摘要： A quantum computer can perform exponentially faster than its classical counterpart. It works on the principle of superposition. But due to the decoherence effect, the superposition of a quantum state gets destroyed by the interaction with the environment. It is a real challenge to completely isolate a quantum system to make it free of decoherence. This problem can be circumvented by the use of topological quantum phases of matter. These phases have quasiparticles excitations called anyons. The anyons are charge-flux composites and show exotic fractional statistics. When the order of exchange matters, then the anyons are called non-Abelian anyons. Majorana fermions in topological superconductors and quasiparticles in some quantum Hall states are non-Abelian anyons. Such topological phases of matter have a ground state degeneracy. The fusion of two or more non-Abelian anyons can result in a superposition of several anyons. The topological quantum gates are implemented by braiding and fusion of the non-Abelian anyons. The fault-tolerance is achieved through the topological degrees of freedom of anyons. Such degrees of freedom are non-local, hence inaccessible to the local perturbations. In this dissertation, we provide a comprehensive review of the fundamentals of logic design in topological quantum computing. The braid group and knot invariants in the skein theory are discussed. The physical insight behind the braiding is explained by the geometric phases and the gauge transformation. The mathematical models for the fusion and braiding are presented in terms of the category theory and the quantum deformation of the recoupling theory. The topological phases of matter are described by the topology of band structure. The wave function of quasiparticles in the quantum Hall effect and the theory of Majorana fermions in topological superconductors are also discussed. The dynamics of the charge-flux composites and their Hilbert space are expressed through the Chern-Simons th

关键词： 硼量子点   三维石墨烯   复合体系   电化学性能   锂离子电池  

摘要： 硼作为下一代高能可充电电池极具竞争力的阳极候选材料,已经引起了广泛的关注。然而,硼阳极在实际电池中的大规模应用仍然受到其电化学惰性的阻碍。因此将硼纳米片通过低温超声辅助液相剥离法制备量子尺寸的硼量子点(BQDs),并将其负载到导电石墨烯基体中,从而形成电化学性能优良的三维交联硼量子点/还原氧化石墨烯复合材料(B@r GO)是一种很好的途径。本文研究了硼量子点的制备及其光学性质的研究、硼量点/石墨烯复合材料的制备及其在锂离子电池中的应用。主要有以下两方面的的工作:(1)以高纯硼粉为硼源,硼酸和过氧化氢作为化学刻蚀剂,采用化学刻蚀与物理刻蚀相结合的方法,通过超声辅助液相剥离法在异丙醇分散剂中制备得到硼量子点。在TEM下可以看出BQDs分散均匀,平均尺寸为3.45±0.5nm,结合XRD的分析下进一步确认制得的硼量子点有表现为β相和χ相。通过AFM的分析得知,我们制得的BQDs的平均厚度为3.48±0.5nm,接着通过XPS、Raman、FT-IR、B-NMR等测试的分析下证明我们制得的BQDs的边缘形成了由C、O元素构成的一个壳层。在光学性能研究中表现出双光荧光,类似于单光子荧光,在360 nm波长光激发下出现两个发射峰,最佳发射峰位于386 nm,肩峰在401 nm。经过水合肼的耦合交联后,BQDs转变成了硼纳球衍生物(DBS),其特性取决于水合肼的浓度,在365 nm的可见光下显示三种颜色,这将扩展富含B的纳米材料的实际照明应用。(2)通过一步煅烧得到的硼量子点/石墨烯复合材料,通过研究其电化学性能,发现其表现出极大的储锂容量和优异的循环稳定性和倍率性能。结果表明硼量子点/石墨烯复合阳极在0.05 A g的电流密度下获得2651 m Ah g的超高容量,在0.1 A g的电流密度下循环500圈后依然可以保持836 m Ah g,有着优异的长循环稳定性。此外即使经历了从0.1到10 A g的5个连续电流速率仍然能在10A g下保持202 m Ah g的容量,有着优异的倍率性能。因此,硼量子点/石墨烯复合阳极在储锂容量、循环稳定性、倍率性能等方面表现出优异的锂存储性能

关键词： 硼烯   MoS2   异质结   气体传感器   量子输运  

摘要： 气体传感器在工业生产和日常生活中都有着广泛而重要的应用。近年来,随着新材料和新器件的不断涌现,各种新兴传感器也受到了人们的广泛关注和深入研究。其中,二维（2D）材料因为具有大的表面积与体积比、丰富的表面性质等独特优点,越来越多的人开始关注到2D材料,并在理论上进行设计和实验上尝试制备2D材料气体传感器。在诸多2D材料中,硼烯（B）具有优异的光学和电学性能,已有多篇理论计算文章报道了利用硼烯制备气体传感器的相关工作。然而,这些理论工作一般只涉及到硼烯或基于硼烯的垂直异质结在吸附不同气体分子时的输运性质研究,并没有考虑到金属导线对整个体系输运性质的影响。本研究课题从完整的传感器器件结构出发,构建了包含金属导线、硼烯或其垂直异质结及相关吸附分子的完整输运模型,并利用第一性原理的方法研究了气体分子、二硫化钼（MoS2）衬底和金（Au）导线对基于硼烯的气体传感器输运性质的影响。计算结果表明:（1）当B和MoS2形成异质结时,由于从钼原子到硼原子的电荷转移,钼原子在G点附近的费米能级处产生了新的能带贡献。这导致与纯硼烯气体传感器相比,B-MoS2异质结传感器的电流-电压（I-V）特性曲线在低电压区失去线性关系。（2）通过对比加入金电极前后体系的电荷转移和势能变化,发现金导线的存在会降低体系的电流。这是由于当金电极和硼烯组成异质结时会在中心散射区形成势垒,从而阻碍电子的隧穿。可见全面考虑包括导线在内的器件体系对器件设计有重要意义。（3）通过计算并分析气体传感器的灵敏度（S）可以得到:基于硼烯的气体传感器可用于检测一氧化碳（CO）、氨气（NH3）、二氧化氮（NO2）和一氧化氮（NO）气体;在小偏压下传感器对NO2气体的灵敏度最高;随着偏压的增大,传感器的灵敏度会逐渐降低。本文的研究结果不仅对基于硼烯的气体传感器的理论设计具有重要指导意义,还从物理上探讨了Au导线对硼烯输运性质的影响,这对理解金属-2D材料异质结输运性质有重要的启发价值。

关键词： 氮掺杂碳量子点   镍基催化剂   选择性加氢   卤代硝基苯  

摘要： 卤代硝基苯的选择性催化加氢反应对染料和制药工业有着重要意义。贵金属催化剂具有出色的催化活性，但同时较差的化学选择性、稀缺性、价格昂贵等极大地限制了它们的工业应用。镍基催化剂由于化学选择性高、成本低、来源丰富等优点而具有取代贵金属催化剂的巨大潜力。碳量子点由于其生物相容性和独特的光电性质，广泛应用于生物成像、化学传感、光催化和电催化等，然而碳量子点用于热催化的金属催化剂鲜有报道。因此，本文提出将碳量子点作为镍基催化剂的载体，制备了氮掺杂碳量子点与镍的复合材料，在卤代硝基苯的选择性加氢反应中取得了优异的催化性能。主要得到如下结果：　　1)以柠檬酸与乙二胺分别为碳源和氮源，采用简便的一步微波法，通过控制微波反应时间，合成了具有不同粒径和荧光性能的氮掺杂碳量子点(NCQDs)，其中4min的微波反应时间得到的NCQDs性能最好。NCQDs的还原性比较好，可以将Pd2+在不使用任何还原剂的温和条件下还原成Pd纳米粒子。　　2)以NCQDs与Ni(NO3)2为原料，通过物理混合法、化学还原法和热解法三种合成方法对NCQDs与Ni复合材料的制备进行了探究，采用对氯硝基苯的选择性加氢作为探针反应进行评价测试，其中热解法合成的复合材料的催化性能最好。　　3)NCQDs通过与Ni2+的自组装过程可以形成纳米尺度的多孔碳薄片结构，这种结构在Ni纳米粒子的抗团聚和有效催化中起着至关重要的作用。通过调节碳薄片的热解温度，可以获得以微孔为主的类石墨烯NCQDs层包裹Ni纳米粒子复合材料(Ni@NCQDs)，以及对氯硝基苯选择性加氢成对氯苯胺的优异的转化率、选择性(均为100％)和稳定性。与工业催化剂RaneyNi相比，Ni@NCQDs的选择性提高了14.4％，表明Ni@NCQDs具有取代现有工业催化剂(贵金属和RaneyNi)的潜力。Ni@NCQDs对各类硝基苯衍生物都具有出色的催化性能，可归因于Ni@NCQDs中N—Ni物种与富电子NCQDs的协同作用。　　4)与Ni@NCQDs相比，未经NCQDs制备的氮掺杂碳层包裹Ni纳米粒子(Ni/NC)的碳层较厚，Ni的含量较少，催化加氢性能较低，说明了NCQDs可以作为Ni基催化剂优良的载体，能够很好地修饰Ni纳米粒子且调节其电子分布。

关键词： 多金属氧酸盐   电化学水分解   聚离子液体   金属硫化物   还原过氧化氢  

摘要： 为了解决能源短缺问题,寻找可以用于电催化水分解析氧反应的廉价催化剂,已经成为科学界探究的热点。由于多金属氧酸盐（POMs）是一类理化性质十分优异的金属氧簇化合物,其尺寸、结构、化学组成和功能多样化,并具有可调性,其能在不改变结构的情况下在氧化态和还原态间实现相互转化,调节氧化还原电动势。因此,在分析化学、磁学、电化学和催化化学等领域都具有潜在应用价值。本论文的创新点是通过将POMs杂化进复合材料中,使其具有电化学催化性质和电分析性质,具体工作包括两个方面:1)电催化水分解性质研究。POMs具有良好的氧化还原催化活性,将含氮石墨烯量子点（N-GQDs）、钴硫化合物和POMs复合制备一种新型功能性电极用于电催化分解水,H3PW12O40(PW12),N-GQDs和钴硫化合物存在协同界面电荷转移,提高了电解水的催化效率;2)电催化过氧化氢性质研究。POMs的氧化还原催化活性还可应用于还原过氧化氢,将POMs与含磺酸季铵盐复合制成聚离子液体类电极,相比于传统的多酸电极,此类电极表面具有聚离子液体的性质,颗粒间电荷传导率提高,电极/电解液间的界面电阻降低,更能发挥其电分析活性。基于此,研究具体分为以下两部分:1.本文通过水热合成法设计一种高效含氮石墨烯量子点/磷钨十二/钴九硫八(N-GQDs/PW12/Co9S8)复合材料,在碱性介质中测试N-GQDs/PW12/Co9S8的电催化水分解析氧活性。通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、场发射扫描电子显微镜（SEM）、X-射线粉末衍射仪（XRD）、以及X-射线光电子能谱仪（XPS）等手段对N-GQDs/PW12/Co9S8复合材料的结构和组成进行表征,通过电化学工作站详细探究了N-GQDs/PW12/Co9S8的电化学性质,结果表明N-GQDs/PW12/Co9S8比其他单相及双相材料具有更高的电催化水分解析氧活性,Tafel斜率为86 m V/dec,当电流密度为10 m A/cm2时,过电势为420 m V,通过计时电流法证明N-GQDs/PW12/Co9S8具有良好的稳定性,其优异的催化性能归因于Co9S8,PW12和N-GQDs的协同界面电荷转移的特性。2.本文介绍了一种含磺酸基的季铵盐聚离子液体与多酸阴离子构成得到PMo12/PAS复合膜电极,通过FT-IR、SEM、核磁共振氢谱（1H NMR）等技术手段对PMo12/PAS复合材料进行表征。相比于传统的杂多酸及其金属盐电极,此类PMo12/PAS电极表面具有聚离子液体的性质,循环伏安图谱的结果表明,PMo12/PAS复合膜电极具有较灵敏的电流响应,并且在电催化还原H2O2方面有潜在的应用价值。

关键词： 药物输运   石墨烯量子点   抗癌药物   负载   分子动力学模拟  

摘要： 近年来,随着纳米科学技术的飞速发展,碳纳米材料在生物医药领域也得到了广泛的应用。石墨烯量子点(graphene quantum dots,GQDs)作为一种新型的准零维纳米材料,因其独特的高荧光强度、良好的生物相容性、生物可降解性以及低毒副作用而被广泛地应用于生物传感、生物成像和药物载体等生物医药领域。许多研究表明GQDs在药物靶向输送以及可控释放方面表现优异,然而,GQDs作为药物载体材料的研究目前还处于起步阶段,GQDs与不同类型的抗肿瘤药物之间的相互作用,组织微环境pH的差异性对其负载抗肿瘤药物的影响以及GQDs在药物运输中的作用机理等基础问题研究还不够深入,这些问题限制了GQDs在医药领域的实际应用。分子模拟在解释实验现象以及在实验结果的预测中都扮演着重要的角色。同时,分子动力学(molecular dynamics,MD)模拟也因计算方法的不断改进和计算机计算能力的不断升级而被广泛应用于化学、生物医药、纳米材料等领域的研究,其可在分子水平上更好地理解相关研究体系的结构与性质。本论文基于全原子力场的MD模拟,研究并探讨了GQDs与多种抗肿瘤药物在溶液中的相互作用、GQDs和壳聚糖复合物负载及释放药物阿霉素的过程以及在不同pH值下对阿霉素控释行为、以及GQDs在辅助抗癌药物进入细胞膜中的作用,从而在分子水平全面理解GQDs作为药物载体材料传递与控释抗癌药物的机理,同时,也为GQDs在生物医药领域中的应用提供了理论基础。本论文的主要研究内容及结果如下:(1)研究了不同尺寸大小、浓度的GQDs和氧化石墨烯量子点(graphene oxide quantum dots,GOQDs)与模型药物5-氟尿嘧啶(5-fluorouracil,5FU)、阿糖胞苷(cytarabine,Cyt)、脱氧腺苷(deoxyadenosine,DA)、阿霉素(doxorubicin,DOX)在水溶液中的吸附行为及相互作用的强度。模拟结果表明5FU与GQDs和GOQDs的相互作用较弱,在大部分的模拟时间内都处于脱附的状态;然而药物DOX则可在较短的时间内吸附到GQDs和GQOD表面;对于GQDs,DA较Cyt可更快地吸附到其表面,而对于GQOD,Cyt则与其相互作用更强,DA次之。当进一步增大浓度后,DA和Cyt与GQDs、GOQDs的相互作用的差异性减弱。(2)研究了不同pH值下,壳聚糖(chitosan,CS)与GQDs复合物对DOX的负载及释放,以及增大DOX浓度对其控释行为的影响。研究表明随着体系pH逐渐升高,壳聚糖链相对聚集,DOX则更易吸附在其表面,即壳聚糖可以在碱性及中性条件下很好地负载DOX。然而当体系pH较低,例如在肿瘤细胞环境时(pH=6.5),壳聚糖负载DOX的能力较弱,DOX更多地吸附到GQDs表面,即DOX可从壳聚糖-GQDs复合物中脱附,并被GQDs很好地传递至肿瘤细胞中;此外当增加DOX的浓度,可以发现DOX之间的聚集作用显著增强,从而降低了壳聚糖和GQDs对其负载的效率。(3)研究在不同分子配比情况下,不同尺寸的GQDs辅助模型药物DOX、DA进入细胞膜这一过程中的结构、动力学和热力学特性。结果表明单个DOX或DA分子在有限的MD模拟时间内难以渗透到细胞膜内,而GQD7与DOX在3:1的分子配比下,能辅助DOX分子进入到细胞膜中;GQD19与DOX在1:1的配比情况下,即可辅助此抗癌药物进入细胞膜中。而对于DA,由于其与GQDs相互作用较弱,在有限的MD模拟时间内GQDs无法辅助DA进入细胞膜。同时发现不同尺寸的GQDs及药物对于细胞膜结构的破坏很小,其潜在细胞毒性可能较低。

关键词： 电化学发光   双极电极   聚集诱导发射   钙钛矿   量子点  

摘要： 电化学发光（Electrochemiluminescence,ECL）是一种检测灵敏度高、操作成本低、应用范围广的技术,在分析检测领域内极具发展潜力。目前,ECL传感器的发光材料以钌基分子为主。随着材料科学的发展,越来越多的新型发光体展现出了卓越的ECL性能,但是一些固有缺陷,如疏水性、溶剂依赖和聚集诱导猝灭等问题,极大限制了这些材料在ECL传感方面的应用。双极电极（Bipolar Electrode,BPE）可以很好地解决这些问题,双极系统本身具有的两个分隔的空间单元,具备生物分子检测和稳定ECL产生的必要条件。因此,研究基于双极电极的电化学发光体系对进一步拓宽ECL传感的应用范围具有重要的意义。本论文通过研究新型发光体性质和双极电化学体系的特点,提出了一种适用于多种生物分子检测并同时确保稳定高效ECL响应的双极电化学发光分析检测平台,致力于将更多的新型材料应用于电化学发光并拓宽其生物分析检测的适用范围。主要工作分为以下四个部分:（1）通过一种模板辅助自组装法制备了四苯乙烯衍生物聚集体,并在乙腈溶液中观察到了ECL现象,其聚集态的ECL强度相比单体提高了近20倍。该分子作为一种新型发光体,有望在ECL传感和分析检测领域展现出更广阔的应用前景。（2）通过一种配体辅助再沉淀法合成了CsPbBr3（Quantum dots,QDs）,并在乙腈溶液中观察到了CsPbBr3 QD的ECL。通过对CsPbBr3 QD电化学和ECL的分析,提出了一种合理的ECL机理,并分别研究了溶剂极性和氧化电位对CsPbBr3 QD的ECL的影响。结果表明,在较低的氧化电位下,CsPbBr3 QD在非极性溶剂中,量子产率较高且具有良好的稳定性。（3）通过电聚合法制备了分子印迹传感器并将其作为传感端,将Ru（bpy）32+/TPr A体系作为ECL报告端,通过双极电极实现传感极和报告极的电耦合,建立闭式双极电化学发光检测平台（closed-Molecular imprinted ploymer-Bipolar Electrochemiluminescence,c-MIP-BPECL）平台应用于多巴胺的分析检测。所建立的检测平台在2.0×10-7-2.6×10-4 M和2.6-6.2×10-4 M的线性范围内具有出色的检测性能,检测限（LOD）为1.0×10-7 M。此外,该研究证明分子印迹技术可以有效提升双极体系的灵敏度和选择性,这为分子印迹和双极电化学发光的结合提供了新的研究思路。（4）通过将双极电极引入电化学发光,建立了一个基于一系列新型发光体的双极电化学发光检测平台（Closed Bipolar-Electrochemiluminescence,CBP-ECL）,该平台可以分离水性介质中对目标分子的识别体系,并在有机相中生成稳定且高强度的ECL信号。所建立的分析检测平台对H2O2进行检测,线性范围为2.0×10-5-1.2×10-2 M,检测限（LOD）为9.2×10-8 M。该研究利用闭式双极电极空间分离的结构特点构建了新型双极检测平台,这为新型发光试剂的ECL传感应用提供了新的解决思路。本论文通过合成及研究四苯乙烯衍生物、钙钛矿量子点等新型发光材料的ECL特性,在此基础上结合分子印迹技术,创新性的设计了双极电化学发光平台应用于多巴胺的检测,并进一步利用闭式双极电极的结构特征,设计了适用于两相的双极电化学发光平台,大大拓宽了ECL试剂的应用范围,对进一步开发高灵敏、高分辨和高通量的新一代分析检测仪器具有重要意义。

关键词： 碳量子点   钙钛矿量子点   发光调控   生物成像   发光二极管  

摘要： 碳量子点和钙钛矿量子点作为一种新型的、低维度的纳米材料,由于它们优异的物理与化学性能,引起了研究人员极大的兴趣,并在诸多领域具有潜在的应用价值。从合成上来讲,这两类量子点的合成原料廉价易得,合成方法简单且合成时间短;从结构上来说,碳量子点是由石墨化碳核和无定型碳构成的,其表面有很多官能团,通常呈球形,而钙钛矿量子点是立方体或八面体形状,化学通式是ABX3,其中X通常为半径较小的非金属元素,它们的粒径都很小;从性质上来看,它们具有优异的光致发光特性,其不同的表面态使得碳量子点和钙钛矿量子点具有可修饰性,并且碳量子点具有低毒性和良好的生物相容性,钙钛矿量子点的发光效率极高;从应用上来讲,碳量子点和钙钛矿量子点在生物成像、传感器、催化、发光照明、单光子光源等领域都有广泛的应用。碳量子点和钙钛矿量子点虽然有了很大的进步,但是仍然存在很多关键难题尚未解决,主要有以下几个方面:（1）它们的发光机理很复杂,目前还没有清晰、准确的解释;（2）在生物应用中,长波长发射的碳量子点备受关注,但有关于水溶性的高荧光量子产率的合成报道还较少;（3）基于钙钛矿量子点和碳量子点优异的理化特性,它们的应用领域越来越广。在碳量子点和钙钛矿量子点已有的光致发光性质之外,开发其他的性质,将使得这两类量子点在更多的领域上大发异彩。本论文对碳量子点和钙钛矿量子点的研究集中在以下的几个方面:（1）通过调节反应物的摩尔比例和反应温度,改变合成的碳量子点石墨化程度、表面态和表面官能团的含量,来到达碳量子点的光学性质的调控;（2）通过热注法合成钙钛矿量子点,实现了发射波长在整个可见光区域的调节,借鉴半导体纳米晶掺杂的概念,将其他的元素掺入到钙钛矿量子点中,引起钙钛矿量子点荧光性质的变化,并成功合成了不同发射的钙钛矿量子点;（3）探索了不同光学性质的碳量子点和钙钛矿量子点在白光LED（White light-emitting diode）、生物成像以及光热领域的应用。本论文的具体内容如下:首先,采用柠檬酸三铵和尿素作为原料,N,N-二甲基酰胺作为溶剂,以不同的摩尔比,在不同的温度下合成了一系列全彩色发射的荧光碳量子点。碳量子点的光致发光光谱覆盖了整个可见光区域,从440 nm到625 nm。通过对碳量子点光学性质和微观形貌及结构的表征,我们发现随着碳量子点石墨化程度和石墨化碳的增加,使其荧光发射峰出现红移;与此同时,随着反应温度的增加,N加速进入碳核,使得碳量子点表面态发生改变,表面态的改变同时也使得碳量子点光学带隙也发生改变,这也是碳量子点发射红移动的一个重要因素,傅里叶变换红外光谱和电子衍射能谱的结果,也证明了表面态变化是影响了碳量子点发射红移。其次,为了进一步探索调控钙钛矿量子点光学性质,我们尝试对钙钛矿量子点进行了其它元素的掺杂,期望在光学性能和电性能上有所改变,以热注入法合成钙钛矿量子点的同时,并向其中掺入锰,钠和铜等元素,得到了不同离子掺杂的钙钛矿量子点。这些元素的引入使得钙钛矿量子点的表面缺陷和能级发生变化,改善了钙钛矿量子点的光学性质。我们对未掺杂和掺杂的钙钛矿量子点进行了一系列的研究,微观形貌、结构、元素分析等手段来验证是否掺杂成功;进而对它们的光学性能和电性能进行了深入的研究。最后,为了进一步扩展碳量子点和钙钛矿量子点的应用,我们将合成的不同光学性能的碳量子点和钙钛矿量子点应用在不同的领域上。（1）我们将合成的全彩色碳量子点应用于生物成像,通过Hela细胞（人宫颈癌细胞）与碳量子点超高的生物相容性,并利用激光共聚焦显微镜观察到了碳量子点对Hela细胞完美成像且很高的生物相容性。（2）我们将全彩色碳量子点和掺杂锰离子的CsPbCl3钙钛矿量子点应用于光转换LED,通过调节碳量子点的种类和含量以及CsPbCl3钙钛矿量子和商业绿色荧光粉的比例,成功封装了白光LED,得到性能优异、显示指数高的白光二极管。（3）我们利用锰离子掺杂的CsPbCl3钙钛矿量子点的双发光中心,通过荧光强度比技术将钙钛矿量子点应用在测温领域;钠离子和铜离子掺杂的CsPbBr3钙钛矿量子点封装成电致发光二极管,可实现绿光到蓝光的变化;掺杂其他元素的钙钛矿量子点扩展了它们在不同领域上应用。

关键词： 层状拓扑材料   拓扑绝缘体   拓扑半金属   磁输运性质   磁性质   量子振荡   弱反局域效应   掺杂调控  

摘要： 近年来,随着拓扑理论在凝聚态物理中的飞速发展,许多具有新奇能带结构的拓扑量子材料(如拓扑绝缘体和拓扑半金属)相继被发现,这些材料展示出许多奇特的物理性质,如拓扑保护的边界态费米弧、线性色散关系、自旋动量锁定、低能电子对杂质和无序不敏感等,对开发稳定的低能耗电子器件具有重要意义。相比于广泛研究的三维体系,二维层状拓扑材料由于层间其固有的范德瓦尔斯结合,易于减小维度和在器件上集成,可以研究基于量子局限和异质结堆垛的性质,具有丰富可调控的物理性质。最近几年理论计算预言的几百种二维拓扑材料中,然而只有很少在实验上被证明具有非平庸的拓扑特性。寻找新型的层状拓扑材料、实现材料的物性调控反过来也有利于拓扑理论发展。本论文中,以新型二维层状的拓扑材料TaNiTe5、Ta2PdSe6、EuCd2As2为研究对象,详细介绍了合成和提高单晶质量的方法和理念,系统地对其磁性、输运性质和光谱性质等开展了研究。具体内容如下:(1)通过自助熔剂法合成了高质量的层状TaNiTe5单晶,并且系统研究了其在磁场下的量子振荡。我们发现与以往报道的顺磁金属行为不同,本文中的单晶呈现抗磁金属行为,且低温下能观察到明显的磁化强度的德·哈斯-范阿尔芬(dHvA)振荡,高场下的磁电阻曲线中也能观察到明显的舒伯尼科夫-德·哈斯(SdH)振荡,通过分析高场电阻振荡,我们得到了三个基本振荡频率。为了得到清晰的量子振荡,我们进一步开展了低温下的磁扭矩实验,通过分析磁扭矩的振荡,我们得到了四个基本振荡频率,结果与磁阻振荡十分一致。此外,通过拟合其中两个频率得到较小有效质量和非平庸的贝里相位,证明了该体系具有非平庸拓扑半金属的能带结构。通过不同磁场角度磁扭矩测试,证明了二维TaNiTe5体系中存在三维狄拉克费米子。(2)我们研究了拓扑性质在理论计算中存在争议的层状Ta2PdSe6晶体。我们通过化学气相输运法得到了高质量的准一维单晶,其剩余电阻比高达1244。其低温下的14T磁阻高达1.7 × 104%,载流子浓度为nH=6.5 × 1020cm-3,迁移率为μH=1.3×105 cm2·V-1.s-1,具有拓扑半金属材料的标志性特征,且低温下具有SdH振荡和空穴占主导的输运行为。为了分析该体系的量子振荡,我们又进行了高场下的输运测试,T=1.6 K时31 T下的磁阻达到1.8 × 105%。通过对量子振荡数据的分析,我们得到了六个振荡频率,其中两个带具有较小的有效质量和非平庸的贝里相位。结合不同磁场方向的输运测量,我们发现层状Ta2PdSe6体系中存在非平庸的二维拓扑电子结构。(3)我们合成了高质量的A型反铁磁拓扑绝缘体EuCd2As2单晶,其反铁磁序转变诱导的电阻变化比以往报道高出5～6个量级,同时存在很低的磁场诱导的金属绝缘体转变。低温下的二维弱反局域效应表明其(001)面具有π贝里相位的无能隙拓扑表面态。结合光谱测量数据,我们认为该体系存在较大的体能隙,具有本征拓扑绝缘体基态。我们同时利用同族的磷元素对该体系进行了掺杂调控研究,并合成了高质量EuCd2(As0.85P0.15)2单晶。EuCd2(As0.85P0.15)2单晶的结构和磁性质与EuCd2As2单晶相同,但高场下的磁阻出现了很强的SdH振荡。通过对量子振荡数据进行分析,发现存在具有轻的有效质量和非平庸外尔费米子。通过转角磁输运测量,我们证实了 EuCd2(As0.85P0.15)2体系具有椭球形费米面。通过这些工作我们认为EuCd2As2单晶的基态是拓扑绝缘态,通过P元素掺杂能有效调控其费米能级,并实现了从拓扑绝缘态到外尔半金属态的转变。

关键词： 锂硫电池   金属硫化物   金属氢氧化物   导电聚合物   电化学性能  

摘要： 在过去的几十年里,可充电锂离子电池因其工作电压高、能量密度大、循环寿命长等特点,在电子产品的电源市场上占据了主导地位。然而,目前的商用锂离子电池无法满足日益增长的实现大规模储能、提高能量转换效率的需求。锂硫电池作为一种潜在的储能材料,由于具有较高的理论比容量和比能量(分别为1675 m Ah g-1和2600 Wh kg-1),环境友好性和天然丰富性,引起了人们极大的兴趣。但是,要使该系统商业化,仍然需要解决一些问题。比如,硫和放电产物（Li2S2,Li2S）的绝缘性,在充放电过程中,中间产物多硫化锂易溶于电解质导致穿梭效应的形成,在循环过程中大体积膨胀等问题。这些问题都会造成电池的快速容量衰减,循环稳定性差和安全风险。对于上述问题,本论文制备了金属硫化物/碳纳米管,金属硫化物-金属氢氧化物/碳纳米管和金属硫化物-导电聚合物/碳纳米管作为硫载体,来研究锂硫电池的电化学性能。主要内容如下:（1）本文通过将ZnS量子点（QDs）与碳纳米管（CNTs）耦合,采用一步水热法制备了一种多功能硫载体CNT/ZnS-QDs。扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）分析表明,ZnS量子点的尺寸小于5 nm,均匀地锚定在碳纳米管表面,并且部分量子点被成功嵌入碳纳米管的通道中。这种特殊的结构保证了硫与高导电性碳纳米管的直接接触,同时,锚固的ZnS量子点的催化效应增强了对多硫化物的化学吸附和限制。由于这些优点,用作硫载体时,这种特殊的结构表现出高比容量,优异的倍率能力和长期循环稳定性。通过调节ZnS量子点的质量比,研究了ZnS量子点的含量对电化学性能的影响,其中以CNT/ZnS-QDs 27%为主体的电池性能最佳。其比容量从0.2 C的1051 m Ah g-1降低到2.0 C的544 m Ah g-1,显示该材料的倍率性能远高于CNT/S和其他CNT/ZnS-QDs/S正极材料的倍率性能。其循环性能,在0.5 C时的初始放电容量为1051 m Ah g-1,经过150次循环后容量降低到771 m Ah g-1,对应的容量保持率达到73.4%,库仑效率超过99%。进一步的电化学阻抗谱（EIS）分析表明,这种特殊的体系结构兼了高导电性和对多硫化物的高效限制等优点,能够显著抑制穿梭效应,加速氧化还原动力学。（2）设计了一种特殊的核壳型ZnS-CNTs/S@Ni（OH）2（标记为ZnS-CNTs/S@NH）结构,来提高电池的电化学性能。该正极材料结构以ZnS量子点修饰的碳纳米管为骨架来负载硫并在最外层包覆Ni（OH）2薄层。ZnS-CNTs骨架结合了CNTs的高导电性和极性ZnS量子点的优点,不仅为电子/离子的快速传输提供了有效的途径,而且也可通过极性相互作用来固定多硫化物。外层Ni（OH）2包覆层不仅对多硫化物起了物理限制作用,同时提供了大量活性位点,对多硫化物起着化学吸附和催化作用。基于这些优点,本章系统地研究了ZnS-CNTs/S@NH复合正极材料的电化学性能,并与ZnS-CNTs/S和CNTs/S正极材料进行了比较。在三个正极材料中,ZnS-CNTs/S@NH正极材料表现出最佳的电池性能,倍率性能,ZnS-CNTs/S@NH电极的放电容量从0.1 C时的1037.0 m Ah g-1降至2.0 C时的646.1 m Ah g-1,循环稳定性,0.5 C下150次循环后其放电容量从初始值861.1 m Ah g-1降至760.1 m Ah g-1,显示出较高的容量保留率（88.3%）和其每圈的平均衰减率为0.078%。（3）以ZnS量子点修饰的碳纳米管（ZnS-CNTs）为骨架负载硫,在最外层包覆聚苯胺（PANI）导电聚合物来抑制多硫化物的穿梭效应,进而提高ZnS-CNTs/S@PANI正极材料的电化学性能。通过X射线衍射（XRD）、热重分析（TGA）、SEM、TEM、EIS和充放电测试,来研究ZnS-CNTs/S@PANI材料的微观结构和电化学性能。所获得的ZnS-CNTs/S@PANI正极材料在0.5 C下可提供高达952.33m Ah g-1的高可逆容量,即使在150圈后仍有776.37 m Ah g-1的比容量。在2.0 C下也能获得了633.62 m Ah g-1的出色倍率性能。