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： Fermi surface   Graphene   Quantum hall   Strontium ruthenate   Superconductivity   Surface acoustic wave  

摘要： This thesis consists of three separate parts. The first part of the thesis focuses on the quantum oscillation study of the quasiparticle properties of thin-film Sr2RuO4 grown on a (LaAlO3)0.29 (SrAl1/2Ta1/2O3)0.71 substrate. The second part concerns the magnetotransport study of the Fermi surface of the high-Tc cuprate, La1.6−xNd0.4SrxCuO4. The third part of the thesis focuses on the development of contactless, finite-wavelength quantum transport in high-quality 2D heterostructures using surface acoustic waves (SAWs). In the first part of the thesis, first, we show that in clean materials where the mean free path of the electron is long compared to the cyclotron radius, the Shubikov-de Hass effect can be observed in these materials, and the quasiparticle properties, including the Fermi surface volumes, cyclotron effective masses, and quantum lifetimes, can be accurately determined from the quantum oscillation analysis. An extensive quantum oscillation analysis of thin-film Sr2RuO4 grown on an (LaAlO3)0.29-(SrAl1/2Ta1/2O3)0.71 substrate is presented. The transport lifetime is calculated by solving the semiclassical Boltzmann transport equation. We find that the transport lifetime is longer than the quantum lifetime, indicating that extended defects are the dominant source of quasiparticle scattering, confirmed by crosssectional scanning transmission electron microscopy. In the second part of the thesis, we show that with angle-dependent magnetoresistance (ADMR) measurement, the Fermi surface and the quasiparticle lifetime can also be accurately determined, in materials where the mean free path is short, and quantum oscillation cannot be observed with an achievable magnetic field. We perform a thorough angle-dependent study of the high-Tc cuprate, La1.6−xNd0.4SrxCuO4 at two dopings, one above the critical doping and one below. Simulations of the ADMR are performed by numerically solving the Boltzmann transport equation. We find that the ADMR data can be described by a

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： 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： 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Hg2+、2,6-吡啶二羧酸（DPA）、唾液酸（SA）、H2O2、碱性磷酸酶（ALP）和糖蛋白的新方法。论文的主要内容如下:（1）本章介绍了SQDs的制备方法及其发光机理,重点介绍了SQDs的应用进展;概述了疾病标志物的分类以及荧光传感在疾病标志物方面的应用。（2）为了解决SQDs制备过程对刻蚀剂依赖性问题和量子点大小不易控制的问题,本研究以聚乙二醇（PEG）-400为钝化剂,升华硫粉为硫源,通过水热法制备了具有稳定发光性能的SQDs。利用Hg2+能猝灭SQDs荧光的特点,实现了高灵敏度检测Hg2+;由于DPA和SQDs能够竞争吸附Hg2+,可以间接检测DPA,获得了较低的检出限,分别为0.15μM(Hg2+)和1.24μM（DPA）。将所建立的方法应用于实际样品中Hg2+和DPA的检测,回收率分别为88.92-116.92%和99.78-108.00%,相对标准偏差分别为2.54-3.44%和4.71-5.54%。（3）为了提高硫量子点的选择性和灵敏度,建立了苯硼酸功能化SQDs（B-SQDs）的制备方法,采用苯硼酸-茜素红S（ARS）体系,选择性检测了SA。首先采用氨基硅氧烷修饰SQDs,再通过缩合酰化反应,将4-羧基苯硼酸接枝到量子点表面,得到苯硼酸功能化SQDs。ARS与B-SQDs结合使B-SQDs的蓝色荧光猝灭,ARS的红色荧光产生。基于SA能将ARS从ARS-苯硼酸络合物中置换出来的原理,当加入SA后,B-SQDs的荧光恢复,游离的ARS的红色荧光猝灭。B-SQDs和ARS的荧光比与SA在1-70μM范围内呈线性相关,R2=0.992,检出限为0.54μM。（4）为了提高检测的灵敏度和准确度,将发射红色荧光的铜纳米团簇（Cu NCs）和发射蓝色荧光的SQDs结合,构建了双发射荧光探针（SQDs/Cu NCs）。研究发现复合材料中SQDs的荧光强度明显下降,主要是SQDs和Cu NCs之间的内滤光作用（IFE）所致;将SQDs/Cu NCs放在H2O2溶液中,Cu NCs的荧光猝灭,SQDs的荧光恢复,这是由于H2O2氧化Cu NCs中Cu（0）的结果。将SQDs/Cu NCs应用于呼出气冷凝液中H2O2的检测,其加标回收率和相对标准偏差分别为101-109%和2.39-5.07%。（5）为了提高选择性和发光效率,首先将Zn（II）与SQDs结合,再经表面Zn（II）诱导生长形成金属有机骨架（ZIF-8）的壳层,获得了ZIF-8封装SQDs的复合材料（SQDs@ZIF-8）。将SQDs@ZIF-8用于ALP的检测,发现当ALP和底物—2-磷酸-L-抗坏血酸三钠盐（AAP）同时存在时,可以有效猝灭SQDs@ZIF-8的荧光。在0.15～50U/L范围内,荧光强度与ALP具有良好的线性关系,其检出限为0.04 U/L。此外,将SQDs@ZIF-8用于比色检测ALP,紫外吸收强度与ALP在10～200 U/L范围内呈线性关系。将以上两种检测方法的结合使用,能显著拓宽检测范围。（6）根据前一章节的研究结果,本章使用含有苯硼酸和稀土元素的金属有机骨架(Eu-MOF-B（OH）2)封装SQDs,并通过在SQDs表面层层组装的方法合成了具有核壳结构的SQDs@Eu-MOF-B（OH）2。利用硼酸基团能选择性结合糖蛋白的特点,将SQDs@Eu-MOF-B（OH）2与糖蛋白作用,Eu-MOF-B（OH）2发生了荧光猝灭,而SQDs的荧光不受影响。将该比率荧光传感器用于甲胎蛋白的检测,其在616 nm和420 nm处的荧光比与在10-500 n M范围内的甲胎蛋白呈现良好的线性关系,检出限为6.44 n M。综上所述,本文基于SQDs制备了多种荧光传感器,并实现了对多种疾病标志物的高灵敏度、高选择性检测。

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。

关键词： 硼烯   密度泛函理论   非平衡格林函数   吸附行为   传感性能  

摘要： 在日常生活中,有害气体威胁着公共健康和安全,所以对有害气体的分离、捕获、封存和转化尤为重要,同时也有必要开发稳定且优异的气体吸附材料。由于传统的气体传感器面临着灵敏度较差以及尺寸较大等问题,这样就激励了人们对高性能、小尺寸的气体传感器的探索,从而人们将目光转向了纳米气体传感器。其中,二维材料由于其大的比表面积和优异的性能成为构建新型纳米气体传感器的重要选择之一。硼烯,是一种在银衬底上合成的二维硼材料,在诸多二维材料中具有优异的电学、机械和光学性能。硼烯有许多种同素异形体,例如三角、β12、χ3、α1和β1硼烯。已有实验和理论研究表明,这些硼烯同素异形体具有不同的物理和化学性质,因此可能有不同的传感性能。先前人们已经对三角、β12和χ3硼烯的传感性能有所讨论,但是到目前为止,对于α1和β1硼烯的气体传感性能的研究还很少。考虑到β1硼烯比α1硼烯具有更高的稳定性,所以研究β1硼烯的传感性能对于其在纳米气体传感器领域的应用具有重要意义。本文采用密度泛函理论和非平衡格林函数相结合的方法研究了β1硼烯对有机分子和无机分子的吸附行为、电子性质和传感性能,同时还考虑了掺杂原子对β1硼烯气体传感性能的改进。本文的主要工作如下:我们研究了有机分子CH4、CH3OH、C6H6、C2H2、C2H4、HCHO和HCOOH在β1硼烯上的吸附行为以及相应的传感性能。我们发现CH4、CH3OH和C6H6物理吸附在β1硼烯上,而C2H2、C2H4、HCHO和HCOOH化学吸附在β1硼烯上。对于化学吸附的情况,四个有机分子与β1硼烯之间存在强相互作用,分子中C原子从sp或sp2杂化变为sp3杂化。β1硼烯的输运特性对C2H2、C2H4、HCHO和HCOOH很敏感。因此,β1硼烯可用于构建这四类有机分子的气体传感器。其中β1硼烯对C2H4尤为敏感。同时我们发现施加适当的面内应变可以提高β1硼烯的有机传感性能。此外,我们还考虑了衬底的影响。结果表明β1硼烯可以与二维半导体Mo S2、Mo Se2、WS2或WSe2形成范德瓦尔斯异质结。其中WS2衬底可以增强β1硼烯的热稳定性并显著提高其有机传感性能。我们同样研究了无机分子CO2、NH3、CO、NO和NO2在β1硼烯上的吸附行为和传感性能。我们发现CO2和NH3物理吸附在β1硼烯上,而CO、NO和NO2的吸附过程是化学吸附。这里我们着重研究了CO、NO和NO2的传感性能,发现β1硼烯对NO最为敏感。而且一定的压缩应变可以改善β1硼烯的无机传感性能。此外,我们发现Mo Se2和WS2作为衬底可以提高其无机传感性能。因此,WS2衬底可以同时提高β1硼烯的有机和无机传感性能,这为β1硼烯的传感性能优化提供了重要的理论依据。最后,为了改进CO2和NH3分子的传感性能,我们研究了N原子掺杂的β1硼烯。我们首先确定了N原子掺杂在β1硼烯中的最稳定构型。然后考察了这两种分子的吸附行为。根据吸附能、电荷转移和分子与β1硼烯之间的成键情况,我们发现与未掺杂时的情况不同,此时吸附过程是化学吸附。通过计算能带、态密度和差分电荷密度等,发现气体分子的吸附能明显改变掺杂结构的电子性质。我们针对CO2和NH3分子的最稳定吸附构型计算了其输运性质,例如电流-偏压曲线、灵敏度等,发现N原子掺杂后的β1硼烯对CO2和NH3分子非常敏感。

关键词： 多重外尔半金属   塞贝克系数   能斯特系数   热电导率  

摘要： 在凝聚态物理领域,对拓扑材料输运性质的研究是一个令人们十分感兴趣和重要的研究课题。从最先发现的拓扑绝缘体开始,人们一直在致力于寻找更多的拓扑材料和对拓扑材料进行分类,利用拓扑不变量我们可以将材料分为拓扑绝缘体和拓扑半金属,1929年在Dirac方程的基础上,Weyl发现当质量项为零的时候可以得到Weyl费米子所满足的Weyl方程,把这种材料称为Weyl半金属。Weyl半金属是一种支持Weyl费米子作为低能激发的拓扑半金属,在动量空间的磁单极子具有相反的拓扑电荷和无能隙光谱,整数的磁单极子成对出现并充当贝里曲率的源或汇,这些磁单极子构成了Weyl点,是导带和价带的接触点,在Weyl点具有线性的色散关系。输运特性是拓扑材料的最主要特点之一,对热电材料、低功率损耗等的发展具有十分重要的意义。由于具有独特的电子结构和物理性质,人们对它的拓扑非常规能带结构的热电特性产生了浓厚的兴趣,电子对热电响应系数的贡献反映了准粒子色散的性质,通过这种方式也提供了一种研究电子性质的方法。热电材料可以实现热能和电能之间的相互转换,对其热电性能的研究一直备受关注,最近几年人们将热电的研究转移到了拓扑半金属上,热电材料发展的初期阶段研究的是金属材料,热电转化效率很低。随着能带理论被提出之后,有了半导体材料,热电材料得以进一步的发展,到目前为止发现窄带隙的半导体是比较好的热电材料。随后拓扑半金属的线性色散关系、费米弧、手征反常以及超高的载流子迁移率使人们对拓扑材料的热电输运性质产生了吸引力,通过研究发现拓扑半金属能够很好地提升相关物理量的热电输运系数。本文中,我们主要研究多重外尔半金属的热电输运性质,多重外尔半金属是一类磁单极子大于1,沿对称方向有线性色散,在两个横向方向是非线性色散关系的新型拓扑半金属。我们利用线性响应理论,对拓扑材料的输运性质和其热电响应进行研究。我们使用了不同散射范围的高斯和屏蔽库仑电子-杂质散射。在外加电场和磁场的作用下,当磁场与电场或温度梯度平行时,我们发现电阻率随磁场的增加而减小,呈现负磁阻的现象,而热电势则强烈依赖于散射势的类型和磁单极子。在磁场与电场或温度梯度相互垂直的模型中,热电输运的情况变得复杂,我们发现在低电子密度的情况下,随着磁场的增加使纵向电导率与霍尔电导率值的大小变得可以比拟,在这过程中导致了塞贝克和能斯特响应系数的不持续增长,特别是对于较大磁单极子的情况,但是对于d=6nm的高斯杂质散射势,塞贝克和能斯特系数仍然持续增长出现未饱和的现象,d<6nm时会出现不持续增长的行为。我们证明了热电霍尔电导率仍然显示出一个平台特征,纵向热电导率是否随场的增大而增大,受到散射势类型的影响,在不同的散射势下,热电霍尔电导的变化情况不一样,利用这种现象我们可以揭示多重外尔半金属的散射机制。