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： 氮化碳   金属氧化物量子点   高级氧化技术   污染物降解  

摘要： 随着城市化和工业化的快速发展,水资源短缺和水污染问题日益严重,有机污染物造成的水污染对环境和人类健康构成严重威胁。四环素因其化学稳定、高水溶性和生物利用率低等特点,成为废水中难以降解的有机物之一。近年来,高级氧化法（AOPs）因高效、绿色、操作简便等优点,在有机污染物降解方面得到了广泛关注。其中,芬顿/类芬顿氧化被认为是去除难降解污染物的有效方法。过渡金属氧化物可催化芬顿/类芬顿反应产生·OH等活性氧物种,是有效且经济的芬顿/类芬顿催化剂。但传统的过渡金属氧化物催化剂仍存在分散性差、易团聚、表面暴露的活性位点少、高价金属向低价金属转化慢等缺点。氮化碳是一种对可见光响应的半导体材料,由于其制备简单且性质稳定,在光催化领域得到了广泛的应用。然而,氮化碳存在对可见光吸收不足、光生电荷分离和转移效率低等缺点。为了克服上述氧化技术的缺点,本文将氮化碳纳米片与过渡金属氧化物量子点结合,构建金属氧化物量子点/氮化碳光-芬顿或类-芬顿体系,以实现对四环素的高效降解。本论文的主要研究内容如下:（1）采用硼氢化钠对氮化碳纳米片（CNNSs）进行处理,对CNNSs进行合理的结构设计,构建出一种氧化铜量子点/含氮空位氮化碳纳米片(Cu O QDs/CNNSs-Nvac)催化剂,并将其应用于光辅助过一硫酸氢盐（PMS）活化降解四环素。与纯CNNSs和无氮空位的Cu O QDs/CNNSs催化剂相比,Cu O QDs/CNNSs-Nvac-300的催化活性显著提高,30 min后对50 mg/L四环素降解率达96.4%。氮空位和Cu O量子点的引入可使催化剂暴露更多的活性位点,促进光生电荷在界面间的转移,加速活化PMS。自由基捕获实验表明,1O2和h+在反应过程中起主导作用,优异的催化性能归因于光催化与PMS活化的协同作用。（2）开发具有多活性中心的催化剂具有重要意义。为了将CNNSs的独特优势和多活性位点的QDs结合起来,采用简单的合成策略成功制备出一种新型的铜铁双金属氧化物量子点/氮化碳纳米片（Cu Fe O QDs/CNNSs）催化剂,并将其应用于光-芬顿催化降解四环素。其中Cu Fe O（7:3）QDs/CNNSs催化剂表现出较好的催化活性,30 min内对50 mg/L TC的降解效率可达98.6%,具有较宽的p H适用性和优异的循环稳定性。CNNSs与QDs间紧密的界面接触及具有多活性位点的Cu-Fe氧化物量子点间的协同作用能有效促进光生电荷的分离、传输及Fe（Ⅲ）/Fe（Ⅱ）循环,共同提升光-芬顿的催化活性。通过自由基捕获实验,确定反应体系中的活性氧物种,分析光-芬顿氧化降解四环素过程的反应机理。

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： 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10-28。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： 非平衡格林函数   量子点   AB干涉仪   Fano效应  

摘要： 电子通过介观系统的量子输运一直是一个活跃的研究领域,相关的电子输运理论和纳米器件的制备得到了广泛的应用,为设计和改进量子器件的性能提供了重要依据。随着对器件的精度要求越来越高,各种各样对输运性质产生影响的因素越来越受到人们的重视,其中材料界面结构随时间的微小变化对系统的输运性质产生的影响受到了特别关注。本文考虑量子点与电极界面的结构变化,进一步研究量子点系统的量子输运特性。我们首先介绍基于非平衡格林函数的一种解决含时系统输运问题的理论方法。利用电子传输时间和界面震荡时间的快慢不同,该理论方法把时间分为质心时间和相对时间,将Wigner空间中的Kadanoff-Baym方程按对质心时间的导数展开,进而得到推迟(超前、小于)格林函数中包含对质心时间各阶求导项的解析表达式并由此计算出电导。接着,基于这种方法,在考虑量子点与电极界面发生振荡的情况下,我们研究一个与金属电极耦合的平行双量子点AB环系统的电子输运性质。假定量子点和电极之间的耦合强度线性地依赖于界面振荡幅度,研究结果表明量子点系统的电导会在界面未振荡时的基础上增加界面振荡引起的修正项。随着耦合强度与振荡幅度之间线性耦合参数的改变,电导随量子点能量的变化会由一个共振峰变为两个共振峰。两个量子点间的耦合可以引起电导的共振峰的位置改变,改变量与耦合强度的大小相关。进而在两个AB子环中施加大小相等方向相反的两个磁通,改变磁通的大小,当磁通引起的相位不等于π/2的整数倍时,零阶电导会有Fano效应出现,同时修正项也会增强这种效应,极大的改变系统的输运性能。

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

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。