关键词： Physics   Materials science   Electrical engineering  

摘要： Superconducting devices in circuit quantum electrodynamics (cQED) systems are one of the leading approaches for realizing scalable quantum information processors. The combination of cQED architectures with multimode resonator systems can provide a flexible platform for performing analog quantum simulations, storing quantum information, and generating complex entangled states. Metamaterial resonant structures made from arrays of superconducting lumped circuit elements can exhibit microwave mode spectra with left-handed dispersion, resulting in a high density of modes in the same frequency range where superconducting qubits are typically operated, as well as a bandgap at lower frequencies that extends down to dc. In this thesis, we present a brief review of the design, fabrication, and circuit properties of superconducting metamaterial resonators. Through a series of low-temperature measurements, we study the coupling of a flux-tunable transmon qubit to a dense spectrum of microwave modes generated by a superconducting metamaterial resonator. We measure the interaction between the transmon and metamaterial by both direct microwave transmission through the metamaterial resonator and qubit spectroscopy and manipulation through a separate readout cavity. We study the qubit decay and decoherence as a function of frequency in the presence of the dense mode spectrum. We also investigate the ac Stark shift of the qubit as the photon number in the various metamaterial modes is varied. Additionally, we compare these measurements with analytical and circuit simulation results.

摘要： 磁斯格明子是一种非共线磁涡旋结构并受拓扑保护的准粒子。磁斯格明子因其可以做到纳米尺寸、非易失且易驱动从而被认为在下一代自旋电子学器件如信息存储、逻辑运算或者神经网络技术等领域将会扮演重要角色。磁斯格明子的形成通常是由使磁矩倾向于垂直排列的反对称交换耦合(Dzyaloshinski-Moriya interaction,DMI)引起的。DMI同时也是凝聚态物理等基础科学研究中的一个重要物理相互作用,所以DMI的研究和磁斯格明子的研究已然成为当前自旋电子学领域,同时也是量子材料研究热点。

关键词： 机器学习   量子输运   神经网络   量子渗流   量子自旋霍尔效应  

摘要： 对于介观系统的输运性质,无序在量子自旋霍尔系统、三维强拓扑绝缘体和超导体、分数量子霍尔系统和弱AIII拓扑绝缘体中起着重要的作用,它可以导致金属-绝缘体相变并驱动拓扑相变。杂质的浓度对量子输运有很大的影响。在某些情况下,它们的微小变化会显著改变电导值。因此,有必要进行大量的数值计算来研究杂质能量和杂质浓度对输运性质的影响。本文希望通过流行的机器学习技术来降低这方面的计算成本。并研究利用机器学习方法预测具有大量杂质点或杂质浓度可调的输运系统电导的可行性。本文主要对无序二维材料的输运性质进行研究,以及机器学习在量子输运中的两项应用。首先,我们研究了量子自旋霍尔绝缘体系统中反点诱导的量子渗流,利用紧束缚哈密顿量模型,在数值上探究了不同形状和尺寸的渗流阈值。研究发现,对于较小的样品,由于有限尺寸效应,渗流阈值pc敏感地依赖于长宽比,而pc随着样品尺寸的增加而趋于常数,变得与形状无关。我们还将讨论扩展到了量子自旋霍尔反点系统中是否存在高阶拓扑角态。当反点密度接近逾渗阈值而体隙不闭合时,由螺旋边态提供的纵向导电通道被破坏,并出现类似于高阶的四个角态的趋势。接下来,我们研究了机器学习在无序二维材料输运性质上的两个应用。我们搭建了一个全连接神经网络,为求解二维纳米结构电子量子输运方程提供了线性回归的机器学习方法。计算无序系统的传输系数,为神经网络提供训练和测试数据集。系统的表示形式对能量和几何信息进行编码,以表征无序配置之间的相似性,而均方误差（MSE）则用作相似性的度量。全连接神经网络模型在捕获干扰现象的复杂性方面的卓越性能为其处理无序体系的输运问题的可行性提供了进一步的支持。另一个应用是分析波函数并确定它们的量子相。在这里,我们利用多层卷积神经网络,来确定随机电子系统中量子相。通过对已知相的系统波函数图像的监督学习训练神经网络,卷积神经网络可以确定未分类系统波函数图像的相。卷积神经网络能正确地判断二维无序拓扑系统的相,即局域或非局域,证明了该方法的有效性。

关键词： 量子点发光二极管   载流子平衡   掺杂   能级匹配   界面修饰  

摘要： 胶体量子点(Colloidal quantum dots,QDs)由于其高色纯度、发射波长可调、高光致发光量子产率(Photoluminescence quantum yield,PLQY)和优异的内在稳定性等优点,已经引起了平板显示领域的广泛关注。近年来,基于量子点的电致发光器件在效率和寿命方面虽然取得了一定的进展,但是目前量子点发光二极管(Quantum dot light-emitting diode,QLED)中存在的电子注入大于空穴注入的问题仍未得到较好的解决,这也制约了器件的商业化进程。相比无机材料而言,有机材料种类繁多,多采用溶液加工制备,成膜性更好。因此,针对载流子注入不平衡的问题,本论文将主要引入具有深HOMO能级的2,6-bis(3-(9H-Carbazol-9-yl)phenyl)pyridine(26DCz PPy)和具有两亲性的poly[(9,9-bis(3’-((N,Ndimethyl)-N-ethylammonium)-propyl)-2,7-fluorene)-alt-2,7-(9,9-dioctylfluorene)]dibromide(PFN-Br)这两种有机材料,从提升空穴传输和阻挡过多的电子传输两个方面对载流子平衡进行调控。首先,本文在常用的作为QLED器件的聚合物空穴传输材料poly[(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-co-(4,4′-(N-(p-butylphenyl))-diphenylamine)](TFB)中,引入具有深HOMO能级的小分子空穴传输材料26DCz PPy进行不同比例共掺杂,制备了基于Cd Se量子点材料的红光QLED器件,器件结构为ITO/poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)(PEDOT:PSS)/TFB:26DCz PPy/QD/Zn O/Al。研究发现,当TFB:26DCz PPy掺杂比例为7:3(质量比)时,器件的最大亮度达到了153605cd/m,相比于标准器件(仅TFB作空穴传输层(Hole transport layer,HTL))有21%的提升;器件的最大电流效率(CE)为19.3 cd/A,与标准器件(15.4 cd/A)相比,提升了25%;而器件的开启电压则从1.8V降到了1.6V,这也使得器件的最大功率效率(PE)由18.8 lm/W增加至26.8 lm/W,提升了42%之多;更为重要的是,器件的T寿命由14.5 h提升至56.4 h,是标准器件寿命的4倍。本文通过对薄膜形貌、材料能级以及单载流子器件进行表征分析发现,器件性能提升原因主要归咎为共混后的薄膜粗糙度减小,有利于界面接触,提高电流注入;同时有机26DCz PPy材料较深的HOMO能级结合具有高迁移率的TFB材料作为空穴传输层,极大地提升了器件的空穴注入效率,提高了空穴注入电流,使得器件内部的载流子注入更加平衡,从而也减缓了由电子注入过多所引发的非辐射复合以及器件工作电压过大等因素带来的不利影响。其次,水/醇溶性有机材料PFN-Br是一种两亲性界面材料,不仅可以形成界面偶极层,还可以使薄膜表面更加均匀平整。因此针对红光QLED器件电子传输层(Electron transport layer,ETL),在电子传输材料Zn O中,引入有机聚合物材料PFN-Br,来研究该材料对QLED器件性能的影响。制备了器件结构为ITO/PEDOT:PSS/PVK/QD/ETL/Al的四种不同电子传输层的QLED器件,其中ETL分别为Zn O、Zn O/PFN-Br、PFN-Br以及PFN-Br/Zn O。研究发现,当电子传输层结构为PFN-Br/Zn O时,优化后器件的CE为26.7 cd/A,比标准器件(ETL为Zn O)性能提升了接近50%,不仅如此,器件的亮度和功率效率均有所提升,而采用其他两种类型的电子传输层的器件性能,相对于标准器件均有所下降。PFN-Br/Zn O作为ETL,器件性能提升的主要原因是由于在QDs层和Zn O层之间插入PFN-Br薄层,既可以作为一个物理缓冲层保护QDs层免受电子传输层Zn O的影响,也可作为界面偶极层来提升QDs的能带,在促进空穴注入的同时也更好地阻挡了过多的电子注入,而且PFN-Br的引入还会使得QDs薄膜的表面平整性更好,从而大大提升了器件的性能。进一步的,本文也对PFN-Br掺杂Zn O作为QLED器件的ETL进行了性能研究。在Zn O:PFN-Br=100:2(质量比)时,器件的CE为19.7 cd/A,相比于标准器件的CE(18.3 cd/A),提升幅度略小,而且基于Zn O:PFN-Br器件的亮度和功率效率提升也不大。这表明PFN-Br作为掺杂

关键词： 钙钛矿量子点   PL光谱   金属有机框架   MAPbBr3-MOFs复合材料  

摘要： MAPbX3钙钛矿量子点在光照、显示、光学检查和太阳能发电行业中显示出巨大的发展潜力。但是在发光二极管、太阳能电池等领域需要面对的是稳定性较差和发光效率较低的问题。通常通过掺杂离子或者将量子点包裹进其它材料中来解决这类问题。金属有机框架（MOFs）因为其独特的结构可以通过离子生长在框架中以实现功能组合从而可以提高发光效率或稳定性。因此,本毕业论文首先研究了在改变配体材料的情况下MAPbX3钙钛矿的基础性质,并在金属有机框架中生长钙钛矿量子点,对钙钛矿量子点与金属有机框架复合材料的性能进行研究。本论文主要研究内容如下:（1）MAPbBr3的制备以及性能研究。本论文采用了微乳法进行制备MAPbBr3量子点。通过改变加入正辛胺（OLAM）含量,制备了一系列不同的MAPbBr3量子点。研究发现,合成的MAPbBr3量子点的主要荧光峰随着OLAM量的增加从530nm左右逐渐转移到430nm处,发光从绿光逐渐转变为蓝紫光,并且发光效率逐渐降低,平均寿命逐渐变短。并且加入过多的正辛胺会使钙钛矿量子点尺寸分布不均匀,表面钝化以及缺陷态增多从而影响了发光效率。（2）MAPbBr3-MOFs复合材料的制备及其光电性能研究。本论文采用水热法合成了MAPbBr3-MOFs的复合材料。通过改变加入铅离子的含量制备了一系列不同的复合材料。通过对Eu-MOF材料、Eu-MOF-Pb前驱体材料和MAPbBr3-MOFs复合材料的XRD图谱以及红外光谱的对比得知,MAPbBr3-MOFs复合材料同时具有Eu-MOF材料与有机钙钛矿MAPbBr3的结构性质,通过测量发光光谱,发现在365nm激光的激发下,MAPbBr3-MOFs复合材料不仅在591nm以及617nm处有红光发射峰,在534nm处也能得到一个绿光发射峰,制备的MAPbBr3-MOFs复合材料可以同时具有金属有机框架与钙钛矿量子点的光学性质。

关键词： 二维材料   拓扑绝缘体   第一性原理计算   量子输运   隧穿磁电阻   范德瓦尔斯异质结  

摘要： 随着科学技术的进步,电子产品的迭代越来越快,人们对于高性能和低功耗的电子产品的要求也越来越高。然而随着芯片等电子器件的纳米尺寸越来越小,基于硅基的摩尔定律似乎逐渐达到尽头,所以出现新的材料来替代硅基材料变得越来越迫切。由于科学技术的不断进步以及科研人员不断的研究,越来越多的新材料被发掘出来,其中二维材料由于其本身独特的物理性质、超薄的厚度以及容易制备的特点而被广泛研究。然而绝大部分二维材料并没有磁性,这极大的限制了其在储存信息领域的应用,目前利用不同二维材料堆叠构建范德瓦尔斯异质结可以向二维材料中引入磁性,并且具有磁性的范德瓦尔斯异质结还可以用来制造电子器件。磁隧道结是由两个磁极以及磁极之间的绝缘体组成。以往的研究表明,在这些隧道结中发现了许多奇特的自旋相关现象,如自旋滤波、隧穿磁阻和近道效应。隧穿磁阻是一种重要的物理现象,对磁信息存储有巨大的经济影响,包括磁阻随机存取存储器、微波发生器、射频传感器和神经形态计算网络。本论文通过第一性原理计算方法研究了新型二维范德华材料MnBiTe异质结的磁性以及基于MnBiTe异质结的磁隧道结的电子输运性质。主要内容和结果如下:1.由于双层MnBiTe表现出层间反铁磁属性,这对于其磁隧道结的构建是很大的阻碍,那么如何使其从层间反铁磁变为铁磁对于拓扑性的实现是很有意义的。本章基于第一性原理,通过计算研究了双层MnBiTe与不同层数(1QL-5QL)的三种拓扑绝缘体SbTe、BiTe和BiSe构建异质结的磁性变化,研究结果表明:当不同层数的三种拓扑绝缘体插入到双层MnBiTe中,只有插入5QL SbTe异质结的磁性从反铁磁性(AFM)转变为了铁磁性(FM)。并非所有拓扑绝缘体都可以诱导其磁性的变化,也表明并非只要有载流子就可以诱导出磁性,该研究对诱导偶数层MnBiTe的磁性提供了有效的理论指导。2.我们在上一章研究的基础上将拓扑绝缘体换成石墨烯(graphene)、双层石墨烯(bilayer graphene)、氮化硼(h-BN)、二硫化钼(Mo S)以及二硒化钨(WSe)等常见的二维材料,通过与上一章节同样的构建异质结的方法,我们继续探究层间磁性的转换,研究结果表明:实现层间铁磁翻转需要高载流子以及载流子与非磁性原子的耦合才能实现。3.我们设计了一种基于范德华异质结的新型自旋阀Cu(111)/MnBiTe/MnBiTe/Cu(111)和Cu(111)/MnBiTe/h-BN/n·MnBiTe/Cu(111)(n=1,2,3),利用密度泛函理论结合非平衡格林函数的计算方法研究了这些体系的电输运性质,研究结果表明,Cu(111)/MnBiTe/h-BN/n·MnBiTe/Cu(111)体系施加偏压下,当n=2和3时,在一定电压范围内存在开关效应;当n=3时,反平行结构具有负微分电阻效应。MnBiTe/h-BN/3·MnBiTe的最大TMR可达162.6%。该研究结果为实验上利用二维磁性材料制备新型自旋阀提供了有效的理论指导。

关键词： 全无机钙钛矿   亚10纳米   场效应晶体管   第一性原理  

摘要： 有机-无机杂化钙钛矿具有结构可设计、电子与光学特性可调、载流子寿命长等优点,成为了众多光伏材料中最受欢迎的。然而有机-无机钙钛矿中的有机组分在高温和高湿环境下并不稳定。相比之下,全无机钙钛矿CsPbX3(X=I,Br,Cl)使用金属铯原子替代不稳定的有机组分而获得了较高的热稳定性,一些间接证据也表明这类材料可以具有同样出色的表现。因此,全无机金属卤化物钙钛矿正在迅速成为理想的替代材料并吸引着广大研究者们的注意力。而在几种全无机卤化铅钙钛矿中,立方相CsPbI3成功脱颖而出,因为其拥有优于其他同类材料的带隙(1.73 eV),成为光伏应用中最吸引人的候选者。另一方面,由于二维材料厚度均匀、表面光滑且柔性佳,相当多的研究者们将注意力转移到二维钙钛矿中,以期二维钙钛矿能将二维材料和钙钛矿的材料的优势相结合获得更好的表现。纵观以往的研究内容,对于二维全无机钙钛矿材料的研究处于刚起步阶段,且大多重点关注其光电性能。而作为具有同样出色的电学性质的材料,关于二维CsPbI3的固有载流子输运行为尚未有人进行讨论。为了研究二维CsPbI3的载流子输运行为,我们采用第一性原理计算方法模拟了基于二维Cs2PbI4单层结构的晶体管在亚10纳米范围内的表现。研究分为两大部分:一是研究单层Cs2PbI4的结构与电子性质,二是研究基于单层Cs2PbI4为沟道材料的亚10纳米场效应晶体管的性能极限。基于第一性原理计算,我们了解到二维单层Cs2PbI4不仅具有一个1.61 eV的直接带隙,还具有吸收系数高达105的高效的光吸收性能。我们还将其与其他全无机卤化铅钙钛矿的表现进行对比,表明了其在光电方面的出色性能。研究表明,n型晶体管拥有远超于同等条件下的p型晶体管的表现。n型亚10纳米单层钙钛矿晶体管的亚阈值降至96 mV dec-1,开态电流高达1869 μA μm-1。当栅极长度为9纳米时,n型单层钙钛矿晶体管的开态电流甚至是单层二硫化钼晶体管的7倍,主要原因是单层Cs2PbI4中的电子有效质量较小。与最新的工业标准(国际半导体技术路线图)相比,n型亚10纳米单层钙钛矿晶体管的功率延迟值降低了 0.08-0.29fJ μm-1。这种小的功率延迟积(PDP)也可能来源于小电子的有效质量,并表明n型亚10纳米钙钛矿晶体管在低功耗应用中的高潜力。

关键词： 石墨烯   二硫化钼   量子电容   光接收机   异质集成  

摘要： 近十几年来,由于二维材料具有诸多新奇的光学、电学、热学和力学性质,引发了人们对其研究的极大兴趣。众多新概念、新原理和新功能的二维材料器件相继被提出,对微纳电子领域的发展产生了革新性的影响。二维材料具有原子级厚度,存在很强的场效应和光电效应,在下一代超薄电子和光电子器件中具有很强的应用潜力。尽管最近二维材料器件取得了长足进步,但要使其实际应用,还有许多问题需要探索和解决。研究二维材料堆叠器件中的量子电容与二维材料异质结的光电子特性是发掘二维材料潜力的主要方向。因此对于二维材料器件的原理、制作工艺以及性能方面的不足还需要深入的研究。对此,本论文研究了基于石墨烯量子电容的场效应电子和光电子器件、石墨烯与二维材料异质结光电子器件,探索了二维材料光电子器件与硅基集成电路异质集成的方法,主要研究内容概括如下: （1）研究了二维材料在太赫兹频率下的应用,提出了石墨烯-二维材料绝缘体-石墨烯结构中的石墨烯光控量子电容的理论模型用于太赫兹频率和相位调制。模拟结果表明,光激发可以有效地改变其等离子体振荡波的频率和相位。 （2）研究了石墨烯的量子电容和沟道电阻对石墨烯场效应晶体管的输出相位的影响。通过实验验证了石墨烯场效应晶体管输出信号的相位在量子电容和沟道电阻的影响下发生变化。而量子电容和沟道电阻是由栅极电压控制的,同时对这一现象进行了理论分析,建立了相移的仿真模型。 （3）研究了一种基于垂直金/石墨烯/二硫化钼范德瓦尔斯异质结的双极型光电晶体管器件,该器件可以通过使用简单的硅半导体工艺批量生产。金不仅用作发射极,还是一种功能材料,二硫化钼作为集电极,石墨烯作为基极。金与石墨烯接触形成偶极子的电场与外加电场方向一致,从而增强了光电流,计算得到的最大光响应度为16500 A/W,光电流产生速度为1.48x10-4 A/s。 （4）研究了一种可用于二维材料异质结器件的硅基CMOS读出电路。该电路可以用于与二维材料器件异质集成来处理其光电流信号。二维材料异质结光探测器恢复初始状态的过程具有严重的拖尾现象。为了解决该问题,可以采用CMOS工艺设计光电探测器的读出电路来加速其载流子复合进程,从而提高其响应速率。

关键词： 荧光碳量子点   荧光淬灭   胰蛋白酶   唾液酸   溶酶体pH  

摘要： 碳量子点作为一种新型的“零维”碳纳米材料,具有良好的生物相容性、低毒性、高灵敏度、快速响应和实验操作简单等优点,作为荧光探针已被广泛应用于环境和生物体系中的各种目标物的检测。得益于体积小、比表面积大和表面官能团丰富等特性,碳量子点具有很高的反应活性,对周围环境的变化非常敏感。例如温度、离子强度和溶剂的改变均可导致碳量子点光学性质的改变。基于碳量子点构建的荧光传感器的基本分析原理是碳量子点的识别组分与分析物之间存在相互作用,这种相互作用会引起碳量子点的荧光性质发生变化,且与目标分析物的浓度存在定量关系。荧光传感器的信号输出主要包括四种类型,即淬灭型、增强型、比率型和发射波长位移型。本论文中,我们采用一步合成方法制备了三种不同功能化碳量子点,并充分表征分析了其各项性能。基于制备的碳量子点,分别建立了增强型、淬灭型和比率型荧光传感器,并成功应用于胰蛋白酶和唾液酸的检测以及活细胞中溶酶体p H的检测与成像。具体的研究工作如下:1.基于氨基化碳量子点和金纳米粒子（Au NPs）之间的荧光内滤效应（Inner Filter Effect,IFE）,构建了一种高灵敏度和高选择性的增强型（turn-on）荧光传感器用于胰蛋白酶的检测。该体系中,碳量子点作为荧光的供体,Au NPs作为荧光的淬灭剂。设计带有半胱氨酸且整体带负电荷的短肽链作为胰蛋白酶的识别底物。此荧光传感器的工作原理如下:多肽链中的负电荷片段可以被胰蛋白酶识别并水解,从而释放出含有巯基且带正电荷的短肽链片段。由于含有巯基的带正电荷的肽链与带负电荷的Au NPs之间存在有较强的静电相互作用和Au-S键联,诱导Au NPs发生聚集,从而使Au NPs与碳量子点之间的IFE作用被破坏,导致碳量子点的荧光得以恢复。通过测试碳量子点荧光强度的变化实现对胰蛋白酶含量的检测。在最佳的实验条件下,该荧光传感器的检测线性范围在2.5-80 ng m L-1之间,检出限为0.84 ng m L-1。同时,将该荧光传感器成功用于加标人血清样品中胰蛋白酶的检测,为与胰蛋白酶相关疾病的临床诊断提供了依据。2.细胞膜表面的聚糖链末端通常含具有九个碳原子结构的唾液酸（Sialic acid,SA）,其在各种生理和病理中都起着至关重要的作用。目前,唾液酸已被作为肿瘤相关的生物标记物,其在人体血液中过度的表达可以作为各种癌症或者心血管疾病早期诊断的重要依据。通过一步水热法合成了硼酸功能化的碳量子点,并基于静态淬灭效应建立了淬灭型（turn-off）荧光传感器用于唾液酸的检测。本实验采用3-吡啶硼酸作为唯一的碳源,通过一步水热法合成了硼酸化碳量子点。当在体系中引入唾液酸后,唾液酸可以选择性的识别硼酸化碳量子点,并与其发生静态淬灭效应以此检测唾液酸。该荧光传感器的检测线性范围在80-3000μmol L-1之间,检出限为26μmol L-1。此外,将该荧光传感器成功用于加标人血清中唾液酸的检测,加标回收率在92.5-102%之间。相对于其它检测唾液酸的荧光法和比色法,本方法具有操作简单、耗时短（可以在4 min内获得检测结果）、灵敏度高和选择性好等优点,可作为唾液酸检测的优选方法。3.通过一锅水热法合成氨基化的具有黄色和蓝色双波长发射荧光的碳量子点,并将其作为比率型荧光探针用于活细胞中溶酶体p H的检测和荧光成像。在合成碳量子点的过程中,可直接功能化大量的氨基基团。在380 nm单波长激发下,该碳量子点在550 nm和439 nm波长处表现出双波长的荧光发射峰。作为细胞中最酸性的细胞器,溶酶体内含有很多的酸性物质,含有碱性氨基基团的荧光探针可以更好地靶向溶酶体。由于该比率型荧光探针表面含有丰富的氨基基团并具有良好的生物相容性,它对活细胞中的溶酶体表现出很好的靶向性并具有较高的Pearson共定位系数（0.935和0.924）。在p H 2-6.6范围内,碳量子点的荧光强度比率(F550/F439)与p H呈现良好的线性关系。细胞溶酶体内的p H在4.4-5.5范围内,本荧光探针的线性范围满足溶酶体p H的检测需求。此外,它还具有灵敏度高、可逆性好和抗环境干扰等特点,可以实现活细胞中溶酶体p H的精确检测。同时,将该荧光传感器成功地用于监控溶酶体碱化剂氯喹、细胞质酸化剂地塞米松和氧化还原物质刺激下人乳腺癌细胞（MCF-7）中溶酶体p H的变化。

关键词： 二维材料   Klein隧穿   8-pmmn硼烯   石墨烯  

摘要： 以石墨烯为代表的相对论性二维材料由于其相对论性的色散关系,其电子具有独特的低能有效行为,从而其电子或空穴的量子输运具有很多新奇的性质,例如反常整数量子霍尔效应、Klein隧穿、Andreev反射等。最近人们发现8-pmmn硼烯具有倾斜的狄拉克锥,这与石墨烯中的狄拉克锥有着明显不同,而这种倾斜特性可能对其量子输运产生明显的影响。本文将重点研究8-pmmn硼烯上的量子输运性质,各章内容安排如下:第一章将阐述二维材料与量子输运的研究背景,并重点介绍石墨烯、二硫化钼、锗烯和硼烯等常见的二维材料的晶体结构、能带以及物理特性。第二章重点研究本文所聚焦的两种二维材料:石墨烯和8-pmmn硼烯,分析其晶体结构与并推导出其低能有效哈密顿量,求出相应的能量与波函数。第三章阐述本文的基本理论方法,即计算势场散射行为的转移矩阵法的原理与具体数学表达,并介绍量子输运理论中的介观电导的计算引入朗道尔电导计算公式。第四章将转移矩阵法应用到石墨烯中,以矩形势垒为例给出其转移矩阵的形式,并对瞬变和缓变势场的透射行为进行具体求解,给出石墨烯瞬变与缓变PN结的隧穿性质。第五章应用转移矩阵法研究8-pmmn硼烯的输运性质。为了求解更复杂势场形状的散射行为,利用微分思想将四种常规的转移矩阵进行组合,构造出任意形状势垒的转移矩阵,并对不同势场斜率的PN结、不同势场高度的NPN结的透射概率进行求解。最后给出不同势场下的NPN结的电导。第六章总结全文的研究结果。我们发现倾斜狄拉克锥对NPN结中的电导行为的影响与常规正狄拉克锥并无明显不同,但我们可以基于8-pmmn硼烯构造与石墨烯类似电学特性的器件,由于狄拉克锥的倾斜性质使得我们在参数微调上具有更多的可能性。利用8-pmmn硼烯微结构散射行为上的各项异性与折射特性,我们有可能利用该结构设计电子透镜等新型电子器件。