关键词： 量子输运   测控电子学   FPGA   相敏检波  

摘要： 量子输运是一种电子输运过程,电子在待研究系统中波函数始终保持相干性,表现出由量子力学效应主导的输运性质。该领域早期的研究在半导体反型层和金属体系中开展,发现了一系列重要的量子物理现象,如弱局域化效应、普适电导涨落、量子霍尔效应等。时至今日,对量子输运的研究仍然是热门的研究方向之一,其研究的输运体系拓展到了复合材料异质结、石墨烯等新型材料。其研究内容涵盖了强关联电子系统、非常规超导、拓扑物性、量子计算、量子模拟和纳米电子器件等方向。量子输运的研究对象是纳米器件,纳米器件受到外界电场、磁场、应力、振动等控制条件调控,使电子输运过程产生变化。主要研究方法是测量器件的电输运性质随控制条件的变化曲线,分析背后发生的物理过程。因此电输运测量设备是实验平台中的关键设备,这其中应用了电子学中的测控技术。从总体看,量子输运中的测控电子学技术发展的主要方向是降低测量系统噪声和提高测量效率。随着量子输运研究的发展,对于电输运测量的需求开始多样化。目前,国际上开展量子输运研究的实验组针对自己的实验系统开发了不同类型的测量系统。然而,目前已有的实验系统往往具有实验流程依赖软件控制导致测量效率不高、数据处理依赖上位机性能等问题。在有更多通道、更复杂实验流程和更大数据处理量的量子输运实验中,例如具有多个调控栅极、磁场参数的多场调控实验,需要的测量次数随参数呈指数级增加,对于提高测量速度有着迫切的需求,这意味着对于各调控参量的同步性要求也要提高。本研究面向量子输运研究的实验需求,开展了具有较低噪声、高精度、高效率的测控电子学技术研究。本研究通过分析和总结目前实验中需要的电子学测控方法和测量指标,确定了电子学测控系统的设计方案,进行原理图和PCB设计,制作出基于FPGA的电子学硬件平台。一套设备具有8个同步输出通道和8个同步采集通道,可以满足复杂器件电学性质测控的需求。随后开展了基于FPGA的电子学测控方法研究,提出了一种用于多场调控实验的快速测量方法。在FPGA上编程实现板卡功能控制、波形发生、信号采集、数据处理算法、通讯接口等功能逻辑,并开发了基于C语言和LabVIEW的实验软件,形成了一套功能完整的电输运测控设备。依据设计中的功能和指标,设计了电子学性能测试,并在实验平台上使用该测控设备完成三种量子输运实验。测试和实验结果表明,该系统能够满足实验需求,实现了设计功能。

关键词： Superconductor   Molecular beam epitaxy   Quantum materials   Scanning tunneling microscopy   Thin film   Topological materials  

摘要： The splendid world of quantum materials is being unveiled in modern condensed matter physics, thanks to the advanced material synthesis methods, refined experimental probing techniques and deeper theoretical understanding. Unconventional superconductivity and topological phenomena are two of the main themes in this realm. Many outstanding problems are waiting to be solved and there is also a great potential in future technological applications. Among many routes of studying the quantum materials, creating thin film structures provides a special opportunity to learn the physical properties in low dimensions, to explore the effect of substrate and strain and to make novel electronic devices. In this thesis, I will present successful molecular beam epitaxy thin film synthesis of: (1) unconventional superconductor FeSe, (2) topological insulator Bi2Se3 doped with magnetic Fe atoms and (3) kagome structure magnets FeSn and Fe3Sn2. For (1), I will describe the finding of a dislocation network, its impact on the spatially-modulated strain field and its interesting interplay with the spontaneous symmetry-broken nematic phase. This is a new finding in the FeSe/SrTiO3 heterostructure and also provides fresh insights in the understandings of nematicity. For (2), I will show how we cross-check the doping ratio using different characterization techniques. Our observation indicates the possible formation of Fe clusters or impurity phases and sets the foundation for future synthesis of similar structures. For (3), I will demonstrate the novel selective synthesis of FexSny thin films. A plethora of spectral features were found in Fe3Sn2, implying a link with the Weyl physics. The FexSny thin films can potentially be a platform for the exploration of correlated, topological quantum phases in low dimensions.

关键词： Cuprates   Gauge theory   Quantum simulation   Quantum spin liquids   Rydberg atoms   Thermal Hall effect  

摘要： The physics of strongly interacting particles is often extraordinarily rich, leading to the emergence of fundamentally new phases and phenomena that cannot exist in the absence of correlations. This thesis is devoted to the study of different classes of quantum systems with such strong correlations. Programmable quantum simulators based on Rydberg atom arrays have recently emerged as versatile platforms to probe quantum many-body phases and their dynamics. In Chapter 2, we start with theories of quantum phase transitions (QPTs) in one-dimensional chains of Rydberg atoms. We demonstrate the existence of a novel QPT in the universality class of the Z3 chiral clock model, calculate its critical exponents, and discuss their measurement with the quantum Kibble-Zurek mechanism. Proceeding to two dimensions, Chapter 3 describes the zero-temperature phase diagram of a square-lattice Rydberg atom array, revealing several experimentally realizable density-wave-ordered phases and QPTs. For a different geometry, namely, the kagome lattice studied in Chapter 4, we identify a regime that constitutes a likely candidate for hosting a phase with long-range quantum entanglement and topological order. Based on mappings to dimer models and gauge theories, we argue for the existence of a quantum spin liquid phase that has proved elusive in solid-state materials. In the next part of this thesis, we focus on similarly strongly correlated phases in the realm of quantum materials. Motivated by recent observations of an enhanced thermal Hall response in the high-temperature cuprate superconductors, in Chapter 5, we study the thermal Hall conductivity, κxy, of chiral spin-liquid ansatze on the square lattice, focusing on the contribution from neutral (bosonic or fermionic) spinons. Thereafter, going beyond mean-field theory, we consider the corrections due to emergent gauge fields, which yield a response of opposite sign to that of the fermionic matter. We additionally consider the contributi

关键词： 碳量子点   电化学检测   荧光检测   亚硝酸盐   多巴胺  

摘要： 碳量子点具有电子性能好、毒性低、溶解性好、荧光可调、表面修饰简单、耐光漂白等特点,在光电催化领域、传感器领域、分析检测领域、细胞成像领域应用前景广泛。未经功能化修饰直接合成的碳量子点应用范围有限。导电聚合物或石墨烯基材料与碳量子点复合可以增强传感系统的吸附、光电催化、氧化还原、发光和传输能力。由于生活中大量的亚硝酸盐及多巴胺对自然环境和人体健康的严重危害,需要对复杂环境中亚硝酸盐及多巴胺进行快速检测。因此本文通过改性碳量子点,将其用于亚硝酸盐及多巴胺的检测主要研究内容如下: (1)用一锅法合成了聚乙烯亚胺包覆碳量子点(PEI-CQDs)复合材料。利用聚乙烯亚胺包覆碳量子点(PEI-CQDs)修饰玻碳电极(GCE)制备了检测水环境中的亚硝酸盐电化学传感器。研究结果显示,基于PEI-CQDs/GCE的亚硝酸盐传感器具有较宽的线性范围(0-1000μM和20-380μM)和较低的检测限(2.87μM和1.16μM),与现有的亚硝酸盐传感器相比具有更卓越的传感性能。该传感器具有高选择性、重复性好、稳定性强等优点,并成功应用于实际样品中亚硝酸盐含量的检测。 聚乙烯亚胺包覆碳量子点(PEI-CQDs)复合材料在紫外光下发出稳定明亮的蓝色荧光。利用PEI-CQDs的荧光性能制备了一种荧光纳米传感器。结果表明,基于PEI-CQDs荧光纳米传感器在线性范围(0-100μM)内,检测限低至96n M,与已有的荧光传感器相比具有优异的传感性能。该传感器具有高选择性、重复性好等优点,并成功实现应用于实际样品中亚硝酸盐含量的检测。 (2)以废弃酒糟为碳源,制备了环保型碳量子点。以氧化石墨烯为导电骨架,通过一锅法制备了氧化石墨烯-碳量子点(GO-CQDs)复合材料。通过GO-CQDs复合材料修饰玻碳电极,制备了一种具有优异性能的检测多巴胺电化学传感器。结果表明,GO-CQDs/GCE检测多巴胺,线性范围为50-100μM,最小检出限为1.01μM;线性范围为100-500μM,最小检出限为0.8μM。该传感器具有高选择性、重复性好、长期存储稳定性好等优点,在电化学检测多巴胺领域有良好的发展前景。

关键词： 石墨烯   异质结   van der Waals反铁磁   自旋阀   Andreev反射  

摘要： 自2004年二维石墨烯材料首次获得实验制备以来,许多二维材料相继被成功制备和研究,因其维数受限为自旋电子学和超导电子学等研究注入了新的活力,迅速成为凝聚态物理和材料科学等领域的重点关注对象之一。其中,自旋电子学的目标是利用电子的自旋自由度调控来制造新型信息存储和逻辑器件,人们期望通过使用石墨烯类材料的低维受限结构实现高效能、低功耗自旋逻辑器件,并对其异质结输运性质表现出了极大兴趣。另一方面,通过研究石墨烯相对论性电子在正常态-超导态异质结上的反射,研究者发现了镜面Andreev反射,增加了人们对超导电子学输运现象的新认识。尽管目前人们对石墨烯类材料电子的基本性质和异质结输运性质的研究已较为深入,但在反铁磁态自旋调控、应变场超导输运等问题上依然需要进一步探索,这是本论文所重点关注的科学问题。首先,本论文提出了一种基于van der Waals反铁磁性的全电控自旋阀器件。该装置由两个可以通过垂直偏压控制的反铁磁电极和一个与其相连的中心散射势区构成。当两端电极的偏压方向由平行向反平行转换时,磁阻会发生显著变化,源于局部区域电场调控下能带自旋极化情况的变化。通过第一性原理计算,我们进一步证明了由两层Cr2Ge2Te6原子层包裹的双层石墨烯结构基态是反铁磁性的,在外加小电场条件下反铁磁基态保持不变,为van der Waals反铁磁自旋阀装置的实现提供了可行平台。其次,本论文研究了单轴应变石墨烯基超导结上的Andreev反射。与原始的石墨烯超导结相比,发现了三个相反的性质。首先,在电子-空穴带内转换的机制下,发生了Andreev回反射。其次,在电子-空穴带间转换机制下,发生了镜面Andreev反射。第三,在电子入射角不为零的情况下,产生了完美的电子-空穴转换,即完美的Andreev反射。这三种奇异性质源于由应变诱导的各向异性能带结构,打破了粒子速度方向与相应波矢量方向之间的原始关系。我们的发现为理解Andreev反射提供了一个新的视角,并为调节Andreev反射提供了另一种方法。最后,给出总结和展望。

关键词： 第一性原理计算   二维结构   取代掺杂   量子电容   电子结构   双电层电容器  

摘要： 随着化石燃料的快速消耗,开发氢能、太阳能等清洁能源,发展新型电化学转换与储能清洁能源的器件受到了广泛关注。双电层电容器凭借其优越的功率密度和循环寿命,发挥着电池和传统电容器不可替代的作用,成为了能源储存领域的研究热点之一。其中,二维材料的量子电容已成为影响双电层电容器能量密度的关键因素。为了改善二维材料的量子电容从而提高双电层电容器的能量密度,我们采用基于密度泛函理论的第一性原理计算,通过掺杂,对目前普遍受到关注的石墨炔、氮化碳、硅烯以及石墨烯二维电极材料进行了电子结构的调控,在电子结构调控的基础上改善它们的量子电容,取得了如下主要研究成果:首先,研究了在不同掺杂位点单掺B、N和0原子的α-、β-和γ-石墨炔的结构,电子特性和量子电容。研究结果表明B和N原子掺杂石墨炔的结构形变很小,而0原子掺杂石墨炔的结构畸变在大多数情况下是明显的。B、N和0原子单掺能显著改善原始石墨炔在费米能级附近的电子态,从而改善石墨炔的量子电容。同时,与单掺B、N和0原子的石墨烯相比,单掺B、N和0原子的石墨炔的量子电容表现出更明显的优势,尤其是在D1位点掺杂B的α-、β-和γ-石墨炔以及在D1位点掺杂0的α-石墨炔。其次,研究了在不同掺杂位点单掺B或0的hg-C3N4,tg-C3N4,C2N和C3N四种氮化碳薄膜的结构、电子和电容特性。研究发现B原子在Cx(x=1,2)位点掺杂比在Ny(y=1,2,3)位点掺杂更稳定。考虑到0原子的成键特性,我们观察到0掺杂在N1位点的C2N、N3位点hg-C3N4和N1位点的tg-C3N4能使结构保持稳定。B或0掺杂可以将氮化碳结构从半导体转变为金属,从而提高结构的导电性。由于费米能级的移动,B或0掺杂可以使氮化碳薄膜在费米能级附近产生由C、N和掺杂原子(B或0)的2p态杂化引起的较大的局域态密度,从而显著提高结构的量子电容和表面电荷密度。结果显示在C1位点掺B的C3N、N2位点掺B的tg-C3N4和N1位点掺0的tg-C3N4结构可用作对称超级电容器的电极材料。同时,研究结果表明掺B的氮化碳结构的量子电容值远大于掺B的石墨烯结构的量子电容值。接着,研究了 N和过渡金属(TM=Sc-Zn)原子共掺对硅烯结构、稳定性、电子和电容性能的影响。结果表明,共掺的硅烯(TMNx-Si,x=1-3)体系,特别是TMN3-Si,比单掺的硅烯更稳定。随着N原子掺杂数目的增加,TMNx-Si体系的稳定性进一步提高。在提高电容性能方面,TMNx-Si体系比单掺硅烯和共掺石墨烯具有更大的优势。在所有系统中,ScN2-Si具有最好的量子电容和表面电荷密度性能,其最大值分别为224.88 μF/cm2和74.41 μC/cm2。除Sc和Ti外,TMN3-Si系统的量子电容和表面电荷密度值明显高于TMN2-Si和TMN1-Si。此外,随着掺杂浓度的增加,观察到ScN2-Si的量子电容和表面电荷密度单调增加,而对应于最大量子电容的偏压位置没有改变并且保持在-0.6V。最后,研究了过渡金属原子和单空位同时存在的双层石墨烯体系GsvMGsv(TM=Sc-Zn)的稳定性,以及TM和空位浓度变化对GsvTMGsv的量子电容的影响。结果表明GsvTMGsv体系的稳定性非常高,远大于TM和空位共掺的单层石墨烯的稳定性。此外,GsvTMGsv体系的量子电容随着TM和空位浓度的增加呈现非单调变化的趋势。特别是GsvCoGsv,在浓度为2.8%时,展示出了最大的量子电容和表面电荷密度值,分别为640.36 μF/cm2和212.12 μC/cm2。我们认为2.8%浓度的GsvCoGsv结构非常有潜力成为双电层电容器的电极材料。

关键词： 分子器件   量子输运   数值重整化群   强关联   磁阻挫  

摘要： 分子器件为纳米尺寸,依靠量子输运贡献电导。这意味着它们相比传统半导体器件更加小型化,同时具有更高的信息处理速度。一些具有特殊结构和功能的分子器件还与量子信息技术的理念不谋而合,为使用固体电子手段实现量子操控奠定了基础。本文基于分子器件的能级特点,建立具有三角拓扑特征的并联三量子点[triple quantum dot(TQD)]体系,采用非微扰论的数值重整化群[numerical renormalization group(NRG)]方法,结合实际材料的特性和在强关联的条件下从理论上研究了器件的磁学、热力学及量子输运性质。揭示了该体系中磁阻挫相的形成机制,以及磁阻挫与近藤(Kondo)效应和局域磁场的竞争对器件的输运和磁场响应特性的影响。另外,针对分子器件的磁场施加问题提出了一种可行方案。根据研究结果,主要得出以下结论和创新点: (1)以Anderson模型为基础,通过NRG方法研究了影响并联三角构型TQD系统的Kondo效应和Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida(RKKY)作用的主要因素,同时结合材料技术,从分子工程和界面工程的角度总结了调整这些参量的实验手段。研究表明,磁各向异性常数对器件部分的作用与在位库仑排斥势类似,通过调节磁各向异性常数可以达到增强库仑排斥的目的,简化了分子设计。研究还揭示了在零温极限下,体系随跳跃积分变化造成的相变过程,以及磁阻挫相的生成原因,分析了不同相结构下系统的Kondo行为。此外,拟合了零温透射率系数中的Kondo共振峰的宽度与实际Kondo温度的数学关系,为快速标定系统的Kondo温度提供了理论依据。 (2)研究了轨道间耦合形式以Heisenberg自旋交换作用为主的情形中,体系在有、无外磁场条件下的零温和有限温度下的相变及输运性质。证实了随着自旋交换作用的增强,体系会经历一个一级相变,从铁磁相进入磁阻挫相。相变的前后都会引起Kondo效应,电导始终保持在较高水平。当存在逐渐增大的磁场时,Kondo效应先是被抑制,对应的线性电导很快减小。直到由磁场引发的相变产生后,Kondo效应被重建并伴随着线性电导的陡然增加。但随后,Kondo效应再次被抑制,电导缓慢减小。这些规律为使用三角拓扑分子器件实现量子比特和Kondo效应的操控提供了有力支撑。 (3)选择了一种非阻挫的TQD结构作为对比研究,即简单并联TQD器件。通过设置非对称的点间跳跃耦合,研究了不同磁场强度下,成键与反键轨道的电子局域态密度特征以及对线性电导的贡献。揭示了一种轨道极化库仑阻塞效应(OPCBE)的机理。尽管该结构不存在磁阻挫,但器件展示出自旋极化输运功能,仅通过单向的磁场强度调节就可以实现两个不同自旋方向电导的100%分离,且电导率接近单位极限。该器件可作为一种简单、高效的自旋选择器。 (4)针对本文理论工作所涉及的分子器件的磁场施加问题,提出了一种可能的硬件方案。方法是采用薄膜技术制备用于吸附分子的M型六角铁氧体衬底,将该衬底作为一端的磁性电极。以M型六角铁氧体的磁电耦合性质为依据,通过电场来调控衬底的磁化,从而实现对分子器件磁场的施加。为验证这种方案,结合该衬底材料的实验制备过程和性能测试进行了简要的可行性分析。 本文的研究结果为新型分子器件的开发和控制方法的设计提供了一些新思路。

关键词： 碳量子点   pH响应性   荧光材料   荧光水凝胶   水热法  

摘要： 荧光类pH响应型材料具有高选择性和高灵敏度等优点,在工业、环境和生物医学等领域得到广泛应用。但如何同时实现发光颜色的可调性、pH敏感性和灵活性仍然是一个挑战。目前,通过调节碳量子点的尺寸,表面态和分子荧光团等,可以得到可调谐的多彩碳量子点。碳量子点具有原料成本低、资源可再生、功能基团丰富、合成简便、反应速度快、后处理步骤简单等优点,在化学分析和传感器领域具有广阔的应用前景。为此,我们设计了三种pH响应性碳量子点复合材料并用于细胞成像、抗菌和检菌以及氨气检测,主要研究内容和结论如下:(1)pH响应性高发光硫掺杂碳量子点的制备及其性能研究采用柠檬酸为碳源,以3-巯丙基三乙氧基硅烷为掺杂剂,在180℃下,一步水热反应法制备了pH响应性高量子产率碳量子点(Si-CDs)。通过改变溶剂和原料的配比,调节其光学性能,量子产率可达74.8%。Si-CDs具有较强的稳定性,在紫外灯下显示出明亮的蓝绿色荧光。此外,Si-CDs具有pH敏感性,在不同的pH环境下,其颜色和强度都有明显的变化。我们通过CCK-8试剂法和细胞成像试验评估了该碳点在生物领域的应用,W-CDs浓度增加到2 mg/m L时,细胞存活率仍在95%以上,表明该碳量子点具有良好的生物安全性,并且在生物成像领域有潜在的利用价值。(2)pH响应性荧光水凝胶的制备以及检菌抗菌一体化研究选用前一个体系中合成的pH响应性碳量子点(Si-CDs)以及聚乙烯醇(PVA)为原料,采用简单的冻融法制备了具有抗菌性的聚乙烯醇/Si-CDs复合荧光水凝胶(PVA-CDs)。实验结果表明,随着Si-CDs的加入,复合水凝胶PVA-CDs拉伸应力和应变都有所提高,当加入Si-CDs(HO/Et OH=5:1)时,其断裂应变达到最大,约374%,应力达到468.19 k Pa。随着碳量子点中乙醇添加量的增加,拉伸应变逐渐减小,拉伸应力和韧性均是增大后下降。当加入Si-CDs(HO/Et OH=2:1)时,拉伸应力和韧性达到最大,分别为754.57 k Pa和1191.37 k J/m。此外,该荧光复合水凝胶溶胀比小于纯PVA水凝胶,仅为0.66 g/g,而丙三醇的加入使该类荧光水凝胶具有良好的保湿性。复合水凝胶的荧光变化规律与碳点相似,在不同的酸碱环境中,颜色在绿-蓝-紫之间转变,具有pH颜色响应性。在仅含0.05%醋酸氯己定时,PVA-CDs复合水凝胶能形成清晰可见的抑菌圈,抗菌能力显著。该水凝胶的颜色改变能够直接反映出环境中pH值的变化,这种可重复实时监测pH变化的特性,为构建具有快速检测伤口pH值变化的荧光水凝胶检测器提供了一种可行的方法。(3)一步水热法合成S掺杂碳量子点并用于氨气检测我们以半胱胺盐酸盐为原料,采用简单的一步水热法制备了一种pH响应性碳量子点(S-CDs),并用于氨气检测。该量子点量子产率达到39.27%,在紫外灯下呈现出蓝绿色荧光,并且表现出明显的波长依赖性。此外,S-CDs在酸性条件下性质稳定,遇碱迅速变红,出现白色絮状沉淀。S-CDs对氨气能够迅速响应,当溶液中氨的浓度为1 m M时,其荧光强度下降至原来的0.68倍左右,迅速变成淡红色,表现出明显的强度以及颜色变化,并出现沉淀,这一性质可用于氨气检测。这种低成本、绿色环保的碳量子点有望替代传统材料,实现对氨气快速高效地检测。

关键词： 无机钙钛矿量子点   聚合物   光学性质   水   智能传感  

摘要： 无机钙钛矿量子点因其优越的光电特性成为了当前的研究前沿和热点,然而稳定性较差依然是其亟待解决的关键问题之一。通过聚合物的封装工艺来提高无机钙钛矿量子点的稳定性是一种较好的策略,制备而得的无机钙钛矿量子点/聚合物纳米复合材料在具有较高的量子点稳定性的同时,还融合了聚合物的独特优势,从而产生特殊的应用场景和附加功能。除此之外,无机钙钛矿量子点作为一种离子晶体,与极性溶剂相互作用时常常会表现出新奇的荧光现象。水作为一种常见的极性溶剂,二者之间的作用机制仍有待揭示。基于以上热点和挑战,本课题以无机钙钛矿量子点/聚合物复合材料的光学性质作为关键点,分别从实验制备方案的选型、复合材料的制备、水反应机理和器件应用四个方面展开相关研究。 首先,通过对无机钙钛矿量子点制备方案、聚合物制备方案、以及复合材料制备方案的选型分析,对比和权衡了优缺点,选择出最适合本课题的实验制备方案如下:通过传统的高温热注射法制备性能优异的CsPb Br3量子点,再通过一锅法制备具有柔性、拉伸性和自愈合性能的聚二甲基硅氧烷-聚脲（PDMS-PUa）聚合物材料,最后通过物理共混的方法将CsPb Br3量子点嵌入到PDMS-PUa聚合物中制备出CsPb Br3/PDMS-PUa复合材料以供后续研究。 其次,针对以上实验方案制备了无机钙钛矿量子点/聚合物复合材料,并进行了表征分析。对高温热注射法制备的CsPb Br3量子点,表征了其晶格形貌和发光性能等;对物理共混法获得的CsPb Br3/PDMS-PUa复合材料,表征了其形貌、发光性能、柔性和自愈合特性等。结果表明:所制备的复合材料具有光滑平整的表面形貌、优异的紫外激发发光性能、以及良好且稳定的柔性和自愈合特性。 然后,从无机钙钛矿量子点/聚合物复合材料的光学性质出发,重点研究了CsPb Br3/PDMS-PUa复合材料的水反应机理。通过梯度调控PDMS-PUa聚合物材料对CsPb Br3量子点的包覆程度来调控水与量子点的接触情况,发现了不同的接触程度对应着量子点与水之间不同的作用机理,从而使得复合材料对水表现出不同的荧光现象。实验结果表明:随着聚合物包覆程度的增加,CsPb Br3/PDMS-PUa复合材料对水依次表现为正向荧光可逆、逆向荧光可逆、以及荧光平衡的变化过程。 最后,结合无机钙钛矿量子点/聚合物复合材料正/逆向荧光可逆现象及机理,提出了一种基于CsPb Br3/PDMS-PUa复合材料的可穿戴智能传感皮肤,可同时进行水和湿度的感知。其中,智能传感皮肤实现对水感知的反应机制来自于复合材料的正向荧光可逆,而对湿度的感知机制则对应于复合材料的逆向荧光可逆。智能传感皮肤与水的接触情况,甚至是环境中湿度的波动,都可以通过荧光变化来响应。此外,对该智能传感皮肤的荧光稳定性表征结果表明了其较好的荧光稳定性,为智能传感皮肤的适用性奠定了坚实的基础。

关键词： 碳量子点   铁离子检测   P25   g-C3N4   光催化降解   四环素  

摘要： 污染物的检测和降解是研究和缓解水污染问题的两大重要步骤。铁在人类的社会生活中起着至关重要的作用,被广泛应用于工业制造等领域。铁离子(Fe3+)作为工业过程污染物的主要来源之一,对生态环境造成污染,Fe3+时常会混合在抗生素废水中,如不能提前检出,会影响对抗生素废水的处理效果。传统的检测技术虽然检测灵敏,但是存在操作复杂、需要专业人士以及设备仪器造价高等问题,常规的水处理工艺和技术也无法将抗生素废水降解。因此,开发方便、快速的污染物检测技术和高效、经济的降解技术是水处理领域研究人员的工作目标。近年来,光响应污染物检测与降解技术因其成本低、环境友好而备受关注。荧光检测技术和光催化技术是具有发展前景的技术手段。荧光检测具有灵敏度高、检测速度快、检出限低等优点,可用于金属离子检测领域;光催化技术具有高效、安全、环境友好等特点,被人们用于难降解废水处理领域。碳量子点（Carbon quantum dots,CQDs）属于零维纳米材料,是一种新兴的纳米材料,其尺寸通常小于10 nm,具有荧光特性,由于其具有稳定的光学性质,在离子检测、光催化等领域均已展现出广泛的应用前景。本论文计划设计基于碳量子点的复合纳米材料,用于水处理中金属离子检测和抗生素类药物的降解。具体的研究内容如下:（1）以柠檬酸为碳源,尿素为氮源,微波合成法成功合成了氮掺杂的碳量子点（N-CQDs）材料,其荧光特性可作为水体中金属离子的探针。通过实验发现铁离子可以淬灭碳量子点的绿色荧光,在铁离子浓度范围为0-10-5μM时,铁离子浓度与碳量子点的荧光强度呈线性关系,检测限为0.11μM,展现了碳量子点作为检测金属离子荧光探针的潜力,与传统荧光探针相比大大降低了其检测限。用PL光谱和紫外吸收对其进行光学表征,用SEM、TEM对其形貌、晶格间距进行表征;拉曼、XRD、XPS、红外测试结果证明了碳量子点的成功合成,并且表面具有羟基、氨基、羧基等官能团;最后通过荧光寿命和紫外表征说明了碳量子点检测铁离子的机理。（2）以第一部分的实验为基础,采用浸渍-煅烧法,将合成的碳量子点与商业用二氧化钛（P25）进行复合,制备出N-CQD/P25复合纳米材料,研究了该复合材料的光催化性能。通过SEM,TEM对其复合前后的形貌变化,晶格间距以及复合前后是否具有多晶结构进行了表征;用XRD,XPS对其晶体结构和复合方式进行了表征,紫外吸收光谱和光电流响应说明了复合后的光催化剂比纯P25具有更强的光吸收,更广阔的光响应范围以及产生更强的光电流。最后研究了其光催化降解性能,复合光催化剂展现了比纯P25更加高效的光催化降解污染物四环素的能力,并研究了该催化剂在模拟太阳光下降解四环素的机理。（3）采用浸渍-煅烧法,将荧光碳量子点与合成的层片状g-C3N4进行复合,制备出N-CQD/g-C3N4复合纳米材料,通过控制煅烧时间的不同,合成了三种不同煅烧温度下的碳量子点复合纳米材料,通过SEM、TEM对其复合前后的形貌变化、晶格间距以及复合前后是否具有多晶结构进行表征;用XRD、XPS、红外表征了其晶体结构和复合方式。紫外吸收光谱和光电流响应测试结果说明了复合后的光催化剂比纯g-C3N4具有更强的光吸收、更广阔的光响应范围以及产生更强的光电流。最后研究了其光催化降解性能,200℃煅烧温度下复合样品对光催化降解四环素效果最好,最后对其降解机理进行解释说明。