关键词： 量子级联激光器   分子束外延   材料性能表征  

摘要： 量子级联激光器具有体积小、波谱宽等优点,在分子监测和红外对抗等领域具有重要的应用,已经成为国内外的研究热点。自1994年第一个量子级联激光器问世以来,量子级联激光器技术得到了快速发展,但是仍有许多问题亟需解决,例如在量子级联激光器材料结构的外延生长过程中,如何对材料的质量、组份等进行精确的控制等。针对这些问题,本论文利用气态源分子束外延系统,开展了～4.6μm量子级联激光器的材料生长研究,并对其材料性能进行测试分析,最终获得高质量的外延结构材料。本论文的主要内容有以下几点:(1)首先对～4.6μm波段的不同类型激光器进行了介绍,并对其优缺点进行了比较,接着对～4.6μm量子级联激光器的应用前景进行了展望,最后对～4.6μm大功率量子级联激光器的国内外研究进展进行了归纳总结。(2)介绍了量子级联激光器的工作原理和常用的材料体系;重点阐述了应变对材料能带结构的影响,之后基于应变补偿理论,优化设计出～4.6μm量子级联激光器的外延结构。(3)分析了分子束外延技术的特点和生长过程,并介绍了本论文中所使用的V90型气态源分子束外延系统,然后对所使用的材料表征技术进行了描述。(4)开展了 InP、InGaAs、InAlAs等基础材料研究工作。分析了不同的生长温度对InP材料晶体质量的影响,讨论了不同的In/Ga束流比(Al/In束流比)对InGaAs(InAlAs)材料中各元素组份的影响。成功制备出高质量的InP、InGaAs、InAlAs基本材料,实现了对InxGa1-xAs和InyAl1-yAs三元合金材料组份的精确控制。此外以Si作为n型掺杂源,探讨了不同Si炉温度下InP、InGaAs材料的掺杂浓度变化,生长出具有不同掺杂浓度的InP、InGaAs材料。(5)在前面工作的基础上,采用气态源分子束外延技术外延生长了～4.6μm量子级联激光器的全结构。借助扫描电子显微镜进行观察,可以看出整个结构各层之间界面平整。使用X’Pert Epitaxy软件对设计的～4.6μm量子级联激光器的全外延结构进行X射线衍射(XRD)仿真拟合,并与实际测试的XRD曲线对比,两者峰位基本一致,表明已经实现了对材料的生长速率、组份等的精确控制。

关键词： 铋基钙钛矿量子点   深蓝光   稳定性   Cs3Bi2Br9  

摘要： 钙钛矿量子点材料因其造价相对较低,可大规模生产等优势成为了新的研究热点,并且当钙钛矿材料被应用于发光器件时,还拥有着寿命长、色域广,以及亮度高等优点。在种类众多的钙钛矿材料中,铋基钙钛矿材料因其可用溶液法制备,环境友好、低毒性和较好的稳定性得到了大量的关注。铅基钙钛矿量子点已经开展广泛研究,可以达到较高的荧光量子产率,但是深蓝光效率仍然很低,而深蓝光铋基钙钛矿量子点有望在深蓝光发光方面具有很好的发展前景。本论文主要研究了CsBiBr钙钛矿量子点,并通过尝试多种掺杂的方法,钝化表面缺陷,来提高其荧光量子产率,进一步研究了其光学性质、形貌和物相。研究了纯相CsBiBr钙钛矿量子点以及Cl钝化量子点的环境稳定性和紫外光稳定性,并最终将其应用在电致发光器件(QLED)中。具体的研究工作可以分成下面几个部分:(1)CsBiBr量子点的合成与光学性能表征。首先采用乙醇作为配体辅助再沉淀法中的反溶剂,二甲基亚砜作为良溶剂,油酸和辛胺作为配体。在实验中分别改变了反应温度、反应时间以及配体的浓度等条件,通过荧光光谱和吸收光谱分析不同条件对量子点光学性能的影响,得到了最佳实验参数,最终得到了波长为397nm,荧光量子产率为21.59%的CsBiBr量子点材料。并在此基础上研究了A位阳离子混合对CsBiBr量子点发光性能的影响。(2)CsBiBr量子点光学性能的提升及其稳定性探究。铋基类钙钛矿量子点材料的带隙相对较宽,而宽带隙半导体的缺陷状态要比窄带隙更深,量子点表面空悬的悬挂键产生的缺陷是它主要的复合中心,因此要想提高其量子产率,可以从减少表面缺陷入手。我们在CsBiBr量子点材料最佳合成条件的基础上,通过调节前体溶液中Cs Cl和Cs Br的比例,成功合成了Cl离子掺杂的CsBiBr量子点。通过表征测试,发现Cl离子能对CsBiBr量子点材料实现有效钝化,经过改性后的量子点的发射波长为397 nm,荧光量子产率为43.83%,这比未优化前获得了将近一倍的提升。我们接着分别测试了纯相CsBiBr量子点和Cl钝化CsBiBr量子点的环境稳定性和紫外光下的光稳定性,发现经Cl钝化处理后的量子点稳定性也有明显的提升。(3)在合成了改性CsBiBr量子点材料的基础上,进一步地探究了将其用于电致发光器件(QLED)。制备了器件结构为ITO/PEDOT:PSS/PVK/CsBiBrQDs/TPBi/Li F/Al的量子点电致发光器件,并对器件性能进行了表征。其启亮电压为4.2 V,且在电压为9.2 V时达到了最大的亮度,为132.6 cd/m,此时发光峰位于深蓝光406 nm。图52幅,表1个,参考文献78篇。

关键词： Quantum dots   Spectroscopy   Coherence  

摘要： Electronic coherence has a significant impact on the properties of semiconductor materials, with applications ranging from photovoltaic devices to quantum computing. In this context, the word coherence is related to electronic states wavefunctions, and it describes the degree of synchronization between electronic states wavefunctions. Upon photoexcitation, the coherence time reflects the timescale during which the ground and excited electronic states evolve with a fixed phase relationship. The goal of this thesis is to study the microscopic characteristics and ultrafast timescale of the coherent excited state dynamics in different type of semiconductor materials ranging from organic macromolecules to inorganic quantum dots to reveal the role of coherence in their electronic performance. However, probing the exciton state coherent dynamics of these materials is not a straightforward task owing to the ultrafast decay and short exciton transport length. In this dissertation work, sophisticated spectroscopy techniques were used to investigate these phenomena. Time-resolved near-field scanning optical microscopy (NSOM) has been implemented to investigate coherence in the solid phase, while three pulse photon echo spectroscopy method has been utilized to probe coherences in solution. In this thesis, particular attention will be given to the time-resolved NSOM which combines three different optical features: a near-field optical excitation, a two-photon induced emission detection, and a pulse pair phase-locked time-resolved capability. In this work, organic macromolecules for photovoltaic applications have been investigated in solution phase and in the solid phase. Interestingly, a more efficient coherent charge transport dynamics have been found for oligothiophene dendritic macromolecules in the solid phase compared to the analogous dendrimer macromolecules in solution phase. In this study, high-resolution photo-echo spectroscopy and interferometric NSOM techniques have b

关键词： GeSn合金   GeSn量子点   激光器   纳米晶   应力   Sn扩散  

摘要： 近年来,将同为Ⅳ族元素的Sn原子掺入Ge中形成直接带GeSn合金的方法受到研究人员的瞩目。研究发现,GeSn合金的Sn组分约为6-10%时可实现向直接带隙特性的转变,很有潜力应用于片上集成Si基高效发光光源。本文首先从理论上研究了 GeSn体材料和量子点的光增益特性,并设计了激光器;接着从实验上研究GeSn的晶化规律,并以此为基础制备出了高Sn组分的GeSn纳米晶以及GeSn量子点材料,并且在室温下观察到GeSn量子点较强的光致发光。主要研究内容和创新点如下:1.利用有效质量近似理论系统地研究了 Sn组分为0-16%的GeSn合金的光增益特性,并设计了 SiGeSn/GeSn/SiGeSn双异质结激光器,评估了其阈值水平。提出了一种随Sn组分改变掺杂类型和浓度的掺杂优化方法,使GeSn获得光增益的最低阈值注入载流子浓度从5.54×1018 cm-3降至1.10×1018 cm-3,下降幅度达80%。以掺杂优化后的最优组p-Ge0.84Sn0.16作为有源区材料设计的n-Si0.157Ge0.643Sn0.200/p-Ge0.84Sn0.16/p-Si0.157Ge0.643Sn0.200 双异质结激光器的理论阈值注入电流密度为1.225kA/cm2,相比优化前的1.979kA/cm2,下降幅度达38%以上。2.系统地研究了 Sn组分为10-26%的GeSn量子点的光增益特性,并设计了具有超低阈值的GeSn量子点激光器。由于量子限制效应,GeSn量子点的阈值注入载流子浓度最低可至4.82×1017 cm-3,对应的最佳Sn组分和量子点尺寸分别为18%和30 nm。由于能带直接带特性的退化,GeSn量子点的阈值注入载流子浓度随其尺寸减小到某一值时会发生反弹。GeSn量子点的增益谱由多个分立的窄峰组成,并且其峰值增益峰位在很大的注入范围内保持稳定。设计得到的GeSn量子点的最低阈值注入电流密度为6.77 A/cm2,比GeSn体材料同结构尺寸下的SiGeSn/GeSn/SiGeSn双异质结激光器的最低阈值低了3个数量级。3.从实验上揭示了非晶GeSn薄膜的结晶特性与其Sn组分、退火温度、退火时间以及Sn扩散的关系。发现在一定的退火温度下,非晶GeSn薄膜中的Sn会随机地自富集,并形成Sn组分比初始非晶Sn组分还高的结晶GeSn晶粒;而当非晶薄膜中Sn分布不均匀时,在退火过程中,Sn首先从高Sn含量的区域向低含量区域扩散,形成Sn组分均匀的GeSn薄膜。在这一过程中,Sn的扩散并未诱导周围非晶晶化,而是在形成均匀的薄膜后再产生随机的多点富集,诱导形成高Sn组分的GeSn晶粒。4.利用应力辅助Sn诱导结晶的方法在300℃的温度下制备了镶嵌于低Sn组分的GeSn纳米晶材料。利用Al2O3界面层在退火过程中对GeSn施加应力,使制备得到的GeSn纳米晶Sn组分最高可达27%,尺寸为5-15 nm。GeSn纳米晶的高Sn组分归因于应力辅助下GeSn结晶温度的降低以及Sn扩散提供额外的Sn原子。这一自发形成的高Sn组分GeSn纳米晶镶嵌于低Sn组分的非晶GeSn中提供了一种Ⅰ型能带结构,有利于载流子的限制。5.利用溅射和ICP刻蚀工艺,制备出了多层GeSn/SiO2纳米柱材料,进一步利用快速热退火在GeSn层中制备形成GeSn量子点,并在室温下观测到较强的光致发光。发光峰受到纳米柱形成的平面二维光子晶体的作用使峰宽明显变窄,并且强度增强。并且,通过在衬底上增加3周期的SiO2/Si DBR,垂直出射光的光强进一步增强。本章中提出的GeSn量子点制备以及结合光子晶体提高特定方向发光效率的方法有望用于制备Si基高效发光光源。

关键词： 量子点   复合光催化剂   光催化   水分解   产氢  

摘要： 人类对化石燃料的大量使用、对能源日益增长的需求,以及由此产生的环境污染给我们的生活带来了严重的问题,光催化水解产氢是缓解和解决这一问题的有效途径。本文以Ⅱ-Ⅵ族量子点对不同半导体材料进行修饰改性,得到一系列复合光催化剂,并对其光催化水解产氢性能进行研究。考察了复合催化剂的结构、组成和光电化学性质等,探讨了光催化性能提高的内在机理。研究内容主要包括:(1)首先合成六棱柱形貌的In-MIL-68,并于500℃下将其煅烧为中空InO纳米棒。然后以巯基丙酸为稳定剂,合成水相CdMoSe量子点并修饰在InO表面,形成中空结构的CdMoSe/InO纳米管,研究其光催化水解产氢性能。与InO和CdMoSe相比,CdMoSe/InO具有更强的光吸收能力,更高的光电流响应密度和更快的电子-空穴分离效率。当CdMoSe的浓度为0.01M时,所得的CdMoSe/InO-2具有最优的光催化活性,其6小时内的产氢速率为78468.82μmol·g,分别是InO和CdMoSe的14.5和3.9倍,同时该材料具有较高的循环稳定性。(2)通过溶剂热法制备了CuInS微米花,并在其表面修饰了CdSe量子点制得具有p-n异质结结构的CdSe/CuInS复合光催化剂,并对其光催化水解产氢性能进行探讨。通过调节量子点的浓度,发现制备的CdSe/CuInS-3具有较高的光催化产氢活性(10610.37μmol·g·h),在420 nm处的AQE值达到48.97%。p-n异质结的构建提高了光催化制氢活性,增强了光吸收能力,促进了电子转移,减少了光诱导电子和空穴的再结合。稳定性高、循环性好的CdSe/CuInS微米花有利于光催化制氢的应用。(3)通过元素掺杂和异质结的构建合成了一种高效的ZnSe/CuZnS复合光催化剂。由于Cu元素掺杂和异质结内部电场的协同作用,扩大了ZnSe/CuZnS的光吸收利用范围,促进了电子的传输,有利于促进光生电子和空穴的分离和转移。同时,光生电子的定向迁移有效抑制了它们与空穴的复合,进而提高了ZnSe/CuZnS的光催化水解产氢能力。当ZnSe浓度为0.01 M时,制备的ZnSe/CuZnS-2具有最佳光催化水解产氢效率(11.4492 mmol/g,AQE=66.89%),且具有良好的循环稳定性。

关键词： 褐煤   碳量子点   炭片   杂原子掺杂   钠离子电池  

摘要： 以储量丰富、价格低廉的褐煤为原料,采用简单的化学氧化法高效剥离出褐煤基碳量子点（CQDs）,借助其小尺寸效应、表面缺陷和易于功能化等特征进行电极材料设计,构筑出系列钠离子电池负极材料。以水溶性碳量子点为结构单元构筑二维炭片（CSs）,经后续炭化改性制备改性炭片（CSs-T）。通过对比不同干燥方法阐明了碳点组装炭片的形成机理,考察了不炭化温度对改性炭片的影响及其储钠性能。结果表明,借助冷冻干燥过程中冰模板的作用可实现从零维碳量子点到二维炭片的组装,在后续炭化改性中,随着炭化温度升高,炭片尺寸逐渐增大,厚度逐渐变小,氧含量逐渐从9.96%（CSs-600）下降至7.63%（CSs-900）。改性炭片作为负极材料用于钠离子电池时,均表现出优异的循环稳定性。其中,CSs-700在1 A g-1电流密度下经1000个循环后,能够保持131.9 m Ah g-1的比容量,容量保持率为102%。以煤基碳量子点为前驱体,硫酸镁为硫源,一步炭化制备了硫掺杂炭球（SCS）,考察不同炭化温度和硫酸镁添加量对所制备硫掺杂炭球的影响及其储钠性能。结果表明,硫酸镁与碳量子点中的C-C键反应形成C-S-C键,具有储钠反应活性。当炭化温度为700℃,硫酸镁与碳点质量比为1时,SCS-1具有较高的硫元素含量（7.68%）和较为适宜的内部结构,展现出较高的首次库伦效率（68.8%）,良好的倍率性能和极强的循环稳定性。在50 m A g-1的电流密度下,SCS-1表现出395 m A h g-1的高可逆容量。在5 A g-1时仍能保持224 m Ah g-1的容量,保持率达到56.7%。在1 A g-1电流密度下进行1000圈循环测试后容量保持率为97.4%。以煤基碳量子点为前驱体,以柠檬酸镁为结构诱导剂,硫酸镁为硫源,一步炭化法制备了三维多孔硫掺杂炭,考察不同炭化温度对所制备三维多孔硫掺杂炭的影响及其储钠性能。结果表明,相较于单一硫酸镁作为硫源制备的硫掺杂炭球,柠檬酸镁的引入诱导了材料的孔隙结构发育,降低了硫酸镁的分解温度,在更低温度下（600℃）实现了更高的硫元素掺杂量（7.98%）。所制备的多孔硫掺杂炭材料具有丰富的孔道结构和高反应性硫活性位点。其中,SPC-600具有优异的倍率性能,在0.05和5 A g-1下的可逆容量高达478和259 m Ah g-1。在1 A g-1下进行1000圈循环测试后,可保留334 m Ah g-1的比容量,循环过程中容量几乎没有衰减。图40幅,表22个,参考文献102篇。

关键词： 量子点荧光材料   彩色光纤灯   非球面镜   光束整形   磨砂玻璃  

摘要： 随着半导体激光和光纤技术的迅速发展，以半导体激光为核心的光纤导光照明开始走向大众视线。这种照明系统的核心是安全，将光源和发光端置于两个不同区域，中间以光纤传输，避免了传统电路传输可能引起的电火花，造成火灾发生。发光端通常采用蓝光LED照射YAG黄色荧光粉产生的黄光与蓝光互补混色得到白光，但这种方式存在荧光粉涂敷公差、视觉效果凌乱等问题。因此，采用钙钛矿红绿量子点的荧光效应来代替传统的荧光粉，实现光纤导光的量子点混光，保证安全的同时，也解决发光端使用荧光粉照明的缺陷。　　本文介绍了激光照明技术的背景和国内外发展现状，阐述了激光光源的优势。激光光源具有可视距离远、电光转换效率高、节能环保、无“效率骤降”等优点，可以实现高亮度和大功率照明。对于发光端激光功率过高导致量子点淬灭问题，采用非成像光学方法设计扩散透镜，降低激光功率密度。最终设计出激光激发量子点的光纤导光系统，实现了基于量子点的RGB混光。　　针对激光导光系统，采用柱面镜进行光束整形，通过非球面镜将激光光束耦合到长度为100m的纤芯为105μm光纤中，耦合效率在82%以上。再将设计的扩散透镜放在出光端中，用UV胶涂在钙钛矿量子点CsPbBr3、CsPbI3玻璃和出光头表面，使用紫外灯照射UV胶，制作出光头，接着将出光头放在积分球中测试两种钙钛矿量子点玻璃的光学性质。另外，本文将红绿量子点出光头和带有磨砂玻璃出射蓝光的出光头封装在一起，测试RGB混光效果，并与RGB激光器的纤内混光系统对比。结果表明，量子点的混光系统在1931CIE色品图上色域覆盖范围接近RGB激光器的纤内混光系统。

关键词： Acoustic metamaterial   Heavy fermion   Kondo insulator   Topological insulator   Twistronics  

摘要： When electrons in solids interact strongly with one another, they often produce unexpected, emergent phases, like high-temperature superconductivity or fractional quantum Hall states. In this thesis, I approach this strongly interacting regime from two directions: by searching for materials with naturally occurring strong interactions, and by developing new strategies to enhance existing interactions. In the first approach, I focus on lanthanide or actinide metals that host 4f or 5f magnetic moments, such as SmB6 or URu2Si2. At temperatures of around a few Kelvin, the conduction electrons in these materials coherently screen the magnetic moments, becoming entangled with them. This strong interaction has dramatic consequences. The once-mobile electrons in URu2Si2 suddenly struggle to move, appearing as though they have an effective mass nearly a hundred times higher than a free electron does! Whereas in SmB6, this interaction drives a topological phase transition that yields heavy Dirac states at the material's surface. At milliKelvin temperatures, the interactions between these Dirac states may promote even stranger behavior, like a spontaneously generated quantum anomalous Hall effect, fractionalization, or a phase with non-Abelian quantum statistics. In chapters 1–4 of this thesis, I present the first images of heavy Dirac fermions ever taken, and I describe how atomic-scale defects influence their fate. In the second approach, I search for ways to decrease an electron’s kinetic energy so that its interactions with other electrons play a more prominent role in determining its behavior. One way to slow electrons down is to trap them in certain spatial regions, either by creating a moiré pattern or by using their own destructive wave interference to prevent them from moving away. As it turns out, these methods are just as effective at slowing sound waves as they are at slowing electron waves. A carefully constructed acoustic metamaterial can reshape the flow of soun

关键词： 集成量子光学   二维材料   二次谐波   自发参量下转换   单光子源  

摘要： 随着量子信息领域研究的不断深入,基于量子物理的高效量子计算,安全量子通信以及突破经典极限的量子精密测量都在迅速地发展和完善。研究进程的推进带动量子系统的规模不断扩大。对于光学的量子系统,由于传统光学元件的尺寸比较大,因此使用传统光学器件搭建的光路,在空间利用率上比较低。除此之外,在空间中搭建的光学系统容易受到环境温度、机械振动的影响,系统稳定性的维护成本会随着整个系统规模的扩大而指数上升。为了实现规模化的光量子系统,将光学器件小型化、集成化是必然的发展趋势。基于光学芯片的量子集成系统,可以在小尺寸的芯片上集成大量的光学元件,也可以将光场约束在微米甚至纳米尺度的空间之内,来增益光与物质的相互作用,这些是传统光学器件很难做到的。光学系统的小型化,意味着系统内所有器件的小型化。不同于传统光学系统,集成化的光学系统需要各种器件有良好的耦合特性,能够尽可能广泛地耦合跨平台的集成系统。二维材料同时满足了小型化和耦合特性良好这两个条件。二维材料的层内晶体结构稳定,而原子层间的相互作用力相比与层内相互作用力弱很多。基于这种特性,单层二维材料可以在保持原子尺度厚度的同时也保持物理性质的稳定,使得二维材料可以稳定且灵活地与各种微纳尺度光学器件直接耦合。二维材料可以广泛应用在集成光量子芯片的各个重要组成部分之中,比如光源、相位调制器、光开关以及光学探测器。本论文主要研究二维材料应用于集成量子光源领域的相关科学与技术问题。具体研究内容与结论如下:1.六方氮化硼中的缺陷单光子源的制备单光子源是一种重要的量子光源,可以用于量子通信,量子模拟,量子计算等诸多领域。在第3章中,我们给出六方氮化硼中的缺陷单光子源的制备方法。在实验结果展示出较高亮度的六方氮化硼缺陷单光子源信号以及单光子源的光谱。2.间隙等离激元对二维材料的光致荧光增益获得二维材料单光子源后,我们进一步研究了间隙等离激元对二维材料的光致荧光强度的增益,作为增益二维材料单光子源亮度的参考。在第4章中,我们研究了插入金纳米颗粒-氧化铝-金膜结构间隙的单层二硫化钼通过间隙等离激元来增益光致荧光强度的现象。3.基于二维材料的自发参量下转换双光子对第5章中,我们研究了一种新型的二维材料-二氯氧化铌(NbOCl2),其具有弱层间电子耦合与可扩展的二次谐波产生特性。得益于NbOCl2很强的二阶非线性响应,我们能够观测到材料上发生的自发参量下转换过程以及在低至约46 nm厚度的深亚波长样品中产生时间相关的参量光子对。4.二氧化硅微球腔增益单层二维材料的二阶非线性转换率为了提高二维材料参量光子对的亮度,在第6章我们利用二氧化硅微球腔增益二维材料的二阶非线性转换率。我们从理论上研究了二氧化硅微球腔增强单层硫化钨的二次谐波转换率。通过调整材料的位置、尺寸和晶体取向,可以使得泵浦模式和二次谐波腔模式之间灵活地发生二阶非线性耦合。当泵浦功率为1 mW时,我们可以获得3.35%的最佳二次谐波转换效率,远高于非耦合条件下的转换效率。研究成果中的主要创新点:(1)通过在纳米尺度上精细控制金膜-金纳米颗粒结构间隙宽度来激发间隙等离激元,显著增益二维材料的光致荧光信号强度,增强倍数约为350倍。(2)基于自发参量下转换过程,首次利用二维层叠材料产生了关联光子对且材料厚度低至46 nm。(3)理论研究了二氧化硅微球腔对单层二硫化钨的二次谐波转换效率的增益,证明此方法可提高二阶非线性转换效率,为微球腔增强二维材料自发参量下转换效率提供了理论支持。