关键词： 蓝光量子点   第一性原理计算   激子光学性质   配体钝化  

摘要： 基于红绿蓝三基色量子点发光二极管的全彩显示是未来照明显示领域的一个重要目标,然而,相较于红光和绿光量子点发光二极管,蓝光量子点发光二极管的寿命和外量子效率仍然落后于二者,使其在照明显示中的应用受到限制。为此,人们在提高蓝光量子点发光二极管器件性能方面进行了许多相关的研究,包括制备高质量的蓝光量子点、优化载流子传输材料、调控器件界面等,均推动了蓝光量子点发光二极管的发展,但是蓝光量子点发光二极管的工作寿命(稳定性)不高仍然是目前面临的主要挑战。蓝光量子点发光二极管器件性能的提高离不开高质量的量子点发光材料,从基础物理角度来说,量子点本身的电子结构、激子光学性质以及配体钝化等都会影响量子点的发光。但是相较于绿光和红光量子点,蓝光量子点表现出相当大的带隙,尺寸更小,因此稳定性差,导致实验上难以对其激子光学性质进行准确表征。在理论方面,常采用紧束缚近似、经验赝势等不同的理论方法研究半导体量子点材料的激子光学性质,但是由于以上不同的理论方法各自存在局限性使得它们在处理大体系量子点的激子光学性质时存在困难,因此实验和理论上的两大方面原因导致目前对II-VI族蓝光量子点发光材料的激子光学性质的认识仍然有限。本文以II-VI族硒化镉(Cd Se)、硫化镉(Cd S)、硒化锌(Zn Se)、硫化锌(Zn S)这类优异的蓝光量子点材料为研究对象,采用密度泛函理论和含时密度泛函理论,从量子限域效应和表面配体钝化两个方面研究II-VI族Cd Se、Cd S、Zn Se和Zn S蓝光量子点材料的电子结构及激子光学性质。通过研究四种不同蓝光量子点材料之间发光的差异性,为蓝光量子点的实验制备及蓝光量子点发光二极管器件性能的提高提供理论建议。本文主要包括两部分内容:第一部分重点研究了量子限域效应下的Cd Se、Cd S、Zn Se和Zn S四种II-VI族蓝光量子点材料的激子光学性质,包括尺寸依赖的单粒子带隙、光学带隙、激子衰减寿命、单三态分裂能量和光学吸收光谱。(一)通过拟合带隙与量子点尺寸之间满足的函数关系发现:对于Cd Se量子点体系,用杂化密度泛函计算得到的电子带隙与尺寸之间满足的标度定律分别与光发射测量得到的实验结果和半经验赝势计算的结果非常吻合。当用含时密度泛函理论考虑激子效应后,光学带隙与尺寸之间满足的标度定律几乎完全符合实验结果。对于Cd S量子点,也能得到同样的与实验结果符合得很好的拟合结果。(二)II-VI族环境友好的无镉量子点体系中Zn Se量子点的电子带隙和光学带隙几乎与直径成线性反比关系;对于Zn S量子点,电子或光学带隙与尺寸之间满足的标度定律与Cd Se量子点的情况相似。考虑激子效应后,拟合参数倾向于减小,则增大,证明激子效应的重要性。(三)在II-VI族蓝光量子点材料的激子衰减寿命及单三态分裂能量等光学性质的研究中,发现激子衰减寿命随着量子点尺寸增加而递增,并在更大尺寸处趋近于饱和;其中,Zn S量子点的激子寿命对量子限域效应不敏感,显示出一个几乎消失的值。(四)拟合得到的II-VI族量子点的单三态分裂能量与尺寸满足的函数关系中的参数δ值随着相应体相材料带隙的增加而减小。第二部分主要研究无机Cl配体钝化量子点表面对量子点光学性质的影响。本章节以Cd S量子点为研究体系,探究无机Cl配体钝化量子点表面的钝化机制,Cl配体覆盖度以及成键构型对量子点的带隙和吸收光谱的影响。(一)采用电子计数模型和量子力学检验计算,通过连续监测Cl配体和表面Cd原子之间的成键来确定最有利的成键构型,发现Cl配体和表面Cd原子可以形成三种类型的键,Cd-Cl单键、Cd-Cl-Cd桥键和NH分子型的Cl-Cd三棱锥键。(二)探究无机Cl配体覆盖度对量子点光学性质的影响。发现,随着无机Cl配体覆盖度的增加,最高占据分子轨道和最低未占据分子轨道(HOMO-LUMO)之间的能级差以及光学带隙随Cl配体覆盖度的增加而减小,且与成键构型无关;吸收光谱随着Cl配体覆盖度的增加发生明显的红移。(三)探究无机Cl配体钝化量子点的成键构型对量子点光学性质的影响。发现对比完全赝氢钝化的量子点情况,Cl配体钝化引起不同的光学特性:吸收光谱出现红移且与成键构型无关;在光谱低能量部分,吸收强度减小。

关键词： 石墨烯   缺陷   量子电容   态密度   密度泛函理论  

摘要： 石墨烯材料由于比表面积大、导电性能好,被作为正极材料与多孔炭材料一起用于锂离子电容器。石墨烯材料在制备和使用过程中易发生片层堆叠积聚,难以保证单层存在。堆叠会影响材料的电子结构进而影响量子电容。为了考察层间相互作用对石墨烯电子结构和量子电容性能的影响规律,基于密度泛函理论计算,本文系统研究了堆叠对于多种缺陷结构石墨烯材料的量子电容、表面电量等性能的影响。计算发现,由于层间相互作用以及基底层提供了部分电荷,单层石墨烯堆叠后量子电容性能增加,并且相较于完整和表面带有点缺陷的石墨烯,掺N双层石墨烯的量子电容提升幅度较大。同时在层间相互作用影响下,堆叠后拥有相近结构的石墨烯之间的量子电容性能差距减小。对于顶层不含悬挂键和孤对电子的石墨烯片层,发生堆叠后量子电容曲线随电压变化的波动趋势降低。

关键词： 电磁超材料   量子超材料   类量子超材料  

摘要： 电磁超材料是指具有亚波长的单元结构按照一定排列方式形成的人工电磁媒质,单元的结构和排列方式可任意设计,因此,可灵活精确地调控电磁波,实现一系列传统材料不能获得的新奇物理特性。这些独特的优势使电磁超材料在经典电磁学体系下迅猛发展并产生巨大的应用价值。随着研究不断的深入,电磁超材料在量子体系,即非经典电磁体系下的应用和发展也越来越受到人们的关注。本文首先介绍了量子超材料的一些基本概念和典型实现平台,包括超导量子超材料、非线性量子超材料和时空量子超材料等;其次,介绍了基于类量子效应构建的类量子超材料,着重介绍了由类量子超材料构建的电磁拓扑绝缘体;最后,重点介绍了当前量子超材料的几项重要应用,包括量子光源、量子态操控、量子探测、量子成像和量子信息编码等。

关键词： 钙钛矿量子点   防伪   稳定性   研究进展  

摘要： 防伪与国家安全、社会和谐以及经济稳定息息相关。其中,钙钛矿量子点因具有高荧光量子效率以及可调的发光波长而被广泛应用,然而其稳定性差不利于防伪应用。系统介绍了提高金属卤化物钙钛矿量子点载流子传输特性和稳定性的研究动态,并结合影响钙钛矿量子点稳定性的因素,总结了提高钙钛矿量子点材料稳定性的主要策略,如修饰疏水配体、构建半导体/钙钛矿量子点异质结、包覆聚合物、开发非铅全无机组分等,进一步为稳定、高效荧光防伪材料的开发提供参考。

关键词： 尾气废气催化材料   电池材料   永磁体   电催化材料   量子材料  

摘要： “二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”是中国对国际社会的庄重承诺。材料是实现碳减排技术的重要物质基础。通过介绍多尺度稀土新材料在能源存储、废气/尾气催化、电催化、永磁电机等领域应用的最新研究进展,分析了多尺度稀土新材料在攻坚双碳目标中发挥的作用。稀土是重要的“工业维生素”,着重介绍了稀土在原子离子、纳米微米、体块等尺度上对功能材料展现的独特作用。在量子材料方面,分析了稀土强关联固态电解质、稀土超导材料及稀土阻挫材料的最新研究进展。希望新型稀土功能材料的开发在减少碳排放方面起到促进作用。

关键词： 量子调控   分子器件   自组装单分子膜   量子输运   硅电极   零偏压电导   电子透射谱  

摘要： 为揭示硅-硫分子结的微观结构与电学输运性质的依赖关系,基于密度泛函理论结合非平衡格林函数方法,研究硅-1,6-己二硫醇-硅分子器件的结构及电子输运性质,分析该器件的零偏压电导以及电子透射谱.采用Gaussian 16软件包优化硅-1,6-己二硫醇-硅的原子团簇结构,从中选取8组稳定的原子团簇结构构建了分子结模型,再用VASP软件对分子结进行结构优化,计算了分子结的零偏压电导及电子透射谱.结果表明,硅-硫分子结与基于金属电极所构建的金-硫分子结存在显著不同,硅-硫分子结的微观结构对其电学输运性质有至关重要的影响硅-硫分子结的微观结构对零偏压电导及透射谱等电输运性质有重要影响.研究结果可为理解基于硅-1,6-己二硫醇-硅分子器件的自组装单分子膜的结构和性质提供参考.

关键词： 上转换发光材料   量子点   复合材料   荧光共振能量传递   稀土  

摘要： 稀土上转换发光材料是一种采用近红外光连续激发的光致发光材料,具有稳定性好、发射带窄、穿透性强、毒性低等显著特点,已成为当前很多领域乃至交叉学科的研究热点。近年来,随着对上转换发光材料研究的不断深入,为了优化上转换发光材料的性能及利用其特性开拓新的应用领域,国内外研究者已逐渐将研究重点从单一材料转向复合材料。结合本课题组在稀土上转换发光材料/量子点复合材料的研究工作,本文综述了近年来上转换发光材料与量子点复合材料的研究进展及应用,并对未来发展前景和面临挑战进行了展望。

关键词： perovskite quantum dots   2D ultrathin nanosheets   photocatalysis   CsPbBr3   g-C3N4  

摘要： Metal-halide perovskite quantum dots (QDs) have emerged as a potential photocatalyst owing to their remarkable optoelectronic properties. However, the poor stability and insufficient charge transportation efficiency of this type of materials hindered their applications in the photocatalysis field. Herein, we decorated CsPbBr3 QDs on two-dimensional (2D) ultrathin g-C3N4 (UCN) nanosheets to develop a 0D/2D CsPbBr3/UCN composite photocatalyst. The introduction of UCN can not only improve the stability of CsPbBr3 QDs by passivating the surface ligands of CsPbBr3 QDs, but also facilitate the charge transfer due to the suited band gap alignment. Consequently, the obtained CsPbBr3/UCN heterostructure exhibited superior photocatalytic performance to both pristine CsPbBr3 QDs and UCN. This work has provided an efficient strategy for the design of CsPbX3-based heterostructure with high stability and photocatalytic activity.

关键词： 量子材料   局域精细电子结构   角分辨光电子能谱  

摘要： 为了深入了解材料体系中奇异宏观现象的机理(如强关联材料的相分离现象、二维材料的层数依赖性质,以及转角石墨烯的超导电性等),需要发展具有较高空间分辨率的局域电子结构探测技术.微区角分辨光电子能谱通过缩小传统角分辨光电子能谱的入射光斑尺寸,能够实现亚微米级的实空间分辨率,从而探测空间不均匀材料体系的精细电子结构.本文从微区角分辨光电子能谱的基本原理出发,介绍了清华大学针对实验设备的设计和搭建工作,并探究了铁基超导体K_(x)Fe_(2-y)Se_(2)的电子相分离现象和反铁磁拓朴绝缘体MnBi_(2)Te_(4)/Bi_(2)Te_(3)超晶格体系的表面态电子结构.

关键词： 石墨烯量子点   分离膜   纳米复合膜   混合基质膜   表面改性  

摘要： 在传统分离膜中引入纳米材料,有望解决选择性与渗透性之间存在的Trade-off效应、膜污染、化学稳定性等关键共性技术难题。零维石墨烯量子点(GQDs)纳米材料具有尺寸小、比表面积大、亲水性强等突出优点,在分离膜材料领域具有潜在的应用前景。本文归纳了基于界面聚合、相转化、表面改性等常规制膜方法,将GQDs或改性GQDs引入活性层(表层)、中间层或支撑层(亚层)等膜基质中,实现调控与优化分离膜结构与性能的最新研究进展。探讨了GQDs与改性GQDs对界面聚合“反应-扩散”过程、铸膜液热力学与相转化动力学过程以及层状膜层间距的影响机制,并阐述了引入GQDs或改性GQDs赋予分离膜抑菌、自清洁、荧光检测等新功能的原因。最后,展望了基于GQDs开发新型膜材料所面临的机遇和挑战。