关键词： 纳米纤维素   量子点   荧光传感   防伪膜材料   荧光水凝胶  

摘要： 对石油资源的无与伦比的依赖促使研究界专注于开发可再生产品,其中纳米纤维素因其含量丰富、可生物降解和生物相容性而处于研究热潮的顶峰。荧光量子点由于成本低、灵敏度高、操作容易等优点也使荧光技术被广泛使用在光致发光、检测分析和生物医药等领域。纳米纤维素基荧光复合材料是一种新型功能材料,具有独特的光化学物理性质,在荧光探针、生物成像、传感器和药物传递等领域有广泛应用。纳米纤维素作为荧光分子和纳米粒子的底物或基质引起了人们的兴趣,并且这种组合具有开发新的功能材料的潜力,这些材料将纳米纤维素的结构和功能与量子点的独特光学性质相结合,实现了在荧光传感器领域中的应用。本文以杨木木粉提取的纳米纤维素为原材料通过化学、物理改性,制备四种纳米纤维素基荧光复合传感器,并对其性质、结构及机理特点开展相关研究。首先合成荧光氮掺杂碳点/Au NPs,利用酶的高活性实现了对环境水样中农药甲基对硫磷的检测;其次,合成了一种氮、硫共掺杂碳点/Mn O2,基于“开-关-开”模式实现了对生物液体中抗坏血酸的测量;之后,合成了一种纳米纤维素/Cd Te量子点荧光复合防伪薄膜材料,并对其结构和性质进行表征;最后将Mn:Zn S量子点共轭固定在纳米纤维素表面合成一种新型的荧光水凝胶传感器,并实现了对血清中谷胱甘肽的高灵敏选择性检测。本文主要从以下几个方面开展了工作1、纳米纤维素（CNFs）从杨木木粉中提取,以CNFs为碳源,赖氨酸为氮源,通过微波反应法一步制备氮掺杂碳点（N-CDs）/Au NPs传感器,用于检测环境水样中的有机磷农药甲基对硫磷（PTM）。本文用XPS、XRD、TEM、紫外、红外以及荧光等方法对该材料的结构、形貌和光学特性进行表征。基于内滤效应Au NPs有效的使N-CDs荧光猝灭,鱼精蛋白（PRO）通过静电作用使Au NPs聚集并增强荧光强度,木瓜蛋白酶（PAP）可有效的水解PRO从而释放Au NPs,体系荧光再次猝灭。在PTM的存在下,PAP的活性受到了抑制,阻止了PRO的水解,并再次激活N-CDs体系的荧光。依据以上的机制,合成了一种低毒、生物相容性且高灵敏度的荧光探针,在优化条件下,PTM的线性范围为0-1200 ng m L-1,检出限为0.037 ng m L-1。此生物传感器可以对复杂水样中农药PTM进行定量检测,获得使人满意的结果。2、以杨木木粉中提取的CNFs为碳源,巯基乙酸为氮、硫源。通过水热法一步制备氮、硫共掺杂的碳点（N,S-CDs）,用于检测生物液体血清中的抗坏血酸（AA）。通过荧光光谱、XPS、TEM、XRD、红外和紫外等对该材料进行表征。将KMn O4加入到N,S-CDs/MES体系中,通过超声反应生成N,S-CDs/Mn O2复合纳米材料,Mn O2通过静态猝灭机理使体系荧光强度降低,AA可以触发Mn O2纳米材料分解,由于AA与Mn O2的氧化还原反应,使Mn O2被还原为Mn2+,从而使体系的荧光恢复。在最优条件下,AA在0.1-10μM范围内获得线性关系,检出限为28 n M。本实验开发了一种基于荧光“开-关-开”模式检测血清中的AA,获得了满意的结果,回收率在93.3-103.6%范围内。3、构建了一种具有良好发光、机械、透明以及化学稳定性的TEMPO-CNF/Cd Te QDs纳米复合防伪薄膜材料。从杨木木粉中提取CNFs,通过TEMPO氧化将羧基引入CNFs表面,可以进一步与半胱胺修饰的Cd Te QDs以EDC/NHS化学法结合形成酰胺键,在通过真空过滤热压法来构建光致发光的纤维素膜。通过调节Cd Te QDs不同结构块的浓度,可以在复合膜上获得不同发射颜色。通过拉伸测量、电镜、XRD、TG、接触角和荧光光谱对薄膜的结构和性质进行表征。获得了高透光率（>80%）、量子产率（36.9%）、强拉伸强度（110.0 MPa）和良好的亲水性（接触角约为30~o）的绿色环保荧光纳米复合薄膜。4、通过TEMPO氧化法处理杨木木粉中提取的CNFs,与乙二胺修饰的锰掺杂硫化锌量子点（Mn:Zn S QDs）,基于Li OH/KOH/尿素体系在交联剂环氧氯丙烷的存在下交联共轭结合成一种新型的荧光水凝胶传感器（Mn:Zn S QDs@CNHs）,并成功应用于对谷胱甘肽（GSH）的快速检测。Hg2+通过静态猝灭机理使Mn:Zn S QDs@CNHs系统的荧光关闭,随着GSH的加入,Hg2+与GSH结合形成稳定螯合物,使体系的荧光恢复。依据上述机理,构建了一种响应性开启式荧光水凝胶传感体系,由于高选择性和灵敏性成功的应用于生物环境血清中GSH的检测,并获得优异结果,回收率为94.1-103.0%。

关键词： 钙钛矿量子点   掺杂   配体修饰   发光二极管  

摘要： 卤化物钙钛矿量子点（Quantum Dots,QDs）以其成本低廉、单色性好、制备简单等优点,在QDs发光二极管（light-emitting diodes,QLED）、光电探测、太阳能电池以及微激光等领域展现出巨大的应用价值。其中,全无机钙钛矿量子点（CsPbX3,X=Cl,Br,I）具有光致发光半高宽窄、溶液合成方便、光致发光量子效率高等优异的光学性能,而受到了研发人员的关注。然而,表面缺陷一直是限制钙钛矿量子点进一步产业化应用的主要问题。本文以提高量子点发光二极管的性能为目标,通过金属离子掺杂和配体表面修饰的方法,成功制备出了色纯度高且性能优秀的卤化物钙钛矿量子点发光二极管器件。本论文的主要研究内容如下: （1）研究了ZnBr2作为QDs表面配体对CsPbBr3QDs光学性能的影响并将其应用于电致发光QLED器件。结果表明,Zn Br2配体修饰可以显著地减少QDs表面的非辐射复合中心,有利于QDs薄膜中的电荷传输。采用了Zn Br2配体修饰策的CsPbBr3 QDs作为发光层,制备了ITO/PEDOT:PSS/PTAA/QDs/TPBi/Li F/Al结构的QLED器件,该器件的最大亮度为16130 cd/m2,相比于未修饰的QDs器件,提升了335%,外量子效率为7.74%,提升了63%。由此可见,该方法可以有效提高QLED的性能。因此,该方法能够使得CsPbBr3 QLED器件更加接近工业化时代的要求。 （2）为了进一步提高CsPbBr3 QDs的发光效率,研究了钠离子掺杂CsPbBr3量子点的制备,并将其应用于电致发光QLED器件。在合成CsPbBr3 QDs初期,加入钠离子源,通过配体辅助再沉积技术,制备了Na+离子掺杂的CsPbBr3 QDs,并详细地研究了不同Na+离子浓度对CsPbBr3 QDs光学和电学性质的影响。结果表明,在Na/Cs比为1/3时,最大量子效率为94.74%（未掺杂的为77.34%）,辐射复合速率为30.4μs-1,荧光寿命为31.2 ns。将此Na+离子掺杂的CsPbBr3 QDs作为发光材料,制备了电致发光的QLED器件。该器件实现最大亮度为20190cd/m2,最大电流效率为34.5 cd/A,外量子效率达到8.97%。这种离子掺杂的研究方法,为进一步制备高效、稳定、多色QLED提供了新思路。

关键词： Ti3C2量子点   MXene   助催化剂   催化剂改性   光催化析氢  

摘要： 目前,为缓解能源短缺、全球变暖和环境污染等棘手问题,研究人员将目光转向可再生太阳能,不遗余力地开发高效、稳定、可回收的半导体催化剂。在过去的几十年中,已经发现了许多半导体催化剂材料,例如TiO2、Zn O、Fe2O3、石墨氮化碳（g-C3N4）等。这些光催化剂用于光催化水解析氢、二氧化碳转化为碳氢化合物燃料和光催化降解污染物。然而,由于半导体材料的可见光吸收率低、光生电子-空穴对复合率高、活性位点缺乏等问题,这些光催化剂的光催化活性还不足以达到工业化利用水平,负载助催化剂被认为是提高光催化剂光催化效率的可行方法。MXene类物质Ti3C2自从被发现以来就引起了广泛的关注。它呈现手风琴状片层结构,由于它具有丰富地表面官能团、化学稳定性强,以及优秀的电子特性等优势,引起了研究者们的广泛关注。由于其特性与光催化反应契合,针对半导体光催化剂的缺点,本文以利用Ti3C2量子点对不同光催化剂载体进行修饰的角度出发,通过超声法与水热法结合,制备了不同形貌的量子点;并制备了不同地光催化剂载体,将量子点与其进行复合,实现了对多种光催化剂的光生电子-空穴复合率以及光催化水解产氢性能等方面的改善。具体工作内容如下:（1）Ti3C2量子点修饰的空心球状g-C3N4用于高效光催化制氢本研究中,首先通过三聚氰胺与三聚氰酸两组分之间的超分子自组装,合成具有中空结构大比表面积的空心球状g-C3N4;同时利用热超声法制备了Ti3C2量子点,将两者结合,得到了Ti3C2量子点修饰的g-C3N4光催化剂,制备过程简便且快速。g-C3N4的分层堆叠结构有效地改善了其比表面积,独特空心结构还有利于入射光的多重反射。而其大比表面积为Ti3C2量子点的负载提供了基础,量子点的负载同时改善了催化剂整体的光吸收能力,降低了光生电子-空穴对的复合率并增加了光生电荷的载流子迁移率,从而增强可见光的利用率。所制备的最优样品在给定实验条件下实现了显著的H2释放速率:6531.44μmol·h-1g-1,产氢速率达到了纯g-C3N4(2067.48μmol·h-1g-1)的约3倍。并且经过循环稳定性测试,催化活性得到了很好的保留。通过PL光谱和电化学分析证明了量子点负载与光催化活性之间的关系。结合XRD,XPS,BET,UV-Vis等表征结果,提出了一种可能的光催化析氢机理。（2）MIL-88B（Fe）/Ti3C2量子点复合光催化剂用于高效光催化制氢本研究中,通过Fe Cl3·6H2O和2-氨基对苯二甲酸合成具有大比表面积的纺锤形MOFs MIL-88B（Fe）,同时利用水热法法制备了Ti3C2量子点,将两者结合,得到了Ti3C2量子点修饰的MIL-88B光催化剂,产物稳定,反应快速且环保。MIL-88B表面丰富的微孔为Ti3C2量子点提供了有效的附着点,并提供了极大的比表面积,量子点的负载改善了催化剂整体的光响应能力,降低了光生电子-空穴对的复合率并增加了光生电荷的载流子迁移率,从而增强可见光的利用率。所制备的最优样品在给定实验条件下实现了显著的H2释放速率:4561.89μmol·h-1g-1,产氢速率达到了纯MIL-88B(1206.97μmol·h-1g-1)的约4倍。并且经过循环稳定性测试,催化剂的催化稳定性得到了证明。结合PL,XRD,XPS,BET,UV-Vis等表征结果,提出了一种可能的光催化析氢机理。（3）Ti3C2量子点修饰的3D/2D TiO2/g-C3N4 S型异质结构用于高效光催化制氢本研究中,利用钛酸四丁酯制备了TiO2微球,同时通过煅烧尿素界面生长构建了独特的3D/2D S型异质结结构TiO2/g-C3N4,同时利用氨水热法法制备了Ti3C2量子点,结合后,得到了Ti3C2量子点修饰的TiO2/g-C3N4光催化剂,产物具有稳定的形貌与性能,反应快速且环保。TiO2/g-C3N4表面丰富的纳米片为Ti3C2量子点提供了有效的附着点,S型异质结与量子点的负载共同改善了催化剂整体的光响应能力,降低了光生电子-空穴对的复合率并增加了光生电荷的载流子迁移率,从而极大地增强了可见光的利用率。所制备的最优样品在给定实验条件下实现了显著的H2释放速率:5540.21μmol·h-1g-1,T-CN-TCQD的产氢量是TiO2/g-C3N4的1.6倍。并且经过循环稳定性测试,催化剂的催化稳定性得到了证明。结合DFT计算,TA光谱,PL,XRD,XPS,BET,UV-Vis等表征结果,提出了一种可能的光催化析氢机理。

关键词： 石墨烯   量子输运   激光辐照   非对角无序   拓扑性质  

摘要： 石墨烯(Graphene)呈六角蜂窝状的晶体结构,是仅有一个原子尺度厚的二维狄拉克材料,它是近年来研究较多的量子材料,我们计划在石墨烯体系中引入激光辐照和非对角无序,通过理论与数值相结合的手段对输运性质进行探究。本论文主要开展了两方面的工作:(1)在石墨烯量子输运系统中,考虑一个两端由具有周期性的半无限长导线连接的石墨烯样品。由于圆偏振光辐照的石墨烯可等效的由Haldane模型描述,所以中心区取为Haldane模型。通过理论推导与数值模拟相结合的思路计算其透射系数。(2)研究了非对角无序对圆偏振激光辐射的石墨烯的输运性质,发现无序可以诱导非平凡的拓扑性质,由Bott指数和实空间陈数表征,我们进一步研究发现,非绝热的施加激光辐照能有效的使体系进入拓扑非平凡的相。本论文各章的主要内容如下: 第一章简要介绍了石墨烯材料的发现、结构特性、制备以及应用,着重介绍了理论和实验上关于激光辐照的石墨烯的重要发现。 第二章中首先简要介绍了量子输运的基础知识:贝里相位、贝里曲率、两能级系统和陈数;并且介绍了本文中运用的非平衡Green函数方法、Landauer-Büttiker公式,以方格子模型和Hofstadter模型为例,计算了其隧穿系数。 第三章中首先对激光辐照的石墨烯相关理论及实验成果作了简要陈述,其次着重介绍了本章所涉及的Haldane模型以及其量子输运性质。 第四章中简要回顾了无序对激光辐照的石墨烯拓扑性质影响的相关研究成果,在二维量子体系中引入非对角无序,理论上研究了圆偏振激光辐照下的石墨烯中,动能项中的非对角无序对体系拓扑性质的影响。 第五章对论文进行了总结,并对未来研究工作做了进一步展望。

关键词： MQDs   金属基纳米材料   杂化材料   催化反应   密度泛函理论计算  

摘要： TiC MXene量子点(MQDs)是一种很有前景的新型零维纳米材料,由于量子限域效应,它在保留MXene固有特性的同时,还表现出很多优异的性能,比如导电性高、粒径小、环境友好、良好的化学稳定性等。另一方面,金属基纳米材料由于具有大的比表面积,在催化领域引起了广泛的研究兴趣。然而,由于纳米尺寸的金属颗粒很容易形成团聚,会很大程度地降低其催化活性。研究表明,金属纳米材料的稳定性和催化活性可以通过载体材料进行改善和提高,比如石墨烯、硅材料、碳纳米管等,而MQDs由于具有高表面积、高电导率、重量轻、丰富的表面官能团,因此可以作为一种优异的载体材料来锚定金属基纳米材料,同时能够使原始材料的催化活性增强。基于此,本论文以MQDs作为载体材料来制备金属基纳米杂化材料,通过一系列的表征手段来研究其形貌、结构、元素分布以及光学性质,并通过实验和密度泛函理论计算(DFT)来研究其催化机理。具体内容包括:(1)Ni@MQDs杂化材料的制备及其催化还原Cr(Ⅵ)的应用首先,采用化学还原法成功制备了Ni@MQDs杂化材料,并对它的形貌、结构和光学性质进行了研究,表明MQDs可以作为Ni纳米颗粒成核和生长的良好载体,也可以防止Ni纳米颗粒的团聚。此外,通过甲酸(HCOOH)还原Cr(VI)的反应体系验证了Ni@MQDs杂化材料的催化活性。实验结果表明,Ni@MQDs具有优异的催化还原Cr(Ⅵ)的活性。通过DFT计算可知,Ni@MQDs优异的催化活性来源于Ni-MQDs的相互作用,因此降低了Cr(Ⅵ)还原过程的反应能垒。同时,Ni@MQDs表现出优异的亲水性、良好的稳定性,这说明Ni@MQDs是一种很有前景的处理污染Cr(Ⅵ)废水的催化剂。(2)FeO@MQDs杂化材料的制备及其模拟酶性能研究通过溶剂热法制备了FeO磁性纳米颗粒,之后采用最简单的超声法成功制备了FeO@MQDs杂化材料,并通过一系列的表征手段来研究它的形貌,结构以及磁性。进一步的催化实验证实了FeO@MQDs具有类过氧化物酶样活性,且其催化活性高于纯FeO纳米颗粒。此外,通过稳态荧光分析对其催化机理进行了研究,表明FeO@MQDs能够将HO催化分解成·OH。DFT计算结果表明,在FeO@MQDs杂化材料的界面处导电性提高,同时暴露出Fe-Ti双活性位点,能够有效的促进HO的活化与分解。通过以上结论可知,FeO@MQDs杂化材料作为过氧化物模拟酶可以被应用到便捷式生物传感器或污水检测等领域。以上研究表明,由于量子点与金属基纳米材料之间的静电吸附作用,会导致杂化材料的导电性提高,暴露更多的活性位点,从而能够提高杂化材料的催化性能,促进整个催化反应。

关键词： CsPbBr3量子点   Ti3C2   铋烯   复合材料   光催化还原CO2  

摘要： 光催化还原CO反应是当前热门的CO处理方式。CsPbBr量子点在紫外光区具有优异的光吸收能力、合适的带隙宽度等优点在光催化领域广泛应用。由于单一光催化普遍存在光生载流子分离效率低等问题,CsPbBr量子点在光催化领域的应用仍然受到限制。在本文中,我们分别通过原位自组装法和原位生长法制备TiC/CsPbBr量子点复合材料、Bismuthene/CsPbBr量子点复合材料,分别通过构建不同的异质结结构达到提高光催化还原CO反应的活性及稳定性的目的。测试材料的光催化还原CO性能,并探讨材料在光催化反应中的电荷转移方式及光催化反应原理。通过热注入法制备具有良好光吸收能力的CsPbBr量子点。CsPbBr量子点的尺寸大约为8 nm,吸收边波长为530 nm。以商用金属铋体材料作为前驱体,以溶于NMP的PVDF作为粘结剂,采用球磨法成功地制备了具有明显不规则片层结构的铋烯材料。测试结果表明,通过球磨法制备的铋烯片层厚度较薄,尺寸大约在500 nm-1μm之间。此外,结果表明铋烯是一种光吸收能力强的材料,在波长范围为300-2200 nm内均表现出良好的光吸收能力通过原位自组装法制备TiC/CsPbBr量子点复合材料。通过测试研究发现,在TiC/CsPbBr量子点复合材料中TiC仍为典型的片层材料,CsPbBr量子点均匀的分布在片层材料TiC的表面。通过光催化还原反应可知,TiC/CsPbBr量子点复合材料光催化还原性能明显提高,对CO和CH的还原产量分别为89.9和96.5μmol g,在该体系中对还原产物CH的选择性为81.1%,CO的产量相比TiC和CsPbBr量子点分别提高4.2倍和9.4倍。经过三次光催化还原CO循环实验后,CO转化为CH和CO的能力保持为第一次测试的98.4%和97.4%。通过光催化机理分析可知,CO产量提高的主要原因是在TiC/CsPbBr量子点复合材料中形成II型异质结结构,有利于光生电子的转移,提高对光生电子的利用率。通过原位生长法制备Cs-Bi键紧密连接的Bismuthene/CsPbBr量子点复合材料。在紫外—可见光照射下,CO和CH的产量分别为157.8μmol g、215.6μmol g,对CH的选择性达84.5%。在TRPL光谱测试中,相较于CsPbBr量子点,Bismuthene/CsPbBr量子点复合材料荧光寿命明显变长,符合S型异质结电荷转移方式。通过光电性能分析和光催化机理分析可知,产量提高的主要原因在于S型异质结的构建,空间电荷分离效率提高,有效地抑制光生电子—空穴的复合。另一方面,铋烯材料优异的光吸收能力可以增加对紫外—可见光的吸收,有望提高其光催化性能。

关键词： α-T3晶格   硼烯   量子输运   塞贝克效应  

摘要： 在2004年,英国两位科学家首次通过实验的方法分离出单层的石墨烯,从此石墨烯的电子学性能与物理性质成为研究热点。研究者们对石墨烯进行探索和研究,得出石墨烯有着新奇的量子特性,并在基础研究和应用方面都取得了巨大的成功,这促使石墨烯在电子器件方面有更多的应用。因为石墨烯的出现,科学界掀起了研究狄拉克二维材料的热潮,硼烯、硅烯、α-T3作为类石墨烯中的一员,其特殊的量子特性输运也引起了广泛的研究。本文致力于α-T3模型与硼烯量子输运特性的研究。首先我们在第一章中介绍了石墨烯与α-T3晶格的联系,描述了α-T3晶格的结构以及其研究现状;后续我们又介绍了硼烯的结构、制备以及在各个领域的应用。然后我们在第二章中介绍了量子输运的研究方法。研究二维材料的量子输运过程中有很多种研究方法,如散射矩阵,传递矩阵以及非平衡格林函数等,我们着重介绍了本文所需要的量子输运研究方法和理论,这其中包括紧束缚模型以及非平衡格林函数。在本章的最后介绍了材料理论计算的一些软件,我们详细介绍了我们研究二维材料量子输运计算软件Kwant,包括该软件的优势和应用。第三章我们研究了在垂直磁场作用下α-T3模型晶格中的量子输运。在α-T3模型晶格中我们发现谷赝自旋也是一个很重要的参数,并且可以通过磁场调制。当对α-T3晶格模型施加垂直磁场时,两个能谷中的电子对磁场有不同的响应。我们发现α-T3晶格模型连续子带被垂直磁场分裂成离散的朗道能级,且两个能谷的朗道能级不同,从而导致较高的谷自旋极化。我们的结果可能会对实验研究提供指导,从而实现基于谷自旋的电子设备。第四章我们研究了在磁场与电场的混合场存在下α-T3模型纳米带的电子输运性质。我们发现所施加的横向电场可以以一种有趣的方式改变朗道能级,并且获得了一种很新颖的朗道能级。当在磁场和电场混合场作用下我们发现α-T3晶格的非色散平带发生色散并发生扭曲。我们在α-T3晶格中采用双收缩结构来研究平带中的量子传输,并且发现平带电子的输运特性与常规狄拉克电子的输运特性有很大区别。我们的结果表明,α-T3晶格中的平带有助于量子输运且将在新颖的狄拉克电子器件发展中发挥重要作用。第五章我们研究了硼烯的热电输运性质,重点研究了硼烯的塞贝克效应。我们考虑了不同边缘的硼烯纳米带,并研究其能带结构。我们发现边缘BB型硼烯纳米带在无外场情况下会有一个能隙产生,而其他两种无能隙产生。在以上结果的基础上,我们进一步研究了这三种不同边缘硼烯纳米带的塞贝克效应,我们发现边缘BB型硼烯的塞贝克系数远大于边缘AA和边缘AB型硼烯。后续我们又研究了不同宽度的边缘BB型硼烯的塞贝克系数,我们发现塞贝克系数是和硼烯能隙成正比的。我们结果表明硼烯在热电器件应用中有着重要的发展潜能。

关键词： 隧穿场效应晶体管   石墨烯纳米带   网格   第一性原理   量子输运  

摘要： 隧穿场效应晶体管具有低亚阈值摆幅和高开关电流比的优点,在低功耗领域具有很好的应用前景。石墨烯纳米带由于带隙可调且为平面结构,是隧穿场效应晶体管理想的材料之一。由于隧穿场效应晶体管开态电流密度受限于隧穿长度,为缩小隧穿长度,实现器件良好的开关性能,构建异质结是极为有效的手段。但传统异质结通常存在晶格失配引起的界面态问题,且能带结构难以调节。因此构建同质异形结(下文统称异质结)成为了解决方案之一。本文提出了一种利用石墨烯纳米带构建异质结隧穿场效应晶体管的方法,对其输运特性和机制进行了深入分析,主要工作如下:本文提出了一种石墨烯纳米带与石墨烯网格纳米带组成异质结的方案。消除了传统异质结因晶格失配或悬挂键而产生的界面陷阱、费米能级钉扎等效应,有效避免了界面处的隧穿阻塞效应。系统研究了网格尺寸和密度对石墨烯网格纳米带电学特性的影响,为探索隧穿场效应晶体管优秀性能所需的异质结能带组合打下了基础。本文结合密度泛函理论与紧束缚模型计算石墨烯网格纳米带的能带结构;采用非平衡格林函数法仿真异质结器件的输运特性;利用形变势理论探究沟道的载流子迁移率。总结了石墨烯网格纳米带带隙和载流子迁移率随网格形貌的变化规律,构建了石墨烯纳米带/石墨烯网格纳米带异质结隧穿场效应晶体管模型。仿真器件输运特性和机制的同时,还探究了工艺问题对隧穿性能的影响。仿真结果表明,本文设计的隧穿场效应晶体管能够避免界面态的产生,表现出连续可调的开关态性能,且具备一定的工艺稳定性。

关键词： 铜基复合材料   二氧化硅量子点   二氧化钼量子点   界面结合   力学性能  

摘要： 在纳米颗粒增强铜基复合材料的研究中,研究人员致力于实现纳米增强体尺寸的微小化、界面结合性的优化,以及增强体在基体中的良好分散。因此,量子点(QDs)作为一种零维材料增强体,理应收到重点关注。然而,使用量子点增强铜基复合材料的相关研究很少。这是因为量子点的制备工艺繁琐、成本高。而且,零维尺寸的量子点具有较大的比表面积,表面能较高,趋向团聚,难以在基体中良好分散。另外,较高的表面能导致量子点与金属基体的界面润湿性差,从而导致较低的界面强度。着眼于上述问题,本课题通过选取合适的量子点材料和制备工艺,从增强体颗粒的分散与界面结合同时出发,通过结合不同的复合材料设计方法,来提高量子点材料在铜基体中分散性与界面强度。首先,以同时实现增强体的与基体良好的界面结合和增强体的良好分散为思路,通过喷雾热解法结合机械合金化法,设计出二氧化硅量子点/铜(SiOQDs/Cu)复合材料。然后,通过改变增强体的形貌来促进机械合金化过程中增强体的分散性为思路,通过水热法结合机械合金化法,设计出二氧化钼量子点/铜(MoOQDs/Cu)复合材料,具体结论如下:(1)在喷雾热解制备SiOQDs/Cu复合粉末的过程中,氧化亚铜(CuO)以SiOQDs作为成核位点,形成了纳米CuO过渡层。通过这种方式,SiOQDs和CuO之间发生较强的界面结合,提高了增强体和Cu基体之间的润湿性。对复合材料进行透射电镜表征,发现SiOQDs与Cu铜基体的界面干净、没有空隙,表明了较强的界面结合,经过力学测试表征发现,复合材料实现了良好的综合性能。1.2 wt.%SiOQDs/Cu复合块体的极限抗拉强度为456.63 MPa,是相同工艺处理的纯Cu(227.39 MPa)强度的201.68%。同时,复合块体保持了较高的电导率(83.27%IACS)和延伸率(8.86%)。力学性能的提升可归因于CuO过渡晶界的形成、SiOQDs和CuO良好的润湿性和化学键合特性、以及SiOQDs在Cu基体中的良好分散性。(2)通过水热法设计出具有桥状互连结构的MoOQDs,由于互连结构以及MoO的脆性,在机械合金化过程中,MoO量子点很容易破碎并在铜基体中弥散分布,强化了奥罗万机制。研究了不同含量的MoOQDs对铜基复合材料的硬度、抗拉强度、导电性的影响。与未增强的Cu相比,在1.0 wt.%MoO/Cu复合材料中实现了屈服强度(239.29%)和极限抗拉强度(41.46%)的显著增强,同时保持了高电导率(94.9%IACS)和延伸率(20.09%)。