关键词： 量子霍尔效应   安德森局域化   表面态   量子输运  

摘要： 量子霍尔效应的发现将拓扑放在了凝聚态物理的中心位置。二维电子系统的量子霍尔效应起源于强磁场下形成的分立朗道能级。尽管量子霍尔效应的物理图像似乎只适用于二维,但人们一直在考虑如何将它推广到三维中去。二维量子霍尔效应的一个重要的特征是在样品的边缘具有受拓扑保护的、对无序具有鲁棒性的手征边缘态。在三维情况下,每一层的手征边缘态与相邻的边缘态耦合,形成一个二维的手征表面态。在实验上,三维量子霍尔效应最早在人工的多层量子阱中实现。在真实的材料中,三维量子霍尔效应的特征已经在几种各向异性很强的层状材料中发现,比如Bechgaard盐,η-Mo4O11,n型掺杂的Bi2Se3,EuMnBi2,以及最近的ZrTe5和BaMnSb2。这些材料为我们研究三维量子霍尔效应及其新奇的表面态提供了机会。这篇论文主要介绍我在博士期间完成的关于三维量子霍尔效应的三个工作:(1)体无序对三维量子霍尔系统的影响,(2)表面无序对三维量子霍尔系统手征表面态的影响,(3)由电荷密度波引起的三维量子霍尔效应:表面态,铰链态与边缘态。(1)我们研究了体无序对三维量子霍尔系统的影响。通过Thouless电导的数值方法,我们用紧束缚近似模型研究了无序的三维量子霍尔系统的纵向电导。对于体态,我们验证了在这个各向异性很强的系统中,迁移率边是与传播方向无关的。随着无序强度的增加,水平方向上最低子带的电导峰位会向中心子带靠近,与二维情况类似;但是垂直方向上的电导峰位几乎不发生改变。在量子霍尔能隙内,我们研究了分布在样品侧壁上的新奇二维手征表面态。通过改变模型中层间电子的跃迁常数和无序强度,我们展示了这个表面态在准一维金属区和准一维绝缘区之间的跨接。为了预测在任意参数下表面态所在的区,我们给出了表面态的局域长度与模型微观参量之间的关系。(2)我们研究了表面无序对三维量子霍尔系统的手征表面态的影响。利用转移矩阵的方法,我们发现随着表面无序强度的增加,表面态在磁场方向上的局域长度在弱无序的情况下是减小的,但在强无序的情况下反而是增大的。在强无序的情况下,表面态主要分布在样品的次外层,以避开最外层的强表面无序。局域长度在强无序情况下的反常增大可以用一个有效模型来解释,该模型将最外层的强无序映射到了作用于次外层的弱无序上。我们还研究了在不同的无序强度下,表面无序对表面态在准一维区电导分布的影响。我们发现电导分布在准一维金属区时为高斯分布,在准一维绝缘区时为对数正态分布。在两个区的跨接处,电导分布呈现出非常不平凡的形式,它的形状与从弱无序准一维导线的Dorokhov-Mello-Pereyra-Kumar方程所得到的结果是一致的。(3)我们研究了由电荷密度波引起的三维量子霍尔系统中的各种拓扑态,包括二维的手征表面态,一维的手征铰链态,以及位于样品上下表面的边缘态。这些丰富的拓扑态来源于电荷密度波和磁场之间的相互作用。在开边界条件下,一维的电荷密度波的两端存在受拓扑保护的边缘态。在三维量子霍尔体系中,垂直方向上的电荷密度波与系统的体态相作用,产生了位于样品上下表面的边缘态;与二维的手征表面态相作用,产生了一维的手征铰链态。对这些拓扑态在实验上进行观测,可以帮助澄清当前ZrTe5中三维量子霍尔效应背后机制的争议。

关键词： CsPbX3玻璃   光催化   ASE   气凝胶   宽色域  

摘要： 全无机卤化铅铯(CsPbX,X=Cl,Br,I)钙钛矿量子点(PQDs)因带隙可调、载流子系数长等优势在光催化领域崭露头角,Zn掺杂可提高其光电流、电荷传输和光催化活性。同时,CsPbXPQDs具备窄带发射,高的荧光量子产率(PLQY)、吸光系数和光学增益等可观的光学性能,在放大自发辐射(ASE)和宽色域白色发光二极管(WLED)领域得到了广泛应用。本论文首先采用熔融热淬灭及原位析晶技术合成了一系列Zn掺杂的CsPbClBr及纯相CsPbClBrPQDs玻璃;其次选用热注入法合成胶体CsPbXPQDs溶液,通过气凝胶包覆制备了全光谱PQDs复合材料。我们经过一系列测试表征手段,研究其结构、形貌、光电特性、稳定性及其在光催化、ASE阈值及宽色域WLED领域的应用。本文的研究内容如下:(1)利用熔融热淬灭、原位析晶技术在硼硅酸盐玻璃中析出了Zn掺杂的CsPbClBrPQDs。通过掺杂,实现了吸收边(480nm～500nm)和带隙值(2.5eV～2.42eV)可调;使用球磨法将催化剂的比表面积从1.31m·g提高到2.53m·g。当催化剂Zn的掺杂量为0.25,球磨11 h后,H的最佳产率可达290.67μmol·g。由于玻璃基质的保护,光催化剂表现出良好的水稳定性和循环可用性,在连续驱动水分解反应100 h后,最大的H产率可达485.67μmol·g。(2)利用熔融热淬灭、原位析晶技术合成了CsPbClBrPQDs前驱体玻璃,并在440℃～530℃的温度梯度内进行10 h的热处理,玻璃样品呈现出典型的蓝光发射(472nm～497nm),可调带隙(2.63eV～2.58eV),增大的平均粒径(3.75nm～6.2nm)和较好的结晶度。CsPbClBrPQDs玻璃在室温、800nm飞秒激光条件下表现出低阈值ASE行为,表明ASE阈值随着析晶温度的升高可以从1.24mJ/cm降低到0.19mJ/cm。(3)采用热注入法合成胶体CsPbXPQDs溶液,将其封装到超疏水二氧化硅气凝胶(SiOAGs)中以提高稳定性。CsPbBr@AGs的PLQY可以达到71%,蓝、绿和红光荧光复合材料的半峰宽(FWHM)分别为17、19和35,实现了窄带发射。将蓝光CsPbClBr@AGs,绿光CsPbBr@AGs和红光CsPbBrI@AGs分别用作荧光粉,展示出可覆盖美国电视系统委员会(NTSC)135%的宽色域。WLED器件可以通过CsPbBr@AGs与CsPbBrI@AGs耦合到Ga N蓝光芯片上来构建,构造的WLED的LE、CCT、Ra分别是14.55lm·W、5477K、94.9。

关键词： 磷烯及其纳米带   紧束缚近似   k·p模型   线性响应理论   边缘态   光跃迁选择定则   朗道能级  

摘要： 黑磷是一种新型二维层状半导体材料,具有层厚依赖的直接带隙、高载流子迁移率与强烈的各向异性等优异物性,弥补了石墨烯与单层过渡金属硫族化合物等二维材料在构筑光电器件时的不足,是构筑纳米光电器件最有潜力的材料之一。磷烯纳米带是未来磷基光电器件的基本构筑单元,单/少层黑磷纳米带(PNRs)也已经在实验上成功制备。由于量子限域效应和独特的边缘效应,磷烯纳米带表现出与二维黑磷不同的性质。锯齿形磷烯纳米带(ZPNRs)始终有两条近乎简并的边缘态能带,表现为金属性;扶手椅形磷烯纳米带(APNRs)是直接带隙的半导体。已有关于磷烯纳米带的工作大多是第一性原理计算和紧束缚数值对角化的结果,解析计算的工作较少。对磷烯纳米带进行系统完整的解析计算,有助于深入理解其电子结构与光学性质,为磷基半导体光电器件提供理论基础。本文采用紧束缚近似与k·p模型,在线性响应理论框架下,用散射矩阵与格林函数方法,研究了磷烯及其纳米带的量子输运与光学性质,主要内容如下:1、研究了抛物势限制下磷烯的朗道能级和量子磁电容。发现抛物势限制下朗道能级抛物地依赖于波矢且表现出了明显的各向异性。利用单带模型得到的朗道能级的解析解在低能区域和数值结果高度吻合,且表明由于抛物势的影响朗道能级在低能区域甚至Γ点都不再线性地依赖于磁场和能级指标。各向异性的量子磁电容直接反应了朗道能级的结构,相邻磁电容峰对应的能量差可用于确定磷烯的能带参数,如有效质量与带间耦合强度。2、研究了ZPNRs的电子结构和光跃迁性质。通过求解离散薛定谔方程,得到了ZPNRs体态色散关系的解析解。通过引入一个修正项,得到了与数值对角化结果高度吻合的边缘态的色散关系。根据超胞的对称性和解析计算的光跃迁矩阵元,发现偶数排ZPNRs的结构受到了C对称性的限制,导带(价带)中第n条子带对应的电子波函数的宇称为(-1)[(-1)(n+1))],带间(内)光跃迁的选择定则为?n=奇数(偶数)。电场和杂质的作用下,C对称性被破坏,任意两条子带之间都可以发生光跃迁,增强了ZPNRs的光吸收。奇数排ZPNRs没有C对称性,任意两条子带之间都可以发生光跃迁。3、研究了应变调控下APNRs的电子结构和光学性质。通过解析计算得到了APNRs的色散关系和波函数,发现无论是否施加应力,APNRs的带隙和条带宽度的关系都是1/(N+1)。平面内单轴拉伸(压缩)应变ε增加(减少)时,带隙变大(小),平面外单轴应变ε增加(减少)时,带隙变小(大),有效质量随应变的变化趋势与带隙是类似的。无论是否施加应变,不同子带A、B子格的波函数都正交,带间光跃迁选择定则为?n=0,带内光跃迁都是禁戒的。横向电场和杂质会破坏波函数之间的正交性,使得任意子带之间都可以发生光跃迁,增强APNRs的光吸收。4、研究了ZPNRs在侧栅电极调制下的电子结构和输运性质,发现了一种电导平台定量调制的现象。沿条带受限方向施加不同宽度的侧栅电压,只有处于侧栅电压范围内的边缘所贡献的边缘态发生移动,体能带几乎不变。同时施加磁场/电场,原本水平的朗道能级出现振荡式的弯曲,且随着能级指标增大,能带振荡频率升高。施加不同宽度的侧栅电压会使不同波矢范围的朗道能级发生弯曲,对应相同能量下的电导平台上出现一些异常的电导峰,其值恰好等于该能量下的入射模式数。通过研究电子局域态密度以及电流在实空间中的分布情况,发现能带上的透射模式数和实空间中的电流通道是一一对应的,能带上出现振荡式弯曲的部分透射模式数增加,对应的电流通道变多,电导平台上出现高度为整数的电导峰。由此可见,调控侧栅电压的宽度与大小,可实现电导平台高度的定量调控,有助于促进逻辑功能光电器件的设计和发展。

关键词： 量子自旋液体   拓扑半金属   热导率  

摘要： 在凝聚态物理领域中,众多科研工作人员都致力于新材料的探索。量子自旋液体材料以及拓扑材料正是凝聚态物理领域中的两个重要分支。探寻量子自旋液体材料最基本的思路就是在低自旋(S=1/2)且具有强阻挫效应的磁性系统中寻找。较低的自旋量子数会使体系中的自旋具有很强的量子涨落效应,阻挫效应则会进一步抑制自旋在低温下的有序。量子自旋液体态其自旋激发具有很独特的性质,例如具有费米面的自旋子(spinon,S=1/2)、拓扑涡旋vsion、Majorana费米子等。这些奇特的元激发都为数据存储,尤其是在量子计算机领域提供了广阔的应用前景。更值得一提的是,对量子自旋液体的深入研究也有助于人们对高温超导机制的进一步认识。在过去的几十年中,拓扑材料则是凝聚态物理领域的一个新主题。拓扑绝缘体的发现让人们对材料内在拓扑性质有了更深入的理解。拓扑半金属正是二维石墨烯的三维对应物。不同拓扑半金属材料中,其独特的准粒子激发所具有的磁学、电学性质,同样能在数据储存和量子通讯领域拥有潜在的应用价值。然而,关于量子自旋液体材料与拓扑材料的实际应用才刚起步,亟需更深入的了解和认识。本文,我们利用了极低温热导率、交流磁化率、磁转矩和比热测量等实验手段研究了量子自旋液体候选材料YbMgGaO4的磁性质与低温热输运行为以及拓扑补偿半金属TaAs2、NbAs2和NdSb的极低温电输运与热输运行为。本文一共有三章,各章的主要内容如下:第一章主要围绕量子自旋液体材料和拓扑半金属材料这两部分的研究背景展开了详细讨论。第一部分开篇以自旋玻璃态、自旋冰态和量子自旋液体态为载体,简述了反铁磁几何阻挫材料的基本物理性质。随后介绍了三角晶格、kagomé晶格以及六角蜂窝晶格所对应的典型量子自旋液体候选材料。近期有研究表明,原子占位无序可能会导致某些量子磁性材料在实验上表现得像是量子自旋液体。YbMgGaO4作为近期热度极高的量子自旋液体候选材料,其磁性离子Yb3+的有效自旋为1/2,自旋晶格为三角反铁磁结构。它在极低温下依然没有形成长程磁有序,并伴随着Mg2+和Ga3+的占位无序,所以YbMgGaO4正是讨论上述问题的最佳候选材料。因此本章第一部分还列举了原子占位无序对YbMgGaO4磁基态性质可能存在的影响。本章第二部分,主要介绍了拓扑材料的基本概念。按照拓扑材料的分类,我们逐一介绍了绝缘体和半金属中几种典型的拓扑相。随后以双能带模型为出发点,重点讨论了拓扑补偿半金属TaAs2、NbAs2、NdSb的基本电输运性质。本章还列举了拓扑材料部分奇特的输运性质,其中以超大磁阻和手性异常(负磁阻)最为引人注目,因为这两种磁阻效应有潜力应用在信息存储方面。最后探讨了拓扑半金属材料的热输运性质,并引出电子流体输运这一研究方向。第二章我们从实验上对YbMgGaO4的极低温物性展开了系统的研究。通过极低温热导率、磁转矩、比热以及交流磁化率的测量,探究YbMgGaO4的基态性质,并描绘出其低温下随磁场的相图。在极低温条件下,YbMgGaO4的实验结果清晰的展现出了热导率剩余项κ0/T以及由磁场诱发的量子自旋态转变。这都表明了 YbMgGaO4的基态存在很强的量子涨落并伴随着无能隙的自旋激发。此外,YbMgGaO4自旋激发较短的平均自由程,以及对应于“上上下”自旋结构的1/3磁化平台的消失,都与体系中Mg2+和Ga3+的占位无序有关。以上结果都表明,即便YbMgGaO4存在Mg2+和Ga3+占位无序的影响,其巡游的自旋激发依然存在。这是十分奇特的,因为Mg2+和Ga3+的位置无序会导致磁性离子之间的磁交换作用出现随机分布,应该会诱发价键玻璃态或自旋玻璃态的出现。第三章我们逐一介绍了拓扑补偿半金属TaAs2,NbAs2和NdSb在极低温下的电输运和热输运性质。我们发现这三类拓扑补偿半金属材料在极低温下的热导率κ匀主要由电子贡献并遵循产的行为,然而它们的电阻率ρ却是典型的剩余电阻行为(与温度无关),表明它们均严重偏离了 Wiedemann-Franz定律;并且,Lorenz 比L=κeρ/T在极低温下远小于 Sommerfeld 值L0=2.44 × 10-8 WΩK-2。我们认为这与电荷载流子的流体输运现象有关。此外,在极低温下的热导率测量中,我们清晰的展示了来自电子贡献的量子振荡行为。

关键词： 二维材料   拓扑绝缘体   量子反常霍尔效应   范德华异质结   密度泛函理论   贝里曲率   陈数  

摘要： 量子反常霍尔效应自发现以来,一直受到科研工作者的广泛关注。该效应是指在不加外场的情况下,样品的边界处呈现手性边缘态。量子反常霍尔效应的实现促进量子霍尔物理的研究和应用,其在低功耗电子器件方面具有很大的应用前景。由于该效应对材料体系的要求极为苛刻,到目前为止,其实现温度非常低(仅约为1K),这极大地限制了其在实际中的应用,因此,提高量子反常霍尔效应的观察温度是科研人员亟待解决的问题。本论文提出在二维磁性材料体系中,通过表面修饰、应力等方法实现量子反常霍尔效应,以此来提高观察温度。具体研究内容如下:1.系统地研究了由二维铁磁绝缘体(CrI、CrBr)与过渡金属硫族化物(MoS,MoSe,MoTe,WS,WSe)单层构建的十种范德华异质结的电学、磁学和拓扑性质。结果发现MoTe/CrBr异质结中谷劈裂约为28.7 meV,大于实验中在WSe/CrI异质结中观测到3.5 meV的谷劈裂;WSe/CrBr异质结中存在谷极化的量子反常霍尔效应,进一步通过k·p模型分析表明,其拓扑机制是自旋-轨道耦合(SOC)作用在MoTe/CrBr和WSe/CrBr异质结构中诱导d-d能带翻转;在空穴掺杂的MoTe/CrI异质结中可以实现量子反常霍尔效应。该研究为实验在二维铁磁范德华异质结中实现丰富的谷极化态提供了指导。2.研究了二维铁磁绝缘体CrBr单层和Na掺杂CrBr单层的电学、磁学和拓扑性质。结果发现CrBr单层有非平庸的拓扑导带,其陈数C=2,通过碱金属掺杂的方式掺入电子可将该拓扑态移至费米能级附近。由于非狄拉克和狄拉克色散能带的协同耦合作用,使得Na掺杂的CrBr体系陈数变为-4。此外我们还预测,Na掺杂CrBr体系的居里温度约为54 K,高于CrBr单层。该研究为在二维铁磁体系中实现高温和高陈数量子反常霍尔效应提供了理论依据。3.提出将二维铁磁绝缘体CrI中的一个Cr替换为Mn,可得到CrMnI这一新型铁磁材料体系。研究发现CrMnI单层的剥离能与石墨烯的剥离能相当,并且该单层可以稳定存在,进一步研究发现该体系是C=2的二维铁磁绝缘体,其居里温度约为87 K。CrMnI体系的提出为二维铁磁绝缘体提供了更多选择,为高温量子反常霍尔效应的实现提供了一种理想材料。4.研究了本征磁性拓扑绝缘体MnBiTe类材料——MnSbTe、MnBiSe和MnSbSe的电学、磁学和拓扑性质。研究发现这三种体系与MnBiTe具有相同的晶体结构,并且这些材料很容易剥落到单层,单层也可稳定存在。我们还发现在层状铁磁的MnSbTe和MnBiSe体系中也可以实现量子反常霍尔效应。

关键词： 铊   吸附   硫化   零价铁   废水  

摘要： 铊是一种具有极高毒性的典型稀散重金属,近年来,我国铊污染事件频繁爆发,国家和相关地区相继出台了严格的工业含铊废水排放标准。在众多的废水除铊方法中,吸附法因其操作简便、除铊效率高等优点而被广泛研究。硫化零价铁(sulfidized zero-valent iron,S-ZVI)材料具有较高的比表面积、丰富的表面化学基团、优异的硫化沉淀效能和良好的固液分离性能,是一种极具潜力的废水除铊吸附材料。因此,本研究通过制备S-ZVI系列材料的可控合成方法,考察不同方法制备的S-ZVI系列材料的形貌结构与除铊效能的关系,优化S-ZVI材料用于废水除铊的合成方法与除铊技术方案;明确S-ZVI材料除铊的关键影响及其除铊界面反应机理,为工业废水深度除铊提供理论指导与实践依据。另外,本研究还利用厌氧氨氧化颗粒污泥提取胞外聚合物(EPS)合成碳量子点(CQDs),以用于检测水体中的微量重金属离子,为水体中重金属离子的监测提供新型的检测手段。首先,优化了一步法制备的S-ZVI系列材料的合成方法与除铊效能,优选出硫代硫酸钠为硫化剂、S/Fe摩尔比为3.0的最优合成条件制备的S-ZVI的最优合成条件制备的S-ZVI材料进行废水除铊研究:(1)扫描电子显微镜(SEM)图像表明,该S-ZVI材料为球状的零价铁颗粒聚集体,并伴带明显片状的硫铁化合物。高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)和选择性区域电子衍射(SAED)结果均表明所制备的S-ZVI是低结晶型为主的材料。(2)该S/Fe=3.0的S-ZVI材料的除铊吸附过程依赖水体的pH值,其除铊吸附主要未内层吸附,不受高电解质(NaNO)的影响。等温吸附表明,该S-ZVI材料对铊的吸附符合Langmuir模型,理论最大吸附容量为654.4 mg/g。动力学研究表明,该S-ZVI材料在吸附高浓度Tl(Ⅰ)=100 mg/L时,10 min内反应基本达到平衡,吸附满足拟一级动力学模型。(3)利用TEM、XPS、XRD、SEM-EDS以及穆斯堡尔铁谱等手段对吸附前后材料进行表征分析。结果表明该材料吸附铊的机理主要如下:(ⅰ)Tl(Ⅰ)离子与材料中的硫化物反应形成硫化亚铊沉淀(TlS);(ⅱ)Tl(Ⅰ)与吸附剂中硫铁化合物的表面络合作用;(ⅲ)Tl(Ⅰ)离子与带负电荷的S-ZVI静电吸引。Tl的去除机理贡献顺序为硫化沉淀>表面络合>静电吸引。其次,进一步优选出以NaS为硫化剂的除铊效果更有的S-ZVI材料进行除铊研究:(1)一步法制备的S-ZVI系列材料中,S/Fe摩尔比为2.0的材料除铊效果最佳;而两步法制备的S-ZVI系列材料中,S/Fe摩尔比为3.0的材料除铊效果最佳。SEM分析表明S/Fe=2.0一步法材料由于FeS沉淀较多而具有不规则的表面;S/Fe=3.0两步法材料出现纳米级的球形颗粒链状结构。HRTEM分析中,S/Fe=2.0一步法材料为无定型非晶体,S/Fe=3.0两步法具有显著的核-壳结构。(2)以上两种材料的除铊等温吸附线均符合Langmuir模型,其最大铊吸附容量为***/g(S/Fe=2.0一步法)和890.0 mg/g(S/Fe=3.0两步法)。共存的金属离子和腐殖酸对除铊过程有一定的抑制作用,抑制强度:Ca>Na=K,高浓度>低浓度。(3)采用多种表征手段对吸附前后材料进行表征分析,进一步研究了S/Fe=2.0一步法材料和S/Fe=3.0两步法材料除Tl(Ⅰ)机理。结果表明,所研究材料除Tl(Ⅰ)机理顺序为硫化沉淀>表面络合>静电吸引作用。进而,应用S-ZVI系列材料对含铊的工业污酸废水进行处理,单独使用优选的S-ZVI材料具有良好的除铊效能,但仍需要后续进一步处理。结合碱沉前处理和花状MnO材料进行深度处理,可使污酸中的铊处理至低于1μg/L,其他的污染物如As、Cd和Zn也可有效的削减。因此,本研究的S-ZVI系列材料对含铊重金属废水的深度净化具有极高的应用价值。最后,利用EPS合成碳量子点(CQDs),并用于检测微量重金属离子。制备的CQDs具有较好的氮掺杂特性,可作为荧光探针对Mn(Ⅶ)和Cr(Ⅵ)离子进行识别和定量检测,对Mn(Ⅶ)和Cr(Ⅵ)的检出限分别为5.8 nmol/L和2.3 nmol/L,优于目前大部分文献报道的CQDs对Mn(Ⅶ)和Cr(Ⅵ)的检测灵敏度。

关键词： 碳点   植物生长   光合作用   嫁接  

摘要： 碳量子点(CDs)是一种新兴的一般粒径小于10nm的纳米材料,这种材料能够从多种类型的碳源中制得,例如石墨烯、活性炭、碳纳米管以及其他有机材料。这种新型纳米材料由于其本身良好的光学特性、高化学稳定性、生物相容性和低毒性等优势而备受关注。植物作为生态环境中的重要生产者,对我们的环境以及生活起着至关重要的作用,近年来,将CDs运用至植物领域逐步成为研究的热点,CDs有利于植物的生长,能够有效提高植物抗性、光合作用和非生物胁迫抗性。本论文通过溶剂热法制备了两种CDs,将双发射CDs材料喷施在黄瓜幼苗叶片上,发现1500mg/L CDs能够有效促进黄瓜幼苗的生长发育和光合作用;将1000mg/L核桃壳基CDs喷洒在嫁接后的西瓜幼苗上,发现CDs在一定程度上可以促进西瓜幼苗嫁接愈合的速率。本研究的主要内容和研究结果如下:(1)以柠檬酸和乙二胺作为前驱体,甲酰胺作为溶剂,通过溶剂热法制备了红蓝双荧光发射的CDs。我们通过对CDs进行X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)表征,对CDs的形貌特征进行了分析,结果表明制备的CDs在水中分散均匀,且粒径较小,主要分布在5nm-7nm。傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)表征表明CDs在水溶液中有很好的亲水性。光致发光(PL)说明制备的CDs具有两种发射波长,可以发出红色和蓝色两种荧光。将不同浓度CDs喷施在黄瓜幼苗上,我们发现与去离子水处理的对照组相比,浓度为1500mg/L的CDs溶液对黄光幼苗的生长以及光合作用具有最好的促进作用。实验结果表明,经CDs处理后的黄瓜幼苗类黄酮、可溶性糖、类胡萝卜素、总叶绿素含量分别增加了19.90%、26.78%、117.77%、81.65%。同时,我们发现CDs处理还影响了其他生理指标,如叶片面积、净光合速率等,经处理的黄瓜幼苗在光合色素及光合参数上均有一定程度的提高。综上所述,CDs对黄瓜育苗中的促进作用具有较强的应用前景。(2)将核桃壳作为碳源,乙二胺和邻苯二胺作为碱源通过溶剂热法制备出CDs,该CDs荧光产率为9.36%,粒径主要分布在6nm-8nm,平均粒径7.14nm,晶格间距为0.24nm。CDs中含有羧基和氨基等含氧或含氮的官能团,这些官能团的存在表明CDs在水溶液中有很好的稳定性。激发波长为350nm时发射峰最强,且发射光谱具有激发波长依赖性。该CDs具有上转换荧光特性,辐射的光子能量可以大于其所吸收的光子能量。将1000mg/L CDs溶液喷涂在嫁接后的西瓜幼苗,该CDs可以有效促进西瓜幼苗真叶生长,通过测定嫁接苗接穗和砧木部位淀粉以及还原糖的含量来判断接穗和砧木连通的情况,我们发现喷施过CDs的嫁接苗连通速度更快,进而推测CDs溶液能够促进嫁接苗愈合的速度。

关键词： 分子器件   石墨烯纳米带   第一性原理   负微分电阻   电导增强  

摘要： 随科技不断发展,电学器件越来越需要具备尺寸小、能耗低等特性。传统的硅器件已经不能满足人们日益增长的需求,于是在纳米级尺寸的分子电子器件受到了人们广泛关注。第一、二章中,在阐明了分子电子学概念及理论方法的基础上,介绍了石墨烯以及修饰在石墨烯边缘的有机分子——菲(Phenanthrene,PHE)的相关结构及性质。基于ATK中第一性原理,研究了PHE修饰的单层石墨烯器件的量子输运性质。第三章介绍PHE去氢后共价耦合到锯齿型石墨烯纳米带(Zigzag Graphene Nanoribbon,简写为ZGNR)边缘所形成三种杂化结构。利用第一性原理,我们计算了这些PHE/ZGNR杂化体系的色散关系、电流电压特性曲线、微分电导、透射谱以及分子投影自洽哈密顿量等。研究表明该双电极器件具有负微分电阻、电导增强、奇偶等性质,并从深层次上解释了上述成果的物理机制。第四章中,我们采用第一性原理计算了PHE修饰扶手椅型石墨烯纳米带边缘(Armchair Graphene Nanoribbon,简写为AGNR)的量子输运。经过耦合PHE,我们发现宽为5的AGNR电导增强,而宽为6的AGNR电导减弱。据此,联合微分电导、透射谱和局域态密度等手段,解释了电导增强与减弱的物理机制。研究表明:相比原始AGNR,电导增强与否和器件的中心散射区域的长度无关。但随散射区长度的增加,体系电阻将增大。

关键词： 量子材料   低维磁性   低温物性   单晶  

摘要： 我们知道物质在常温下分子的热运动是非常剧烈的,由于和热运动的相互竞争,很多量子物理现象会被热运动所掩盖。随着温度的逐渐降低,分子的热运动也随之逐渐减弱,宏观量子力学性质得以表现出来。很多奇异的量子现象都产生在低温范围内,比如自旋极化、量子纠缠、超导、量子自旋液体等。对于磁性也是如此,除了仅有少数室温磁体外,其他磁体皆是低温才能表现出磁有序。基于三维磁体的磁性研究已经研究了很多年,其中的自旋波理论比较成熟,但是基于低维体系的磁体的研究正属于蓬勃发展时期。低维体系在低温区可能产生长程有序的状态,但有些阻挫的系统中即使在极低温也不会产生长程有序的磁性,而是产生了高度纠缠的无序态。我们通过蒸发法、扩散法和高温固相法合成了一系列新的低维量子磁性单晶,并对其进行了一系列表征。我们合成并表征了具有强链内交换S=1/2的一维反铁磁(2,6-dimethylpyrazine)CuBr的晶体结构和性质。它的自旋链是由Cu离子通过双卤化物超交换途径桥接形成的。有趣的是,单晶在T≈248 K时发生结构转变,在此温度以下,线性自旋链变为非线性,其磁化率突然增加,反映了反铁磁交换强度的减弱。这一结果直接证明了Goodenough-Kanamori规则,该规则声称线性超交换路径产生更强的反铁磁耦合。根据磁化率测量,我们发现在低温阶段平均链内交换强度为J/k ≈-88.18 K,并且J在空间上是各向同性的。磁性和比热测量都显示在低至2 K的温度下不存磁性有序,证明了(2,6-dimethylpyrazine)CuBr是一个具有优秀的一维磁性海森堡反铁磁体。我们还进行了紫外可见光吸收(UV-vis)和光致发光(PL)测量,给出了半导体带隙约为2.79 e V。此外,我们还合成了通式为[Cu(L)X]的配合物,这种双桥路磁性交换结构是非常罕见的,Cu离子采用伪正方形平面几何结构,长的Cu···X接触提供了超交换路径。我们用热重分析、荧光光谱、单晶X射线衍射和变温磁化率对(CHN)CuBr化合物进行了表征。化合物在单斜空间群C 2/m中结晶。这种化合物在结构上表现出反铁磁相互作用,链内交换常数约为-27.75 K,链间交换常数约为5.88 K。我们还利用高温熔剂法合成了一种新的反铁磁体NaBaNi(PO)。其晶体结构具有由S=1的Ni离子形成的完美二维三角晶格。根据磁化率测量,我们发现主要的磁相互作用是反铁磁的,外斯常数θ=-6.615 K(H⊥c)和-43.979 K(H∥c)。然而,我们发现该化合物在300 K到0.3 K温度范围内没有产生任何磁性有序信号,其表现出很强的几何阻挫效应。因此,NaBaNi(PO)被认为是一种新的阻挫三角晶格反铁磁物质,可视为潜在的自旋液体候选材料。

关键词： 量子点   石墨烯   宽光谱响应   光电探测器  

摘要： 量子点(quantum dots:QDs)纳米材料具有光吸收强、尺寸可调、电荷分离速度快和可旋涂成膜等优异特性,是基于CMOS的低成本高性能成像芯片的理想材料。而且量子点具有量子限域效应,使其可通过量子点直径调控带隙、调控响应波长范围,量子点的纳米尺度也适合与其它波段材料集成,成为开发下一代宽光谱成像芯片的潜在候选者。(1)论文研究了 PbS,PbTe,PbSe,HgTe量子点的合成工艺,并采用透射扫描电子显微镜、X射线衍射、傅里叶红外光谱仪对量子点的形貌、直径、成分等进行了表征。深入研究了影响量子点尺寸的工艺参数,实现了直径从5nm到20nm的量子点的可控制备。(2)研究了不同厚度HgTe量子点薄膜的光电响应,采用合适厚度的HgTe量子点制备了光电导器件,测试结果表明其对532nm、980nm、1550nm、1850nm、2200nm波长的光辐射具有明显的光电响应。器件在波长1550nm时,响应度可达500mA/W。(3)引入了石墨烯作为载流子传输层,优化了器件结构,提高了器件性能。量子点具有很多优异的性能,但是量子点存在导电性能差、载流子传输慢等缺点限制了量子点光电探测器的性能。针对单一量子点材料存在的这一问题,本论文采用将量子点材料与石墨烯载流子传输层叠层的方案,该探测器结构与单层石墨烯结构相比可以提高光吸收率,与单层量子点结构相比可以提高光生载流子输运速度,可以有效提高基于量子点的光电探测器性能。(4)为了进一步拓宽响应光谱范围,研究了量子点-石墨烯-硅叠层器件的制备及性能。进行了探测器结构的设计、研究了探测器的工作原理、叠层器件的制备工艺。在此基础上制备出了基于HgTe量子点的宽光谱探测器件,测试光谱响应范围约为400-2000nm,与现有量子点光电探测器相比拓宽了光谱响应范围。