关键词： 碳量子点   银纳米颗粒   碳纳米材料   抗菌活性   抗病毒活性  

摘要： 抗生素是治疗细菌感染的有效药物，但由于抗生素的滥用导致细菌出现耐药性，因此迫切需要开发出一种抗菌能力强且不产生耐药性的新型抗菌剂。碳量子点(CQDs)具有一定的抗菌性能和良好的生物学特性且不易引起细菌耐药性，但单独碳量子点抗菌性能不理想。银纳米颗粒(AgNPs)具有高效抗菌抗病毒特性，但细胞毒性较大限制其应用范围，若将CQDs和AgNPs进行复合，可综合碳量子点的生物学特性和银纳米颗粒高效抗菌抗病毒能力。本论文通过一步水热法制备出硫氮掺杂碳量子点(S,N-CQDs)，结合原位还原法制备得到AgNPs@S,N-CQDs复合材料，并探讨其抗菌抗病毒性能及生物相容性。其主要内容如下：　　(1)以柠檬酸为碳源，巯基乙胺为硫源和氮源，制备S,N-CQDs，再以其作为稳定剂和还原剂，经原位还原得AgNPs@S,N-CQDs复合材料。利用紫外-可见光吸收光谱(UV-vis)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、X-射线衍射光谱(XRD)、X-射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)等手段对结构进行表征，并用金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、白色念珠菌进行抗菌实验评估。结果表明，制备的AgNPs@S,N-CQDs复合材料为石墨烯基碳材料，颗粒呈球形且分散均匀，无团聚现象，直径分布在2~7nm。该复合材料通过生成羟基自由基和过氧化氢两种活性氧对细菌的结构产生破坏，影响细菌正常的代谢，对四种菌株均具有抑菌效果,针对***、***的MIC值为32μg/mL，针对***、MRSA的MIC值为63μg/mL。溶血实验和细胞存活率实验表明纳米复合材料生物相容性良好，有望在生物医学领域得到应用。　　(2)将上述制备得到的AgNPs@S,N-CQDs复合材料，以耐甲氧西林金黄色葡萄球菌代表耐药菌进行抗菌实验，并利用420nm光源为激发光，通过改变光照强度、光照时间或复合材料的浓度测定光动力抗菌活性。结果表明，在光激发条件下，相比于对照组及S,N-CQDs组，纳米复合材料组抑菌率更高，且随着光照时间的延长，光照强度的增加以及纳米复合材料浓度的增加，抑菌效果明显增加，当浓度0.05mg/mL，光照强度为15W光照4min时，针对耐药菌MRSA的抑菌率可达100%,表现出优异的光协同抗菌效应。　　(3)将纳米复合材料利用静电吸附作用负载在熔喷布上，采用抑菌圈实验和国标方法《纺织品抗病毒活性的测试》测定其对MRSA的抗菌性能及对于甲型流感病毒(H1N1)的抗病毒性能。实验表明随着纳米复合材料负载量的增加，抑菌圈直径逐步增大，抑菌活性增强。测试样品接种病毒2h后的抗病毒活性为70.81%，表明复合材料具有理想的抗病毒性能，有望成为新型防护口罩的内衬材料。

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： Condensed matter physics   Acoustics  

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。

关键词： 量子点发光二极管   离心涂覆   咖啡环效应   二硫化钼量子点   氧化石墨烯   电荷注入平衡  

摘要： 量子点发光二极管(QD-LEDs)不仅具有色彩饱和度高、稳定性好、自发光、颜色易调等优势,而且可通过溶液法在柔性基底上进行大面积制备,有望成为新一代照明显示技术,在可穿戴电子、健康监测等领域都具有广阔的应用前景。但柔性QD-LEDs的大面积制备仍面临诸多挑战,其性能也有待提升。常用的旋涂法存在厚度梯度的问题,难以制备大面积薄膜,且溶液利用率低(<10%)。而其他的溶液加工方法,如喷墨打印等易受咖啡环效应的影响,难以获得大面积、均匀致密且表面平整的纳米级薄膜。此外,电荷注入不平衡也极大地影响了器件的性能。为解决上述问题,本论文发展了离心涂覆法实现了 QD-LEDs在柔性基底上的大面积制备,并建立了二维MoS2/碳量子点和氧化石墨烯(GO)对QD-LEDs器件电荷注入/传输层进行修饰的方法,促进了器件电荷注入平衡,从而获得了高效率的QD-LEDs器件,取得的主要结果如下:(1)发展了离心涂覆制膜方法,实现了 QD-LEDs在柔性基底上的大面积制备。由于大的等效重力场环境和热辅助作用,离心涂覆法有效地降低了液膜厚度及其与基底的接触角,进而增加了溶剂挥发速率,有效抑制了由于溶质粒子迁移所引起的咖啡环效应。因此,利用离心涂覆法在柔性基底上实现了聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)、聚乙烯基咔唑(PVK)、ZnCdSe/ZnSeS/ZnCdS量子点和ZnO纳米晶等纳米级薄膜的大面积制备,溶液利用率高达61.2%,所得薄膜均匀致密且表面平整。在此基础上,利用离心涂覆法将这些薄膜逐层堆叠,制备出大面积、柔性QD-LEDs器件。叠层结构依然保持高的薄膜质量,且各层之间界面清晰、结合紧密。所得红色QD-LEDs最大电流效率(CE)、功率效率(PE)和外量子效率(EQE)分别为5.7 cd A-1、3.2 lm W-1和4.9%,与在空气中利用旋涂法制备的器件性能相当。最大发光面积可达～115 cm2,高出旋涂法制备柔性QD-LEDs器件面积的～300倍。同时,设计了程序控制系统,实现了被动矩阵红/绿光QD-LEDs的动态展示,器件表现出优异的弯折稳定性和发光均匀性。(2)发现并证实了探头超声由于超声空化效应所产生的局部高温高压会导致N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)等有机溶剂碳化生成碳量子点的现象。基于此,利用探头超声实现了混合MoS2/碳量子点的一锅法制备。由于MoS2量子点和碳量子点分别具有高的载流子迁移率和功函数,利用其对PEDOT:PSS空穴注入层进行修饰,可明显提高器件的空穴注入效率。MoS2/碳量子点的掺入量为0.2 mg mL-1时,QD-LEDs器件启亮电压由2.4 V降低至2.3 V,最大CE和EQE分别为25.7 cd A-1和17.6%,与PEDOT:PSS作为空穴注入层的器件相比分别提升10.3%和 17.3%。(3)通过溶剂置换的方法成功将水中分散的GO转移至乙醇溶剂中,获得了片径主要分布在1～5 μm的单层GO乙醇分散液,GO在乙醇中依然保持良好分散性和完整性。利用GO的绝缘特点和钝化作用,对ZnO电子传输层进行修饰有效地阻滞了电子注入和传输,解决了器件电子注入效率显著高于空穴的问题,促进了 QD-LEDs器件中的电荷注入平衡。GO掺入量为0.1 mg mL-1时,器件最大CE和EQE分别为34.1 cd A-1和25.3%,与ZnO作为电子传输层的器件相比分别提升36.4%和36.8%。同时,器件具有良好的发光均匀性和光谱稳定性。

关键词： 硅烯   铁磁性   反铁磁性   超导性   非局域输运   隧穿磁电阻  

摘要： 硅烯是由单层硅原子呈蜂窝状结构排列而成的类石墨烯二维材料,由于其独特的翘曲结构,使得硅烯具有电调制能带带隙的特性.在实验上可以通过近邻效应诱导硅烯的铁磁性、反铁磁性和超导性,使得硅烯成为目前硅原子纳米技术中最具有发展潜力的新材料之一.本文利用散射矩阵的方法研究了超导磁性硅烯超晶格中的非局域量子输运.第一,研究了硅烯基铁磁/超导超晶格中的交叉Andreev反射(crossed Andreev reflection,CAR)和隧穿磁电阻(tunneling magnetoresistance,TMR).结果表明:随着能量的增加,奇超导条数超晶格中硅烯带隙内可以同时出现纯弹性共隧穿(elastic cotunneling,EC)和纯CAR过程,而在偶超导条数超晶格中硅烯带隙内只出现纯EC过程.|TMR|的最大值随着超导条数的增加而增大.奇超导条数异质结构中的TMR随着能量的增加总是正的,而偶超导条数异质结构中的TMR不仅有正值也有负值出现.EC和CAR微分电导以及TMR均关于错裂势对称.第二,研究了铁磁/超导双硅烯超晶格中的CAR和TMR.结果表明:随着能量的增加,多层结构中的EC和CAR透射系数分别出现了完美大峰谷比的振荡和单峰结构,而在超晶格结构中两个过程的透射系数的峰均发生了劈裂进而导致振荡得更剧烈.在多层结构中的TMR总是正的,而超晶格结构中的TMR不仅有正值也有负值出现,随着错裂势的增加,TMR总保持正值.EC和CAR透射系数、微分电导和TMR随着超导垒高和超导垒宽的增加分别呈现出准周期的和剧烈的振荡行为.相比于多层结构,超晶格结构中的TMR在超导相干长度附近达到最大值.第三,研究了硅烯基反铁磁/超导超晶格中的非局域运输.结果表明:随着能量的增加,多层结构中的EC透射系数出现了两个线状谷,CAR透射系数出现了明显的单峰结构,而超晶格结构中的EC和CAR透射系数分别出现的谷和峰均发生了劈裂.通过改变电场的大小可以实现纯EC和纯CAR过程的转换.多层结构有利于EC过程发生,而超晶格结构有利于CAR过程发生.相比于多层结构,超晶格结构中的EC和CAR微分电导随超导能隙的增加将更加快速衰减趋于零.希望我们的研究工作对硅烯电子器件的设计方面提供理论上的帮助.

关键词： 复合材料   多色碳量子点   固态发光   环氧树脂   荧光薄膜   发光二极管   防伪标识  

摘要： 碳量子点（CDs)具有优异的光学性能，在生物成像、荧光探针、生物传感、光催化剂、光伏器件、防伪领域等方面有着诸多应用。目前多色荧光CDs合成主要涉及蓝绿荧光CDs合成，对于长波发射特别是红光发射CDs报道相对较少，且存在CDs合成反应温度偏高，反应时间长及荧光量子产率（PLQY)偏低等问题，这限制了CDs的大规模使用。此外，固态CDs易发生聚集诱导荧光猝灭，这也极大限制了CDs的应用。基于以上问题，首先，本文拟使用温和的溶剂热法，基于同一原料合成具有高PLQY的覆盖可见光范围的多色荧光CDs,制备CDs/环氧（EP)复合材料;其次，采用环保友好路线合成多色荧光CDs,制备多色荧光固态粉末，同时制备具有固态荧光粉末的EP复合材料，课题主要研究内容如下：　　首先，以马来酸酐（MAH)和对苯二胺（PPD)为原料，以甲酰胺（FA)、N,N-二甲基甲酰胺/硝酸（DMF/HNO3)、N,N-二甲基甲酰胺（DMF)及水（H2O)为溶剂，采用温和热处理工艺（180℃/4h)合成蓝（B-)、绿（G-)、橙（0-)、红(R-)荧光CDs,其发射波长范围为420-607nm，相对PLQY分别为55.6％、76.5％、59.5％和30.9％。CDs在365nm紫外灯连续照射10h后，其荧光强度可保留83-94％;在20-100℃不同温度下处理Ih后，荧光强度可以保持80-97％。将0.25-1.0％的四种CDs分别引入EP体系，制备的CDs/EP复合材料的拉伸强度为60-69MPa，比纯EP基体高出5-16％。四种CDs/EP复合材料的透光率可达80-91％。CDs的引入不会降低EP基体的热分解温度和玻璃化转变温度(Tg)。四种CDs/EP复合材料在120℃热处理Ih后，其荧光强度可保留84-93％;在365nm紫外灯下连续照射10h后，荧光强度可保持85-95％。合成的CDs可用于制备多色光致发光二极管（LED),也可用作荧光防伪标识。　　其次，基于简单绿色技术路线，以PPD、MAH、衣康酸酐（IA)、戊二酸酐(GA)为原料，以水为溶剂，采用温和热处理工艺（180℃/4h)合成B-CDs、G-CDs和R-CDs，其发射波长分别为441nm、480nm和641nm，相对PLQY分别为60％、66.5％和23.3％。通过简单的物理共混法，将B-CDs、G-CDs和R-CDs分别与聚乙烯吡咯烷酮（PVP)、羧甲基纤维素（CMC)和双氰胺（DCD)共混，成功制备了固态荧光B-CDs@PVP、G-CDs@CMC和R-CDs@DCD粉末。将B-CDs@PVP、G-CDs@CMC和R-CDs@DCD粉末分别加入EP不会降低EP基体的热分解温度和Tg。　　在120℃下处理1h后，EP复合材料的荧光强度可保持91-97％。在365nm紫外灯下连续激发10h后，EP复合材料的荧光强度可保持91-94％。合成的固态荧光粉末可成功用于制备光致LEDs。

关键词： 光催化   降解   g-C3N4   异质结  

摘要： 研究表明,构建异质结的策略是提高光催化剂活性的有效方法。C3N4与能带位置相匹配的半导体材料复合可以形成高效异质结,可有效拓宽其对太阳光的吸收和降低光生载流子的复合,如稀有金属氧化物、TiO2等。氮化碳量子点（CNQDs）独特的电子结构和物理化学性质,使得它在跟半导体光催化剂复合之后,可以大大提高半导体的光催化性能。CNQDs和半导体之间的强相互作用力可以起到很好的分散和稳定作用。CNQDs具有上转换光致发光（UCPL）特性,可以激发半导体产生更多的空穴和电子,提高有效反应粒子数量。因此,CNQDs是一种优良的候选材料来修饰半导体。TiO2作为性能优秀的光催化剂,自身容易团聚,进行光催化降解时会遮盖有效的反应位点,减少了对光源的利用率,所以改变TiO2的形貌也是提高TiO2光催化效率的一个重要手段。研究内容如下:（1）大块C3N4一般是用氮含量高的化合物经过高温煅烧聚合而成的,通常这些大块C3N4需要再次处理才能成为片层比较薄的g-C3N4,以三聚氰胺和三聚氯氰为原料,通过低温聚合法这一步处理合成出了结构松散不堆积g-C3N4纳米线。再使用Ti Cl4为钛源,利用水热法在C3N4纳米线上负载TiO2,制备了T-CN复合材料。对材料负载前后的形貌变化、晶型结构、本征跃迁方式,光生载流子分离能力等进行了一系列表征和测试。最后在模拟太阳光下不同负载量的样品对罗丹明B（Rh B）进行降解实验,得出了最优负载量光催化降解Rh B和4-CP降解效率达到为91%和95%,是L-CN的1.9和2.6倍。（2）结合传统单相二氧化钛（TiO2）在光催化过程中存在光生载流子复合率高、能带较宽、水相中易团聚等特点,利用简易水热法将氮化碳量子点（CNQDs）负载在TiO2空心球（K-T）上制成CNQDs/TiO2复合材料,利用XRD和Raman光谱对复合材料的晶体结构晶型分析并用于确定CNQDs是否负载;利用UV-vis DRs表征是利用样品本身对紫外光和可见光的吸收产生的紫外吸收光谱和吸收强度对样品的光催化能力进行推断;PL光谱判断样品的本征跃迁方式,并根据吸收强度光生载流子的存活时间;SEM和TEM可以更直观的看到材料负载前后的形貌变化;XPS表征对结构的分峰可以确定CNQDs的负载情况及对TiO2空心球晶型的影响。通过制备的一系列样品在模拟太阳光下对罗丹明B（Rh B）进行降解实验来得出最好的负载量。为排除染料敏化对光催化实验影响,又对氯苯酚（4-CP）进行了光催化降解实验,光催化效率达到了93%和85%,约为商用TiO2的3.0和3.4倍,并且具有良好的稳定性,可重复利用。（3）采用“自下而上”的策略利用水热法制备了CQDs,再将其负载在低温热聚合制得的g-C3N4纳米线上,旨在利用CQDs的可见光响应和UCPL特性,得到有良好光催化性能的CQDs/g-C3N4复合材料。利用XRD和FR-IR光谱对复合材料的晶体结构晶型分析并用于确定CQDs是否负载;进行UV-vis DRs表征是利用样品本身对紫外光和可见光的吸收产生的紫外吸收光谱和吸收强度对样品的光催化能力进行判断;根据PL光谱反应样品的本征跃迁,并根据吸收强度光生载流子的存活时间;SEM和TEM在宏观上反应形貌特征;XPS表征对结构的分峰可以确定CQDs的负载情况及对g-C3N4晶型的影响,以及基底材料负载前后的元素比,判断CQDs是否负载。通过制备的一系列样品在模拟太阳光下对罗丹明B（Rh B）进行降解实验来得出最好的负载量。为排除染料敏化对光催化实验影响,又对氯苯酚（4-CP）进行了光催化降解实验。CQD/CN@0.6表现出的光催化效率达到了95.2%和85.3%,并且具有良好的稳定性,重复使用5次后降解效果仍有。

关键词： GaN   多量子阱   光电器件   可见光通信  

摘要： 随着国家碳达峰、碳中和战略的提出,社会对能源的需求日益紧迫。如何利用好光能这一绿色环保低碳能源,越来越成为当下的研究热点。同时,随着无线电频谱资源的日益紧缺,如何满足更高速、更大范围的通信需求也成为通信方向的痛点问题。随着第三代半导体材料制备技术的成熟以及发光二极管、光电探测器、光伏电池等光电器件的逐渐涌现,利用GaN材料制备光电器件进行可见光通信逐渐进入了人们的视野。GaN材料基光电器件能耗低、效率高、成本低,目前正越来越广泛地运用在通信、照明、光伏等行业之中。本文首先研究了基于GaN多量子阱材料光电器件分别作为发光器件、光电探测器件以及太阳能电池的工作原理,分析出其作为以上三种器件的核心优势;随后对基于GaN多量子阱材料的光电器件制造工艺进行了详细的介绍,在器件底部通过蒸镀布拉格反射镜进一步提升了器件的性能。随后通过扫描电子显微镜、原子力显微镜等对其进行基本表征,然后分别对其发光性能、探测性能以及光伏性能进行测试分析,主要包括伏安特性、量子效率、发光、探测光谱以及能量转换效率等。研究了其发光光谱与探测光谱存在的重叠区,设计并研究了作为光伏器件的能源阵列的工作特性。实验得出,基于GaN多量子阱材料的光电器件具有良好的光-电转换以及电-光转换能力,同时得到其发光光谱与探测光谱存在约48 nm的重叠区。本文根据光电器件的光学和电学性能,设计了以光电器件为核心的可见光通信系统。通过将光电器件作为接收器接收外部信号,实现了1Mbps的通信速率;将光电器件组成的能源阵列接收调制光并驱动发光二极管点亮并发射,实现了50Kbps的通信速率,并成功传输音频;将能源阵列接受外部光照为系统供能,采用两路独立外部调制光分别照射两个光电探测器,耦合信号驱动发光二极管点亮并发射耦合信号,实现了150Kbps的通信速率并成功解析出两路信号。实验结果表明,基于GaN多量子阱材料的光电器件具有优秀的可见光通信性能与光伏性能,为实现能源、通信、传感一体化可见光通信提供了初步的解决方案,有效助力绿色发展。