关键词： 超级电容器   复合材料   氧化钌量子点/还原氧化石墨烯  

摘要： 超级电容器是下一代储能系统最有前途的候选装置之一,近年来已经受到广泛关注。然而如何提高电极材料的比容量、倍率性能和循环稳定性的问题目前依然是超级电容器所要面对的挑战。超级电容器的电极材料的氧化钌（Ru O2）电极材料尽管有高的理论比电容,但是纳米颗粒状的Ru O2容易发生团聚现象,与电解液发生反应的活性位点减少,比电容降低,这与理论比电容之间有很大差距。另外碳材料中的石墨烯,拥有大的理论比表面积和好的导电性,可作为载体与其他材料进行复合。因此,将氧化钌纳米颗粒与石墨烯进行复合,充分发挥二者协同作用,可以拥有比单一的材料更好的电化学性能。近年来已有文献记载关于制备氧化钌/石墨烯复合材料的实验方法,大致分为两类:溶胶凝胶法和水热法。这两种方法制备的复合材料氧化钌的颗粒大小不均一,氧化钌颗粒在石墨烯的表面依然发生团聚导致活性位点减少降低比电容量,且制备的时间较长。因此如何有效控制分散在石墨烯表面氧化钌颗粒尺寸,使其具有更加优异的电化学性能十分重要。另外制备过程缩短氧化钌/石墨烯复合材料合成时间,提高合成效率,也具有重大的现实意义。因此本文从氯化钌与氧化石墨烯（GO）溶液出发,采用微波水热的方法,设计合成氧化钌量子点与还原氧化石墨烯的复合材料。具体研究内容和结果如下:（1）用高效的微波水热法制备还原氧化石墨烯（r GO）、氧化钌（Ru O2）、氧化钌量子点/还原氧化石墨烯（Ru O2QDs/r GO）复合材料（进行复合材料制备,此时前驱体溶液中氯化钌与GO质量掺混比为1:4）。首先,通过X射线衍射（XRD）和拉曼光谱（Raman）以及恒流充放电测试和循环性能测试对合成的r GO结构和电化学性能进行研究。结果表明微波水热法得到的r GO比电容在1 A/g时比电容为109 F/g,10 A/g时比电容为85 F/g,倍率性能为77%。分析倍率性能下降的原因是由于制备r GO的过程中,使用的是具有亲水性GO溶液,因此还原得到的还原氧化石墨烯更容易发生堆叠,在大的电流密度下作为电极材料的比电容量会降低。此外在1 A/g电流密度下循环10000次后比电容的保持率下降了21%,循环稳定性较差。对Ru O2通过透射电子显微镜（TEM）和比表面积（BET）测试,看到了氧化钌颗粒发生团聚,测得比表面积为149 m2/g。最后通过Raman、TEM测试对Ru O2QDs/r GO的结构进行表征,和微波水热法制备的Ru O2相比,复合材料的氧化钌颗粒都均匀地分散在石墨烯片层,颗粒无明显团聚现象,颗粒进行统计测量其尺寸都小于10 nm,属于氧化钌量子点（Ru O2QDs）。通过BET测试,得到复合材料的比表面积为365 m2/g,和纯氧化钌的比表面积（149 m2/g）相比,Ru O2QDs/r GO复合材料具有更高的比表面积。因此Ru O2QDs/r GO复合材料作为超级电容器电极材料具有重要的应用前景。（2）改变添加氯化钌的含量,系统考察氯化钌的添加量对Ru O2QDs/r GO中氧化钌颗粒的形貌以及电化学性能影响。同时逐渐增大氯化钌的添加量,寻找电化学性能最优异时氯化钌与GO的最佳质量掺混比。将不同的比例前驱体溶液中氯化钌与GO质量掺混比为1:2,1:1和2:1分别命名为RG-1,RG-2和RG-3。测试结果显示,随着氯化钌含量增加,氧化钌颗粒的尺寸逐渐增大。当质量掺混比为2:1时,颗粒开始发生团聚现象,颗粒大小不均匀地分散在石墨烯片层。质量掺混比为1:1时,颗粒平均尺寸为1.8 nm,此时颗粒在石墨烯表面没有发生团聚。扫速为10 m V/s时氯化钌的含量与GO质量掺混比为1:1制备的RG-2的CV面积最大,表明了RG-2的比电容量最高。RG-2在电流密度为1 A/g下比电容为1120 F/g,10000次循环后依然有89%的初始电容被保留。综上所述,使用微波水热法,前驱体溶液中氯化钌与GO质量掺混比最佳比例为1:1时,可制备出优异电化学性能的Ru O2QDs/rGO电极材料。

关键词： 第一性原理   量子自旋霍尔效应   谷电子学   谷霍尔效应   铁磁性   磁各向异性  

摘要： 近年来,由于微型电子器件的开发与应用愈发迫切,激发了人们寻找具备奇异量子性质的二维材料的热情;研究晶体中用于编码、处理和存储信息的载流子的自由度是不断发展的现代信息技术的基础和热点之一。借助密度泛函理论,本文设计并研究了一系列二维六角晶格材料,从对二维材料中自旋自由度、能谷自由度的研究,深入至磁性研究。通过对其几何结构与电子性质的分析,发现这些材料分别能够表现出稳健的非平庸拓扑态和能谷极化以及可调控的本征铁磁性。这些非凡的量子性质的研究与开发为高效可控的纳米自旋电子器件的应用与研究提供了新思路。首先,在自旋电子器件中,实现电子的无耗散传输十分必要,这里具有强自旋轨道耦合效应的大带隙二维拓扑材料是理想的。因此基于第一性原理,我们提出了具有量子自旋霍尔效应(QSH)的二维六角晶格XBY(X=Sn/Pb,Y=N/As/Pb)材料。我们通过杨氏模量和泊松比的分析与声子谱的计算评估了结构良好的稳定性,在此基础上计算并观察到结构的能带在费米面的高对称点Γ点处存在一个接近零带隙的狄拉克锥,具有较高的费米速度,在考虑自旋轨道耦合的情况下,SnBN在Γ点处的锥打开了34 me V的带隙,而PbBP/As打开了超过200 me V较大的带隙,同时发现轨道成分发生反转;接下来的边缘局域态密度验证了XBY(X=Sn/Pb,Y=N/As/Pb)结构均产生了拓扑相变,通过计算拓扑不变量Z=1检验了其拓扑性质。经验证,结构的拓扑性对外部应变表现出一定的鲁棒性。此外,我们发现结构的拓扑性在以半导体BN为衬底的异质结上也依旧稳定存在。最后,基于结构能带特性与非平庸的拓扑性,我们以SnBN为例计算了其各向异性的输运性质并在I-V曲线上观察到有趣的负微分电阻效应。以上结果为新型低功耗自旋电子器件的研究提供了一种新思路。其次,除了上述自旋自由度的研究,能谷自由度作为赝自旋也被定义为一种自由度,具有这种自由度的谷材料因丰富的谷对比物理特性,具备很高的研究价值。为此我们提出了一种稳定的新型二维大带隙半导体谷电子学材料HfTe X(X=I/Br),经第一性原理系统的计算发现,HfTe IBr薄膜中内在的反转对称性破缺和强自旋轨道耦合导致在K和K’点的不等价谷中出现了显著的自旋-谷耦合效应,这不仅导致了谷对比的传输特性,而且还导致了自旋-谷耦合的光学选择规则。此外,应变可调的谷电子学具有广阔的应用前景。我们发现在HfTe IBr材料中,保护C晶格对称性的面内双轴应变能够调节带隙和自旋分裂以及Berry曲率,这将大大提高载流子的横向速度以减少激发的载流子复核,从而提高谷霍尔器件的效率。最后我们预测,可以通过掺入磁性元素或是构建异质结来实现更加优异的谷极化特性,所以作为通过可由应变控制的具有谷—自旋霍尔效应和谷的旋光选择性的候选物材料,本研究对象有望在实验中成为谷电子学在信息编码和处理方面的潜在应用。最后,由于磁性材料在信息的储存、传输等方面起到重要作用,特别是磁性与电子特性可以加以灵活调整的二维高温铁磁性材料,成为当下设计新型自旋电子器件的理想研究对象。但多数二维材料都不具备磁性加之理想的铁磁性薄膜材料十分有限,所以寻找二维本征磁性材料成为自旋电子学领域的目标。为此,基于上述二维六角晶格HfTe X(X=I/Br),我们提出稳定的IrTe I单层具有本征铁磁性。首先,无虚频的声子谱与形成能计算检验了结构优异的稳定性,计算杨氏模量和泊松比来评估了结构优异的力学性能,通过薄膜的剥离能来预测IrTe I单层制备的合理性。计算表明基态的IrTe I单层表现出固有铁磁性和强的面外磁各向异性。全空间的磁各向异性能计算证明结构具有垂直于磁各向同性平面的面外易磁化轴,对应的磁各向异性能高达0.512 me V/Ir,因此它的居里温度预计高达273 K,表明室温下应用的可行性。更重要的是,载流子掺杂可以进行平面内到平面外的易磁轴切换,实现了这种二维系统中可以有效控制自旋注入/探测。此外,采用双轴应变可以实现铁磁和反铁磁状态的转换。这些发现不仅扩大了二维磁性材料的范围,而且为未来多功能自旋电子器件的应用提供了一个理想的平台。

关键词： 量子自旋液体   狄拉克半金属   超快光谱   准粒子动力学   结构相变  

摘要： 飞秒激光超快光谱是研究材料微观自由度（如自旋,电子,晶格相互作用等）动力学过程的重要实验手段,其在狄拉克半金属、量子自旋液体和新型超导体等材料的动力学过程研究中也扮演着重要角色。本文以飞秒激光泵浦-探测技术作为主要研究手段,研究了狄拉克半金属PdTe2、PtSe2和量子自旋液体候选材料α-RuCl3的准粒子动力学,主要研究结果如下:1、基于超快光谱技术,研究了狄拉克半金属PdTe2单晶随温度变化的超快准粒子动力学过程。定量分析表明,电子-声子热化导致亚皮秒时间尺度的快速弛豫过程（τ_f）;以及由声子辅助的电子-空穴复合过程,此过程的弛豫时间相对较慢（τs）,约为7-9.5 ps。随后,结合变温泵浦-探测和变温拉曼光谱实验,分析了PdTe2典型声子模式,Te原子的面内（Eg）和面外(A1g)振动,对电子弛豫过程的影响。结果表明,纯失相在弛豫过程中起着重要的作用。对电子-声子耦合常数的进一步分析表明,A1g模式对超导电性有很大的贡献,高频声子也参与了库珀对的形成。我们的实验结果将有助于促进对PdTe2复杂超导电性的理解。2、基于变温泵浦-探测技术,开展了二维PtSe2薄膜超快载流子动力弛豫过程。二维PtSe2薄膜的瞬态反射率曲线存在温度、薄膜厚度依赖性。结果表明厚度为12层的PtSe2-12薄膜弛豫时间随着温度的升高而增大,而厚度为24层的PtSe2-24薄膜弛豫时间随着温度的变化几乎不变。根据RT公式拟合振幅随温度变化的曲线,得到厚度为PtSe2-12薄膜样品在温度130 K以下有能隙打开,能隙大小为44me V。PtSe2-24薄膜样品在温度130 K以下也有能隙打开,能隙大小为7 me V。该结果为理解二维PtSe2材料层数依赖的带隙特征和类金属特性提供了证据。3、基于变温泵浦-探测和变温拉曼光谱技术,研究了量子自旋液体候选材料α-RuCl3单晶结构相变与其受激电子弛豫过程的内在联系。结果表明,在高温下（130 K-250 K）α-RuCl3单晶受激载流子超快动力学弛豫过程由热激发导致的快过程和与面内结构相关的中间过程组成。在168 K和60 K附近,中间过程对应的弛豫时间发生了两次明显跳变,前者可归因于晶体结构从ABC堆叠向ABAB堆叠转变,后者则是由于晶体结构彻底转变为ABAB堆叠的单斜晶系而引起;在120 K及以下,α-RuCl3由常规顺磁态转变为Kitaev顺磁态,表现为增加了一个与Z2规范场相关的弛豫过程（慢过程）。此外,在奈尔温度（8 K）附近,磁相变导致三个弛豫过程的振幅和弛豫时间都发生了突变。超快光谱实验结果为研究α-RuCl3的磁相变和结构相变提供了有力的证据,有助于进一步证明α-RuCl3是Kitaev量子自旋液体材料。图56副,参考文献201篇

关键词： 量子反常霍尔效应   第一性原理计算   瓦尼尔函数   卤化物钙钛矿   过渡金属氧化物  

摘要： 随着量子霍尔效应的发现,与拓扑相相关的研究逐渐成为凝聚态物理中最有活力的领域。作为一种具有代表性的拓扑相,在零磁场下即拥有量子化霍尔电导的量子反常霍尔效应于1988年首次在理论上由物理学家邓肯·霍尔丹(Duncan Haldane)提出。但较为苛刻的实现条件使其一直停留在理论研究层面。随着新型拓扑材料的发现,量子反常霍尔效应最终在实验中被观测到。至今,量子反常霍尔效应已经在:(ⅰ)磁性掺杂拓扑绝缘体;(ⅱ)本征磁性拓扑绝缘体;(ⅲ)摩尔超晶格异质结三种系统中被观测到。由于量子反常霍尔效应具有鲁棒性极强的无耗散手性边界态,其实现对于构建下一代低功耗电子器件具有重要意义。此外,在量子反常霍尔效应的基础上还可以实现手性拓扑超导和拓扑磁电效应等重要的物理效应。因此,对量子反常霍尔效应的研究是很重要的。虽然量子反常霍尔效应的研究已经取得一系列重要突破,但是其实验观测温度一直停留在几十开尔文的量级,离实际应用还有不小差距。目前已实现量子反常霍尔效应的体系已不具备进一步提升观测温度的潜力。因此,需要更深入的理解相关内在机制和探索新的材料系统才可能使量子反常霍尔效应向实用化迈进。除了提升观测温度,实现高陈数的量子反常霍尔效应也是一个重要课题。因为高陈数意味着系统能够提供更多无耗散的手性边界态,这对提高量子反常霍尔器件的性能起到关键作用。直到现在,大部分已实现的量子反常霍尔效应的陈数都仅为1。本论文的主要工作就围绕这两个主题展开。在第一部分的工作中,我们利用第一性原理计算的方法设计了一个二维卤化物钙钛矿材料家族A3B2C9(A=Rb,Cs;B=Pd,Pt;C=Cl,Br)。通过对电子结构和磁性分析发现,它们都属于XY型铁磁半金属(half metal),在第一布里渊区K点处有一个自旋极化的狄拉克点。当面内磁化破坏了所有镜面反射对称性时,自旋轨道耦合作用在Rb3Pt2Cl9、Cs3Pd2Cl9和Cs3Pt2Cl9中能打开具有量子反常霍尔效应的能隙。这三种材料中拓扑非平庸的能隙分别达到93 meV、69 meV和103 meV。如果系统的磁化方向被调控到z方向,它们拓扑非平庸的能隙将进一步增加到100 meV、99 meV和137 meV。此外,它们的Berezinskii-Kosterlitz-Thouless临界温度都达到了 248 K以上。因此,有希望在该类型材料中实现观测温度接近室温的量子反常霍尔效应。在第二部分的工作中,我们利用第一性原理计算的方法设计了两种单层过渡金属氧化物NiAsO3和PdSbO3。这两种材料同样属于XY型铁磁半金属。此外,沿着第一布里渊区内Γ-M高对称线,在费米能级上出现了一个自旋极化的狄拉克点。由于系统具有三重旋转对称性(C3)和空间反演对称性,一共会出现六个狄拉克点。我们发现在考虑自旋轨道耦合作用后,通过改变它们的磁化方向可以实现陈数可调的量子反常霍尔效应。当磁化处于x-y面内且破坏了所有镜面反射对称性时,系统处在C=±1的低陈数相中;而当磁化偏离x-y平面一定角度后,系统将从低陈数相进入C=±3的高陈数相区。我们进一步使用基于瓦尼尔(Wannier)轨道构建的紧束缚模型理解了整个相变的过程,并且建立了磁化导致的拓扑相变的相图。这一部分的工作为在实际应用中实现陈数可调的量子反常霍尔效应提供了一个理想的平台。

关键词： Condensed matter physics   Electromagnetics   Materials science   Quantum physics  

摘要： In the first chapter, single crystal growth techniques, ferroic orders, and magnetoelectricity are introduced. In the second chapter, the phenomenological theory of ferroelectric transition is introduced. Unconventional ferroelectrics examples Sr 3 Sn 2 O 7, a hybrid improper ferroelectrics with high tunability, and HfO 2: Y bulk crystals showing metastable ferroelectric phase are demonstrated to show how their single-crystalline materials help to improve the ferroelectric performance and understand the physics. The third chapter shows the multiple ferroic orders, novel magnetic ground state, and toroidal magnetoelectricity in a chiral magnet BaCoSiO 4, in which the single crystal unambiguously reveals the anisotropic magnetism and magnetoelectric tensor. Beyond the experimental demonstration of BaCoSiO 4, a new concept- magnetic chirality is proposed and discussed. In the last chapter, recently proposed unconventional crystal growth techniques are reviewed, and the growth and property of a chiral superconductor Mo 3 Al 2 C are introduced as a successful example of the alumina tube sealing technique. This thesis highlights the laser floating zone as a breakthrough growth technique leading to unique single-crystalline quantum materials which have not been studied before.

关键词： 量子点   发光二极管   导热结构   发光性能   封装结构  

摘要： 量子点（Quantum Dots,QDs）是一类具有波长可调和窄发射线宽等优异光学特性的荧光材料,在显示和照明领域具有广泛的应用前景。QDs通常与硅胶等聚合物混合形成复合材料,与发光二极管（LED）芯片集成制备成量子点光转换LED（QCLED）。然而,QDs和硅胶的导热性低,光转换过程中产生的热量不易散发,热积聚容易造成QDs发生荧光猝灭和降解。因此,降低热积聚对QCLED保持高发光性能至关重要。本论文研究以改善QCLED的热性能为目标,通过向封装基质中添加二维导热材料和优化封装结构,以提升QCLED光转换层导热性和降低器件工作温度。研究以光学和热学仿真模拟为指导,并通过实验验证的方式,明确所使用的二维导热材料及其重量比例,结合优化后的封装结构,最终设计出可以大幅提升QCLED性能的封装方式。本研究包含以下部分:（1）针对光转换过程中产生的热量无法快速传递到外界,导致QDs猝灭,提出了向封装基质中添加辅助散热材料来提高QCLED热耗散的方法,并将具有高热导率的二维材料-BN纳米片作为研究对象。通过热学仿真结合实验的方法,系统的研究了BN纳米片对QCLED热性能的影响,论证了BN在提升QCLED基质的热耗散和改善热问题方面的作用。同时研究了BN的散射效应对QCLED的光转换效率及出光均匀性的影响。最后结合光学与热学的研究,优化BN的添加重量比例和方式,得到BN在1 wt%下将QCLED运行温度降低了15.9℃,并提升了出光均匀性。（2）针对导热BN纳米片的高反射率带来光损失的问题,选择同样拥有高热导率,但光学表现更好的二维导热材料-Al2O3纳米片作为对封装基质的改进与优化。首先通过热学仿真与实验,研究了其对QCLED热性能的影响,并将热耗散上的表现与BN进行对比,分析各自优劣势。其次通过光学仿真和实验,分析Al2O3在光性能的提升效果,以优化Al2O3及具体用量,同时实现QCLED热积聚的有效降低,如Al2O3在3 wt%下将QCLED的运行温度降低了19.7℃,并实现了对光转换效率的提升。（3）基于以上对封装基质的光热特性研究,进一步探究了封装结构对QCLED热耗散的影响,得出靠近LED芯片的区域拥有更好散热性的结论,在此基础上对封装结构进行优化。提出的凸型近芯片封装可以使QCLED获得更好的散热效果,工作温度明显降低,如150 m A的驱动电流下,QCLED的运行温度降低了16.4℃,同时提高了QDs的光转换效率。此外,结合前述的二维导热材料BN和Al2O3纳米片,研究了不同封装条件下,凸型封装结构对QCLED光热效应的影响。

关键词： 量子点   钙钛矿   电致发光二极管   喷墨印刷   三元溶剂工程   层间侵蚀   界面工程   薄膜调控  

摘要： 量子点（Quantum Dots,简称QDs）显示及其印刷显示作为“十三五”与“十四五”期间国家重点战略布局的新一代信息技术,有望使我国在显示行业摆脱材料和技术长期面临国外专利垄断的落后局面。量子点因其在照明和显示领域的广阔应用前景而备受关注。通过小面积旋涂法制备的红/绿镉基和钙钛矿量子点发光二极管（Quantum Dot Light-Emitting Diodes,简称QLEDs）的外量子效率（External Quantum Efficiency,简称EQE）已经超过20%。目前,蓝光效率的提高、电致发光器件的稳定性、像素图案的制备技术等是制约量子点发光技术走向工业应用的最大障碍。喷墨打印技术被认为是下一代电致发光量子点显示技术中最有前途的、低成本和大规模的图案化QLED的制造技术之一。然而,目前还没有系统地研究适用于该印刷工艺的钙钛矿量子点墨水、喷墨技术、成膜工艺和印刷器件。 因此,研究墨水与承印层之间的相互作用,厘清印刷QLED器件效率低于相同结构旋涂器件的原因,并进一步开发通用的高质量和稳定的量子点墨水是推动该技术走向实际应用的关键步骤。为了解决喷墨印刷QLED器件中存在的问题,本论文采用溶液法合成的镉基和钙钛矿量子点,并选择合适的空穴传输层,通过表界面工程和薄膜缺陷调控,构建了高性能的喷墨印刷电致发光器件。本学位论文的研究内容包括以下三个方面: 1)抑制喷墨印刷过程中的界面侵蚀效应,构建高效喷墨印刷制备的镉基QLED器件。针对使用相同的聚合物空穴传输层的旋涂与喷墨印刷器件中存在的显著差异,系统研究了聚[（9,9-二正辛基芴基-2,7-二基）-alt-(4,4'-(N-（4-正丁基）苯基)-二苯胺)](Poly[（9,9'-dioctylfluorenyl-2,7-diyl）-co-(4,4'-(N-（4-sec-butyl）)di-phenylamine,简称TFB)、聚[N,N'-双（4-丁基苯基）-N,N'-双（苯基）联苯胺](Poly(N,N'-bis(4-butylphenyl-N,N'-bis（phenyl）benzidine,简称Poly-TPD)、聚乙烯咔唑(Poly（9-vinlycarbazole,简称PVK）三种空穴传输材料（Hole Transport Materials,简称HTMs）以及用于喷墨印刷的常用溶剂与新优化的喷墨印刷溶剂（环己基苯/茚满）之间的相关侵蚀问题。结果显示,PVK表现出优异的耐溶剂性,在PVK层上喷墨打印的红色QLED器件的电流效率为28.80 cd·A-1,相应的最大EQE超过17.00%。此外,由于TFB和Poly-TPD的耐溶剂性较差,使用它们作为空穴传输层制备的喷墨打印QLED器件的最大EQE分别降低到0.20%和1.90%。本研究结果表明,不同结构的聚合物传输层材料在喷墨印刷QLED器件中表现出不同的耐溶剂性,同时也对器件性能产生了重要影响。 2)管控界面承印层的分子工程和印刷量子点薄膜缺陷,构建高效稳定的喷墨印刷镉基QLED。研究了三种分子量的PVK空穴传输层材料,其中平均分子量为5 M至10 M g·mol-1的m-PVK由于其合适的最高占据分子轨道（Highest Occupied Molecular Orbital,简称HOMO）能级和高空穴迁移率,所制备的旋涂器件具有最高的效率。这表明聚合物HTM的分子量对QLED的器件性能起着至关重要的作用。因此,m-PVK被选为下一步喷墨印刷中的承印材料,用于制备喷墨印刷的量子点薄膜和随后的印刷QLED器件。此外,通过低压辅助热退火工艺对印刷的量子点薄膜的质量进行了调控,获得了具有低表面粗糙度、有序堆积、高光致发光和良好电荷传输特性的高质量量子点薄膜。随后,在喷墨印刷的红色和绿色QLED中分别实现了23.08%和22.43%创纪录的高EQE,其工作寿命为343,342 h@100 cd·m-2和1,500,463 h@100 cd·m-2。这些结果为实现高效和稳定的喷墨打印QLED提供了一个实用的解决方案。 3)采用三元墨水配方改善印刷薄膜的表面形貌并减少表面缺陷,构建了高效喷墨印刷的钙钛矿QLED。对用于喷墨印刷的钙钛矿量子点墨水的配方设计进行了深入研究,并在溶解性、印刷适印性和稳定性等方面进行了优化,形成了为连续喷墨打印量身定制的高稳定性的三元墨水溶剂。通过调控三元墨水的比例来抑制“咖啡环”效应,建立了相应的溶剂挥发和成膜模型。与二元溶剂（萘烷和正十三烷）相比,所设计的三元溶剂（萘烷、正十三烷和正壬烷）墨水配方表现出更优越的印刷适印性和成膜能力,从而印刷制备出质量更好、表面缺陷更少的钙钛矿量子点薄膜。将低沸点、高挥发性的正壬烷溶剂加入到二元钙钛矿量子点墨水中,可以在挥发过程中产生更多的马兰戈尼（Marango

关键词： 量子材料   强关联体系   密度泛函理论  

摘要： 量子材料因呈现出奇异的量子行为和独特的功能特性而成为目前凝聚态物理中非常重要的前沿领域。探索二维量子材料的结构和功能,并对电子关联态进行系统地研究是一个热点课题。本文采用第一性原理计算,选取三个具备鲜明层状结构的量子材料,对其二维构型相关的电子结构和电子关联效应所引起的物理特性进行了研究。主要内容及结果概括如下:一、FeSe薄膜材料的超导电性对层数(一层到五层)的依赖性研究。单层FeSe薄膜曾被认为是超导转变温度最高的铁基超导体,其超导配对机制一直存有争议。我们假设电子关联态引起的自旋涨落对于FeSe薄膜材料中超导配对机制起主导作用,通过密度泛函理论获得体系的反铁磁基态电子结构,借助基于赫伯德模型的自旋涨落理论推导得来的自旋涨落配对哈密顿量,所计算的超导转变温度为随着薄膜厚度的增加而逐渐降低,单层、五层和块体分别对应的转变温度为40 K、20K和8K,很好的吻合了实验结果,说明反铁磁自旋涨落机制是解释材料中高超导转变温度的一个合理备选方案。二、单层WSe2中的明暗激子及激发态的研究。单层WSe2为直接带隙半导体,在自旋轨道耦合的作用下,价带顶与导带底分别发生了 500meV和38 meV的劈裂,且电子具有谷极化特征。单层WSe2的光学性质主要受谷内和谷间明暗激子的控制。我们采用含时密度泛函理论,讨论了谷内和谷间明暗激子的性质和激发态的杂化,阐明了电子间的交换作用是引起谷内谷间暗激子结合能差异的主要原因。同时,利用电子-声子散射理论,估算了激子的寿命,揭示了二维极限下电子关联效应对材料性能的影响。三、过渡族金属元素W和Mo共掺杂对BiVO4能带结构和性质的影响。本文采用了 DFT+U的方法,研究了过渡族金属元素W和Mo的共掺杂,以及不同W/Mo掺杂比例对BiVO4电子性质的影响,发现高浓度共掺杂所引起的电子关联态对BiVO4光催化性能的提升有积极的作用。此结果有助于我们进一步探讨相关二维表面的光催化性质。四、研究了 BiVO4不同晶相中低指数表面与光催化活性的关系,并给出具有相似能带结构的不同晶格BiVO4中光催化性能差异化表现的原因。BiVO4在催化方面可用的晶格结构分别为单斜晶系和正交晶系。两者具有相似的电子结构,却表现出不同的光催化性能。采用DFT+U的方法,本文计算了 BiVO4不同晶格结构中低指数表面的几何构型和电子结构。便于区分,文中构建的单斜晶相的二维表面表示为(001),(011)和(101),相对应四方结构的表面为{001},{011}和{101}。研究发现(011)表面与{011}表面的构型完全不一致,这导致了其完全不同的电子关联态。具体来说,{011}表面的能带出现了由表面孤立的氧原子引起的带隙中间态,导致了其光催化性能低于其他五个表面。(001)和{001}拥有相似的几何结构、电子性质以及光催化活性;(101)和{101}也具有相似的性质。此结果给出了不同晶相BiVO4中二维表面结构与电子关联态及光催化性质的关系。

关键词： 量子点   pc-LEDs   CsPbX3   热注射法   SiO2包覆  

摘要： LED作为照明领域的主流,具有环保、节能、低成本、长寿命等特点。其中,荧光粉转化型LED（pc-LEDs,phosphor-converted LEDs）是实现白光照明的主流方式。在pc-LEDs的封装过程中,通常是将荧光粉作为下转换材料涂覆到LED芯片上。传统的荧光粉材料具有一些不足之处,例如发射光谱宽、荧光量子效率低等;与之相比,量子点荧光材料具有极窄的荧光发射光谱、较高的内量子效率、极宽的吸收光谱、光谱颜色纯度高等优势。利用量子点材料作为下转换材料应用于pc-LEDs的封装中,可以弥补传统蓝光LED芯片与黄色荧光粉组合的白光pc-LEDs中红光波段缺失的问题,而且能够在整个可见光波段调节发射光的波长,且由于其发射光谱半高宽较窄,也因此能够实现较高的色纯度和显色指数。本文使用优化后的热注射法制备了Cs Pb X3（X=Cl,Br,I）量子点,对其进行Si O2的包覆以提升量子点的稳定性,对制得的量子点进行表征分析;使用remote封装工艺将制备合成的Cs Pb Br1.2I1.8@Si O2封装到蓝光LED芯片上,制成可用于植物生长的红光pc-LEDs器件,将Cs Pb Br1.2I1.8@Si O2与黄色荧光粉YAG:Ce3+使用remote工艺封装到蓝光LED芯片上,制成了可用于照明的白光pc-LEDs器件,并提升了其显色性。（1）Cs Pb X3（X=Cl,Br,I）量子点的合成:采用优化后的热注射法,将Cs2CO3、油酸、十八烯于150°C下搅拌使其完全溶解获得油酸铯前驱体;将Pb X2（X=Cl,Br,I）、十八烯置于三颈烧瓶中,120℃下加入油酸、油胺后搅拌使完全溶解,升温至140-180℃后取0.4 ml油酸铯前驱液快速注入,5-10 s后取出冰水浴使其快速冷却到室温,即可获得Cs Pb X3（X=Cl,Br,I）量子点。TEM表征结果表明,180℃下5 s制备的Cs Pb Br3量子点的粒径分布均一,为7.99 nm±0.82 nm;荧光分光光度计的表征结果表明,其发射峰波长为530 nm,且半高宽约为22 nm,制得的Cs Pb Br3量子点的吸收光谱都很宽,半高宽都极窄。温度从140-180℃升高时,制备获得的Cs Pb Br3的发射光波峰也由518 nm红移到530 nm,而其半高宽几乎不变,只有22 nm左右。通过调节其中卤素离子的浓度及成分,可以实现发射光谱从480-660 nm的调控,同时发现其半高宽也从19 nm上升到26 nm。（2）二氧化硅包裹的Cs Pb X3（X=Cl,Br,I）量子点:以制备的Cs Pb X3（X=Cl,Br,I）量子点为基础,在其上使用APTES于室温下水解30 min合成Si O2。对合成的Cs Pb Br3@Si O2进行性能表征,与Cs Pb Br3相比,前者在空气中暴露72 h仍能保持初始荧光强度的45%,而后者暴露6 h后荧光强度仅为初始的10%。除此之外,还验证了Cs Pb Br3@Si O2的水、极性溶剂、热稳定性等相较于Cs Pb Br3都有明显提升。（3）量子点LED的封装:通过remote封装工艺将Cs Pb Br1.2I1.8@Si O2封装到LED芯片上,利用该红色量子点实现了红光、白光发射,改善了传统pc-LEDs器件中红光波段缺失的问题,提高了器件的显色性。