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。

关键词： 钙钛矿量子点   纤维素   高稳定性   太阳能电池   LED  

摘要： 近年来,得益于钙钛矿量子点(PQDs)非常优异的荧光量子产率,较窄的发射峰半峰宽,可调的发射光谱范围等优异的光学性能,PQDs在新兴的发光照明以及屏幕显示等领域逐渐崭露头角,展现出了替代传统量子点以及有机稀土荧光材料的强大潜力,获得了极大的关注度。然而,PQDs有一个比较明显的缺陷,即其稳定性较差,严重限制了 PQDs的应用,潮湿空气中的水,高温以及光辐照都有可能导致PQDs中配体的脱落,伴随着PQDs结构的坍塌,逐渐失去光转化能力,其优异的光学性能很难转化为实际应用。因此,如何制备出高稳定PQDs复合材料,改善在复杂环境中PQDs稳定性较差的缺陷,对拓宽其应用传经具有重要意义。 本论文主要围绕构建以多种有机或无机基质封装PQDs,为处于复杂环境中的钙钛矿量子点提供保护,改善其稳定性差的缺陷,并且保留其优异的光学性能。首先,采用以乙基纤维素(EC)为核心的有机物封装CH3NH3PbBr3 PQDs,提出了一种三明治结构的封装工艺,制备出厚度约为70 μm的EC-CH3NH3PbBr3钙钛矿量子点复合膜材料,保留了 PQDs优异光学性能的同时,具备强大的防水性能,屏蔽了水对PQDs的侵蚀作用,并且作为一种太阳能电池的封装膜材料,借助PQDs所具有的高效率的下转换发光功能,拓宽了晶硅太阳能电池的光谱响应范围,提高了光电转化效率。更进一步的,提出了一步法制备发射光覆盖全光谱范围的EC-PQDs复合膜的策略,这种方法的核心在于配体辅助沉淀法中作为钙钛矿量子点不良溶剂的甲苯同时也可作为EC的良溶剂,钙钛矿量子点可以直接在纤维素内部生成并封装成膜,保留了 PQDs优异的光学性能,复合膜的PLQY高达65.1%,同时EC-PQDs复合膜也表现出优异的防水性能,经历360 h的浸泡实验后,光学性能没有任何降低,研究中进一步的探究了复合膜作为单色光LED的发光材料的应用,探究PQDs在柔性显示与照明领域的应用前景。 随后,本论文采用具备二维层状结构的六方氮化硼(h-BN)材料,在低温下通过配体辅助沉淀的方法获得h-BN/CH3NH3PbBr3钙钛矿量子点纳米复合材料。在该研究中,h-BN具有高稳定性,优良的热传导性和极大的比表面积,赋予了PQDs在高温环境中高稳定性特征,探究了其发光稳定性机理以及该种复合材料在照明显示领域的潜力。 更进一步的,本论文以硅酸锆(ZrSi)为核心,制备高稳定性ZrSi/CH3NH3PbX3和ZrSi/CsPbX3钙钛矿量子点复合材料。复合材料具备优异的光学性能和高稳定性,研究中探究了ZrSi钙钛矿量子点复合材料的发光高稳定性机理,拓展制备覆盖全光谱范围的ZrSi/CH3NH3PbX3和ZrSi/CsPbX3钙钛矿量子点复合材料,并进一步探究了钙钛矿量子点纳米复合材料在照明领域的应用潜力。 最后,将羧甲基纤维素(CMC)与ZrSi结合,设计制备了高柔韧性,高稳定发光功能且具备强大变形能力的CMC-ZrSi/CH3NH3PbX3气凝胶复合材料,成功将PQDs拓展到发光气凝胶领域,展现了高稳定性PQDs在多种领域的应用潜力。

关键词： 稀土配合物   硫量子点   碳量子点   发光薄膜   水凝胶  

摘要： 稀土配合物具有发射谱带窄、色纯度高、发射谱线丰富等优异的光学性能,然而单组分稀土材料本身的缺陷如光、热稳定性差、成膜性不好及易团聚等难以满足多功能应用的要求;量子点具有丰富的功能性表面基团,出色的亲水性和独特的光致发光性能。因此,将稀土配合物和量子点共掺制备的材料可以结合二者的优点,极大地增强它们的整体性能。本论文基于稀土配合物和量子点的共掺杂,并将二者与高分子材料进行复合构筑了系列透明柔性的发光软材料。通过365 nm和254 nm激发波长的切换,软材料展现出可调可控、优异的荧光性能,同时还具有良好的力学性能,自愈合性能和拉伸性能,在光学信息防伪、自参比荧光传感和分子开关等领域具有广阔的应用前景。本论文的研究工作主要有以下几个部分:1.将在水溶液中具有优异发光性能的硫量子点(S-QDs)、稀土配合物(Na[Ln(DPA)])(Ln为Eu、Tb,DPA为吡啶-2,6-二羧酸)和聚氨酯(PU)复合,制备了兼具优异光学性能和力学性能的柔性、透明发光薄膜。其中S-QDs起到了一石二鸟的作用:(1)作为发光中心,与Na[Ln(DPA)]的复合实现了不同激发波长下薄膜的荧光颜色调控,在荧光双重防伪领域具有潜在应用价值;(2)S-QDs中起稳定作用的聚乙二醇(PEG)与PU通过氢键交联作用赋予了薄膜优异的自愈合性能,拉伸性能和抗疲劳性能。2.在S-QDs、Na[Ln(DPA)]和PU中引入无机基质锂皂石(LAP),制备了一种形状可变、颜色可调、透明度高的有机-无机杂化水凝胶,在365 nm下展现出明亮的蓝光,在254 nm下展现出明亮的红-黄-绿光。LAP的引入在水凝胶中起到了支撑骨架的作用,而PU的引入不仅有效提高了水凝胶的弹性模量,而且其分子内部的氢键作用赋予了水凝胶良好的自愈合性能。Cu可以有效淬灭水凝胶中Na[Ln(DPA)]的发光,然而对S-QDs的发光没有任何影响,因而可以通过两个发光中心荧光强度的对比实现该材料对Cu的自参比检测,提高了检测的精确度。同时,基于Cu和谷胱甘肽(GSH)的络合作用,该水凝胶可以作为分子开关,展现出“关-开”的荧光变化。3.以一水合柠檬酸为碳源,尿素作为表面钝化剂再结合硼酸,通过水热法制备出在254 nm和365 nm下均有深蓝色发光的碳量子点(CDs)。将其与Na[Ln(DPA)]和LAP复合,构筑了在254 nm下为明亮白光,在365 nm下为明亮蓝光的发光水凝胶,在双重荧光防伪领域有潜在的应用价值。该水凝胶中两个发光中心的特征荧光强度在酸性环境下都有明显的淬灭,在碱性环境下可以得到恢复,实现了同一材料中两个发光中心对酸碱的同时监测,有效提高检测准确度。同时,流变性能测试表明该水凝胶在20℃-80℃下具有很好的热稳定性,弹性模量为15 KPa。

关键词： CsPbBr3量子点   稳定性   复合材料   光催化  

摘要： 全无机卤化物钙钛矿（Cs Pb X3）材料由于其优异的光电性能,迅速发展成为了研究的热点。然而,Cs Pb Br3量子点的稳定性低,极易分解,阻碍了其应用。为提高Cs Pb Br3量子点的稳定性,我们使用氧化物（MO,M=Si,Ti）对Cs Pb Br3量子点进行包覆,制备出了Cs Pb Br3/MO复合材料,并采用XRD、TEM、EDX、紫外-可见光漫反射光谱和PL荧光光谱等技术对样品进行了表征,研究了Cs Pb Br3量子点/MO复合材料的性能和水体系中稳定性,具体研究内容如下:（1）采用简单的过饱和重结晶法制备了Cs Pb Br3量子点,通过调节制备温度来确定Cs Pb Br3量子点的最佳制备方案。在30℃所制备的Cs Pb Br3量子点的形貌类似立方状,制备的Cs Pb Br3量子点分布均匀,分散性好,棱长在6～10nm之间,平均尺寸为8nm。Cs Pb Br3量子点的可见光吸收性能好,在可见光区有宽的吸收带,将带边扩展到530nm,并且在紫外光下表现出了荧光特性。（2）采用溶胶-凝胶法,以四甲氧基硅烷(Si（OCH3）4)为硅源,Si O2包覆Cs Pb Br3量子点制备出了Cs Pb Br3/Si O2复合材料。当原料Cs与Si的摩尔比为1:25时,所制备出的复合材料结晶性最好。Si O2的包覆并未影响Cs Pb Br3量子点的吸光性,并且在紫外光的激发下发射很强绿色光的荧光特性。制备的Cs Pb Br3/Si O2复合材料具有很高的稳定性,浸泡在水中48h未分解,仍然保持了良好的荧光强度。（3）以锡掺杂二氧化钛（Sn-Ti O2）壳层包覆Cs Pb Br3钙钛矿量子点,制备了核-壳结构Cs Pb Br3/Sn-Ti O2复合材料,并将其应用于水体系中光催化降解有机污染物。制备的核壳结构Cs Pb Br3/Sn-Ti O2复合材料分散性好,粒径尺寸分布在15～30nm范围内。Sn-Ti O2壳层具有良好的结晶性,并且均匀包裹Cs Pb Br3钙钛矿量子点,在水溶液中提供更好的保护作用。与P25相比,核壳结构Cs Pb Br3/Sn-Ti O2复合材料在宽波长范围的可见区内表现出显著的光吸收性,将光吸收带边扩展到了536nm处。以Rh B水溶液为模拟污染物,考察了Cs Pb Br3/Sn-Ti O2复合材料的光催化活性。在模拟太阳光照射下,Cs Pb Br3/Sn-Ti O2复合材料30min内催化降解率达到了96.6%,其降解反应速率常数为10.68×10-2min-1,比P25高出了5倍,且稳定性高,能够在水体系中持续工作很长时间。因此,Cs Pb Br3/Sn-Ti O2复合材料在利用太阳光处理污水中有机污染物方面具有很大的优势和应用前景。

关键词： 量子计算   量子行走   量子输运   量子中心度排序   光量子芯片   线性光学网络   微环谐振腔  

摘要： 基于量子力学的叠加、纠缠、非局域性等基本特性,量子信息处理在通信、精密测量、计算和模拟等方面较之经典技术具有原理上的优越性。各种量子信息处理实现方案相继出现,包括超导系统、光子、离子阱、冷原子体系等。其中,光子作为量子信息的载体,具有传输速度快、相干时间长、自由度多等优势。除了用体块光学元件实现光量子计算,还出现了与现有CMOS工艺兼容的集成光学实现方案。相较于体块光学方案,光量子芯片具有体积小、稳定性好、可扩展性强和配置灵活等优点,成为近年来光量子信息处理的重要实现方式。量子行走是经典随机行走在量子力学框架下的推广,在实现通用量子计算、进行量子模拟和设计量子算法等方面均有重要应用。本文围绕量子行走在光量子芯片上的实现,重点研究了如何提升片上光子源品质和如何优化高维通用线性光学网络,实验演示了几种新型量子行走效应和它们在量子输运和量子排序领域的应用。论文的主要成果包括:1、理论分析了光子全同性的影响因素和优化方法,并实验测试了基于微环的高频谱纯度光子源。我们理论研究了频谱纯度、中心波长一致性以及线宽一致性对光子全同性的影响,并提出了优化方案。设计实现了单个不等臂Mach-Zehnder干涉仪耦合微环的硅基光子芯片,这是一种可调控的、简单易实现的片上可调频谱纯度光子源实现方案。通过双光子频谱关联测试和单光子自关联函数测试,实验测得单光子频谱纯度可达94.95%。2、提出了芯片上Mach-Zehnder干涉仪线性光学网络的标定方法,并分析了可配置通用线性光学网络实现高维任意幺正演化的可行性。实现高维量子系统的幺正演化有三角形Mach-Zehnder干涉仪线性光学网络和方形Mach-Zehnder干涉仪线性光学网络两种设计方案,都非常适合在芯片上集成实现。但是,芯片加工过程中不可避免的会在各个干涉仪中引入随机相位,这就需要首先对芯片上的元件进行标定。本文给出了Mach-Zehnder干涉仪线性光学网络的标定方法,并对片上实现面临的相位、损耗、元件参数误差进行了分析,证实了通用线性光学网络可以配置得到任意幺正算符的可行性,为片上线性光学网络规模扩展奠定了基础。针对实验过程中遇到的故障,我们还提出和演示了高维通用线性光学网络容错处理的新思路。3、演示了时间反演对称破缺的量子行走及其量子输运增强效应。时间反演对称性破缺是凝聚态领域的一种特殊物理现象,引入到量子行走的研究中展示出在量子输运方面的诸多应用。本文在硅基光量子芯片上模拟了多个时间反演对称破缺的量子行走场景,演示了时间反演对称破缺量子行走在量子开关、量子输运增强以及解释光合作用能量转移方面的应用。4、演示了片上宇称–时间对称量子行走及其在有向图量子节点中心度排序算法中的应用。节点中心度排序是图论和网络分析领域的一个重要问题,本文研究了基于量子行走的节点中心度排序算法。针对基于连续时间量子行走的节点中心度排序算法不适用于有向图的问题,我们引入了宇称–时间对称量子行走模型。我们在可配置硅基光量子芯片上展示了基于宇称–时间对称连续时间量子行走的4节点有向图、7节点相互依存图的节点中心度排序算法,并通过多光子实验实现了16节点和64节点有向图上的节点中心度排序。

关键词： 量子点发光二极管   表/界面修饰   聚乙烯基咔唑   1,3,5-三(溴甲基)苯   固相配体置换   溶剂工程   1,2-乙二硫醇   积极老化  

摘要： 随着显示和照明技术的不断革新,具有发射光谱连续可调、窄线宽发光、光化学性质稳定、高荧光量子产率和可溶液工艺制备等优势的量子点(quantum dots,QDs)以及基于量子点有源层的量子点发光二极管(quantum dot light-emitting diodes,QLEDs)受到了学术界和工业界的广泛关注。但是,目前QLED器件仍然存在电子和空穴传输/注入不平衡等问题,这严重制约着QLED器件性能的提高及其商用进程。针对空穴注入/传输远低于电子注入/传输这一问题,本论文分别从空穴传输层和量子点发光层两方面开展工作,通过对其进行表/界面修饰来增强空穴注入/传输能力,并最终提高了器件性能。本论文的主要研究内容和结果如下: 1.利用1,3,5-三(溴甲基)苯(TBB)作为表面改性剂对空穴传输层-聚乙烯基咔唑(PVK)薄膜进行后处理来缓解量子点发光二极管中的载流子注入不平衡问题。利用多种测试技术研究了 TBB后处理对PVK空穴传输层形貌、能级、电学性能以及QLED器件性能的影响。结果表明,TBB后处理可提高PVK空穴传输层的表面平滑度,并使其最高占据分子轨道(HOMO)能级从-5.83 eV下移至-6.01 eV,从而有利于提高空穴由PVK向量子点发光层的注入效率。与未处理的QLED器件相比,TBB处理后器件的电流效率、外量子效率和功率效率分别提高了 35.09%、46.25%和28.85%,达到 16.67 cd/A、12.08%和14.07 lm/W。同时,TBB后处理也使启亮电压从2.35 V降至2.22 V。 2.通过溶剂介导的固相配体置换方法,用短链1,2-乙二硫醇(EDT)配体部分替换了覆盖在QD表面上的原始长链油酸(OA)配体,并研究了溶剂(乙腈和乙醇)介导的EDT配体置换对量子点性质和器件性能的影响。研究结果表明,当使用乙醇代替乙腈作为EDT的溶剂时,EDT和OA之间的配体置换更加充分,这不仅能够改善QD之间的电荷传输,而且能够增强QLEDs中的空穴电子注入平衡。利用EDT(乙醇)配体置换后的QD所制备的QLED器件(EE-QLED)最高亮度达到190200 cd/m2,最大电流效率达18.34 cd/A,峰值外量子效率达到12.26%,最大功率效率达到9.60 lm/W,明显优于那些基于EDT(乙腈)配体置换量子点的QLED器件(EA-QLED)和基于原始量子点的QLED器件(P-QLED)。另外,对EE-QLED和P-QLED器件的积极老化进程进行了研究。结果表明,在整个老化过程中,EE-QLED的器件性能总是优于P-QLED器件,EE-QLED的最大亮度和最大功率效率分别在老化5天和8天后到达峰值,达到282400 cd/m2和23.30 lm/W,而最大电流效率和峰值外量子效率则在老化11天后达到最大值,分别为35.91 cd/A和24.00%。器件性能的提高可能主要归因于紫外固化树脂释放的酸性物质钝化了金属氧化物电子传输层中的缺陷,抑制了空穴泄漏电流。

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 O2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： 量子材料   电输运   量子振荡   电子结构  

摘要： 稀土化合物中复杂的自旋、轨道和电子能带结构往往会诱导出丰富的电磁现象。近期有研究发现非磁性稀土磷族化合物RPn(R=稀土元素;Pn=Sb,Bi)具有极大的磁电阻和受费米面结构主导的各向异性磁电阻,以及含二维正方格子的稀土化合物RSn2(R=稀土元素)具有非平庸的电子能带结构。但,自旋、轨道和电子能带对磁性RPn以及RSn2电输运性质的影响研究较少。本文中,我们通过助溶剂法生长了高质量的TbSb和ScSn2单晶,并详细研究了其磁化行为、电输运性质和电子能带结构。研究发现:1)立方对称的TbSb是弱磁各向异性反铁磁体,Γ4轨道序是弱磁各向异性的产生原因,磁有序结构的变化对磁电阻的角度依赖关系影响不大,而对电子能带结构影响很大。2)ScSn2具有四方对称晶体结构(空间群I41/amd)、载流子浓度低、三维的费米面结构以及非平庸的贝利相位等特征。该体系中低温线性磁电阻行为不能通过已有的经典和量子模型理解。我们的研究揭示了轨道、自旋以及电子能带结构对磁性RPn体系各向异性磁电阻的影响,以及ScSn2中复杂的线性磁电阻效应,将为进一步的研究提供实验和理论依据。本文的内容安排如下:首先主要介绍稀土基量子材料的研究背景、磁电阻效应及电子结构特征等;其次介绍本文涉及的实验和理论方法,包括单晶的生长方法、晶体结构和元素成分的确定、磁化率和电输运的表征以及理论计算;然后分两章介绍了 TbSb单晶和ScSn2的电输运性质,揭示了 TbSb中磁各向异性对转角磁电阻和电子结构的影响和ScSn2中的非平庸电子态、Parish-Littlewood模型与线性磁电阻的关联性。最后对全文内容和今后的工作方向做了总结和展望。