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： 石墨烯量子点   贵金属纳米材料   制备   传感应用  

摘要： 金属纳米材料具有独特的导电性、大的表面积体积比、高吸附能力和催化特性,在物理、农业、环境、医学和材料科学等多个领域得到了广泛的应用。其中,贵金属纳米材料以其低毒、良好的催化活性和较好的生物相容性备受关注。在过去的几十年中,科学家将贵金属纳米材料广泛用作分析工具。合成过程是决定它们应用价值的关键因素之一。目前,许多先进的物理、化学和生物的合成方法,用来提高金属纳米材料的性能、可靠性和可行性。然而,这些合成工艺大多存在一些缺点,包括制备的单金属纳米颗粒稳定性差,在使用过程中容易产生团聚。复合物中两种或多种材料之间的能垒较大,影响电子在界面间的传导,从而不能充分发挥纳米材料的催化活性。因此,有效增加贵金属纳米材料的分散性和选择性显得尤为重要。 本论文首先以丝氨酸功能化和硼掺杂的石墨烯量子点（Ser-B-GQD）为稳定剂和还原剂,把氯铂酸还原成铂（Pt）纳米晶体,将其用于构建检测香兰素的电化学传感器。由于其优异的电化学性能,基于丝氨酸功能化与硼掺杂石墨烯量子点-铂杂化物（Pt-Ser-B-GQD）的传感器对香兰素的电化学检测具有高灵敏度和重现性的特点。 为了提高传感材料的导电性和催化活性,在传感材料中引入了石墨烯,并将组氨酸功能化石墨烯量子点（His-GQD）作为贵金属与石墨烯之间的连接体合成了金-组氨酸功能化石墨烯量子点-石墨烯杂化物（Au-His-GQD-G）。制备的Au-His-GQD-G具有较小的金纳米粒子、良好的分散性和肖特基异质结结构。Au-His-GQD-G用于结合DNA循环信号放大构建检测毒死蜱的电化学传感器,该传感器具有更好的灵敏度和选择性,已成功应用于毒死蜱的电化学检测。 最后通过加入手性诱导剂在凝胶结构上进行了手性金纳米晶的合成,依托具有良好三维结构和优良导电性的丝氨酸精氨酸功能化石墨烯量子点（RSGQD）/Ti3C2TX凝胶材料（RSGQD/Ti3C2TX）,以L-半胱氨酸和D-半胱氨酸为诱导剂,制备了具有手性选择性的L/D-Au/RSGQD/Ti3C2TX纳米复合材料。该纳米复合材料用于构建手性识别电化学传感器。该传感器对葡萄糖和多巴胺的电化学检测表现出高选择性,所提出的分析方法具有高灵敏度和选择性的优异性能。 本论文旨在构建稳定的三维结构和异质结结构,在防止金属纳米颗粒聚集的同时降低两种材料之间的能垒,实现电子与离子的高速传递,以及电子在界面上的高速转移。还对金属纳米材料进行了形貌调控和手性诱导,提高了高指数晶面的暴露程度,实现了催化活性和识别能力的提高和改善。

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。

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： 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