关键词： 机械力响应聚合物   化学发光   水性聚氨酯   碳量子点   应力传感  

摘要： 基于1,2-二氧环丁烷的机械力诱导化学发光聚合物,可以从微观分子水平探测和研究高分子材料受力时的宏观形变和损坏规律,是一种实时灵敏的探测高分子材料损伤的新方法。目前对力诱导化学发光水性高分子的研究还未曾报道。本论文旨在提高力诱导化学发光水性高分子材料的发光强度及灵敏性、拓宽其应力/应变检测范围,针对在不同使用环境下,特别是在大极性溶剂存在环境下的高分子力学损伤检测提供新的方法。具体分为以下两个部分:1.合成了两种表面有丰富极性基团,具有明亮荧光的碳量子点,作为1,2-二氧环丁烷断裂发光能量转移受体,以物理共混的方式得到了机械性能良好、力诱导发光强度明显增强的水性聚氨酯/碳量子点复合薄膜(WPU-CDs),可以在时间和空间两个维度灵敏监测机械拉伸诱导的材料损伤情况。此外,复合薄膜在吸水状态下也呈现出良好的机械性能和力诱导发光性能,在水环境下拉伸损伤程度可以通过化学发光信号阐述。此工作借助力诱导发光的手段,建立起了监测水性材料应力损伤的新方法,拓展了力诱导化学发光聚合物在水基材料领域的应用。2.在上一部分工作的基础上,通过溶剂辅助物理共混的方法制备了机械性能良好的力诱导水性聚氨酯/碳量子点/离子液体复合材料(WPU-CD-IL)。离子液体的引入,进一步增强了碳量子点的荧光强度,进而复合薄膜的力诱导发光强度增强;同时赋予了复合薄膜导电性能,在复合膜拉伸初始阶段,电导率变化为材料应力/应变监测提供了灵敏的方法。材料拉伸过程中,电导率变化和化学发光出现,分别监测材料在拉伸初始时的应力变化与高拉伸程度时的共价键损伤,拓宽了应力/应变的检测范围,为多模式应变传感器的设计提供了新思路和新方法。

关键词： 量子点敏化太阳电池   电子传输   Zn-Cu-In-S-Se量子点   电荷收集   高效率  

摘要： 进入新世纪以来,能源以及与能源相关的环境问题受到了世界各国的高度关注。如今,高度发展的人类社会正面临着化石能源枯竭和环境严重污染的问题,而高性价比的太阳电池技术是解决这两大问题的一种有效方式。由于量子点（quantum dot,QD）吸光材料具有高的消光系数、吸光范围方便可调及多激子效应等诸多独特的光电特性,量子点敏化太阳电池（quantum dot sensitized solar cells,QDSCs）受到了科学家们的极大关注,在最近几年内得到了快速的发展。然而,目前QDSCs所报道的最高光电转换效率为12.75%,与其理论上限（44%）存在着巨大差距。同时所研究的电池稳定性较差,这从某种程度上阻碍了它未来商业化的进程。量子点在TiO2光阳极膜基底上的低负载量（目前报道的QD最高覆盖率仅为34%）是造成电池效率低的一个重要原因。此外,电池内部存在着严重的电荷复合,光生电子在电路传输的过程中发生大量的损耗,这也是导致QDSCs性能较低的一个关键因素。本论文以提升QDSCs的光电转换效率为目标,着重解决电池器件的电荷复合以及量子点在TiO2膜上的低负载等影响电池效率的关键科学问题,主要研究内容如下: （1）TiO2纳米线-P25-TiO2纳米颗粒复合光阳极膜提高QDSCs性能 光生电子在P25-TiO2光阳极膜上的无序传输是制约QDSCs光伏性能的主要瓶颈之一。这种无序的传输路径不仅提高了光生电子的传输距离,而且增加了它们与氧化还原电对发生复合的可能性。因此缩短光生电子在光阳极膜上传输路径或加快传输速率,提高光生电子在光阳极膜上的扩散系数,有利于提高QDSCs的光电转换效率。本章通过水热法合成了具有多枝杈结构的一维TiO2纳米线（hierarchical nanowires,HNW）,并将其与P25纳米颗粒混合制备复合TiO2浆料,通过丝网印刷在FTO导电玻璃基底获得复合光阳极膜（HNW-P25）。研究表明,与传统基于P25-TiO2纳米颗粒的光阳极膜相比,HNW-P25复合膜构建的QDSCs表现出更优异的光伏性能。复合膜结构中的HNW结构一方面可以有效缩短光生电子在光阳极膜上的传输路径,从而抑制了光生电子在光阳极/电解液界面的电荷复合,增强了电荷的收集效率,有效提高了太阳电池的光伏性能;另一方面光生电子在HNW中的传输速率高于P25纳米颗粒,从而有效降低光生电子在光阳极膜上的传输时间。结果表明,当HNW添加量为0.1wt%时,基于HNW-P25膜构建的ZCISe QDSCs的电池效率从初始的12.77%(Jsc=26.43 m A cm-2,Voc=0.754 V,FF=0.641)提升到13.43%(Jsc=27.38 m A cm-2,Voc=0.764 V,FF=0.642),为后续光阳极膜性能的改进提供了新思路。此外,这种复合膜对提高QDSCs性能具有普适性,将其用于ZCIS QDSCs同样显著改善电池的光伏性能（效率从11.86%提升到12.37%）,提供了一种简单可靠的方式用于提高QDSCs的光电转换效率。 （2）Zn-Cu-In-S-Se五元“绿色”合金量子点提升QDSCs性能至14.4% 量子点的光电特性,特别是能带结构和缺陷态对QDSCs的光伏性能有着至关重要的影响。目前,I-III-VI族量子点因毒性低、带隙窄等优势已经成为QDSCs中主流的吸光材料。然而,对于这类量子点来说,由于QD自身光电性能的限制,很难同时实现宽吸光范围、高电荷提取和电荷收集效率。因此,通过合理的材料设计制备出具有理想光电性能的高质量I-III-VI族量子点具有重要意义。本章首次采用阴、阳离子共合金化策略制备了Zn0.4Cu0.7In1.0SxSe2-x（ZCISSe）五元合金量子点。通过优化组分,成功调整了ZCISSe QD的带隙、导带位置和缺陷态密度等影响量子点性能的关键参数。光学和电化学测试结果表明,与单一的阴离子合金量子点（ZCIS和ZCISe QD）相比,ZCISSe五元合金量子点可以在光捕获能力,光生电子提取和电荷收集效率方面达到协同的平衡和提升。基于ZCISSe QDSCs在一个模拟太阳光照射下获得14.4%(Jsc=25.51 m A cm-2,Voc=0.780 V,FF=0.724)的第三方认证效率,这也是当时各种半导体量子点液结太阳电池的新效率纪录。 （3）二次沉积提升量子点敏化太阳电池效率超过15% QD在TiO2光阳极膜基底上的低负载量依然是限制QDSCs光伏性能提升的关键因素之一,增加QD的负载量是改善器件性能的有效途径。虽然先前文献中依靠静电相互作用的二次沉积可以提高量子点负载量进而提高光电流,但是由于引入了新的复合中心增加了电荷复合,有损于光电压和填充因子的同步增长。在本章中,我们提出在不引入新的复

关键词： 石墨烯   二维材料   量子隧穿   费米速度   狄拉克方程  

摘要： 本文采用了一种赝区域方法并用以研究部分交叠二维狄拉克材料的电子输运。利用赝透射区域来连接两片半无限大的单层石墨烯可以更自然地使波函数在边界上匹配。我们给出了赝区域方法满足量子力学连续性方程的理论推导。我们证明通过选取合适的赝区域哈密顿量与合适的参数,电子不会向赝区域有任何泄漏,也即流进赝区域的几率流严格为0。因此,量子隧穿完全限制在真实的部分交叠区域中,几乎与赝区域无关。为了简化问题,我们研究所提出的赝区域形式的一个特例,赝势垒模型。通过选取赝势垒模型中合适的势垒高度,电子波函数在赝区域呈指数衰减且入射电子全部在赝区域的边界被反射回来。通过理论分析,我们证明赝势垒模型所导出的边界条件和zigzag石墨烯条带的边界条件几乎完全一样,除了前者的赝自旋与整个体系的无限小平移对称性方向的宇称之间有耦合。对于AA堆叠,我们发现电导的震荡存在两个频率,由交叠区域的两个独立的波矢解所决定。在低能极限下,两个频率会趋近于之前研究观察到的电导的震荡的两个频率。通过在AB堆叠部分交叠石墨烯上施加层间电压降,电导会被抑制到单位电导的10。这个结果比之前研究所提出的利用加电压的AB堆叠区域作为势垒来阻断单片石墨烯的电导的结果要好10个数量级。通过施加费米速度调制,我们使得上下两层石墨烯的费米速度互不相同。研究发现石墨烯的狄拉克载流子表现出满足光学的现象,符合斯涅尔定律。我们从理论上证明了这一点。并且数值计算的结果与理论推导的临界角精确符合。对于部分交叠AA堆叠石墨烯,低能区的电导对费米速度调制高度敏感。通过费米速度调制小幅度降低入射层的费米速度,低能区的电导显著降低。综上所述,如果要降低AB堆叠部分交叠石墨烯的电导,施加层间电压降是更佳的方案;如果要降低AA堆叠部分交叠石墨烯的电导,施加层间费米速度调制是更佳的方案。本文所提出的赝区域方法可以广泛应用在更复杂的量子隧穿问题与定态问题,例如部分交叠异质结、扭角双层器件、以及部分交叠半导体/超导体异质结。

关键词： 石墨烯量子点   功能化   荧光检测   细胞成像  

摘要： 石墨烯量子点是尺寸小于10 nm的零维碳材料,具有独特的光学、电学性质,被广泛用于光学传感、电化学发光传感、电化学传感、生物成像、催化、抗菌等领域。目前石墨烯量子点存在功能单一、催化活性低、单波长发射、荧光强度弱等局限。因此,设计并制备出具有良好荧光性质和功能的石墨烯量子点显得尤为重要。本论文采用引入功能基团和功能组分两种途径对石墨烯量子点进行功能化,制备出了丝氨酸功能化石墨烯量子点、丝氨酸和组氨酸功能化石墨烯量子点、谷氨酸和组氨酸功能化石墨烯量子点以及丝氨酸功能化石墨烯量子点/NaYF:Yb,Er,Tm复合物,开展了功能化石墨烯量子点在分析、催化和细胞成像领域的应用研究。以柠檬酸为碳源,丝氨酸、组氨酸和谷氨酸为功能试剂,通过热解法分别制备了丝氨酸功能化石墨烯量子点、丝氨酸和组氨酸功能化石墨烯量子点、谷氨酸和组氨酸功能化石墨烯量子点。功能化石墨烯量子点的片径约为3 nm～4 nm,厚度约为3层,表面含有丰富的官能团。将丝氨酸引入石墨烯量子点表面制备的丝氨酸功能化石墨烯量子点的荧光强度是石墨烯量子点的3.15倍。在引入丝氨酸分子的基础上,再引入组氨酸作为功能分子,得到了具有双荧光发射的丝氨酸和组氨酸功能化石墨烯量子点。当丝氨酸/柠檬酸摩尔比为0.2时,丝氨酸和组氨酸功能化石墨烯量子点在360 nm激发下具有两个明显的荧光发射峰;在485 nm激发下发强烈的黄色荧光。为了丰富石墨烯量子点的功能,在石墨烯量子点表面引入谷氨酸和组氨酸,不仅提高了石墨烯量子点荧光强度,还增强了石墨烯量子点的类过氧化物酶活性。谷氨酸和组氨酸功能化石墨烯量子点可以催化HO分解产生?OH,将3,3’,5,5’-四甲基联苯胺氧化。以HO为底物,谷氨酸和组氨酸功能化石墨烯量子点的米氏常数为1.11 mmol/L。功能化石墨烯量子点的制备为应用研究奠定了坚实的基础。丝氨酸功能化石墨烯量子点作为荧光探针,基于丝氨酸功能化石墨烯量子点与Cr(Ⅵ)的内滤效应,建立了Cr(Ⅵ)的定量检测方法。介质p H为7.4时,检测体系有最大的荧光响应值。该方法线性浓度为0μmol/L～500μmol/L,检出限为0.0033μmol/L,具有宽线性范围和高灵敏度。添加其他离子不会干扰丝氨酸功能化石墨烯量子点的荧光,具有良好的选择性。该方法已成功用于环境水中Cr(Ⅵ)的检测。丝氨酸和组氨酸功能化的石墨烯量子点具有独特的双重荧光发射。在360 nm紫外光激发下产生蓝色荧光,在485 nm可见光激发下产生更强烈的黄色荧光。蓝色荧光基于靶诱导DNA循环放大体系建立了多菌灵的荧光传感体系;黄色荧光用于细胞成像。设计的传感体系中一个多菌灵分子通过靶诱导的DNA循环形成了多个G-四链体/氯化血红素DNA酶。DNA酶作为催化剂,催化邻苯二胺氧化成荧光产物2,3-二氨吩嗪实现了信号放大。2,3-二氨吩嗪与丝氨酸和组氨酸功能化石墨烯量子点相互作用,显著猝灭了丝氨酸和组氨酸功能化石墨烯量子点的荧光,进一步提高了检测信号。该传感平台的线性范围为1.0×10 mol/L～1.0×10 mol/L,检出限为6.1×10 mol/L,已成功用于西红柿样品中多菌灵的荧光检测。将稀土上转换纳米材料(NaYF:Yb,Er,Tm)作为功能组分对丝氨酸石墨烯量子点进行功能化,制备了丝氨酸功能化石墨烯量子点/NaYF:Yb,Er,Tm复合物。该复合物尺寸约为25 nm,表面含有丰富的官能团。利用丝氨酸功能化石墨烯量子点吸收近红外光的能力,将其作为天线吸收更多的光子并将能量传递给NaYF:Yb,Er,Tm,从而增强NaYF:Yb,Er,Tm的上转换发光。由于复合物表面含有大量的羧基,可以和Fe(Ⅲ)进行配位,从而导致复合物的上转换荧光被猝灭。基于此荧光猝灭现象,将复合物作为荧光探针,建立了Fe(Ⅲ)的检测方法,该方法线性范围为1×10 mol/L～3×10 mol/L,检出限为6.7×10 mol/L。该方法具有良好的选择性和灵敏度,成功用于人血清中Fe(Ⅲ)的检测。

关键词： 锡掺杂钙钛矿量子点   界面层   钙钛矿光电池   载流子输运   光电转换效率  

摘要： 本文针对基于碳电极的无空穴传输层钙钛矿光电池中空穴输运性能受限、钙钛矿/碳电极界面的载流子复合较多以及钙钛矿表面缺陷密度较大等问题,提出使用能级可简易调控且具有自p型掺杂效应的锡掺杂钙钛矿量子点作为界面层来对钙钛矿表面进行优化,并研究量子点不同掺Sn量对钙钛矿光电池性能的影响。论文的主要研究成果如下:(1)基于CHNHPb I(MAPb I)钙钛矿/致密Ti Op-n结构建了钙钛矿光电池的一维物理模型。通过求解钙钛矿中电中性p区和由MAPb I/量子点同型异质结所形成的空间电荷区的一维稳态连续性方程,可以得出:量子点的掺Sn量越大,受主浓度越大,这将减小同型异质结势垒和量子点/碳电极界面的接触电阻,从而减少钙钛矿背表面的载流子非辐射复合。(2)采用了一种不需要完全真空和惰性气体环境的混合加热法制备了锡掺杂钙钛矿量子点,研究了掺Sn量对量子点形貌、结构、带隙以及价带能级的影响。结果表明:随着掺Sn量的增大,量子点的形貌与尺寸不会发生明显变化。但(200)晶面的间距逐渐减小,这意味着量子点的晶格收缩,禁带宽度也随之增大。同时,量子点的相变过程随掺Sn量的增加而加剧,使得量子点的价带顶能级呈现先上升后下降的趋势。(3)研究了CsSnPbI、CsSnPbI、CsSnPbI量子点对钙钛矿光电池光伏性能的影响。结果表明:CsSnPbI量子点的加入能够显著提升钙钛矿光电池的短路电流和开路电压,使其光电转换效率从12.80%提升至14.22%。这是因为经过量子点的界面修饰后,钙钛矿背表面附近的空间电荷区宽度减小,使得载流子输运性能提升。随后用wx AMPS仿真得到的光伏特性参数、入射单色光子-电子转化效率谱和内建电场分布验证了上述实验结果。综上所述,本论文首先从理论上分析了锡掺杂钙钛矿量子点对载流子输运的影响,为后续分析奠定基础。然后采用一种简易的混合加热法制备了锡掺钙钛矿量子点,并研究了不同量子点多方面性能的差异。最后基于上述量子点的特性,并结合实验所得数据,分析了不同锡掺杂钙钛矿量子点对钙钛矿光电池光电性能的作用。结果表明:利用CsSnPbI量子点对钙钛矿的表面改性能够有效提升钙钛矿光电池的光电转换效率。

关键词： 拓扑量子材料   拓扑半金属   拓扑绝缘体   光电探测器  

摘要： 物质拓扑态的发现是近年来凝聚态物理和材料科学的重大突破。由于存在不同于常规半导体的特殊拓扑量子态(如狄拉克费米子、外尔费米子、马约拉纳费米子等),拓扑量子材料通常能表现出一些新颖的物理特性(如量子反常霍尔效应、三维量子霍尔效应、零带隙的拓扑态、超高的载流子迁移率等),因而在低能耗电子器件和宽光谱光电探测器件领域具有重要的研究价值。本文综述了拓扑量子材料的特性与制备方法以及在光电探测领域的发展现状,重点讨论了拓扑绝缘体与拓扑半金属宽光谱光电探测器的器件结构与性能,同时也对拓扑量子材料在光电探测器领域的发展前景进行了展望。

关键词： 第一性原理计算   低维材料   量子输运   二维层状半导体材料   莫列波纹  

摘要： 近年来,一个或多个维度被限制在纳米尺度下的新型低维材料逐渐成为材料科学研究领域的热点。与传统的三维块体材料相比,低维材料由于量子限制、表面和界面等效应,具有独特的电子、光学和力学等性质。因此,低维材料在工业技术应用方面有着巨大的潜力,尤其是为纳米电子器件的发展注入了新的活力,并且提供了拥有极多可能性的新的基础科学研究方向。与此同时,理论物理化学和计算机科学的发展进步也是日新月异,这促使了很多量子计算方法的产生。其中,基于密度泛函理论的第一性原理方法使得我们可以用数值方法求解复杂体系的薛定谔方程,进而获得与实验测量结果相近的材料体系的物理化学性质。通过对低维材料的理论计算研究,可以预测材料体系的未知性质,为实验制备、测量和应用等提供参考,从而节省资源并提高实验效率。因此,本论文的主题是为了突破当前电子器件发展瓶颈,采用第一性原理计算的方法,结合实验体系,对一些新型低维材料的电子结构和调控、表面和界面效应、量子输运以及潜在应用进行研究。围绕这一主题,我们有两个切入点:利用低维材料设计新型逻辑器件,并且对新型低维半导体材料性质进行理论计算研究。贯穿本论文的研究有三条主线:(1)结合实验体系开展理论计算预测;(2)从一维(1D)体系到二维(2D)体系;(3)从使用传统第一性原理计算方法对中小体系进行模拟计算到使用新开发的计算程序RESCU突破大体系计算瓶颈对大体系进行包含自旋轨道耦合的复杂计算。论文的主要研究内容和成果如下:(1)依据实验材料体系设计构建了 S i(10 0)-2 ×1:H表面悬挂键纳米线(dangling bond wire,DBW)自旋量子输运器件模型,并利用非平衡格林函数方法的第一性原理量子输运理论对其自旋相关量子输运性质进行研究。通过分析透射系数和散射态密度,发现了位于DBW附近的单个自旋极化的悬挂键(dangling bond center,DBC)可以对DBW中自旋输运产生强烈的影响;并且这种影响可以通过透射系数图谱中的尖锐的下降表现出来。研究表明,这种DBW和DBC之间依赖于自旋的调控作用的有效距离可以达到1.5纳米;透射图谱中位于尖锐的下降的能量所对应的散射态密度则集中分布在DBC周围,而非向电极方向传播。这些发现可以通过一个清晰的物理图像很好的解释,即,当DBW和DBC具有相同的自旋极化态并处于相近的能级上时,两者之间会产生很强的杂化等相互作用。DBW中这种现象可以产生高达100%的自旋过滤效应。(2)近来,实验室成功制备出二维五族锑砷合金材料,为新兴五族二维材料的研究的增添了新的自由度,然而,目前实验上对此类二维材料的具体电子性质等的测量较难实现。因此,本论文采用第一性原理方法研究了不同组分浓度和原子排布方式对锑砷合金单层膜电子结构的影响;并且对锑砷合金单层膜在包括Ge(1 11)、Si(1 11)、石墨烯和六方氮化硼在内四种常用基底上的生长机制和界面作用进行了模拟计算。研究结果揭示了通过调控锑砷合金单层膜中不同元素原子的位置排布可以导致材料从间接半导体到直接半导体的转变,并且解释了这种现象是由轨道态密度分布的转变所引起的。此外,研究表明在Ge和Si基底上制备的锑砷合金单层膜的半导体性质因较强的界面处相互作用受到了抑制;而由于较弱的范德瓦尔兹相互作用,在石墨烯和六方氮化硼基底上制备的锑砷合金单层膜则保留了完好的半导体电子结构性质。(3)二维层状材料范德瓦尔兹异质结结构的层间相对扭转可以形成莫列条纹(moire pattern),并且通过控制扭转角度θ可以构建出具有不同尺度大小的周期性莫列超晶格(moire superlattice,MSL)。莫列超晶格结构可以对异质结的原子和电子结构性质进行周期性平面内调控,从而产生如原子位置重构以及超平能带(ultra-flat bands)等新的有趣物理现象。在本研究工作中,我们使用新开发的大体系第一性原理计算程序RESCU对双层扭转锑烯莫列超晶格的原子结构重构现象以及电子结构演变进行了系统深入的研究。首先,我们发现在结构优化过程中,其莫列条纹结构会通过漩涡重构(vortex-like reconstruction)形成具有明显边界的高对称堆叠区块分布。当扭转角度θ减小至≤ 6.01 °时,原子结构重构对电子结构的影响逐渐增强并导致边缘价带处平能带(flatbands)结构的出现。与双层扭转石墨烯不同的是,这些平能带结构的形成不需要一个特殊“魔法角度”。通过进一步的研究,我们发现不均匀的层间杂化作用以及局域应力是造成平能带结构的原因,并且通过局域应力可以改变双层扭转锑烯MSL的实空间波函数分布,从而实现能带结构调控。

关键词： 量子点   热电输运   库仑阻力   热电流冷却效应   麦克斯韦妖  

摘要： 自从工业革命以来,如何将热转化为功一直是人们研究的核心问题。为了理解热功转换的物理过程,诞生了热力学理论。将环境中的热能转换为电能可以通过热电效应来实现,所以近年来的研究方向主要集中在纳米尺度热电器件和微尺度热电输运性质上。除了现有的对介观系统弹性热电输运的研究之外,更多的研究工作开始关注非弹性过程,即电子能量在输运过程中不守恒。因为相比于常规的弹性热电器件而言,非弹性热电器件能够达到更高的效率和更大的输出功率。目前被研究的几种非弹性热电器件中,主要涉及到电子-声子相互作用和电子-电子相互作用。本文将展示在低温状态下的非弹性热电输运,并讨论电子-电子相互作用对其的关键影响。首先讨论了各种介观系统中的稳态输运性质和纳米尺度下热功转换的基本问题。然后详细介绍了一个具有一个量子点的三端器件模型,来自第三端的热能可以诱导源极和漏极发电。其内在机制是非弹性库仑散射,当左右反转对称性被破坏时,它会像在其他量子场中一样产生定向输运。在这个过程中第三端的热量被收集,以产生跨越源极和漏极的电能。本研究工作的创新性在于发现由绝缘层分离的两个电路之间的库仑相互作用将导致非常规的热电效应,如热电流冷却效应和麦克斯韦妖效应。热电流冷却效应是指在一个电路中由另一个电路中的热电流引起的冷却。具体内容如下:首先构建了一个四端四量子点的热电输运系统,系统可以看作是两个独立的电路。先对每个电路中有一个量子点的情况进行库仑阻力的物理图像演示,提出量子点系统中的热电输运微观理论,构造电流和热流的表达式,用主方程法研究通过两个量子点的稳态输运,得到隧穿速率。然后对每个电路中有两个量子点的情况进行了阐述。研究库仑阻力效应下的非常规热电输运,得出非常规的热电能转换公式。进而研究热电流冷却效应,计算冷却功率和冷却性能系数,及不同能量分配对冷却功率和性能系数的影响。最后证明本量子点系统在不违反热力学第二定律的前提下可以实现麦克斯韦妖。即系统中的两个电子热源可以被用于以麦克斯韦妖的方式进行发电,冷却低温热源或加热高温热源,其中工作物质不与两个热源交换任何能量或粒子。本研究工作揭示了库仑相互作用在非局域四端量子热电输运中的作用,有利于纳米电子器件的自主节能。

关键词： 分子束外延   半导体   量子点   二维材料   范德华外延  

摘要： 低维半导体材料拥有许多新奇和优异的物理性质，其能带结构可人工裁剪，对基础科学研究以及信息电子工业都具有非常重要的意义。虽然该领域经历了几十年的发展，涌现出许多令人兴奋的成果，但目前仍然存在一些问题。　　在新兴的二维材料领域，相比于当前主流的材料制备手段，分子束外延技术，理论上具备材料纯度高、晶体质量好、控制精度高、而且可生长复杂结构的优点，十分适合二维半导体材料的外延。但目前为止基于分子束外延的二维材料，晶粒尺寸都非常小，这限制了分子束外延技术在二维材料领域的应用。在二维半导体器件制备领域，当前的主流工艺流程不能兼顾无损、亚微米尺寸、低成本、高可靠性的优点，因此发展新的器件制备技术十分重要。而在零维的半导体量子点领域，基于分子束外延的应变自组装技术可生长高质量的量子点，但受制于晶格匹配条件，能生长的材料种类不多，严重限制了材料设计的灵活性。　　本论文聚焦于低维材料的生长和器件制备，针对该领域上述三个问题，开展了系统的研究工作，主要研究内容以及取得的成果如下:　　1.以大尺寸超薄二维半导体材料的分子束外延生长为目的，探索了材料生长规律，优化了生长条件。实现了单层In2Se3材料的自限制生长。提出了超高衬底温度、超小束流强度和超大束流比的“极端条件”方法，制备了横向尺寸超过70μm的单层In2Se3晶粒，将分子束外延单层二维半导体的尺寸提升了2-3个数量级。探索了Sn-Se体系二维材料的分子束外延生长，总结了其在不同条件下的生长规律，并制备了横向尺寸5-10μm的SnSe纳米片。为后续的材料表征和器件制备研究打下基础。　　2.搭建了一个低成本，多功能的二维材料器件制备平台。该平台能实现材料观测、异质结转移、激光直写曝光和阴影掩膜对准等功能。其中激光直写精度达到1μm左右，有望提高器件制备流程中，微纳图形生成的效率和灵活性。　　3.提出了基于石英纤维阴影掩膜的亚微米二维半导体器件无损制备技术。该技术操作简单灵活、成本低、可靠性高、制备的器件尺寸小、对材料无损，为二维半导体的器件工艺提供了一种新思路。　　4.提出了范德华外延量子点的设想，并在实验上研究和验证了其生长机理，不仅为量子点的制备提供了新的思路，还拓宽了二维以及混合维度材料的研究范围。　　5.利用范德华外延，制备了15种不同组合的量子点/二维材料异质结构。实现了量子点面密度2.7x107-1.6x1011cm-2和尺寸10-70nm的大范围调控。在2英寸氟晶云母衬底上，生长了晶圆级别均匀的量子点。研究和对比了范德华外延量子点对不同缺陷的容忍程度;发现了范德华外延量子点的衬底厚度依赖特性，并以“屏蔽衬底起伏”的物理图像解释其机理。

关键词： 锌硫族化合物   纳米器件   第一性原理计算   量子输运  

摘要： 在过去的几十年里,半导体技术依据摩尔定律通过晶体管等比例微缩逐步推进,随着晶体管尺寸缩小至原子尺度,此时量子效应开始占主导地位,摩尔定律陷入瓶颈。而石墨烯以及不断涌现的其他二维纳米材料因其独特的量子限制效应为半导体发展带来了希望,成为纳米器件领域研究的热点材料,不断寻求新型电子材料以及新兴器件架构对促进半导体技术的发展具有重要研究意义。本文基于第一性原理计算方法,系统地研究了三种新型二维纳米材料在多样器件结构下的量子输运性质,深入分析了器件的内部输运机制,揭示了其在微电子、光电器件等领域广阔的发展前景。本文基于密度泛函理论结合非平衡格林函数的计算方法,系统计算了单层二维四方结构Zn X(X=S,Se)(硫化锌、硒化锌以及新型Janus结构的硫硒化锌)材料的电子性质及其单层纳米电子器件的性能,主要讨论了在外部条件(如偏压、栅压、光照)影响下的器件输运性质。研究表明,二维四方Zn S、Zn Se、ZnSe S都表现为宽禁带半导体性质。偏压以及栅压对纳米器件的电子输运性质具有有效调控作用,其中单层ZnSe S纳米器件在5 V栅压下的调控最为灵敏,并存在负微分电阻效应。另外,在线性偏振光照射下,单层Zn X(X=S,Se)纳米器件在可见光和近紫外光区表现出优异的光电响应,例如,单层Zn S纳米器件在近紫外光区的光电流达到每光子15.07 a(a代表玻尔半径),在光电器件领域具有广阔的应用前景。另外,我们进一步采用金作为器件电极,模拟实验制备二维纳米器件,搭建了二维Au/Zn X(X=S,Se)/Au金属两端口器件模型,对其在非平衡态下的电输运性质以及光电性质进行了全面深入的理论研究,包括电子透射谱、I-V特性曲线、局域态密度以及光电流的计算。研究表明,在-3.2～3.2 V偏压范围内,二维Au/Zn X(X=S,Se)/Au金属两端口器件具备优异I-V特性,总体电流值比单层Zn X(X=S,Se)纳米器件增强了20～30倍,栅压的加入削减了体系内肖特基接触对电子传输的阻碍,I-V特征趋于线性。同时,研究了在线性偏振光照射下,Au/Zn X(X=S,Se)/Au金属两端口器件在微小偏压下的输运性质,结果表明其在蓝光以及紫外光区产生震荡的光电流,预测其作为蓝紫发光二极管具有潜在的应用前景。以上工作为基于电场和光场的纳米材料器件设计提供了理论依据。