关键词： 钙钛矿量子点   无机材料   复合材料   稳定性提升   发光二极管  

摘要： 钙钛矿量子点（PQDs）由于具有容易合成、载流子扩散长度长、吸收系数高、量子效率高和组分相关带隙可调等优点,在学术界和工业界受到了广泛的关注,并在发光二极管（LEDs）、背光显示、太阳能电池、激光、光探测器、催化和储能等领域展现出了极佳的应用前景。然而,PQDs的形成能较低,对外界环境极其敏感。当暴露在热、光、水分和氧气等条件下时,容易引起PQDs晶体结构的变形和坍塌,导致材料性能的衰退。因此,如何在保证PQDs发光性能尽量不受影响的前提下,实现其高稳定性发光是当前钙钛矿发光材料面临的关键挑战。构筑复合材料是一种有效的提升PQDs稳定性的手段。无机材料具有高比表面积、易于表面功能化和良好的化学惰性等特性,可以作为基质材料负载PQDs以实现稳定性的提升。此外,无机材料与PQDs的复合丰富了界面性能,可能实现发光性能的协同提升,拓宽了PQDs的应用领域。本论文围绕改善PQDs稳定性开展工作,通过构筑PQDs@无机材料复合材料,旨在调控PQDs的发光性能和提升PQDs的稳定性,揭示稳定性提升机理和探究在LEDs中的应用。根据无机材料与PQDs复合方式的不同,我们系统地研究了PQDs与无机材料的外表面、内表面以及分子孔道相结合时的生长动力学过程,探讨了不同的复合模式与稳定性之间的关联。其中,PQDs复合在无机材料的外表面所构筑的复合材料包括凹凸棒石（ATP）@PQDs复合材料和六方氮化硼（h-BN）@PQDs复合材料;PQDs复合在无机材料的内表面所构筑的复合材料为PQDs@中空二氧化硅（Si O2）复合材料;PQDs复合在无机材料的分子孔道内所构筑的复合材料为PQDs@金属-有机框架（MOFs）复合材料。本论文主要包括以下三个方面研究内容:（1）一维凹凸棒石和二维六方氮化硼外表面铆钉钙钛矿量子点复合发光材料:利用ATP表面丰富的Si-OH键,引入硅烷偶联剂对ATP表面进行氨基功能化,嫁接的氨基硅烷偶联剂可以作为桥接联结剂促进ATP与PQDs的结合。通过对比ATP与PQDs复合时有无桥接联结剂的形貌、光学特性和稳定性,提出了桥接联结剂在构筑复合材料中的作用机理,验证了复合材料界面工程与性能之间的关联性。该复合材料在加热至120℃时具有29%的相对PL强度,降温至20℃时恢复至81%。此外,该复合材料在紫外光持续照射30 h后仍能保留84%的相对PL强度。桥接联结剂用量研究还表明发光性能并不完全随着桥接联结剂用量的增多而提高,合适的桥接联结剂用量对于维持高效发光很有必要。此外,由于厚层h-BN之间存在弱的范德华力,可以在球磨过程中加入尿素,促进h-BN由厚层向薄层转变,并且在其表面引入氨基官能团。得益于薄层h-BN表面丰富的氨基功能化,促进了PQDs原位成核与生长。此外,薄层h-BN具有良好的热导率,可以协助PQDs加速热量的散失,显著提高了PQDs的热稳定性和环境稳定性。该复合材料在加热至120℃时能保留80%的相对PL强度,是纯PQDs的6倍,并且在大气环境中保存22天后仍具有90%的相对PL强度。（2）三维中空Si O2纳米球内表面封装钙钛矿量子点复合发光材料:利用水溶液乳化聚合反应制备了聚苯乙烯纳米球,然后以聚苯乙烯纳米球为内核多步分级包裹Si O2外壳,最后去除掉模板制备了中空Si O2纳米球。该中空Si O2纳米球的硅层分为两层,其中内壳层具有氨基官能团,而外壳层保持化学惰性,这样有利于PQDs在内壳的选择性生长。此外,介孔和中空结构保证了合成PQDs的前驱体离子可以顺利进入内腔,同时阻止熟化的PQDs从内腔中逃离。通过形貌和稳定性测试,证实了PQDs被封装在中空Si O2纳米球内腔,并表现出卓越的热稳定性和光稳定性。该复合材料在加热至100℃时具有65%的相对PL强度,并且在紫外光持续照射72 h后仍能保留89%的相对PL强度。（3）三维金属有机框架分子孔道封装钙钛矿量子点复合发光材料:利用乙二胺四乙酸二钠改性MOF-808的分子孔道结构,可以实现对水溶液中有毒Pb（II）有效的吸附。MOF-808分子孔道中的吸附Pb（II）可以作为Pb（II）源,原位负载PQDs,实现Pb（II）螯合物和PQDs的转换。此外,MOF-808分子孔道中的吸附Pb（II）的释放过程比较缓慢,能进行多次PQDs的负载,实现了荧光信号的可逆打开和关闭,在防伪领域具有广阔的应用前景。所制备的PQDs@MOF-808复合材料表现出优异的光电特性和增强的热稳定性,能在更加苛刻的外界环境下保持稳定发光。该复合材料在加热至120℃时具有23%的相对PL强度,降温至20℃时恢复至92%。此外,该复合材料在紫外光持续照射17 h后仍能保留85%的相对PL强度。更重要的是,PQDs@MOF-808复合材料中因分解而产生的游离Pb（II）可以再次被MOF-808

关键词： 延迟响应   空间关联涨落   光生载流子转移   量子掺杂   热力学演化  

摘要： 能源和环境是人类可持续发展进程上亟待解决的两个问题,太阳能作为廉价、清洁的可再生能源为人类可持续发展提供了机遇,因此基于太阳能的光伏器件备受关注;而较低的光电转换效率成了光伏器件低成本、推广应用的瓶颈,半导体量子点(QDs)光伏器件因其独特的量子效应为高效光电转换器件的实现提供了可能。基于此,本文以双量子点(DQD)光电池为研究对象,开展了量子效应对光伏性能影响机理的研究,并籍此提出高效光电转换的新策略。具体内容如下:1、空间关联涨落效应对DQD光生载流子输运过程光伏效率的影响提高光伏性能的一个可行策略是理解DQD光电池中电荷转移的量子物理机制。我们用一个随机过程函数来表征空间关联噪声引起的导带能级涨落,在提出的DQD光电池模型探讨了空间关联涨落对电荷转移和输出光伏效率的影响。结果表明,空间关联涨落显著推迟了输出电流和效率达到峰值的时间。反空间关联涨落不涉及延迟响应,降低了输出光伏效率的峰值。延迟响应没有被明显观测到,我们猜测DQD系统存在潜在自身调节机制。进一步的结果表明,两个量子点间的间隙能差和隧穿系数可以抑制延迟响应,证实了存在潜在物理机制的猜想。随后的研究表明,延迟响应是由空间关联涨落引起的,空间关联涨落减缓了噪声诱导相干性的产生过程,反空间关联涨落和更热的热环境破坏了噪声诱导相干性的产生,从而使得输出光伏特性降低。由空间关联涨落产生的延迟响应的发现将加深对电子转移的量子特征的理解,并有望使我们对高效DQD太阳能电池的量子技术的进一步理解。2、掺杂量子点因结构参数、环境变化引起光电输运特性的优化特征确定物理参数的作用是实验上提高掺杂DQD光电池中光生载流子传输特性的方法之一。通过对掺杂DQD光电池在多光子吸收过程中的输出电流、功率和输出效率的研究,来评估光激发载流子传输特性,并从理论上实现了该光电池模型的优化方案。结果表明,掺杂引起的一些结构参数,如两个量子点间能隙差、非相干隧穿耦合系数、垂直排列的结构对称性等,可以显著地控制光生载流子的转移特性,并且在室温附近略微提高环境温度更加有利于该掺杂DQD光电池模型中载流子的转移性能。因此,我们的方案证明了一种DQD光电池掺杂QD设计策略的优化方法。3、从DQD光电池的热力学角度衡量光伏特性的演化特征在光子脉冲驱动的供体-受体DQD光电池模型中,我们试图通过评估DQD光电池模型中光电转换过程中的热力学演化,构建一种新的理论方法来评估光电性能。结果表明,热力学相关的量的演化过程可以反映出光伏动力学的规律,也就说可以通过供体、受体的热流及受体部分的熵流来间接评估光电传输特性,同时验证热力学第二定律的有效性。不仅拓展了我们对光电输运过程中热力学量物理规律的理解,也为优化DQD光电池光电转换效率提出一种可能的新方法。在本文的研究工作中:阐述了空间相关涨落与提高光伏特性的量子相干性之间的联系;为设计掺杂DQD光电池提出了一种理论优化策略;并从理论上探究光电输运过程的量子热力学标度方法,为优化光电转换效率提开辟了新的视角。

关键词： 钙钛矿量子点   过饱和析晶   固相研磨法   无铅钙钛矿  

摘要： 钙钛矿量子点因其具有高的光致发光效率、可调的发光波长、较窄的半峰宽等优异的光电性能备受业内关注,被广泛认为是半导体照明、太阳能电池、激光及显示等领域最具发展潜力的新型材料之一。目前制备钙钛矿量子点材料的方法已呈多元化发展趋势,如热注入法、微波辅助法、饱和析晶法等,但操作复杂、产量低限制了上述技术的产业化之路。此外,现有铅基钙钛矿量子点材料中有毒铅元素的使用,所面临的可能环境问题亦是困扰该体系材料进一步发展的关键因素之一。因此发展成本低廉、操作简单、易于规模化的制备技术以及探索环境友好、性能优异的新型无铅钙钛矿量子点材料对于推动本领域的发展具有重要的现实意义。于此,本文围绕上述关切问题展开研究,主要工作如下所示:1)本文基于过饱和析晶原理结合离子交换手段成功实现了可见光区域宽光谱的CsPbX全无机钙钛矿量子点材料的制备。与现有的制备技术相比,该工作可为CsPbX材料的合成提供一种简易化、低成本的制备方法,且对规模化制备该材料提供了有效理论与技术支撑。文中着重探讨了阴离子掺杂对所制样品光学性能、晶体结构、形貌特征、元素组成、载流子衰减特性的作用规律,剖析了样品的具体形成机理,结果表明所制样品发光光谱可在472～638 nm可调,光致发光效率最高达53.53%。2)旨在解决现有材料有毒铅元素使用问题,本文创新地将固相研磨法应用于无铅多元CsAgNaInCl:Bi钙钛矿量子点材料的制备。在剖析方法制备机理的同时,揭示Na元素掺杂对所制样品光学性能、晶体结构、元素组成、形貌特征、载流子衰减特性的影响规律。结果所示Na掺杂可有效改善样品的光学特性,发光光谱在578～586nm区间变化,色温于2844～4248 K区间可调,光致发光效率最高可达66.87%。值得一提的是,所制样品呈0维结构特征,晶体尺寸约为2.45 nm,利于高性能发光器件的制备。

关键词： 约瑟夫森结   自旋轨道耦合   超导量子干涉  

摘要： 以量子计算为基础的信息技术的发展有望引发新的量子科技革命,基于满足非阿贝尔统计的马约拉纳零能模（Majorana Zero Modes,MZMs）去构造受拓扑保护的量子比特,有望从物理层面解决量子退相干问题,从而实现可容错的拓扑量子计算。MZMs的实验构建与观测是实现拓扑量子计算的第一步也是关键一步,具有强自旋轨道耦合（Spin-orbit Coupling,SOC）的一维和二维体系是实现MZMs的良好平台之一,其中强SOC相互作用在实现有效p波超导及拓扑转变中扮演着至关重要的作用,这也促使研究者们去寻找合适的具有强SOC的体系进行研究,希望能够在实际体系中观测到MZMs。一种高迁移率的具有强SOC的新型半导体材料Bi2O2Se进入我们的研究视野。Bi2O2Se具有高的迁移率、优异的电子性能和环境稳定性等,这使得Bi2O2Se成为构建拓扑量子器件以及观测MZMs的良好平台之一。因此,本文研究了基于强SOC的Bi2O2Se微纳器件的量子输运现象,着重研究了超导、SOC和塞曼效应这些实现MZMs的关键元素的相关量子现象,为实现MZMs奠定了一定的基础。论文第一部分介绍了基于Bi2O2Se纳米薄片的反常约瑟夫森效应的实验研究。在约瑟夫森结中研究自旋轨道耦合和塞曼效应的相互作用是实现MZMs的关键一步,自旋轨道耦合和塞曼效应相互作用会引起体系的0-转变和反常约瑟夫森效应。我们在基于Bi2O2Se纳米薄片的超导量子干涉器件（Superconducting Quantum Interference Devices,SQUID）上进行了相位敏感的实验研究,通过施加面内平行场追溯干涉图样的移动去反映反常的相位移动。我们观察到了相位的基本移动,同时发现超导电极的顺磁性引起的零磁场附近的不稳定行为导致的相位移动会对真实的反常相移信号形成强烈的干扰,在之前的研究中并没有重视这个问题。在门调节实验中,由于纳米薄片的门可调性有限,没有达到通过调节费米面及自旋轨道耦合强度来调节反常相移幅值的效果。论文第二部分介绍了基于Bi2O2Se纳米薄片的Nb Ti N弱连接约瑟夫森结中的超导干涉图样的菱形块图案演化。在约瑟夫森结中引入面内塞曼效应对于探索有趣的物理现象,如塞曼驱动的0-转变、平面拓扑超导等,具有非常重要的意义。然而,实际体系中微小高低起伏的微分几何结构(称之为起伏（rippled）结构)引入的轨道效应会导致特征的相位干涉现象。我们在基于Bi2O2Se纳米薄片的Nb Ti N弱连接约瑟夫森结中观测到了特征的呈现菱形块图案的干涉图案演化行为。基于此我们探究了起伏（rippled）结构轨道效应和非均匀电流密度分布共同作用的情形,发现特定的电流分布与轨道效应的结合会导致特征的干涉图案演化行为,在特定的参数下可以产生类似于实验中观测到的干涉图案演化行为。我们的结果揭示了实际体系中的微分几何结构的轨道效应与特定电流分布结合的特征干涉行为,对于理解约瑟夫森结中的几何干涉现象有着重要意义,同时对于塞曼驱动的0-转变实验研究也有重要参考意义。论文第三部分介绍了Bi2O2Se纳米线的量子输运研究。我们将二维体系扩展到了一维纳米线体系,并对其进行了系统的输运研究。化学气相沉积法合成的Bi2O2Se纳米线呈现出高达约1.34×10～4cm2V-1s-1的场效应迁移率,并且展示出强的自旋轨道耦合及良好的门可调性（自旋弛豫长度从～100 nm到～250nm）。在零门压下纳米线的费米能级处于半导体能隙中,低门压下纳米线表现出准弹道输运行为,高门压下纳米线进入了量子相干输运区间。合成的纳米线拥有比二维薄片更强的自旋轨道耦合强度,且高的迁移率使得其在强磁场下出现Sd H（Shubnikov-de Haas）震荡,强自旋轨道耦合及观测到的两个Sd H震荡频率进一步表明纳米线中可能存在的表面原子积累层,从而导致纳米线中空间反演对称性的进一步破缺。因此,高质量Bi2O2Se纳米线具有高迁移率、强SOC和门可调性,其可成为未来电子学和自旋电子学的潜在材料,并成为实现螺旋态和拓扑量子计算的潜在平台。最后一部分是总结和展望。为了更好地理解和利用Bi2O2Se的优良性质,我们还需要继续开展理论实验研究、优化制备方法及改进器件设计等,期待在不久的将来实现高性能、可扩展的量子计算系统。

关键词： 量子干涉   休克尔模型   分子器件   输运性质   涨落  

摘要： 在今天的信息时代,互联网,移动通信技术,信息技术需要电子器件进一步的微型化。电子器件的尺寸迟早到达分子和原子的尺寸--小型化的极限,以至于量子效应开始变得显著。在这样的背景下,诞生了分子电子学。单分子器件不仅为后摩尔定律时代如何进一步实现电子元件小型化提供了一个重要的备选方案,同时也为揭示分子尺度下新的物理提供了一个全新的视角。其所表现出来的整流效应、负微分电阻、自旋过滤和量子干涉效应等一系列有趣的物理现象一直吸引着人们的广泛关注。其中,量子干涉是分子器件中一类重要的输运现象,是当相位相干长度远大于器件尺寸时,电子波函数在传播过程中不同传输通道之间由于相位的相干性导致的彼此相长和相消现象。伴随着这一现象,器件呈现出高电导与低电导两种截然不同的状态,这使得其在多个方面具有重要的应用潜力,如分子开关,逻辑门,数据存储,场效应晶体管,传感器,分子热电器件等。与光和电子的双缝干涉条纹发生在实空间不同,分子器件中量子输运的干涉现象发生在能量空间,主要以特定能量区域透射函数的增加与减弱为标志。引起干涉的“双缝”是位于能量空间的两个或多个不同的分子轨道。其中,量子相消干涉表现明显,因为它会导致特定能量处透射的降低呈现几个数量级的变化,外形上表现出一个深而尖的谷的存在。目前为止,人们对分子器件中的量子干涉进行了大量的研究。人们在一系列有机分子体系如交叉共轭分子,多环芳香性碳氢化合物,含异质原子的有机分子体系以及超分子系统等中获得了量子干涉现象,而且提出了多种纯经验规则来预测量子干涉现象。这些经验规则包括:图形化方法,分子轨道规则,MR规则等。以上的经验规则只适用于平面芳香型分子而且大多只考虑了 π轨道的贡献。实际上,平面芳香碳氢化合物同时含有σ轨道和π轨道。最近,研究人员也发现了 σ轨道中的量子干涉的存在,而且通过合理的方式调控分子我们可以同时抑制σ轨道和π轨道透射。纵观以往的研究,过去主要关注芳香性分子的研究,非芳香或者平面的分子只有很少的研究。此外,未来器件的发展也需要多分支分子电路的设计,Christian Joachim报告了分子并联,它的电导规律不再遵循经典的基尔霍夫定律,由于量子干涉效应的存在,并联分子中需要增加一个量子相长干涉项。最近,Robert Stadler组报告了并联的二茂铁分子结中存在相消量子干涉。因此,我们需要探索更多多分支分子。综上所述,目前分子结中的量子干涉的重要研究问题是:发现更多具有量子干涉效应的分子;量子干涉的深层的原理和机制有待进一步理解;量子干涉的调控和量子干涉在外界因素影响下的表现。因此,本论文利用休克尔模型和理论分析的方法探索了这些问题。本论文的主要内容包括:(一)在扶手椅型碳纳米管分子结中电极连接位置和长度依赖的量子干涉和共振。我们用休克尔理论研究了弱耦合下扶手椅型碳纳米管分子结的输运性质。研究发现分子结的输运性质呈现了沿着输运方向以纳米管长度3为周期的振荡行为。具体的是:当纳米管长度是n=3p+1或者n=3p且两个电极同时连接于相同子晶格时,在费米能级处会观察到相消量子干涉,而两个电极连接于不同子晶格时,不能观察到相消量子干涉;当长度是n=3p+2时,没有发现相消量子干涉,取而代之的是,当两个电极连接到相同子晶格时,在费米能级处出现了共振峰。这些结果利用扶手椅型石墨烯纳米带能谱和纳米管前沿分子轨道空间分布的角度进行很好地解释。接下来,我们研究了量子干涉的深层机理。(二)有机分子中的π系统和σ系统的量子干涉的可视化和比较。共轭分子中的量子干涉已被广泛地研究,尤其苯分子是其中典型的例子。采用量子干涉图可以把透射函数拆分成干涉项和非干涉项,从而可以可视化地看出分子轨道之间的干涉现象。在这个工作中,我们利用量子干涉图分析比较了 π系统和σ系统的量子干涉现象,发现σ系统的量子干涉效应不同于π系统中的量子干涉效应,即共轭分子π系统中的相消量子干涉来自于成对的占据轨道和虚轨道之间的干涉项,而σ系统的相消量子干涉来自于非成对的占据轨道(或者非占据轨道)之间的干涉项。接下来,我们研究了外部条件对量子干涉的影响。(三)π堆垛分子中涨落和耦合强度对量子干涉的影响。我们用休克尔模型研究了 π堆垛分子电极不同连接方式的输运性质。对位连接时,透射函数在费米能级处表现了相消量子干涉;间位连接时,透射函数是一条平滑的曲线。随着上下两层耦合强度的增加,完美的堆垛苯分子,轨道贡献的数目减小。此外,我们研究了涨落引起的分子变形对量子干涉的影响,发现涨落对量子干涉几乎没有影响。最后我们研究了上下层发生位移情况下的量子干涉现象,并分析了它们的轨道贡献特征。

关键词： 二维磁性铁谷材料   能谷极化   量子反常谷霍尔效应   半谷金属   第一性原理计算  

摘要： 探索和预测电子的新颖自由度及其应用是当今凝聚态物理领域内的重要研究方向之一。传统的电子产业主要依托于电子的电荷自由度,通过操控电荷自由度来处理信息,在20世纪获得了重要发展。然而考虑到能耗和量子效应的影响,摩尔定律趋近于极限,这使得电路集成度和器件运行速度也趋近于理论极限,器件的微型化正变得越来越困难,传统的晶体管器件遇到了发展瓶颈,而引领现代电子科学技术创新发展的关键是对电子新颖自由度的探索和预测,并能成功制成和应用。随着对晶体材料的研究逐渐深入,通过对磁性纳米多层膜及巨磁电阻效应等方面的研究,人们发现了电子的自旋角动量以及电荷和自旋有强的耦合作用,基于对电子自旋自由度的一系列研究成为了一门新的学科,即自旋电子学。除了电荷和自旋自由度外,近年来发现在具有特殊对称性的晶体材料中出现的基于Berry相效应的能谷可以作为新颖自由度,能谷是晶体布洛赫电子能带的极值点,利用能谷自由度作为信息载体,进行编码和操作信息,相关的领域即能谷电子学。自旋电子学的发展和能谷电子学的兴起将成为传统电子学的后备力量。能谷中载流子的极化在谷电子学器件应用中十分重要。若想实现对能谷自由度的操控,需打破两谷之间的能量简并,相较于通过外部条件引入磁性,包括磁性掺杂、吸附、磁邻近效应等方法打破时间反演对称性从而打破能谷能量简并,具有本征铁磁性的铁谷材料的能谷极化是自发的,能够避免外部条件引入磁性所产生的许多问题,例如团簇问题和载流子散射等问题,为实现反常谷霍尔效应提供了一个很好的平台。由于铁谷材料既具有本征铁磁性,又具有能谷极化性质,这使得在同一种材料中观察到多种霍尔效应成为可能,能够为二维材料的谷依赖的物理机制进一步拓宽视野,也能为谷电子学领域中多功能化的谷与自旋耦合的量子器件提供多选择的前景。因此,探索二维铁谷材料并研究其量子性质调控具有重要意义。本论文中,基于密度泛函理论并通过第一性原理计算,我们研究了二维磁性铁谷材料结构中的能谷电子学性质,并对其量子性质进行了调控研究,论文的主要研究内容如下:首先,探索和设计二维铁谷材料,因其本征能谷极化可避免由外部条件引入磁性引起的一些问题,是当前能谷电子学领域的研究热点,而在同一铁谷材料实现多种霍尔效应共存是一种更奇异的现象,受到广泛关注。通过第一性原理计算,我们研究了二维磁性H相Ru Cl Br的电子和谷电子性质,并深入研究电子关联作用和应力调控对H-Ru Cl Br单层的能谷极化、磁基态、磁晶各向异性能、光学性质和Berry曲率的影响。研究结果表明,H-Ru Cl Br单层具有良好的机械稳定性和动力学稳定性,磁基态为铁磁态。面外磁晶各向异性能随电子关联作用的增强逐渐减小并转向面内。H-Ru Cl Br的光吸收系数随着关联效应的增大出现蓝移现象,较为突出的峰在1.63e V和7.5e V左右,表明材料在红外波段和紫外波段具有明显的光吸收。在不考虑电子关联作用U情况下,单层Ru Cl Br是间接带隙双极化半导体,在其导带和价带分别有一对自旋向下和自旋向上的能谷,随着电子关联作用的增强,在自旋轨道耦合（SOC）的作用下,价带自旋向下的能带逐渐上移,其K和K'谷先后与导带交叉使得带隙闭合再打开,之后沉入自旋向上的价带之中。H-Ru Cl Br单层在U值从0到3e V的过程中经历了一系列电子相变,包括铁谷态、半谷金属态和量子反常谷霍尔态,其中电子关联作用调控出现的量子反常谷霍尔态的区间为1.93e V到2.13e V。此外通过应力的调控也能实现上述的电子相变,通过应变调控出现的量子反常谷霍尔态的范围在压缩应力0.9%和2.3%之间。单层H-Ru Cl Br作为二维铁谷材料,能谷极化值大,且能在电子关联作用和应力调控下实现电子相变,其中的量子反常谷霍尔态既具有能谷极化,又具有量子反常霍尔效应（QAHE）,实现了能谷物理与拓扑物理的结合,为多功能化的自旋-谷量子器件研究方向开辟了新的前景。其次,寻找更多类型的不拘泥于电子关联作用调控的量子反常霍尔绝缘体具有重要、广泛的科学和实验价值。单层jacutingaite（PtHg Se）是最近发现的层状铂族矿物,最近的实验研究表明,它具有量子自旋霍尔绝缘体（QSHI）的特性,相关的理论计算也表明,动态稳定的单层PtHg Se是带隙为160me V的拓扑绝缘体。受该结构的启发,我们理论预测了一类新型的量子反常谷霍尔绝缘体材料PtHgClBr,它同样具有动力学稳定性,且磁基态是铁磁态。光吸收谱在0.55e V左右有小吸收峰,表明该材料对红外光具有一定的吸收性;在6.09e V左右达到峰值,表明该材料对紫外光波段具有优良的吸收性质。在不考虑SOC作用的情况下,带隙是160.12me V,考虑SOC后,其不等价的两个能谷发生退简并,实现能谷极化,K和K'谷之间的带隙差分别为305.69me

关键词： 碳基二维材料   量子点   石墨烯   石墨炔   荧光调控  

摘要： 碳基二维材料量子点作为一种先进的碳纳米材料,因其优异的物理化学性质而受到越来越多的关注,近年来为满足更严格的实际应用要求而蓬勃发展。自上而下和自下而上制备技术的发展极大地促进了对其多种特性的探索,例如丰富多变的荧光调控方法,可通过尺寸控制、掺杂或表面改性调节的带隙,具有高量子产率的独特荧光性能,以及良好的水溶性和生物相容性等,这些特性为其广泛应用奠定了基础,包括光催化、电催化、能量储存和转换、生物应用、传感、光电等。因此,制备新型碳基二维材料量子点并探索其独特的荧光性能具有重要意义。本论文基于新型碳基二维材料量子点的研究,使用溶剂热法和研磨辅助超声剥离法制备了两种石墨烯量子点以及三种石墨炔量子点,对其形貌和结构进行了表征,并研究了其荧光性能及荧光调控机理。主要研究内容分为以下三个部分:（1）采用简单的溶剂热法,以乙醇为溶剂,2,2'-二硫代二苯甲酸和邻苯二胺为前驱体,制备得到硫氮共掺杂石墨烯量子点Y-GQDs。Y-GQDs表现出均匀的尺寸和良好的荧光稳定性,并且具有多种荧光调控方式,如激发波长调控、溶剂调控和浓度调控。Y-GQDs的多荧光中心使其在激发波长变化时,显示出明显的激发依赖效应。受溶剂极性的影响,在溶剂极性增大时,荧光峰红移,表现出溶剂依赖效应。Y-GQDs的荧光发射还与其浓度有关,随着Y-GQDs浓度增加,单分散的Y-GQDs聚集成聚集体,带隙减小,实现显著的红移发射。基于Y-GQDs在高浓度时的黄色荧光发射,将其掺杂进MTES凝胶并涂覆在蓝光LED芯片上,可以得到正白光LED,显色指数达到83.7。白光LED在不同驱动电流下,都具有良好的光稳定性,使其拥有作为高性能照明器件的优秀潜力。（2）采用L-精氨酸和邻苯二胺作为碳源和氮源,以硫酸水溶液为溶剂,通过一步溶剂热法制备了一种表面态主导的荧光可调石墨烯量子点O-GQDs。O-GQDs具有较高的量子产率、良好的稳定性和耐光漂白性能,并且在液态和固态时都可以实现从绿色到红色的宽光谱荧光调控。液态荧光调控是通过将O-GQDs分散在十种不同溶剂中,受溶剂极性以及氢键的影响,在表面态的调控下实现多色荧光。为了解决量子点的聚集诱导猝灭问题,将O-GQDs掺杂进六种不同的基质中,实现固态多色荧光调控。基于O-GQDs的溶剂极性依赖,将其应用于有机溶剂中微量水的检测。在丙酮、乙腈和N,N-二甲基甲酰胺中都拥有较低的检测限,尤其在丙酮中,检测限低至0.042%。（3）采用低沸点溶剂乙醇为剥离介质,以三种金属化石墨炔粉末Pt L1、Hg L1、Hg HTPP为原料,经研磨预处理,然后进行液相超声剥离,得到三种石墨炔量子点B-GYQDs、G-GYQDs、R-GYQDs。该方法便捷有效,并且不会引入杂质,可以得到高质量石墨炔量子点。通过对其元素以及官能团等进行表征,分析量子点形成的大概机理,对石墨炔量子点的制备提出新的见解。三种石墨炔量子点都拥有较高的量子产率,并且分别表现出蓝绿红三色荧光,为石墨炔量子点的三基色白光LED应用提供了可能。

关键词： 量子点   量子输运   全计数统计   反馈控制   延时反馈  

摘要： 量子输运对于量子器件的实现有着至关重要的作用。然而载流子在输运过程中会不可避免地受到各种各样的干扰和影响,从而对量子器件的功能稳定和实现构成巨大的挑战。其中,散粒噪声是非平衡输运过程中的一类典型噪声,它由载流子电荷量子化引起,导致单位时间内通过量子器件的电量在某一平均值附近涨落。正是由于电荷量子化的特性导致散粒噪声在量子器件中的控制极为困难。因此,如何实现可控的低噪声电流是量子输运和量子计量学中高精度测量的核心。目前,科学家们已经对隧穿结或单量子点输运器件的噪声抑制进行了深入的研究,并通过反馈控制的方式在实验上成功抑制了单量子点的输运噪声。相比于单量子点而言,耦合量子点具有内在的相十性,是构成量子器件的基本单元,因此如何在耦合量子点输运器件中实现稳定的低噪声电流是量子器件研发的关键技术之一。本论文通过闭环反馈控制方案系统地研究了耦合双量子点输运系统的噪声控制问题。首先,本论文提出了一种辅助密度矩阵方法(Auxiliary density matrix approach),用以描述反馈作用下的量子输运特性。这一方法适用于任意输运参数,原则上能够计算反馈控制下的任意高阶输运累积矩。其次,系统地研究了各种隧穿耦合参数下的输运反馈效果,并发现对两个量子点间隧穿耦合的反馈控制是最有效的反馈方案。再次,详细地分析了量子点间库仑相互作用、测量引起的退相干等参数对反馈的影响。最后较为系统地研究了有限时延的输运反馈控制,并对未来可能的应用进行了展望。

关键词： Lorentz振子   量子阻抗   电荷转移   电偶极矩   激发态寿命   双光子吸收   二次谐波产生  

摘要： 原子或分子在外场作用下的电荷转移机制对研究介质的物理和化学反应动力学过程、光催化反应、纳米加工以及等离子体与表面的相互作用等具有重要意义。光学晶体的高次谐波产生是实现激光全波段可调谐的主要方法之一。分析和计算这些问题,目前普遍采用的是量子力学微扰论和基于密度泛函理论的第一性原理。特别是第一性原理在物理学、化学、材料学等众多学科领域的计算应用中取得了非常瞩目的成就。然而,利用第一性原理和量子力学微扰论研究光与物质相互作用时,中间计算过程普遍复杂繁琐,运算时间过长,导致计算资源短缺,同时也给具体问题中的可调参数的宽范围和精细性的选择带来了诸多不便和困难。因此,构建新的模型,寻找简便快速的计算方法,不失为一项很有意义的探索。Lorentz振子是描述原子中电子运动的一个著名经典模型。本课题组利用Bohr-Sommerfeld理论和量子力学跃迁选择定则等对该振子进行了量子化,提出了量子阻抗Lorentz振子（Quantum Impedance Lorentz Oscillator缩写为QILO）模型。QILO的线性和非线性参数、阻尼系数以及振子强度等参量分别用有效量子数、Bohr半径和氢原子基态能量等给出了计算参考公式,在描述氢、锂原子光谱、若干有机分子的单、双光子吸收特性等方面也取得了与实验吻合很好的结果。 本文利用QILO模型,研究了两种有机分子在单、双光子吸收中的电荷转移、能级寿命以及三种光学晶体的倍频效应,取得结果如下: 1.给出了用有效量子数、电子电量和Bohr半径表示的计算原子或分子电偶极矩的一种参考公式,提出了在光子吸收过程中,分子中参与跃迁的类氢原子的外层电子在Bohr-Sommerfeld轨道之间跃迁的一种分子电荷转移方式。计算了有机分子LB3和M4跃迁前后的有效量子数、Bohr-Sommerfeld轨道以及相应状态的电偶极矩,结果显示:在THF溶剂中,LB3和M4分子基态时的平均偶极矩分别为1.8728×10-29 C·m、1.9626×10-29 C·m;LB3中参与跃迁的电子在λpeak=425 nm附近经单光子吸收从基态的椭圆半长轴ai=1.2492×10-10 m=1.2492（?）和半短轴bi=0.4363（?）轨道跃迁到了半径为aj=2.5399（?）的激发态圆轨道。而经双光子吸收后,相同的基态电子则跃迁到了aj=2.5399（?）、bj=1.3808（?）的椭圆轨道,此时分子偶极矩增大到3.4109×10-29 C·m。 2.提出了一种能体现微观粒子热运动碰撞过程的能级寿命参考公式。计算了LB3和M4在一定激发态的寿命,与其它有机分子实验结果的数量级一致。 3.提出了一种基于QILO估算晶体倍频系数的方法,数值模拟与分析了Li2SnTeO6、CsClO3和Na2Nb4O11三种光学晶体的二次谐波特性,与第一性原理的结果吻合较好。 以上结果说明:QILO可以较好地描述有机分子单、双光子过程中的电荷转移、能级寿命以及光学晶体的倍频特性,且方法简单、计算耗时少、运算效率高。

关键词： 比率荧光传感器   甲醛检测   量子点   多孔材料   荧光传感检测  

摘要： 甲醛(FA)是一种常见的环境污染物,它具有高反应活性、高毒性和高水溶性(20 C溶解度为4000 g·L)的特点。作为一种最简单的醛,甲醛在化工行业有着十分广泛的应用,如生产洗涤剂和塑料、木材加工、药物合成领域等。无论是在空气或是在水中,甲醛的存在对环境以及人类健康构成了多方面的威胁。近年来,各类甲醛检测方法相继问世。传统的甲醛检测方法,包括分光光度法、比色法、高效液相色谱法、气相色谱法、离子色谱法和极谱法等,需要昂贵的检测设备和训练有素的检测人员,并且检测时间较长。为了克服这些局限性,本研究提出使用比率荧光传感器对甲醛进行检测,比率荧光传感器可以根据体系内荧光发射峰的强度的比值,构建自校准体系,通过自校准,比率荧光传感器可以消除背景和实验环境的干扰,提高检测的准确性和可靠性。在水相中,比率荧光传感器可以被应用于检测甲醛等有害物质的存在,为环境保护和人类健康提供了有力保障。本论文围绕多孔材料比率荧光传感器对水相中的甲醛进行检测,进行一系列相关研究,论文主要研究如下:(1)以CDs作为客体分子,UiO-66-NH与MA-IPA作为基底材料,通过水热合成的方式制备了双响应型比率荧光传感器:CDs@UiO-66-NH和CDs@MA-IPA,并详细探讨了影响两种比率荧光传感器荧光性能的因素。通过实验证明,在甲醛浓度为0～300μM范围内,两种比率荧光传感器对甲醛响应表现出了优异的线性关系以及较低的检测限(0.41μM与0.29μM),干扰实验以及甲醛检测试纸的制备证明了本章所制备的比率荧光传感器有望应用于实际样品中甲醛的分析检测。(2)以CdTe作为客体分子,γ-CD-MOF作为基底材料,制备了参比荧光+响应荧光型比率荧光传感器CdTe@γ-CD-MOF,研究了该比率荧光传感器传感甲醛的影响因素。通过实验,证明了CdTe@γ-CD-MOF比率荧光传感器对甲醛响应表现出了优异的线性关系以及较低的检测限(0.65μM)。以CdTe@γ-CD-MOF比率荧光传感器为基础制备了甲醛检测试纸,进一步扩宽了CdTe@γ-CD-MOF比率荧光传感器的应用范围。本论文合成了三种多孔材料比率荧光传感器用于水相中甲醛的检测,弥补了传统检测方法在检测甲醛方面的不足,为甲醛的检测提供了重要的理论基础。