关键词： 杂化结构   能量转移   电子转移   多光束干涉   光电器件  

摘要： 近年来,由于在光电和纳米光子器件制造领域的广阔应用前景,二维半导体材料引起了人们的极大研究兴趣。然而,受限于二维材料超薄的厚度,致使其对光的吸收能力有限,阻碍了二维材料的进一步应用。将二维层状材料与具有强吸收的其他纳米结构耦合来增加对入射光的吸收,是一种十分有效的解决方案。零维胶体半导体量子点吸收波段覆盖紫外到近红外,在整个波段对光都有很强的吸收能力,因而成为理想的二维材料耦合对象。通过结合零维量子点的各种非凡光学特性以及二维材料优异的物理性能,量子点/二维材料杂化结构能够产生独特的界面相互作用,并展现出优异的器件性能。因此开展量子点与二维材料半导体杂化结构相互作用研究及调控,对设计新型半导体光电器件具有重要意义。受限于对该类杂化结构中相互作用的理解（以能量转移和电子转移为主）,杂化结构中量子点的发光特性通常被显著削弱与抑制,而这对基于量子点的发光器件是非常不利的;另一方面,根据需求对杂化结构中量子点的荧光特性进行实时原位调节,也是目前量子点实际应用中亟需解决的问题。 本论文围绕量子点与二维材料杂化结构中量子点发光性能增强与调控的关键问题,通过构建量子点与二维材料相互作用物理模型,系统研究多光束干涉、能量转移和电子转移对量子点光学性能的影响,提出通过二维材料与量子点薄膜界面间的多光束干涉,实现量子点发光性能的增强与周期性调控,实验结果表明量子点的发光强度可以增强8倍以上。通过发展高分辨率原位调控杂化结构中相互作用的新技术,利用光照还原二维材料,实现量子点与二维材料相互作用的实时原位调控,将该杂化结构的能量转移效率从29.7%大幅提高至70%,相应的能量转移速率提高5.5倍,从而实现了杂化结构中相互作用的精确调控,为其在光电器件领域的应用奠定了理论与技术基础。 本论文的主要创新点如下: 一、理论上构建了量子点与二维材料界面间的多光束干涉模型。针对当前量子点-二维材料杂化结构中量子点荧光始终被淬灭的问题,我们引入量子点与二维材料界面间的多光束干涉效应来增强与调控量子点的发光特性,该效应源于两种材料折射率的巨大差异。通过系统构建量子点-二维材料杂化结构的相互作用模型,综合考虑多光束干涉、能量转移和电子转移过程,结合数值计算,揭示了该杂化结构中量子点发光性能的变化规律:当量子点和二维材料厚度在纳米量级时,相互作用以能量转移和电子转移为主,量子点荧光始终被淬灭;随着量子点厚度的增加,不同界面间的多光束干涉效应成为主导作用,通过调节材料的厚度、折射率等参数,可以增强并调制量子点的发光特性,最大增强效果接近1个量级。 二、通过调控多光束干涉效应实现了量子点发光强度的增强与调制。在理论计算的基础上,我们制备了Cd Se Te/Zn S-WSe2,Cd Se/Zn S-Mo S2等杂化结构,全面分析了二维材料种类及其折射率、厚度,以及量子点发光波长等因素对杂化结构中量子点发光性能的影响,揭示了通过相关物理参数调控量子点发光性能的规律,实验结果与理论计算符合地很好。最终实现了量子点6倍以上的增强,以及在淬灭与增强间的连续可控调节。这些结果为提高杂化结构的光电性能,拓展其在发光器件和太阳能电池等领域的应用提供了新的思路。 三、实现了全光学手段、高分辨率以及原位调控杂化结构的光学性能。针对杂化结构制备后,其光学性能难以根据应用需求进行实时原位调控的技术瓶颈,发展了全光学手段的高分辨原位调控新技术,通过激光照射增加受体（氧化石墨烯）的光吸收能力,原位操控量子点和单层氧化石墨烯之间的荧光共振能量转移来调控量子点的光学特性,使量子点和氧化石墨烯之间的荧光共振能量转移效率从29.7%大幅提高到70.0%,相应的能量转移速率提高了5.5倍。该调控方法具有原位操纵和高空间分辨率的特点,为杂化结构在光电应用中的性能调控提供了新方案。 综上,本论文研究了量子点-二维材料杂化结构中的相互作用,并提出了通过多光束干涉以及激光照射原位调控量子点发光性能的实验方案,具有高空间分辨率、快捷有效以及普适性等特点,为基于杂化结构的光学器件性能调控奠定理论基础,并提供了强有力的实验手段。

关键词： 木质基碳量子点   氧化锌   氮化碳   光催化  

摘要： 目前环境问题日益尖锐,其中存在两个方面的问题:资源过度使用和水污染问题,面对资源过度使用问题,碳量子点的原材料来源十分广泛,有利于加工剩余物和废料的再利用,不仅如此碳量子点还有良好的光学性能、生物相容性等优点。而在水污染问题中,印染废水又十分突出,在处理水污染的方法中,光催化技术因其绿色、节能、安全以及广谱长效的优点脱颖而出。传统的Ti O等光催化剂光响应范围窄,主要集中在紫外光区域,对可见光的利用率低、电子空穴对容易复合等一系列问题,限制了其应用。Zn O的氧化能力更强、光催化效率高、价格便宜、适用范围广、绿色无毒害并且属于直接带隙半导体,避免了量子效率低等问题。通过上述分析本文选取了氧化锌光催化剂,使用木粉为原料制备木基碳量子点对其进行掺杂,并且将其负载在氮化碳上。本研究将氮化碳、木基碳量子点与氧化锌结合制备成一种新型催化剂,分别研究了木基碳量子点与氧化锌材料的各种性能,并测试了其光催化降解亚甲基蓝等有机染料的性能,主要研究结果如下:1、使用木粉、柠檬酸以及乙二胺在200℃下进行水热反应6 h,成功制备了氮掺杂的木质基荧光碳量子点。木基碳量子点的平均粒径为4.3 nm,晶格间距为0.21 nm,对应于石墨结构的100衍射面,其表面含有大量的羟基、羧基以及氨基等含氧、氮官能团。木基碳量子点在浓度较低时,呈现蓝紫色荧光;其荧光效果与碳量子点浓度、激发波长有关,并且随着激发波长的增加而出现红移现象,木基碳量子点具有很好的水溶性。使用纳米纤维素和碳量子点制备了一种荧光的纳米纤维素纸用来测试碳量子点的重金属离子检测性能,其拉伸强度高达97.4 Mpa,远高于普通的滤纸;其紫外吸收能力也大大加强,能够直接对铬离子进行检测,其荧光效果随着铬离子浓度的增加而减小,且木基碳量子点具有良好的耐候性和稳定性,经过长时间自然老化,依然可以检测铬离子。2、在对木基碳量子点掺杂氧化锌的研究中,本研究将碳量子点氧化锌复合材料与传统水热法制备出的氧化锌进行了对比。结果表明,氧化锌经过碳量子点的掺杂表现出与未掺杂的氧化锌不同的微观结构,随着碳量子点含量的增加,光催化剂的微观形貌变化为:不规则的纳米片→球状结构→花状结构→棒状结构;碳量子点掺杂不会改变氧化锌的结晶性质,但结晶度有所增加。氧化锌的晶格间距为0.28 nm和0.52 nm,分别对应于六方(纤锌矿)氧化锌的{0001}面和{0110}面。复合材料的电荷分离效率更高,碳量子点的加入降低了电子空穴复合效率,禁带宽度由3.23 e V降至3.13 e V,光电流增加了2.4倍。有机染料的测试结果表明,复合材料的光催化效率和速率有了明显的提升,降解不同染料测试结果显示,降解刚果红的效率最高。复合材料的稳定性较好,可以重复使用。3、对氮化碳、碳量子点以及氧化锌的复合材料进行了研究,其结果表明,氮化碳的引入不会改变碳量子点本身的表面形态和结晶性质。材料的比表面积分析显示,碳量子点的引入阻塞了氧化铈的一些孔道结构,因此碳点氧化锌复合材料的比表面积有所下降,平均孔径有所增加。引入氮化碳后,复合材料的比表面积明显增加,平均孔径减小。光催化性能测试表明,复合材料的光催化效率和速率均有所提高。

关键词： 能带结构   弹道输运   晶体取向   双栅pMOSFET   掺杂工程   本征电容   k·p非平衡态格林函数(NEGF)法   纳米片(nanosheet)晶体管   寄生电容   量子输运   应变工程   短沟道效应   隧穿   顶部势垒模型   超短栅长度   垂直堆叠纳米片  

摘要： 金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor fieldeffect transistor,MOSFET)工艺已进入超微缩尺度时代。器件的开路电流、功耗和短沟道效应之间需要进行权衡,改善器件性能成为挑战性问题。然而上述指标是多个维度的函数,难以进行解耦和独立优化。因此,为了满足下一代技术节点的需求,需要在优化器件设计和提升性能方面进行深入研究。本论文主要在量子水平上研究超薄体和多栅晶体管上的物理特性,对其进行建模、表征和仿真分析。主要研究目标是发现提高超短沟道长度和全环绕栅(GAA)纳米片晶体管的p型超薄体双栅MOSFET性能的解决方案,以满足高性能和低功耗逻辑应用。其科学贡献总结如下:首先,建立了自洽非平衡格林函数-泊松(non-equilibrium Green's function-Poisson simulator)求解器,研究了超薄体双栅p-MOSFET中的量子输运。采用六能带k·p哈密顿量精确模拟了复杂的价带结构。在5nm技术节点及其以下结点,短沟道效应和隧道效应会导致器件性能的明显下降。本文进行了一系列系统研究,优化双栅MOSFET的沟道厚度和约束/传输方向与结构,实现高通态电流,低亚阈值摆幅和隧穿率。结果表明,(001)/[100]取向在栅极长度为5nm时的隧道电流比最小为25%,获得了最佳的通态电流和亚阈值摆幅。同时,为了实现良好的静电控制,需要减小沟道厚度,这意味着需要加强沟道处的量子约束。其次,为了进一步优化器件性能和控制短沟道效应,我们引入了掺杂工程。为了高性能和低功耗应用,本文研究了掺杂剖面/浓度对电流比、亚阈值摆幅和开关延迟等性能指标的影响。数值结果说明了相比于恒定掺杂剖面采用高斯掺杂剖面在改善亚阈值摆幅、降低漏致势垒降低效应和实现低源漏隧穿方面的重要性。除了峰值掺杂浓度外,还可以选择高斯函数中特定的阻尼因子作为参数进行优化器件性能。此外,讨论了源/漏掺杂剖面/浓度对输运方向和约束方向电场分布的影响。然后,在亚3纳米技术节点上对GAA纳米片晶体管进行了全面的量子输运研究。与鳍式场效应晶体管(Fin Field-Effect Transistor,Fin FET)相比,GAA纳米片晶体管具有优越的栅静电特性和更好的功率/性能平衡性能,因此在3-5纳米技术节点以后,GAA纳米片晶体管有更广泛地应用前景。由于目前PMOS器件在驱动电流方面落后于NMOS器件,因此在纳米片晶体管中引入沟道工程技术来提高PMOS器件的性能。本文利用内部开发的基于自洽薛定谔-泊松解算器和顶部势垒模型的模拟器,在亚三纳米技术节点上深入研究了材料(硅/锗)、应变、晶体取向和横截面尺寸的影响。为了更精确地计算应变扰动价带结构中的能量-动量色散,模型中加入了应变相关的六能带k·p哈密顿量,详细研究了空穴输运特性有关的的子能带的曲率、能量位移和分裂等效应。进一步地,通过评估注入平均速度、迁移率、电流密度分布和电流电压特性,综合分析了沟道工程的影响。在[100]/(001)和[110]/(001)沟道中,有效提高了2GPa压应力下的性能,锗纳米片晶体管的通流提高了7%。尽管通过增加更宽的纳米片沟道截面有效宽度提高驱动电流,然而更小的截面宽度能获得更强的量子约束,实现开启态注入速度平均增加29%。最后,本文研究了垂直堆叠的纳米片晶体管,该晶体管设计优化了布局效率并提升了漏极电流。对器件本征电容的精确建模是分析器件性能的关键,特别是在量子约束效应占主导地位的情况下。另一方面,GAA纳米片晶体管的性能受到寄生电容的严重限制,因此,寄生电容的分析和优化至关重要。本文利用自洽Poisson-Schr?dinger解算器和顶势垒模型得到的C-V特性,计算了堆叠纳米片晶体管的本征电容。采用共形映射技术进行建模分析寄生电容。该模型考虑了增加栅极电压时,反转层对硅和锗通道材料的内边缘电容的屏蔽。通过不同的通道材料、几何参数的变化、晶体取向和垂直片层的数量,实现了电容优化。在给定的覆盖区域中,对有效纳米片宽度晶体管的电容负载驱动能力进行了分析。此外,综合评估了器件的性能参数,包括能耗、开关速度等。

关键词： 二维主族半导体   电子结构调控   量子输运性质  

摘要： 目前，随着现代电子信息产业的高速发展，集成电路趋向于小型化和高度集成化，要求晶体管尺寸进一步缩小，硅基场效应晶体管（field effect transistor，FET）趋近其物理极限，硅基FET的发展面临巨大挑战。探索采用超薄二维半导体替代硅沟道材料的可能性，是解决传统FET尺寸极限和性能极限的有效方法之一。相对于硅等块体材料，二维材料具有以下优势：（1）表面光滑平整，无侧向悬挂键，电荷传输时不受陷阱态和起皱带来的散射影响，可以保持较高的输运性能，避免短沟道效应;（2）超薄的原子层厚度，栅极可控性好。此外，二维材料可调的带隙和各向异性等独特的性质使得它在电子器件领域具有广阔的应用前景。　　因此，寻找具有合适电子性质和高稳定性的二维半导体材料，以符合超短沟道体系中的高性能和低功耗的要求是至关重要的。二维单元素主族材料例如石墨烯、硅烯、黑磷烯等，由于它们有趣的原子结构和特殊的电子特性，引起了科学界研究者们极大的兴趣。然而，元素周期表中的主族元素种类有限，可以合成的单元素二维主族材料的数量也是有限的。通过主族元素之间的化合等方法形成的二维二元主族材料，拥有丰富的化学计量比和原子结构，可以拓宽电子特性等物理性质，有效壮大二维材料家族。　　为此，本论文从二维主族半导体材料的理论设计与电子结构调控，到量子输运性质的探索，开展了一系列研究工作：　　（1）基于第五主族元素不同的原子半径和电负性，通过第五主族族内元素之间的两两化合可以实现二维第五主族材料的电子结构调控，即二维五-五主族材料。基于第一性原理计算，对具有buckled和puckered结构的二维五-五主族材料进行了详细的理论研究，包括原子结构、能量稳定性和电子性质。这些二维五-五主族材料的结合能与二维第五主族材料的结合能相当，是具有0.49~2.83 eV的宽带隙范围的半导体材料。其中7种材料表现出直接带隙。有趣的是，二维五-五主族材料的带隙表现出与原子半径和电负性相关的规律性趋势。特别是在buckled结构的二维五-五主族材料的价带和导带中分别存在墨西哥帽色散和 Rashba 自旋劈裂这两种有趣的物理性质。研究结果进一步发展了二维第五主族材料家族，为纳米电子、光电子和自旋电子应用提供了有前景的候选材料。　　（2）通过对六方蜂窝状硼烯进行表面卤化调控，实现了硼烯从金属→半导体转变和各向同性→各向异性电子结构转变，研究了具有各向异性电子结构的表面卤化硼烯半导体材料（单层B4F4、B4Cl4和B4Br4）的量子输运性质，并探索了各向异性电子结构与高性能输运性质之间的物理关联。单层B4F4带隙值太小引起强源漏隧穿，在应变调控后可以有效增大带隙（0.70 eV→1.19 eV）。长度为5 nm的单层B4F4的高性能n型金属氧化物半导体FET（metal-oxide-semiconductor FET，MOSFET），通过应力调控后，开态电流可以从600 μA/μm增大到3140 μA/μm，从而满足国际半导体技术路线图（ITRS）对于5 nm栅长器件的要求。除了带隙值外，电子结构的各向异性程度也会影响输运性质：如果有效质量太大，饱和电流会降低，限制开态电流。该工作为探索寻找可应用于高性能纳米电子器件上的优异二维沟道材料提供了指导。　　（3）理论计算结果表明，二维 β-TeO2具有良好的热力学稳定性和动力学稳定性，剥离能计算证明其很容易从对应的块体材料（一种天然层状矿物碲酸盐）中剥离。进一步，基于HSE06方法，当β-TeO2从块体材料减薄到单层时，带隙从3.32 eV转变为3.70 eV。单层β-TeO2的电子结构表现出各向异性，决定了基于单层β-TeO2的MOSFET的输运特性也呈现出各向异性。根据ITRS对高性能器件的要求，由于各向异性的电子有效质量，5.2 nm栅长的n型MOSFET具有超过5100 μA/μm的超高开态电流。亚10 nm栅长的单层β-TeO2的MOSFET可以在开态电流、亚阈值摆幅、延迟时间和功耗延迟积等方面实现ITRS和国际设备和系统路线图（IRDS）对高性能和低功耗器件的目标。本研究揭示了单层 β-TeO2有望作为未来纳米电子学中超短沟道器件的一个有前途的候选沟道材料。　　（4）研究了两种不同构型的二维四-六主族半导体应用于高性能和低功耗器件的潜力：（a）正交单层α-CS和（b）六方单层SnS2。（a）考虑到黑磷（α相）晶体管具有高迁移率和高开关比的优点但是空气下不稳定，基于等电子体设计思想，研究了类黑磷结构的单层α-CS的电子性质和输运性能。基于单层α-CS的MOSFET可以满足ITRS对高性能和低功耗器件的要求。在5 nm栅长下，基于单层α-CS的高性能MOSFET的开态电流可达3700 μA/μm。低功耗MOSFET的开关比超过107，优于黑磷烯和In

关键词： 非局域输运   交叉安德列夫反射   拓扑绝缘体   超导量子干涉器   马约拉纳零能模  

摘要： 与传统的计算技术相比,依赖于新物理和新算法的量子计算在一些场合能更快地处理信息,将会得到蓬勃发展。在不同的量子计算方案中,拓扑量子计算具有对环境扰动免疫、因而退相干时间长的优势,这个优势使得拓扑量子计算在众多量子计算方案中脱颖而出。拓扑量子计算的信息载体是满足非阿贝尔统计的马约拉纳零能模,因而找到马约拉纳零能模是实现拓扑量子计算关键的一步。本论文先后介绍了课题的研究背景及意义、非局域输运的研究进展、课题动机以及实验方案。世界上很多课题组通过开展马约拉纳零能模的零偏压电导峰探测和拓扑非平庸约瑟夫森结4π超流-相位关系探测这两种实验,来证明马约拉纳零能模的存在。从已有的研究结果来看,目前依然没有确凿的证据能够证明马约拉纳零能模的存在。在本论文工作中,我们计划采用不同于以往通常的实验方法,而是基于非局域量子输运的测量去寻找拓扑非平庸马约拉纳零能模的踪迹,希望一方面能够在拓扑量子计算方向取得进展,另一方面也对拓扑量子纠缠态开展研究。正常金属-超导-正常金属(N-S-N)结构的介观三端器件为研究固态量子体系中电子的非局域输运过程提供了一个很好的平台。此类器件中的非局域信号主要来源于三种物理过程,一是库珀对分裂,它的逆过程是交叉安德列夫反射,二是电子的弹性共振隧穿,三是远距离相干传输。实验上,库珀对分裂和共振隧穿已在石墨烯系统、碳纳米管系统、强自旋轨道耦合的半导体纳米线及其量子点系统等系统中得以实现;交叉安德列夫反射已在量子霍尔边缘态系统、基于半导体薄片约瑟夫森结系统中得以探测到;电子远距离隐形传输的非局域过程于2010年被傅亮从理论上提出,它可以用来设计基于马约拉纳零能模的相位相干量子输运系统,通过磁通调制来证明马约拉纳零能模的存在。基于这些背景,我们计划设计超导量子干涉器,调控非局域输运,并由此寻找马约拉纳零能模。论文第二部分是关于拓扑绝缘体纳米线的生长、表征、转移、器件制作、以及极低温下量子输运测量配置的介绍。我们采用金催化的气体-液体-固体(VLS)沉积生长法,生长二元、三元的拓扑绝缘体纳米线、纳米带、纳米片材料,并用能谱仪进行初步的材料表征。然后,在挑选合适的纳米线进行转移之后,采用微加工手段制作器件。最后利用稀释制冷机系统进行极低温量子输运测量。论文第三部分介绍在基于拓扑绝缘体纳米线的约瑟夫森器件上观察到的几个有趣实验结果,包括临界超流随磁场增加而反常增强、多重安德列夫反射、半整数夏皮罗台阶等现象,并为这些现象给出了合理的机理解释。论文第四部分专门介绍基于拓扑绝缘体纳米线的约瑟夫森器件的非局域量子输研究。论文首先介绍了N-S-N器件上的非局域输运测量实验结果。传统N-S-N三端器件中探测到的非局域信号主要来源于库珀对分裂和电子共振隧穿,非局域输运的微分电导信号的符号并不随偏置电流方向的变化而变化。然而,在我们的器件中,观察到了非局域输运的微分电阻信号是偏置电流的奇函数的实验现象,即信号具有整流特性。这跟T.(?).Rosdahl等人于2018年提出的理论预言结果一致,发生拓扑相变处可实现安德列夫整流,且负的非局域微分电导由交叉安德列夫反射引起。随后,论文进一步介绍基于拓扑绝缘体纳米线的超导体-射频超导量子干涉器-超导体(S-rf SQUID-S)器件的非局域输运测量结果,观测到非局域微分电阻信号随磁通周期性振荡的实验现象。考虑环路磁通以及约瑟夫森单结的超流分布之后,我们对实验数据做了理论解释和实验数值模拟,结果表明,负的非局域微分电阻信号是由交叉安德列夫反射引起的。我们讨论并给出了物理图像,用于解释所观察到的有趣实验现象。论文最后进行了总结和展望。

关键词： 氮掺杂石墨烯量子点   四环素   氮掺杂石墨烯   垂直取向石墨烯纳米壁  

摘要： 石墨烯（Graphene）,即石墨的单原子层（厚度约为0.34 nm）,是碳原子按照sp碳-碳（C-C）键形成的蜂窝状结构。由于其优异的光学性能,在场效应晶体管、透明电极、储能器件等方面具有广阔的应用前景。然而,由于其零带隙的特性,使其不能满足多种应用的不同需求,不能对材料的结构和性能进行精确的控制。为了实现石墨烯的广泛应用,打开石墨烯带隙是至关重要的。迄今为止,通过在石墨烯晶格中掺杂取代的杂原子,已被证明是实现上述目标的一种稳健而有效的方法。本文研究了氮掺杂石墨烯量子点的制备与一种新的掺杂石墨烯薄膜的制备方法。将功能化的石墨烯量子点与石墨烯材料相结合。获得的杂化材料的光电性能和光热性能都比本征石墨烯得到了提升。本文着重从如何制备石墨烯量子点,掺杂可控的石墨烯材料等方面开展了全面的研究,主要取得如下重要的研究成果:1、通过水热法处理尿素和二苯甲酮,成功制备了强蓝光发射的氮掺杂石墨烯量子点（N-GQDs）。N-GQDs具有优异的光学稳定性和良好的生物相容性。此外,我们实现了一种基于N-GQDs的可切换荧光探针,应用于四环素（Tet）和L-半胱氨酸（L-Cys）的检测。当四环素存在时,观察到强烈的荧光猝灭。随后加入L-半胱氨酸可促进荧光再生。因此,基于N-GQDs纳米传感器的高灵敏性和高选择性,建立了一种简单的检测四环素和L-半胱氨酸的方法。2、针对石墨烯掺杂难于控制和相关光电性能差等问题,提出了通过在催化衬底上预置零维（0D）氮掺杂石墨烯量子点,利用化学气相沉积（CVD）系统获得单层氮掺杂石墨烯薄膜的方法。X射线光电子能谱（XPS）表征表明,氮掺杂浓度高达32%。最后,制备了基于氮掺杂石墨烯（NG）薄膜的红外光电探测器,光电性能得到较大提高。这为石墨烯的掺杂提供了一种可控、便捷的途径,并为其在微电子领域的应用奠定了基础。3、针对改善石墨烯光热性能等问题展开了研究。通过在玻璃衬底上预置零维（0D）氮掺杂石墨烯量子点,使用低压等离子体增强化学气相沉积（LP-PECVD）法生长垂直取向石墨烯纳米壁（VGNs）,制备了一种强吸光材料。研究表明在光照条件下,N-GQDs/VGNs杂化材料表现出快速、可逆的光热转换性能。此外,N-GQDs与VGNs之间的协同作用增强了光吸收,促进了光激载流子的非辐射复合,进一步提高了太阳能光热转换效率,同时也保证了复合材料的结构稳定性。得到的N-GQDs/VGNs具有良好的可逆性和高灵敏度性,可以根据天气条件动态改变温度。

关键词： MAPbCl3   PbS量子点   单晶   复合薄膜   光电探测器  

摘要： 有机-无机杂化钙钛矿因其较长的载流子扩散长度、较高的载流子迁移率、较少的物理缺陷等出色的物理特性,在太阳能电池领域、固体激光器、发光二极管以及高灵敏度光电探测器等领域引起了广泛的关注。MAPbCl材料的禁带宽度约为3.07e V,是作为紫外探测器的热门候选材料材料。目前,对于钙钛矿材料的研究集中在两个方面,一是有机-无机钙钛矿薄膜和纳米线,由于其简易的制备条件而备受关注;二是有机-无机钙钛矿单晶材料,它克服了多晶薄膜晶粒小、晶界缺陷多的缺点,并且在稳定性和光电性能上具有较大优势。近年来,关于以钙钛矿作为基底杂化各种纳米材料的研究也逐渐成为一个热门话题。本文尝试以钙钛矿作为基底,将PbS量子点与MAPBCl钙钛矿材料进行复合,以此为基础制备高性能的紫外光电探测器。具体研究内容如下:首先,通过热注入法制备了PbS量子点,并通过X射线衍射、光致发光光谱、紫外可见吸收光谱及透射电子显微镜来对量子点的晶体结构、光学特性及微观形貌进行了表征。随后探索了MAPbCl单晶的生长方法,并通过将PbS量子点分散到MAPbCl前驱体溶液中将两种材料复合,来探究PbS量子点的引入对钙钛矿基体材料的结构及性能的影响。其次,通过一步旋涂法制备了MAPbCl多晶薄膜,并研究了旋涂转速、退火时间和前驱体溶液对薄膜质量的影响,并进一步将PbS量子点掺入其中,研究不同浓度、不同粒径的量子点对薄膜的影响,研究发现,适当地加入量子点能够改善薄膜的形貌。最后,制备了MSM型单晶光电探测器及薄膜型钙钛矿光电探测器,并对两者的性能进行了测试,对于单晶探测器,通过计算得出其拥有8.5×10 cm左右的较低的缺陷密度,并具有迅速的响应时间。对于薄膜型探测器,在零偏压及200μW/cm的365 nm紫外光下拥有10级的开关比,并对320 nm到415nm波长的光均有响应,最高响应度可达到32 m A/W,最大比探测率达到4×10Jones,拥有优良的探测性能。

关键词： 钙钛矿量子点   室温过饱和法   离心铸造工艺   量子点薄膜   高量子效率  

摘要： 近年来,钙钛矿量子点(QDs)材料因具有较高的光致发光量子效率、窄发射光谱、可调的光学带隙以及较长的载流子迁移率等优异的光电性能而备受关注。相对于有机–无机杂化钙钛矿量子点而言,无机铅卤钙钛矿量子点因具有较高的稳定性而更有研究意义。尽管近几年在无机钙钛矿量子点的研究上取得了一定成果,但是对如何制备高发光效率(PLQY)和高稳定性的无机钙钛矿量子点还需要进一步研究。此外,固态钙钛矿量子点薄膜较低的量子效率和较差的稳定性限制了其实际应用。针对以上问题,本文提出了配体钝化(TOAB)、硅烷包覆(APTES)以及离子掺杂(Na)等解决方案,并且创新改进了离心铸造工艺,制备出高发光效率和高稳定性的量子点薄膜。主要研究内容如下所述:(1)利用室温过饱和法制备了绿色CsPbBr@CsPbBr QDs,通过在前驱液中添加TOAB配体不仅能提高卤化铯卤化铅材料的溶解能力,并形成了高富卤素环境,从而促进了0D CsPbBr QDs的生成。本章节主要研究了不同浓度的TOAB对CsPbBr@CsPbBr QDs的结构特征、发光性能、荧光寿命以及稳定性的影响。在生成的CsPbBr QDs的原位钝化作用下,制备的CsPbBr@CsPbBr QDs不仅具有较高的量子效率(94.7%),还具有较高的稳定性。(2)在基于室温下制备绿色CsPbBr QDs的基础上,我们通过在前驱体溶液中加入APTES和Na Br相结合的方法能有效钝化CsPbBr QDs内部缺陷,并提高了CsPbBrQDs的量子效率和稳定性。此外,在离心铸造法制备薄膜基础上,通过引入APTES封装配体可以更简便的制备量子点薄膜。本章节通过对CsPbBr、CsPbBr@Si O和CsPbBr@Na@Si O三种薄膜的发光效率、荧光寿命、组分、结构特征、形貌和稳定性等一系列测试分析,研究APTES封装和Na掺杂对CsPbBr QDs的影响。制备的CsPbBr@Na@Si O薄膜表现出优异的发光效率(74.7%)和显著增强的稳定性。(3)在基于室温下制备CsPbBr QDs和改进的离心铸造工艺制备成膜基础上,通过阴离子交换反应制备的Cs Pb X@Si OQDs可实现可见光范围内全光谱发光。此外,采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚酯织物作为柔性基底,制备的Cs Pb X@Si OQD固态薄膜具有可弯曲的性能。通过一系列测试分析表明,APTES的支链分子水解形成的空间位阻对改善Cs Pb X QDs薄膜的发光和稳定性至关重要。Cs Pb X@Si OQD薄膜显示出较高的发光效率(94.0%)、较宽的发光范围(425～630 nm)和优异的显色指数(93.4)。

关键词： 硫量子点   金属-有机骨架   疾病标志物   荧光传感  

摘要： 硫量子点(SQDs)是一类新型的量子点,具有优良的光电性能,水稳定性和化学稳定性以及低毒性等优点,已经成功应用于生化传感、生物成像、光学器件以及光催化等领域。目前SQDs在生化传感方面的研究主要集中基于金属离子的检测,或者通过金属离子荧光信号传导,实现对小分子有机化合物的检测;以及基于荧光猝灭—恢复原理,来实现对分析物的检测。这是由于SQDs表面识别有机物和生物大分子的基团较少,限制了其应用范围。此外,受限于其表面缺陷引起的荧光猝灭,SQDs的荧光量子产率偏低。为了提高SQDs的量子产率,拓宽其应用范围,本文提出了新的制备SQDs的方法并且构建了多种基于SQDs的复合材料。将制备的SQDs用于荧光传感,发展了检测Hg

关键词： 霍尔效应   第一性原理   密度泛函理论   面内磁化   居里温度  

摘要： 1879年,埃德温·霍尔（Edwin Herbert Hall）发现霍尔效应,霍尔效应成为凝聚态物理学领域一个非常重要的研究方向。1988年,邓肯·霍尔丹（Frederick Duncan Michael Haldane）首次提出了无自旋单层石墨烯体系中没有外加磁场的量子霍尔效应模型,该效应后来被称为量子反常霍尔效应。一百多年以来,在众多科学家的共同努力下,霍尔效应从早期的经典霍尔效应发展到如今的量子反常霍尔效应,从早期的霍尔电压发展到如今的无损耗边缘导电态,为高速电子器件和高温量子器件的制备奠定了坚实的理论基础。本论文系统地回顾了霍尔效应家族的发展历程,简要地介绍了作者在攻读博士学位期间两项有关低维材料表面电子结构的理论工作,使用第一性原理计算方法研究了二维材料和异质结构复合二维材料体系的量子反常霍尔效应和电子特性。论文的具体内容可以分为以下几个方面:首先,总结了霍尔效应家族中六种霍尔效应的基本概念,发展历程和理论分析。然后,阐述了基于密度泛函理论的第一性原理计算方法的发展历史和理论概念。预测了在新型二维电子化合物卤化钆Gd X（X=F,Cl,Br和I）体系中存在大带隙高温量子反常霍尔效应。二维卤化钆体系是一种具有面内磁化的本征量子反常霍尔效应绝缘体,使用外部弱磁场感应可以实现具有面外磁化的量子反常霍尔效应。在所考虑的四种二维卤化钆体系中,二维碘化钆材料具有最大带隙,其值约为84.3 me V。二维卤化钆体系的理论居里温度高于室温,约为510-650 K。二维电子化合物卤化钆体系为实验研究人员探索可调节大带隙的高温量子反常霍尔效应提供了一种性能优异的候选材料。理论研究了钙钛矿铁酸铋（BiFeO3）和石墨烯组成的超晶格体系界面处的电子结构。基于第一性原理计算结果,发现在[111]取向钙钛矿BiFeO3嵌入单层石墨烯构成的超晶格中,界面处的狄拉克电子能带结构在费米面附近打开带隙。BiFeO3/石墨烯超晶格体系的基态磁构型为面内反铁磁。BiFeO3/石墨烯超晶格自旋轨道耦合带隙的大小不仅取决于Fe原子的面内磁化方向,还取决于石墨烯和Fe原子层间的距离。在实验中,超晶格的层间距可以通过施加外部垂直应力来调节。理论计算结果为设计具有高性能的复合二维材料提供了一条可行途径,这些奇特的物理特性很难在单一材料中实现。最后,讨论了第一性原理计算方法在高温量子反常霍尔效应研究中具备的优势,从理论和实验层面积极展望了高温量子反常霍尔效应的最新发展,介绍了霍尔效应家族的新成员,谷霍尔效应、反常谷霍尔效应和量子谷霍尔效应,进一步阐述了作者下一步的研究目标和研究计划。