关键词： 可视化   荧光   量子点   选择性吸附   PVA  

摘要： 随着工业的发展,水体污染越发严重。重金属污染就是其中之一。高分子材料以其优良的综合性能得到了广泛的应用,而量子点材料由于对重金属有很好的监测效果,已成为人们关注的焦点。因此,将具有优异重金属吸附特性的高分子材料与具有选择性荧光响应作用的量子点结合成为一种新的吸附剂,对于选择性去除重金属离子具有重要参考价值。 本研究将自制的碳量子点（NCQDs）、石墨烯量子点（NGQDs）、硅量子点（Si QDs）负载于PVA上,制备出NCQDs负载的PVA复合薄膜（NCQDs-PVA）、NGQDs负载的PVA复合薄膜（NGQDs-PVA）、Si QDs负载的PVA复合薄膜（SSP）。这些材料不仅对Ag、Pb等重金属离子有良好的选择性吸附能力,而且可以利用量子点的荧光变化,从固相吸附剂的角度来实现对重金属离子的吸附过程的监测。具体内容如下: 1.通过共混法制备了氮掺杂的石墨烯量子点（NGQDs）和聚乙烯醇（PVA）的复合薄膜（NGQDs-PVA）。用傅立叶变换红外光谱（FT-IR）、拉曼光谱仪（Raman）、透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）等手段对其进行表征,发现NGQDs均匀负载于PVA中,并且NGQDs-PVA中的C-O,-COOH,-NH2和-OH基团会与Ag（I）络合,并且还存在少量的-NH-将Ag+还原为Ag0。吸附研究表明NGQDs-PVA吸附重金属的最适p H=4.0,且准一级模型可以较好地描述材料的吸附动力学过程。吸附热力学过程可以用Langmuir模型来描述,NGQDs-PVA在40℃下的最大吸附量为317.35 mg/g。此外,该材料对Ag+具有优异的荧光淬灭选择性,5次吸附-解吸循环实验显示了材料具有优异的再生性能。 2.利用水热法将Si QDs负载于Si O2上,得到Si QDs-Si O2（SS）,然后将SS负载于PVA上,获得Si QDs-Si O2-PVA（SSP）复合膜。通过傅立叶变换红外光谱（FT-IR）、扫描电子显微镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）对材料进行表征。表征结果显示获得了预期的SSP复合膜。吸附研究表明SSP吸附重金属的最适p H为6.0,且Elovich模型可以较好地描述材料的吸附动力学过程。吸附热力学过程可以用Freundlich模型来描述。该材料对Pb2+具有优异的荧光增强选择性,5次吸附-解吸循环实验表明了此复合材料具有优异的再生性能。 3.通过共混法制备了负载氮掺杂的碳量子点（NCQDs）和聚乙烯醇（PVA）复合物膜（NCQDs-PVA）。表征结果显示获得了预期的NCQDs-PVA复合膜,NCQDs均匀地分布于复合材料中。吸附研究显示NCQDs-PVA吸附重金属的最适p H为6.0,且准一级模型可以较好地描述材料的吸附过程。吸附热力学过程可以用Langmuir模型来描述,在20℃时NCQDs-PVA最大吸附容量为86.85 mg/g。该材料对Pb2+具有优异的荧光淬灭选择性,5次吸附-解吸循环实验显示了材料具有优异的再生性能。

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： 开放量子系统   双量子点   非马尔可夫   非平衡输运  

摘要： 为了更好的理解开放量子系统中的非马尔可夫动力学,人们开发了许多不同的方法,而级联运动方程(Hierarchical equations of motion,HEOM)理论就是其中之一。最早期的HEOM理论仅适用于描述简单的玻色库系统与环境耦合的非马尔可夫效应。基于此背景进一步发展了高斯环境下非微扰的电子输运的HEOM以及耗散子运动方程(Dissipaton equation of motion,DEOM)理论。特别地,DEOM理论不仅涵盖了已有的HEOM理论,同时还引入了杂化库的耗散子分解方法,将开放量子系统的实时动力学进一步扩展到相互作用的电子库子空间。所以,DEOM理论不仅能研究任意系统-环境的耦合强度、任意库仑相互作用强度、任意含时电压以及含时外场下的量子输运电流和非平衡动力学,还能够用于研究开放量子系统的非平衡输运在各个体系下的电流涨落噪声谱特征。在此基础上,根据能量离散的时间局域运动方程以及DEOM理论中提出的耗散子代数,我们论文第一个研究工作是进一步发展了一个能有效计算弱耦合下顺序隧穿介观系统中非对称噪声谱的新方案,得到了一个结构优美、易于应用的通用公式。该公式可以用于计算弱耦合条件下包含非马尔可夫效应的非对称噪声谱,能够清晰地展示对称噪声谱中所缺失的非平衡吸收和发射过程的详细信息,涉及的所有超算子均有明确定义。此外,运用我们发展的新方法研究了具有点间库仑相互作用的串联双量子点输运电流的量子噪声谱,证明了典型的非马尔可夫台阶和相干拉比信号。我们发现,当本征能级靠近偏置电压窗口时,噪声谱在吸收和发射部分的拉比信号会表现出显著的不对称行为。同时,点间的强库仑相互作用会增强噪声谱中的相干拉比信号。另一个研究工作是,我们基于DEOM方法研究了具有点间跃迁及有限点间库仑相互作用的并联双量子点的非平衡输运体系。我们数值计算了该体系的量子非平衡动力学及其输运电流噪声谱。我们发现,较大的点间跃迁会改变偏置电压窗口内本征输运通道的数量,从而改变电荷相干动力学演化。所有的这些相干动力学信息都可以从噪声谱中提取出来,反映在噪声谱的拉比频率处。这个相干拉比信号可以通过量子点间相干耦合、量子点间库仑相互作用、AB(Aharonov-Bohm)磁通共同调制。最后,本论文研究的双量子点的非平衡输运及其动力学问题,对于固态量子计算机和量子信息中电荷量子比特的测量与制备具有实际意义。

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： 量子纠缠   光合特性   量子热机模型   位点相关涨落   光合系统  

摘要： 由于能源的巨大消耗,开发新型清洁的替代能源已成为一个全球性重要课题。光合生物中原初过程近乎百分之百的光电转换效率、对环境无任何附带物的特点吸引了全球研究者的目光。如果能有效地模拟自然界中的光合作用能量输运过程、揭示其背后的物理机制并加以很好的利用,将有望解决我们当前能源问题。最近实验研究发现量子纠缠存在于光合作用中、且环境引起位点能量的关联涨落能够增强激发能输运。但是,量子纠缠对光合效应输运效率以及位点能量的关联涨落在激发能输运过程角色区分问题,并未得到澄清。本文采用量子热机功能转换方式描述了光合效应中激发能输运过程;具体研究了两个相邻色素分子间中的量子纠缠以及位点能量的关联涨落角色的不同对光合过程中激发能输运性能的影响。具体如下:1、研究了两个相邻色素分子中量子纠缠对激子输运和光合特性的辅助作用。我们通过一个光合量子热机模型,通过电荷分离态的动力学演化行为、电流—电压(j-V)输出特性以及输出功率来表征量子纠缠的辅助功能。此外我们也探索了环境温度对光合特性的影响。结果表明:(1)在相同环境的温度下,量子纠缠强度的增加促进了电荷分离态的布居率,电流-电压以及功率的输出,尤其与无量子纠缠的情况相比,量子纠缠具有更强的激子输运动力学行为。(2)在相同的量子纠缠强度下,适当的温度可以增强光合特性的输出。因此适当调节量子纠缠强度与环境温度之间的关系是该光合系统有效光合性能的关键。2、人们都认为不同的色素分子对激发能量转移(EET)的贡献是相同的,但是真实情况是不同的。为了证实这个猜测,我们研究相邻两个色素分子中位点能量的相关涨落来探讨不同位点能量在激发能转移(EET)中的作用,以一个光合量子热机为模型,通过电流-电压(j-V)和功率输出特性进而分析不同位点对激发能输运(EET)的影响。结果表明:(1)激发能转移(EET)先升后降的现象是由于吸收太阳光子的色素分子Site 1处的涨落所引起的。(2)在研究Site 2的相关涨落时,输出端不同的间隙能的差异对EET有积极的影响。(3)Site 2的相关涨落比Site 1的相关涨落更小,EET过程也急剧减少。(4)位点2比位点1(即吸收光子的色素分子)对相关涨落更敏感,进而证实了不同色素分子对EET的贡献不同。通过上述研究结果,我们不仅证实了量子纠缠可以增强光合特性的输出,还验证了不同色素分子对EET的贡献不同。这些结果可以为人工仿生器件的设计提供一些理论基础,进而解决有关化石能源消耗所带来的影响,实现可持续能源发展。

关键词： 量子点   量子主方程   全计数统计   非久期近似   累积矩  

摘要： 随着半导体加工技术的不断发展,我们能够成功制造纳米尺度的人工结构。在纳米体系中,电子波函数的相干长度与体系的特征长度处于一个量级,此时电子的波动性将十分明显。量子点三个维度的尺寸都在100nm以下,属于介观纳米器件,其内部的载流子在各方向上都只有有限的运动空间,所以这种结构中的中的量子现象是非常显著的。耦合量子点系统与单量子点系统相比,具有更多可调控的结构参数。本文基于玻恩-马尔可夫近似,并结合全计数统计理论,推导了一般性的含计数场的约化系统量子主方程,研究了耦合双量子点系统的粒子输运以及能量输运的全计数统计特征,讨论了久期近似以及非久期近似对输运特性的影响,研究了粒子与能量的累积矩。论文的主要内容如下:第一章对介观输运体系的基本知识以及量子点的发展进行了简单的阐述,包括量子点体系中一些重要的量子效应的介绍、量子点的制备工艺与量子点的应用,以及相关输运理论的发展。第二章主要阐述了全计数统计理论。第三章我们结合全计数统计方法在玻恩-马尔可夫近似下推导了耦合双量子点的量子主方程,得到了结合计数场的广义量子主方程(Generalized Quantum Master Equation);我们通过得到的量子主方程利用计数场分别计算了该体系中左右热库流出的稳态电流与稳态能量流,粒子与能量的噪声特性等。我们发现左右的粒子流相等,能量流却不相等,并且能量流之和与非久期近似处理以及能量重整化密切相关。更高阶的累积矩同样有此结果。我们在久期近似下的情况进行了对比,发现上面的结果是非久期近似下情况独有的。第四章我们对本论文做了一个简要的总结以及对未来工作的展望。

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