的金属离子对能量转移的影响尚不明确;碳化钛作为较新型的二维过渡金属碳化物的典型,多数研究集中在其与量子点复合体系在光电器件方面的应用,对于复合体系内能量转移作用的探究较少。针对以上问题,本文利用稳态发光光谱和瞬态吸收光谱技术,通过定量调控量子点中掺杂的金属离子量、二维材料的浓度以及二维材料的光还原度,研究了锰掺杂硫化锌量子点到氧化石墨烯的能量转移过程;通过改变碳化钛浓度,研究了磷化铟/硫化锌量子点瞬态吸收光谱的信号变化,从而对量子点到碳化钛能量转移导致的荧光淬灭进行定量分析。具体研究内容如下:1、将具有荧光-磷光双发射锰掺杂硫化锌量子点与氧化石墨烯结合,利用稳态吸收光谱检测发现量子点与氧化石墨烯复合材料光吸收性能增强,复合材料在光照下表现出从光激发量子点到氧化石墨烯的非辐射能量转移。通过使用稳态发射光谱和时间分辨光谱,发现量子点表面缺陷与氧化石墨烯之间的能量转移效率高于孤立锰离子与氧化石墨烯之间的能量转移效率。此外,氧化石墨烯浓度和还原度的增加可以改善量子点缺陷态的电子布局数,而锰离子中的电子布局数受氧化石墨烯的影响相对较小。本研究有助于更好地理解双发射锰掺杂硫化锌量子点与氧化石墨烯之间的能量转移动力学,对高性能量子点光电器件的设计具有重要意义。2、将磷化铟/硫化锌核壳量子点与二维碳化钛结合,基于二维碳化钛浓度变化,检测了磷化铟/硫化锌量子点与碳化钛复合材料的稳态发光光谱,分析了解了荧光淬灭过程。利用瞬态吸收光谱揭示了碳化钛的加入可以导致磷化铟/硫化锌量子点的缺陷态光诱导吸收信号蓝移,同时改变量子点的电子布局数,使得受激辐射信号增强。受激辐射信号的寿命随着碳化钛浓度的增大而变长,二者之间的这种依赖关系能够用来理解量子点的荧光淬灭过程。将瞬态吸收光谱作为一种新的定量分析荧光淬灭光谱技术手段,对于复合材料能量转移作用的理解是非常必要的。

关键词： 非平衡格林函数方法   拓扑绝缘体   HgTe量子点   电子输运   量子计算  

摘要： 近年来,集成电路尺寸已进入到介观尺寸标准内,各种各样的物理效应会阻碍集成电路的前进与发展,从而制约摩尔定律。因此,为延续和拓宽集成电路,可以考虑优化集成电路的器件材料。Hg Te拓扑绝缘体量子点是一种内部绝缘,表面导电的新型材料,存在自旋相反的边缘态,所以其具有构成器件的潜力。因此,本文研究了小尺寸Hg Te量子点在铁磁电极间的电流输运;同时,由于Hg Te量子点qbit的四周存在几个带有栅极电压的铁磁电极,很难在一个Hg Te量子点qbit旁边放置其他的双Hg Te量子点qbit。所以,本文提出了一种理论上可行的多Hg Te量子点qbit可编程操控耦合方案。具体研究内容及贡献如下:(1)首先推导出小尺寸Hg Te量子点的能带和电子态密度函数,然后根据该函数绘制能带图和电子态密度图,了解量子点边缘态电子的分布情况,并与传统量子点进行比较。随后,利用非平衡格林函数方法,推导出Hg Te拓扑绝缘体量子点在两个铁磁电极之间的电流公式,并且基于该电流公式,研究量子点厚度、温度和缺陷对输运电流的影响。实验结果表明,由于小尺寸Hg Te量子点边缘态的能带位于体态带隙之中,在小偏压下会产生电流,导致Hg Te量子点的输运性能优于传统半导体量子点。同时,输运电导会随着量子点的厚度变大、温度增高和缺陷增大而减小。(2)介绍了基于Hg Te量子点结构实现qbit的具体措施,涵盖了电子qbit、自旋qbit的哈密顿量形式、物理实现、操纵方法等内容,也分析了几种Hg Te量子点的耦合体系,以及耦合作用:排斥作用、互换作用。同时,提出了一种理论上可行的简单的多Hg Te量子点qbit可编码耦合操纵途径,解决了单个量子点qbit无法同时耦合多个相邻的量子点qbit的问题。图[14]表[1]参[45]

关键词： Quantum material   Bayesian optimization   Electromagnetic field   Theoretical frequency   Novel Implementation  

摘要： Using light one can desirably change the properties of materials. An electromagnetic (EM) field signal can excite a material or chemical system into a higher eigenstate and, as a result, change its properties. We develop an algorithm to find the right EM signal for a chemical system simulated in NIC-CAGE (Novel Implementation of Constrained Calculations for Automated Generation of Excitations). NIC-CAGE simulates the influence of an EM field on a quantum system and provides the probability of desired transition as well as the gradient of the probability as a function of the EM field. The simulation is calculated in a system with one degree-of-freedom which still preserves most of the dynamics of a real high degree-of-freedom systems. A single query on the simulator takes about a second to calculate the probability and more time to find the gradient at the evaluation point. Given the parameters of the quantum system, and the source and target eigenstates, the software provides a theoretical frequency for a sinosoidal EM signal. The optimal frequency may lie in a big region around it. Bayesian Optimization (BO) is suitable to this problem because it minimizes the number of costly evaluations and avoids the need for costlier gradient calculation. However, typical BO methods expect uniform smoothness over all the search space in the evaluation function to be optimized. For our problem, this is not true for the frequency parameter which leads to slower performance. We found that frequencies with high evaluation probability are present in very small regions and the rest of the space has a uniformly low probability. We propose three methods to minimize the search over these low-probability regions. The first method crops the part of the search space based on the last best point and searches in it. The second method extends the previous method by dynamically adjusting the size of cropped search space and searches over it. The third method warps the search region such that t

关键词： 石墨烯   扫描门显微镜   磁性输运   多体能谱统计  

摘要： 波函数是量子力学中最重要的基本概念之一,其丰富的物理内涵在量子混沌、量子输运等领域被广泛的探讨。石墨烯因其室温下的高迁移率以及其低能下准粒子可由无质量狄拉克方程描述的性质,近二十年来一直是实验和理论物理关注的焦点之一。因此探测和研究石墨烯中的波函数性质具有重要的意义。扫描门显微镜技术是对输运器件中局域电子态密度观测的常见手段之一,其原理是移动靠近样品表面的扫描隧道显微镜探针,通过测量样品电导的变化从而对局部载流子密度进行成像和调制。该技术近年来也被广泛的应用在石墨烯相关的研究中,为了解决实验中可能遇到的参数和几何特征的多样性,需要开发一种扫描门显微镜探针对电导响应的理论方法。沿着经典动力学为混沌的器件的不稳定经典周期轨道分布的波函数被称为量子疤痕态。相对论性的量子疤痕态可以在石墨烯系统中观测到,但是目前对相对论性的磁性疤痕态的研究还是一个开放问题,因此探究石墨烯中的磁性疤痕态及其输运特征很有价值。量子混沌领域的绝大多数工作都集中在单粒子非相对论体系,研究多体相互作用、相对论性量子力学和经典动力学三者之间的关系有利于理解基础物理。在本论文中,我们主要从理论和数值上研究了开放石墨烯系统中电导对扫描门显微镜探针的响应、相对论性准粒子在小磁场下的输运特征以及闭合石墨烯系统中多体效应对其能谱性质的影响。在第一章绪论中,我们主要对本论文相关的背景知识和基本概念做了简单的介绍。最后,我们给出了本论文的研究目的和研究内容。第二章介绍了本论文主要的研究对象——石墨烯,着重分析了石墨烯及石墨烯条带的电学性质,并介绍了石墨烯弹球和石墨烯量子点。我们从石墨烯的蜂窝状晶格结构出发,介绍了该类晶格在低能近似下的无质量狄拉克方程的由来。随后,我们介绍了量子输运研究中常用的石墨烯纳米带,分析了由于锯齿形和扶手椅形两种不同边界导致的不同色散关系及波函数。此外,我们对多见于量子混沌研究中的石墨烯弹球模型——具有特定形状的石墨烯片以及量子输运中的开放石墨烯量子点也进行了介绍。第三章以扶手椅形石墨烯为例,推导了石墨烯中的输运理论,并介绍了本论文所用的数值计算方法。我们利用扶手椅形石墨烯条带的本征波函数(导线态),构建了散射理论所需的导线态的离散形式,随后利用导线态构建输运器件中的散射态,并通过石墨烯中的Fisher-Lee关系得到了石墨烯量子输运的Landauer公式。此外,我们也介绍了用于量子输运数值计算的格林函数方法以及现在普遍被使用的开源软件Kwant。第四章系统的研究了扫描门显微镜探针对石墨烯纳米结构的电导响应。我们利用散射理论并结合微扰方法得到了非侵入探针引起的一阶和二阶电导修正的解析表达式。数值计算很好的符合了理论推导,结果表明二阶项在石墨烯纳米条带的电导平台中占主导地位,并且该电导响应可在不同宽度和强度的探针诱导势下进行标度。在超出了微扰理论适用范围的侵入探针机制下,对于特定宽度和强度的探针诱导势,会发生被探针捕获的态导致的电导共振。将石墨烯纳米带中间部分进行收缩可形成石墨烯收缩结构。对于该类结构,一阶电导修正通常在低探针强度下处于主导地位,而对于与微弱电导平台,二阶电导修正在相对小范围的探针强度下占主导地位。由于单端口局域态密度的空间依赖性,其对探针的最大电导响应会发生在收缩结构横向中轴线靠近纳米带边缘的部分。锯齿形边缘的石墨烯纳米条带和收缩结构具有和扶手椅形类似的电导响应,除非由探针引起的谷间耦合破坏了手性边界态。第五章探讨了多边形石墨烯量子点在小磁场下的相对论性准粒子输运特征。通过计算不同的多边形石墨烯量子点关于费米能和垂直于平面磁场的电导图,我们发现了石墨烯量子点中与形状有关的两种类型的电导等高线。结合半经典理论,我们给出了这两种类型的电导等高线出现的条件,并对其进行了数值验证。同时我们也发现电导等高线及其上的局域态密度都能在弱杂质上保持稳定。特别的,我们还推导出了器件大小、磁场范围和费米能范围三者之间的标度关系,结合费米能和实验测量中栅极电压的关系,从而为数值模拟实验结果的合理性提供了理论依据。此外,与电导等高线相关的结果也得到了实验数据的支持。第六章对石墨烯弹球中的多体能谱统计进行了研究。利用单轨道平均场Hubbard模型处理电子-电子相互作用,计算了无相互作用下经典动力学分别为可积和混沌的扇形石墨烯弹球的本征值和本征态,并研究了其能谱统计随Hubbard相互作用强度的关系。我们发现电子-电子相互作用对狄拉克点附近的能谱统计具有显著影响。特别是,无论不加相互作用时系统的能谱统计类型如何,将相互作用强度提高到临界值时都会导致其能谱统计接近高斯正交系综(完全混沌系统)。然而当相互作用增加到超过临界值时,能谱统计开始偏向泊松统计(可积系统)。此外,我们还发现,高于和低于狄拉克点的能级可以表现出不同的能谱统计,而多体相互作用对于远离狄拉克点的能级几

关键词： 铂配合物磷光材料   发光波长   光致发光量子产率   配体影响   机器学习   高通量  

摘要： 近年来,铂配合物磷光材料被认为具备与铱配合物相媲美甚至更优的发光性能,其结构刚性更高,更易获得高光致发光量子产率(Photoluminescence quantum yield,PLQY),且因其窄带发射光谱的独特性质,可实现有效深蓝色发射。高通量筛选方法是低成本、快速设计和开发新材料的高效方法,然而新型铂配合物磷光材料的高通量筛选尚缺乏基础的分子结构-材料性能量化模型。基于此,本文致力于建立铂配合物磷光材料的结构-性能(发光波长、PLQY)的量化关系模型并深入探究其关键影响因素及其机制,为铂配合物磷光材料的高通量筛选及高效新材料预测提供有益参考。主要研究内容如下:1.基于文献中的发光波长实验数据建立数据集,得到铂配合物磷光材料的发光波长影响因素及预测的机器学习模型,测试集的均方根误差(RMSE)为19.13 nm、皮尔森相关系数(r)为0.91。分析了不同溶剂及薄膜环境、分子结构对发光波长的影响机制。研究发现,溶剂环境对发光波长的影响与铂配合物磷光材料的分子结构相比甚低;分子结构基本决定了其发光波长,其中,拓扑极性表面积(Topo PSA)、电负性原子数量(ETA＿Beta P＿s)及氢键倾向(ETA＿Psi＿1)等特征对发光波长的影响较大。设计了大量铂配合物分子,筛选出具备蓝光潜力的24个分子。2.以文献中铂配合物磷光材料的PLQY实验数据作为数据集,利用不同机器学习算法建立了PLQY的回归模型及分类模型;其中优化的回归模型在测试集的RMSE为13.33%、r为0.91。分析了分子结构对铂配合物磷光材料PLQY的影响机制,ETA＿Shape＿Y、ETA＿Shape＿P等计算非氢顶点连接数量的形状度量对PLQY影响较大且呈正相关。利用优化模型对前期筛选的24个具备蓝光潜力的铂配合物分子PLQY进行了预测,筛选出6个具备高效蓝光潜力的分子。3.聚焦探讨了配体对PLQY的影响规律,主要围绕配体的选择、不同位置及组合方式进行了探讨。研究发现,含唑类配体尤其是三氮唑、且以氧原子连接C^N型配体的O^N^C^N型四齿铂配合物磷光材料更易获得高PLQY,取代基的引入也有助于PLQY的提高。图88幅,表11个,参考文献99篇。

关键词： 碳量子点   废弃生物质   重金属离子   电化学传感器  

摘要： 由于重金属离子的高毒性和蓄积性会对环境和人类健康造成严重的危害,因此,开发一种方便、灵敏度高、选择性好的重金属离子检测方法具有重要的科学意义及应用价值。电化学检测具有灵敏性高、选择性好以及操作方便等优点而受到广泛关注。电极材料是影响电化学检测的关键因素。碳量子点（CQDs）由于其sp2杂化的结构、表面丰富的含氧官能团而被认为是一种有巨大潜力的制备电化学传感器的电极材料。但由于CQDs比表面积较小、没有多孔结构而缺乏对痕量重金属离子的富集能力,影响其对重金属离子的检测性能。金属有机骨架材料（Metal-Organic Frameworks,MOFs）具有较大的比表面积和孔隙率,被广泛应用于吸附领域。本研究中,我们利用废弃生物质梧桐树叶为原材料制备CQDs,实现废弃生物质的资源化利用。充分结合CQDs和MOFs材料的优点,制备CQDs@ZIF-8复合电极材料用于重金属离子的电化学检测。为了进一步提升电极材料对重金属离子的响应性,在该复合材料的基础上进一步引入螯合剂乙二胺四乙酸（EDTA）和石墨烯（Graphene）,制备具有高灵敏度和选择性的电极材料。研究结果如下:（1）以梧桐树叶为前体物质,利用一步水热法合成了CQDs（2.47±0.52 nm）。通过超声法将CQDs负载到ZIF-8表面合成CQDs@ZIF-8复合电极材料。在最佳检测条件下,制备的电化学传感器在检测Pb2+方面表现出良好的性能。Pb2+的线性范围为1 n M–1μM,检测限（LOD）为0.04 n M。当Pb2+与Cd2+或Cu2+共存时,Pb2+的LOD分别为0.02 n M和0.07 n M。当Pb2+、Cd2+和Cu2+同时存在时,Pb2+的LOD可达到0.04 n M。XPS、FTIR和BET结果表明,复合电极材料具有丰富的含氧官能团、较大的比表面积和孔隙结构,有利于吸附重金属离子,提高了对重金属离子的检测性能。（2）在CQDs@ZIF-8的基础上,制备了具有良好导电性以及电化学活性的复合材料EDTA-CQDs@ZIF-8-Graphene,并成功的应用于共存重金属离子的电化学检测。对于Pb2+、Cu2+共存溶液,Pb2+和Cu2+的线性范围分别为100–900 n M和600–1000 n M,LOD分别为78.95 n M和149.51 n M;对于Pb2+、Cd2+共存溶液,检测范围均为100–1000 n M,Pb2+和Cd2+的LOD分别为33.67 n M和53.58 n M;对于这三种重金属离子都存在的溶液,Pb2+、Cu2+和Cd2+的线性范围分别为100–900 n M、300–700 n M和100–800 n M,LOD分别为47.37 n M、81.62 n M和59.60 n M。同时研究结果表明基于EDTA-CQDs@ZIF-8-Graphene复合材料制备的电化学传感器具有高灵敏度、高选择性以及良好的重复性和抗干扰性。这是由于石墨烯提高了材料的导电性,同时EDTA提高了材料对重金属离子的螯合性能。

关键词： 分子束外延   硅基光源   InAs量子点   半导体激光器  

摘要： 硅基光子器件可以实现高密度的异质光电集成,是目前最有发展前景的集成平台之一。但是硅是间接带隙材料,很难制备出高效的发光器件,因此硅基光子学在实现发光光源的问题上依旧面临着很大的困难和挑战。Ⅲ-Ⅴ族半导体材料是直接带隙半导体,具有优异的发光性能。因此在硅基上异质集成Ⅲ-Ⅴ族半导体材料是实现硅基光源的重要途径,硅基光源有望实现数据传输对低延时、低功耗和高带宽的要求,这对硅基光电集成系统的发展具有十分重要的意义。采用InAs量子点作为有源区的激光器具有低阈值电流、高输出功率、高增益低损耗、长寿命等优点。此外,与量子阱激光器相比,穿透位错对量子点激光器的影响更小。因此将InAs量子点材料集成到硅上是实现高效硅基光源较为理想的途径。本工作通过分子束外延技术,以Ge作为缓冲层实现硅到GaAs的过渡,然后完成硅基InAs量子点激光器的生长。这种以Ge作为缓冲层采用全MBE(Molecular beam epitaxy,分子束外延)生长的方式,用较薄的Ge层代替厚的缓冲层可以防止裂痕产生,是一种不会影响光电器件性能的方案。同时,以Ge作为缓冲层实现Si到GaAs过渡,可以在同一台分子束外延设备上实现,不需要设备的切换,操作方便的同时还能够防止设备转移过程中不必要的污染。所以采用全MBE生长的方式具有低成本、低污染、高效率等优点。本论文主要研究了 InAs量子点材料的外延生长以及在硅基上异质集成InAs量子点材料,并最终成功实现了硅基光源。取得的研究成果如下:1.对InAs量子点的生长条件进行了优化,其中包括量子点的沉积厚度、生长温度、不同As压和有源区的层数,并对不同生长条件的样品进行了 AFM与PL测试表征。在外延生长的过程中,InAs沉积厚度不足会导致InAs量子点的密度较低,而InAs沉积厚度过大则会导致缺陷点的增多,两者都会导致InAs量子点的发光性能下降。生长温度过低会影响表面In原子的迁移,生长温度过高会对量子点造成破坏,不适合量子点成形,因此过低或过高的生长温度都会对量子点的发光性能造成影响。As压过低会抑制量子点的发光效果,多层量子点结构则能提高有源区的总增益,大大提高发光性能。综合各种生长条件的优化结果,我们得出了最适合InAs量子点的生长条件:沉积厚度2.7ML、生长温度620℃、80%As压以及7层InAs量子点的有源区结构。2.由于4英寸晶圆的加热分布不均匀,我们对样品架的结构进行了优化,调整了内外圈加热丝的温差,使得4英寸晶圆的加热更加均匀。采用MEE(Migration Enhanced Epitaxial,迁移增强外延)生长技术,能有效抑制异质外延生长界面处不同原子的互扩散,并得到平整的外延界面,该技术为Ge上生长高质量的GaAs外延层提供了保障。使用6°偏角的衬底,可以降低表面台阶的密度和宽度,能够把APB(Anti-Phase Boundaries,反向畴界)限制在Ge与GaAs的界面附近,促进APB初期的自动湮灭。在完成所有的生长优化之后,我们在4英寸Si衬底上生长了 InAs量子点激光器结构,并对样品进行了PL(photoluminescence,光致发光)mapping的测试。PL mapping的测试结果表明生长完成的InAs量子点激光器样品,整体具有很好的均匀性,为后续器件的制备奠定了基础。3.在完成硅基激光器的工艺制作之后,对激光器进行了封装处理,并对其性能进行了测试和分析。我们制备的硅基F-P(Fabry-Perot,法布里-珀罗)腔激光器在室温连续工作模式下,激射波长位于1.31μm附近,特征温度为40.2K,随温度变化的红移速度为0.50nm/℃,与已报道的硅基InAs量子点激光器的结果相当。其中,性能最好的硅基激光器在室温连续工作模式下,阈值电流密度为365A/cm2,最高输出功率为64mW,最高工作温度为80℃,器件的性能达到了较高水平。4.在InAs量子点激光器有源区的生长结构和生长方式上做了新的探索,进一步提升了 InAs量子点激光器的性能。我们以GaAs基InAs量子点激光器作为基础,在GaAs衬底上分别生长了有源区Be掺杂量子点激光器和InAs/GaAs短周期超晶格量子点激光器,两种激光器分别对有源区的生长结构和生长方式进行了新的尝试。我们发现在有源区掺入Be,可以有效地降低激光器的阈值电流密度到100A/cm2,增大激光器的输出功率到183mW,最高工作温度可以提高到130℃,使激光器具有更好的温度稳定性。这表明Be的掺入能有效提高激光器的性能。在室温连续工作模式下,采用InA s/GaAs短周期超晶格生长的InAs量子点激光器的阈值电流为24mA,相应的阈值电流密度仅为75A/cm2,最高工作温度达到120℃。与常规的激光器相比,采用InAs/GaAs短周期超晶格生长的InA

关键词： NV色心   碳化硅色心   光探测磁共振   集成温度计  

摘要： 随着时代的发展,量子技术越来越受到研究人员的关注,世界各国对量子领域的竞赛也愈演愈烈。作为实现量子技术的手段,量子色心成为研究量子技术的最基本的研究单位。近年来,色心的研究成为热点。其中,尤数金刚石NV色心和碳化硅色心最为热门。本文主要针对上述两类量子色心的研究趋势和发展现状进行了简要介绍,并围绕上述两类量子色心的制备及金刚石NV色心的磁灵敏度特性展开研究,具体工作内容如下:第一部分:介绍了NV色心和碳化硅色心的基本结构和能级跃迁机理,并通过对比的方式对NV色心和碳化硅色心进行了详细的制备方法介绍,基于各类色心制备方法的优缺点,以碳化硅色心制备方法的规模化产业化为目标,提出了一种基于纳秒激光的碳化硅色心制备技术。该技术不仅摆脱了目前碳化硅色心制备方法所需成本高昂的成本,还能使制备的色心更加稳定地存在于碳化硅样品内,为发展以碳化硅色心为基础的量子技术提供一种更加容易让人接受的研究方式。第二部分:对金刚石NV色心和碳化硅色心的光学表征进行了实验平台的搭建,其中主要完成了针对金刚石NV色心表征的ODMR磁检测系统和针对碳化硅色心表征的ODMR磁检测系统的自主搭建。这两套系统的优点在于,不仅避免了冗杂的光学器件,还解决了荧光信号的收集效率低下的问题。此外,这两套系统还可以根据我们所研究色心的波长进行自由调控,改善了系统的使用功能。第三部分:对一种基于金刚石NV色心ODMR的超灵敏二维集成量子温度计进行了设计与测试,并对该集成量子温度计的性能和与其他传统温度计传感模块进行了比较,此集成量子温度计不仅通过放大集成电路的引入,提高了信噪比,还通过使用固定频率光学检测(FF-ODMR)的方法扫描2.84 GHz的温度场来测量温度和荧光强度之间的关系。最终检测到的温度噪声等级减小到19 n K/Hz。本研究工作的展开,促进了碳化硅色心领域的发展,同时也提高了金刚石NV色心集成量子温度计的灵敏度,为量子技术的发展做出贡献。