关键词： 重费米子   近藤效应   磁性相变   磁性拓扑  

摘要： 由于电子间库仑相互作用的存在,关联材料含有十分丰富的多体物理效应和量子物态,如高温超导、莫特绝缘体、重费米子和非费米液体等,是凝聚态物理学重要的研究对象。此外,一些关联电子材料还表现出拓扑物态。多体效应和拓扑物态的结合演生出了一些有趣的量子材料体系,比如近藤拓扑绝缘体等。稀土基金属间化合物由于其4f电子与传导电子之间的杂化作用而表现出强关联效应,展现出上述诸多奇异物性,是一类传统的关联量子材料。以探索新型稀土基关联量子材料为目标,着眼于晶格维度、载流子浓度以及能带拓扑性对关联量子物态的影响,本论文主要针对以下三类材料体系进行了探索和研究:(一)准一维近藤格子化合物CeAu2In4;(二)重费米子半金属CeCuAs2;以及(三)潜在的铁磁拓扑半金属PrAlSi。所取得的主要研究结果如下:一、通过前期调研,我们发现CeAu2In4是一个新的准一维近藤格子化合物的备选材料。我们用In作助熔剂合成了该化合物的针状单晶样品。通过结构、磁性、电输运以及比热的极低温测量,发现该材料在0.9 K发生反铁磁相变,电子比热系数γ高达369 mJ mol-1 K-2,且比热相变峰明显偏离平均场理论预测的λ形状。CeAu2In4的近藤温度为1.1 K,和磁有序温度相当。虽然该材料在磁有序相内表现出费米液体行为,但是它的Kadowaki-Woods 比值仅为常规重费米子材料的十分之一左右。类似现象在典型的准一维材料YbNi4P2和CeRh6Ge4中也被观察到。综合考虑以上物性,以及沿着针状方向的最近邻Ce-Ce原子间距,我们推测CeAu2In4是一个具有强量子涨落效应的新型准一维近藤格子化合物,适合于深入开展量子临界行为研究。二、探索具有低载流子浓度的近藤化合物对研究近藤半金属行为,以及理解欠近藤屏蔽效应下的异常物性都具有重要意义。以往对于CeCuAs2多晶数据的报道显示该材料可能是一个低载流子浓度近藤体系。我们用Bi作助熔剂法以及固态反应法合成了 CeCuAs2的单晶样品。详细的电阻率、霍尔效应、磁化率和比热测量表明用Bi助熔剂法合成的CeCuAs2是一个重费米子半金属,在7.9 K发生反铁磁相变。而用固态反应法合成的样品具有类似半导体的行为,在低温磁化率和比热曲线上表现出奇异的短程磁关联特征。单晶X射线衍射结构解析表明金属行为的样品具有符合化学计量比的HfCuSi2结构,而类似半导体行为的样品则是Cu稍微过量,填充在HfCuSi2结构的“2c”对称位置上。以上结果表明CeCuAs2是一个敏感的低载流子浓度近藤体系,适合于研究载流子浓度对近藤效应的影响。我们正在摸索如何精确调控Cu含量并生长高质量的CeCuAs2单晶,期待实现从近藤半金属到半导体的连续精确调控。三、理论研究显示PrAlSi是一个潜在的铁磁外尔半金属,是研究f电子磁性和拓扑能带相关性的理想体系。我们用Al作助熔剂合成了 PrAlSi单晶样品并全面研究了它的结构、磁性、电输运以及热力学性质。测量结果显示PrAlSi在T=17.8 K发生铁磁相变,但在更低的温度下连续发生两次微弱的再入型相变,表现出自旋玻璃行为。该材料中的自旋玻璃行为可以被0.4 T左右的小磁场抑制,在更高磁场下,表现出巨大的反常霍尔电导率(2000Ω-1cm-1)以及随温度强烈变化的SdH量子振荡,振荡频率从25K时的18T上升至2 K时的33 T。有趣的是,在同样的温区和磁场范围内,非磁性参考化合物LaAlSi并没有观察到量子振荡。以上结果说明PrAlSi中产生量子振荡的小费米口袋与其磁有序状态密切相关。此外,由于PrAlSi在低温下具有复杂的磁性相以及和磁有序温度相当的晶体场劈裂,该化合物在居里温度附近表现出被晶体场效应增强的巨大磁热效应,磁场沿c轴时的最大磁熵变-ΔSM达到22.6J/kg K(5T),具有一定的应用研究意义。

关键词： 拓扑相   Majorana费米子   非厄米系统   AB效应   输运性质  

摘要： 近十几年,对于材料的拓扑性质的探究成为了凝聚态领域最炙手可热的研究方向.同普通的绝缘体一样,拓扑材料的导带和价带之间亦存在绝缘的带隙.然而,在二维拓扑材料的边界却存在可以导通电子的边缘态.这种受拓扑保护的边缘态具有鲁棒性,对存在于系统中的杂质天然免疫.在厄米体系中,边缘态的数目及输运方向是由其体态的哈密顿量所描述的拓扑不变量来决定的,这种性质称之为体态-边界态的对应性.通过量子输运信号,可以精确的观测到这种不被杂质散射的边缘态.时至今日,对拓扑相的研究被广泛的扩展到凝聚态物理的其它分支,例如:拓扑超导体、拓扑量子计算、拓扑光学及非厄米系统等等.在本论文中,我们利用非平衡格林函数的方法探究拓扑超导体、非厄米量子环和非厄米扩展的Kitaev模型的量子输运性质.(1)我们在理论上数值计算了由磁性拓扑绝缘体和超导体耦合的异质结的输运性质(例如:电子隧穿和Andreev反射).利用相图来阐述具有不同Majorana边缘态的拓扑相.当两个超导体通过近邻效应与磁性拓扑绝缘体的上下表面耦合时,磁性拓扑绝缘体产生拓扑量子相变,由量子反常霍尔相变为量子自旋霍尔相,此过程将会在拓扑超导体的边界诱导出具有chiral和helical共存的Majorana边缘态.这种Chern数N=±1的拓扑相最为突出的性质是:电子隧穿系数为5/4,而其他的散射过程所对应的系数为1/4.当超导体与非磁性拓扑绝缘体近邻耦合时,通过调节化学势,我们发现了完美的电子隧穿和完美的交叉Andreev反射系数交替出现;(2)我们调研了具有反厄米相互作用项的非厄米量子环的拓扑性质、能谱及持续电流.当反厄米相互作用项存在于量子环的原胞内部时,会在量子环的内部有效地诱导出合成规范场.规范场所产生的磁通量穿过量子环会产生AB效应.当量子环处在拓扑相时,系统的能带具有实数带隙,并且在环中有虚数的持续电流;当量子环处在拓扑平庸相时,系统的能带具有虚数的带隙,在环中有实数的持续电流.最后,我们计算了非厄米环与两个半无限长导线相连接时的电子输运性质.通过计算,我们发现电子的隧穿系数随着合成磁场呈现出AB振荡的性质;(3)我们提出了一个非厄米扩展的Kitaev链,扩展的Kitaev链中的电子和空穴之间的反厄米的相互作用可以产生非厄米趋肤效应.非厄米Kitaev模型中的两个拓扑相可以由系统的缠绕数定义.当系统处于拓扑平庸相时,Kitaev链具有受PT对称性保护的实数的本征能谱,并且系统的所有体态局域在链的一端.当系统处于拓扑非平庸相时,Kitaev链的PT对称性自发破缺,链的一端不仅存在局域的边界模,而且在链的两端还存在着Majorana零能模.通过量子输运性质,我们发现电子隧穿现象能够探测在Kitaev链中单向放大的趋肤模,同时Andreev反射系数能够提供在链边界处的Majorana零能模的输运信号.

关键词： 重费米子   铁磁量子临界点   量子临界涨落   非费米液体行为  

摘要： 重费米子体系的物理基态可以被多种非热力学手段调控(外加磁场、化学掺杂、施加压力等);经调控后,有些材料甚至能达到量子临界点;在量子临界点附近,材料又往往会表现出诸如非常规超导、非费米液体行为等许多新奇的物理性质,因此重费米子材料也成为了探索和研究量子临界行为的重要平台。然而不同于反铁磁量子临界点的丰富性,几十年来被发现的铁磁量子临界点寥寥无几。最近,我们实验室首次在纯净的铁磁重费米子化合物CeRh6Ge4中观察到了压致铁磁量子相变,且在量子临界点附近能发现奇异金属行为,为研究铁磁量子临界现象开辟了新的方向。为了进一步研究CeRh6Ge4中铁磁量子相变的起源以及相关临界行为,本文选择对不同原子位置进行元素替换,研究化学掺杂诱导的量子相变的相关性质。采用电弧熔炼法,我们成功制备了 Ce(Rh1-Nix)6Ge4(x≤0.20)的多晶样品,通过多种物性测量,我们发现,随着Ni掺杂浓度的增加,体系受化学正压影响,晶格被压缩,铁磁序被抑制。此外,Ni/Rh替换所引入的无序效应很强,它一方面破坏了体系中磁性子晶格的周期性,使之无法形成近藤晶格,另一方面也使体系在x=0.20时,表现出了与Griffiths-phase模型相一致的非费米液体行为:比热系数C/T～T-1+λc,磁化率χ～T-1+λx,且λc,λχ<1。对CeRh6Ge4而言,非磁性元素La的掺杂会稀释体系中的4f电子,从而能够调控RKKY相互作用、Kondo效应以及二者之间的竞争。我们分别使用了电弧熔炼法和助熔剂法制备得到了LaxCe1-xRh6Ge4的多晶和单晶样品,基本实现了由0到100%的La掺杂浓度分布。对样品的测量结果表明,La掺杂扩大了LaxCe1-xRh6Ge4的晶格,并且对体系的近藤晶格起到了稀释作用。它们的联合效应一方面使体系从相干的近藤晶格体系演变为近藤杂质体系,另一方面也抑制了体系的长程磁有序,并使体系在相当大的浓度范围内表现出非费米液体行为。其中0.52 ≤ x≤0.66时的非费米液体行为与无序近藤模型吻合;而在xc≈ 0.26时的则符合奇异金属行为,即ρ(T)～T,C/T～log(1/T),说明了体系在此时正经历着很强的量子临界涨落。

关键词： 铜基复合材料   碳量子点(CQD)   强化机制   界面结合  

摘要： 在铜基复合材料中,由于其增强体（碳纳米管、石墨烯）与铜基体润湿性较差,在与铜基复合材料复合时极易发生无法均匀分散引起团聚现象,造成界面结合能力差,使其对铜基复合材料的力学强化效果不明显或者造成更大的缺陷,明显未能达到起初实验设计要求;不仅如此,弱的结合界面形成电子势垒、电子散射,严重影响铜基复合材料的电学性能。虽然研究工作者们一直研发新的工艺去改善碳纳米材料在金属基中存在的这些问题,但始终没有合适的方法在根本上解决这些问题。为此,本文探寻了一种新的碳纳米材料研究其对增强铜基复合材料的可行性,并对新的碳纳米材料——碳量子点（CQD）的微观结构、物相组成进行了一定分析研究;以CQD为增强体,对CQD/Cu复合材料和CQD/Cu-Ti合金复合材料的制备、界面结构、性能和增强机制进行了研究。实验结果表明:（1）通过一步水热法制备了以柠檬酸和乙二胺为前驱体的CQD,其粒径在0.24 nm左右;在室温下中表现出长期的均匀性,没有明显聚合沉淀现象。对CQD进行了物相分析和微观表征发现CQD核心主要由sp2杂化碳原子组成,表面存在各种亲水性官能团（如羟基、氨基、羧基）。这使得CQD能够为与铜基粉末复合过程中提供结合位点,使这些基团易与铜产生化学反应,生成Cu-O-C键,从而改善碳与铜基体润湿性较差的问题。随着水热反应温度逐渐升高,含氧官能团逐步分解,类聚合物碳点发生碳化,CQD晶格常数变大,具有结晶性的碳含量增多,在后续与Cu-Ti合金结合的过程中,更易生成第二相产物——碳化物。形成了新的界面,进而提高铜基复合材料的界面结合强度,使其力学性能得以提高。（2）通过了分子级共混法制备了CQD/Cu2O复合材料粉末,CQD均匀分在在铜基体中,并形成化学键Cu-O-C将CQD和铜基体牢固的结合在一起,有效的改善了界面结合能力,并形成了半共格界面。结果表明,CQD/Cu复合材料和CQD/Cu-Ti合金复合材料的抗拉强度（UTS）和屈服强度（YS）均有很大程度的提高,当CQD含量为0.4 wt.%时,CQD/Cu复合材料的UTS为271 MPa,比相同方法制备的纯铜样品提高了约31%;电导率达到了94.8 IACS%,与相同条件下制备的纯铜的电导率96.6 IACS%非常接近。而CQD/Cu-Ti合金复合材料的UTS和YS分别达到了407 MPa、350 MPa。在CQD含量为0.2 wt.%时,复合材料表现出较好的延伸率,均比其他质量分数CQD的复合材料要高出许多,其中,0.2 wt.%CQD/Cu的延伸率（EL）为37.3%;0.2 wt.%CQD/Cu-Ti的EL为34.9%,比纯Cu/Cu-Ti合金复合材料的EL还高出2.3倍。（3）通过对CQD增强铜基复合材料的强化机理进行分析发现,当CQD质量分数≤0.2 wt.%时,在CQD/Cu-Ti合金复合材料中生成的Ti C较少,强化机制和CQD/Cu复合材料相似,主要通过铜和碳原子的共价键Cu-O-C键增强碳与金属之间键合的形式来改善了铜基体与碳之间的界面结合能力和载荷转移效率;其次,通过细晶强化的协同作用,使得CQD/Cu复合材料的力学性能显著提高,其延伸率最为明显。当CQD质量分数>0.2 wt.%时,CQD与Cu-Ti合金反应生成了大量的Ti C。通过对碳化物的演变机理的研究,细晶强化、位错强化、奥罗万强化是CQD/Cu-Ti合金复合材料的主要强化机制,其理论计算得到了三种计算抗拉强度分别为10.4 MPa,42.8 MPa和53.7 MPa。这与实际的数值较为接近。

关键词： 石墨烯   量子反常霍尔效应   高阶拓扑相   拓扑受限量子点   磁光法拉第效应   摩尔晶格重构   零线模式   量子输运  

摘要： 在人类认识自然和改造大自然的漫长而不断的尝试过程中,物质的存在方式和运动形式是科学研究的两个永恒的、基础的又相互交织的主题,后者正如亚里士多德所言“不知运动者不知自然”①。除了广义相对论和黎曼几何外,量子物相中具有数学意义上的拓扑非平庸性的确认是物理学与数学相结合的又一重大成就②。比如,量子霍尔效应、量子反常霍尔效应和量子自旋霍尔效应等,都是对应具有非平凡拓扑结构的布洛赫纤维丛的物质量子态的典型。此外,包括拓扑鲁棒性在内,那些拓扑量子物相之间、拓扑量子物相与其他物相之间如何彼此相互作用的情况尚未完全研究透彻。因此,上述两个主题仍然值得投入持续的研究努力。在本博士论文中,作者介绍了他在博士期间的四项工作,试图扩展如下课题的知识边界:关于新的拓扑非平庸物相如何成型(在前两个工作中)以及它们的同类如何参与量子输运过程(在后两个工作中),而量子输运是物质量子态之间相互作用的一种具体体现形式。第一部分工作的亮点在于(i)双层石墨烯体系中的可出现的高陈数量子反常霍尔效应相与极大丰富的拓扑相图,和(ii)带面内磁化的单层石墨烯体系中可以存在具有可调控性的二阶拓扑态。第一个工作从已知的带有能谷陈数(CK,CK,)=±(2,2)的量子反常霍尔效应相和带有能谷陈数(CK,CK,)=(±2,(?)2)的量子能谷霍尔效应相出发,陈数高达C=±7的新量子反常霍尔效应相被发现可以存在于考虑了层间次近邻量子跃迁的Bernal堆叠双层石墨烯体系中。这个新的拓扑相来自于由后者导致的能带三角翘曲效应引发于远离布里渊区高对称点(K和K’点)的、同时伴随陈数改变量为三(ΔC=±3)的拓扑相变。不仅如此,这样的拓扑相变还导致了带有各种能谷陈数的其他拓扑相的出现,其中一些是具有能谷极化的陈绝缘体,而另一些是则是量子能谷霍尔效应。这些发现一方面很大地丰富了在M⊥-U相空间中原有的“象限平分”拓扑相图,另一方面也表明拓扑相变并不一定只发生在布里渊区中的高对称点处。并且也可以合理地期望,这种发生在偏离高对称点的拓扑相变也可能出现在具有相同机制三角翘曲的范德瓦尔斯层状材料中,比如硅烯和过渡金属二硫族化合物。基于之前的研究工作给出的第一印象,如果体系有一个由磁化打开的体能隙且在能隙附近能带呈现出一个可能蕴含能带反转的“VW”形状,那么多半这个体系已经处于量子反常霍尔效应相之中。但是在这第二个工作中,受启发于单层石墨烯/铁酸鉍(BiFeO3)体系的第一性原理研究结果,作者使用Slater-Koster多原子轨道方法建立起的带面内磁化的单层石墨烯紧束缚模型否定了此前述经验规则。因为结果表明当面内磁化能大于子晶格电势能差M‖>U,体系只能给出一个零陈数的体能隙。但是,这个零陈数的体能隙并不一定就是拓扑平庸的。这一论断得到了体瓦尼尔中心演化的无间隙行为和非零镜面Zak相位的双重支持。对于降低维度的对应体系,由于缺乏粒子-空穴对称性,一维锯齿边界纳米条带的拓扑边界态在体能隙窗口外打开了一个能隙,这个边界态打开能隙的位置可以通过改变边界原子的在位能调整至体能隙窗口之内。这个对边界原子在位能的改变是一个不改变体系拓扑性质的同伦变换。在这个位于体能隙窗口中的拓扑边界态能隙中,对应锯齿边界的菱形有限大体系给出两对分别简并的非零能拓扑角落态,虽然它们主要都是由pz原子轨道贡献,但是其中一对拓扑角落态主要分布在菱形的两个钝角上,而另一对拓扑角落态则分布于菱形的两个锐角上。这些结果表明,以pz原子轨道为主要贡献的石墨烯中的二阶拓扑绝缘态,可以表现为菱形有限大体系中的两对简并拓扑角落态,并且体系中由粒子-空穴非对称性带来的负面效应可以由体系外部的一种简单调控手段加以抵消。第二部分的主要内容是(i)基于石墨烯体系的低能有效连续模型,在拓扑受限的圆形陈绝缘体量子点体系中,研究了主要由手征边界态之间光激发量子跃迁贡献的动态电导率的特性行为,和在法拉第效应中的体现;和(ii)在公度可控小转角双层石墨烯体系中,研究了摩尔晶格重构促成的拓扑畴壁的形成、拓扑零线模式形成,和后者在一个典型的三交叉六端口输运器件中的量子输运性质,包括遵循赝自旋守恒的流分配律和量子化的总透射系数,以及外加磁场的影响。第三个工作基于从理论上研究了受拓扑边界条件限制的呈圆形几何构型的量子反常霍尔效应绝缘体量子点体系中的动态响应和有限尺寸效应。该工作解出了体系本征波函数和本征能量的解析的和数值的结果;接着得到了体系的以入射光能量(频率)为函数的纵向和霍尔动态电导率。其中主要贡献来自于一对手征边界态之间的光激发量子跃迁,该动态霍尔电导率的实部在体能隙内部和外部都呈现一个平台取值。这表明,无限质量边界条件把动态霍尔电导率(特别是低能区域附近)的实部平台取值从众所周知的扩展体系的半个电导量子σxy=e2/(2h)变成了有限体系的一个电导量子σxy=e2

关键词： 光电化学传感器   金属有机框架衍生多孔二氧化钛   硒化镉量子点   汞离子  

摘要： 以多孔二氧化钛-硒化镉量子点（M-TiO2-CdSe QDs）复合材料为基础,制备了一种新颖、简单的光电化学（PEC）传感器用于Hg2+的超灵敏检测。采用场发射扫描电子显微镜（SEM）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）、 X射线粉末衍射仪（XRD）、 X射线光电子能谱（XPS）、紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）、光致发光（PL）光谱和红外光谱对材料的形貌和结构进行了表征,采用电流-时间法（i-t）和电化学阻抗谱技术（EIS）对传感器的性能进行了研究。结果表明,制备的M-TiO2不仅保留了MIL-125（Ti）原有的形貌和结构,而且具有更丰富的孔结构和良好的性能。与M-TiO2相比,M-TiO2-CdSe QDs复合材料表现出优异的PEC性能,其光电流强度提高了2倍。基于Hg2+对M-TiO2-CdSe QDs PEC体系光电流强度的选择性抑制作用,构建了一种用于测定Hg2+浓度的新型PEC传感器,其线性响应范围为0.005～5 nmol/L,检出限为4.2 pmol/L （S/N=3）。此传感器具有良好的选择性和较高的稳定性。对M-TiO2-CdSe QDs PEC体系的检测机理进行了探讨。将传感器分别用于对邕江水、自来水以及桶装水进行分析,加标回收率在96%～110%之间。

关键词： 光生电流效应   偏振光   光电流   黑磷   镍   自旋流   光电探测   量子输运  

摘要： 光生电流效应产生于具有非空间反演对称的材料中,在偏振光的照射下可产生恒定的直流光电流,无需外加偏压或pn结内建电场,且产生的光电流依赖于光的偏振态,因此光生电流效应可作为一种无源且高偏振敏感的光电探测机理。此外,光生电流效应还可激发远大于半导体材料带隙的开路电压,在太阳能电池领域具有应用潜力。但目前光生电流效应所产生的光电流通常较小,导致光电转换效率偏低,光响应率低,从而严重限制了其实际应用。本论文针对上述问题,采用非平衡态格林函数方法结合第一性原理计算研究了镍-黑磷-镍光电探测器的光生电流效应,主要探讨力学应变对光生电流效应的调控机理,获得提高光电流的方法。研究发现镍/黑磷界面破坏了单层黑磷的反演对称,激发了光生电流效应,在偏振光的照射下可产生恒定的光电流。本文引入衡量器件“非对称性”的因子,发现光电流与器件非对称性成线性依赖关系,而与材料的吸收系数成非线性关系。研究表明,对黑磷沿电流输运方向进行适度的单轴拉伸,可将光电流提高3个数量级;若对黑磷进行一定程度的弯曲,可进一步增大光电流。其原因是拉伸和弯曲都显著提高了器件的非对称性,从而极大地提高了光电流。这一结果表明,光生电流效应主要由器件的非对称性决定,光吸收系数起次要作用。本文的结果揭示了输运过程中光生电流效应与器件的非对称性和光吸收的关系,提出了增强光生电流效应的方法并阐明了相关机理。本文还研究了光电流的自旋极化率,发现在一定的偏振角度下可得到完全(百分之百)自旋极化的光电流,在某些偏振角度下还可得到纯自旋流。施加拉伸应变或弯曲可在更宽泛的可见光频域内获得完全自旋极化的光电流,还可获得纯自旋流。本文提出了施加应力增强二维光电器件中光生电流效应的方法,获得完全自旋极化的光电流及纯自旋流,并阐明了内在机理,展示了光生电流效应在低能耗二维柔性光电器件中的应用潜力,研究结果可为相关实验提供理论参考。

关键词： 二维材料   纳米电子器件   第一性原理计算   量子输运  

摘要： 纳米科学因其在纳米电子器件的研究中追求微型化、便捷式、低能耗等,近年来一直吸引着广大研究者在理论和实验上突破一个个极限。特别是2004年,英国曼彻斯特大学的两位著名物理学家康斯坦丁·诺沃肖洛夫以及安德烈·海姆在实验上通过撕胶带的方法首次成功地从石墨中剥离出了石墨烯样品,两人也因此获得了2010年的诺贝尔物理学奖。石墨烯的成功制备打开了二维材料研究的大门。近年来,越来越多的新型二维材料被发掘探索,它们因其各自独特的性质被广泛的应用在纳米电子器件的研究制备中,比如,场效应晶体管、传感器、存储器、自旋阀、自旋二极管、自旋光电流发生器等。本文基于非平衡格林函数和密度泛函理论相结合的第一性原理计算方法(NEGF-DFT)研究了基于黑磷的纳米电子器件以及基于二维碳材料的自旋电子器件的量子输运特性。其中门电压是本文相关纳米电子器件的量子输运特性研究中最重要的调控手段,此外还有偏压、光照等调控手段。本论文的主要研究内容以及创新点:(1)基于多层黑磷的新型易失性存储器件的量子输运特性研究。利用多层黑磷在外加垂直电压作用下诱导的巨斯塔克效应使得黑磷由半导体逐渐转变为金属的特性,构造了两电极施加垂直于黑磷层面的电压(创新点)而中心散射区不加电压的纯黑磷的两端口金属-半导体-金属结构模型。而外加垂直电压使得电极区的态密度主要分布在多层黑磷的上层或者下层,通过调节两电极的符号实现了黑磷的层间隧穿和层内隧穿,由于多层黑磷的层间相互作用,使得层间隧穿比层内隧穿困难,因而可以将其看成电路的关断和导通两个状态,实现了易失性存储的特性。在之字形(zigzag)方向的结构研究中,最大相对隧穿电阻可达5000%。(2)基于多层黑磷-镍的自旋电子器件的量子输运特性研究。利用多层黑磷在外加电压作用下诱导的巨斯塔克效应取代了以往自旋电子器件研究中外加电压诱导的自旋轨道耦合作用(创新点),研究了基于多层黑磷-镍(100)的自旋电子器件的自旋相关输运性质。在线性响应区,体系在两电极磁化方向平行和反平行的结构下的自旋极化率分别在0.0181%-73.2%和0.0077%-62.84%范围内变化。而在非平衡状态下,偏压和门电压都可以用来调控体系的自旋极化。并且在小偏压0.01 V时,两电极磁化方向平行的结构下,自旋向上和自旋向下成分的电流开/关比率分别为6761和5828。(3)基于石墨炔纳米带的自旋二极管器件的量子输运特性研究。在zigzag 6,6,12-石墨炔纳米带和γ-石墨炔纳米带组成的横向异质结结构中,通过调节两电极的磁化方向可以得到磁化方向平行(parallel configuration,PC)和反平行(anti-parallel configuration,APC)的结构。研究发现,在一定的偏压范围内,APC可以产生双自旋过滤的效应,而PC在相应的偏压范围内自旋极化率几乎为0,使得在低偏压范围内可以获得较大的磁阻。最后通过在异质结界面处施加垂直电压,发现PC中也可以产生双自旋过滤的效应。(4)基于石墨烯纳米带的自旋光电流发生器的量子输运特性研究。利用光伽凡尼效应(Photogalvanic effect,PGE)在纯的zigzag石墨烯纳米带结构中产生了自旋光电流(创新点)。该方法通过调节施加在器件两电极上电压的符号,可以产生符号相反的纯自旋光电流和不同自旋成分的全自旋极化光电流。此外,光子能量、偏振光的偏振角以及入射角、纳米带的带宽都可以用来有效地调节自旋光电流的产生。与之前利用铁磁材料将自旋注入到石墨烯的方法比较,我们提出的方法避免了不同材料与石墨烯接触造成界面处的自旋相关散射,可以无损耗的将自旋注入到石墨烯基的自旋电子器件中(创新点)。

关键词： 光催化材料   石墨烯   氧化钨量子点   氧化钛   制备工艺  

摘要： 石墨烯/氧化钛(GO/TiO2)是最有工业化应用前景的光催化材料，但在水处理中仍面临着光催化效率低和稳定性差，以及粉末样品在水中难分离和回收，造成水体二次污染和增加废水处理成本等问题。　　为了获得效率高、稳定好、可回收可见光响应GO/TiO2复合材料，首先利用简单的机械剪切法制备了氧化钨量子点(WO3QDs)，并通过溶胶凝胶法制备了可见光响应的GO/WO3QDs/TiO2(GWT)催化材料;再将其负载在多孔氧化硅微球(SiO2)表面，获得易回收的GO/WO3QDs/TiO2微球催化材料，再通过表面处理，将花状GO/WO3QDs/TiO2微球装饰在碳纤维布上，最终获得光催化效率高、稳定好的GO/WO3QDs/TiO2柔性催化材料。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、光电子能谱(XPS)、荧光光谱(PL)、紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis）、拉曼光谱(Raman)、循环伏安曲线(CV)和交流阻抗(EIS)等对样品的形貌和结构进行了表征，分析WO3QDs增强GO/TiO2的光催化性能机制和复合材料的催化稳定性。主要的研究结果如下:　　(1)采用溶胶-凝胶法制备了GWT催化材料，并探究了其制备工艺。实验结果表明，含有15mLWO3QDs溶液的样品表现出最高的光催化性能。在无光的条件下，GWT催化材料在40min内能吸附溶液中全部的罗丹明B(RhB)。相较于GT样品，在可见光和紫外光的照射下，GWT都具有更高的催化活性。特别是在紫外光照射50min后，GWT对高浓度RhB(1.2×10-3mol/L)的降解率达到了66.7％。这是由于引入WO3QDs增强了GO/TiO2对可见光的吸收，降低了光生电子-空穴对的复合率，从而提高了GO/TiO2的光催化活性。　　(2)在水热法制备海胆状多孔SiO2微球的基础上，采用共沉淀法制备将GWT催化材料负载在SiO2微球表面，获得GO/WO3QDs/TiO2@SiO2(GWTS)微球催化材料。结果表明，GWTS样品为450nm左右的微球，GWT成功的包裹在海胆状SiO2微球表面上。获得的催化材料在紫外光照射下50min内能去除全部的RhB，太阳光照射下60min内能降解全部的RhB，且经过五次循环后，GWTS催化材料仍然保持着较高的光催化活性。　　(3)通过表面处理碳纤维布，采用水热法制备了花状GO/WO3QDs/TiO2微球(FGWT)和碳纤维布/GO/WO3QDs/TiO2(CF/FGWT布)光催化材料。实验结果表明，花状GO/WO3QDs/TiO2微球紧密负载在碳纤维布上，获得了可见光响应、催化效率高的CF/FGWT柔性催化材料。当GO和WO3QDs的含量分别为0.35wt％和30wt％时，花状FGWT微球表现出最佳的光催化性能，在紫外光照射和自然太阳光照射20min内均可去除全部的RhB。另外，CF/FGWT柔性催化材料具有良好的催化活性，在自然光照射4h后对RhB的降解率达到100％。在三次实验后光催化布的质量损失仅为1.7％，保持很好的催化稳定性。

关键词： 转角石墨烯   折叠石墨烯   拓扑受限态   量子输运  

摘要： 在过去的十多年里,拓扑相的迅猛发展对凝聚态物理产生了巨大的影响。这些拓扑非平庸的能带结构引起了一系列新奇的物理现象,让人们对物质的基态有了新的理解。在有限大的拓扑系统中,由于体边对应关系而产生了金属性的边界态,这些边界态因为受到拓扑保护而对杂质散射有良好的鲁棒性,让利用拓扑边界态来设计低能耗的电子输运器件成为可能。石墨烯由于其晶格结构简单,而蕴涵的物理却极其丰富,让其成为设计拓扑电子器件的热门材料。石墨烯的电子能带具有狄拉克型的线性色散关系,其内禀自旋轨道耦合作用非常小,所以很难通过电子自旋自由度来打开拓扑能隙,而导带和价带的相接使得一对能量简并的能谷分布在布里渊区的角落中,由于能谷在动量空间中相隔较远,所以不容易发生谷间的散射,因此谷自由度可以像自旋一样被应用到电子器件中。当破坏石墨烯体系的空间反演对称性,如通过衬底在单层石墨烯中引入破坏子晶格对称性的格点势,或者在AB堆叠的石墨烯系统中通过施加垂直电场,都可以在石墨烯中打开能隙,在能隙中不同能谷处具有相反的贝利曲率分布,量子谷霍尔效应随之产生,可以用拓扑不变量谷陈数来进行标记。当空间中相邻两块区域具有相反的谷陈数时,在两块区域相接的畴壁上将产生拓扑受限态,具有不同能谷信息的电子将在该通道中反向传播。基于谷拓扑的拓扑受限态并不依赖于自旋或磁性,而且可以直接通过外加电极实现,所以让拓扑态器件化的难度降低。较早在石墨烯中主要有两种方法实现拓扑受限态,第一种是通过生长含有线缺陷的双层石墨烯,但线缺陷的产生具有随机性,不易于调控;第二种是通过在AB堆叠双层石墨烯中设置两对相互独立的电极,但要求电极在石墨烯的层间和层内严格对齐,所以器件的制备较为困难。本论文的核心就是基于石墨烯中的拓扑受限态来设计更可行的低能耗拓扑量子器件。因为我们的目标是将拓扑受限态器件化,所以对器件中电子输运的计算将是我们主要的研究方法。在第二章中介绍了介观体系的电子输运器件模拟的常用方法,用紧束缚模型来构建器件的哈密顿量,用Landauer-Buttiker公式结合格林函数来计算多端口电子器件中的电导和态密度。我们的研究体系为折叠石墨烯和转角石墨烯。在第三章中,我们通过将AB堆叠的石墨烯进行折叠,设计出可以不依赖于电极对齐的拓扑受限态输运器件。通过对器件进行模拟和计算,发现在外加电场下,折叠石墨烯的弯曲部位可以实现可调控的拓扑导电通道,而且当在器件上施加一个垂直磁场时,杂质对拓扑导电通道的影响将被抑制,导电性将被提高,因此证明我们的设计方案可行。对于转角石墨烯体系,当转角逐渐减小然后趋近于0.1°时,摩尔原胞将随着转角的减小而逐渐形成三角状的AB/BA堆叠的畴,畴壁为三角形网格,当施加一个垂直的电场时,畴壁上将产生拓扑受限态网格,网格中的每一个节点为三条拓扑受限态的交叉点。在第四章中,我们研究了三条拓扑受限态交叉点处的电流分配规律,发现输入电流不仅可以被分配到近邻的通道,同时有部分电流会沿着初始入射方向向前输出。通过调节费米能级,外加磁场,器件尺寸等我们将该拓扑受限态交叉点设计为一个可以对输入电流精准分配的谷电流分流器。研究了单个网格节点后,我们在第五章中对完整拓扑受限态网格的输运特性进行了研究。我们发现拓扑网格属于半金属,在电中性点附近呈现出线性的色散关系。网格条带表现出与边界相关的输运特性,当条带边界为锯齿状时,费米能级处于电中性点时,电子输运会出现量子化的电导,而且电流会沿着网格条带的两个边缘向前传输,我们发现这个新奇的输运现象可以用来设计新型的低能耗输运器件。