关键词： 量子点   有序介孔材料   色转换   Micro-LED  

摘要： 量子点(Quantum dots)由于具有优异的光电特性,广泛应用于发光与显示、太阳能电池、光催化等领域,它的发现和合成获得了2023年诺贝尔化学奖。采用量子点色转换的Micro-LED全彩化显示技术无需巨量转移,有望实现大规模量产,然而,量子点在高强度Micro-LED出光激发下的性能和寿命仍存在局限。基于此,本文研究了基于量子点@有序介孔(QDs@SBA-15)复合材料的Micro-LED色转换技术及其特性,有序介孔分子筛载体独特的孔道结构不仅能够有效提升Micro-LED色转换和光提取效率,且致密的有序介孔材料也一定程度上保障了量子点的稳定性。首先,通过时域有限差分方法(FDTD)建立了Micro-LED仿真模型,探究量子点粒径和有序介孔材料的孔径对光提取效率的影响;基于仿真结果指导,进一步采用物理共混法制备了QDs@SBA-15复合材料,通过透射光谱、荧光激发光谱、紫外-可见光吸收谱等手段对其进行表征并确定浓度配比;最后,将该复合材料与聚二甲基硅氧烷(PDMS)混合固化成膜,并研究了其光致发光性能。实验结果发现,量子点粒径和介孔材料孔径的匹配度以及量子点和有序介孔材料的比例浓度是影响QDs@SBA-15复合材料发光效率及Micro-LED色转换性能的关键因素;通过优化,所得复合材料可获得优异的发光性能以及良好的环境稳定性,相比于纯量子点色转换层,复合材料的光提取效率提升了81.73%,复合材料的环境稳定性提升了14.33%,以Micro-LED作为蓝光光源组成的三基色发光器件工作色域达到了104.52%NTSC。本研究为量子点色转换Micro-LED显示技术提供了理论指导,为实现Micro-LED全彩化开辟了新路径。

关键词： 木质基碳量子点   光催化   异质结   氧空位  

摘要： 在当今环境污染日益严重的背景下,开发高效、稳定的光催化剂成为解决水污染和清洁能源生产的迫切需求。利用木材这种环境友好的可再生资源,制备光学性能优异的碳纳米材料具有重要意义。本研究探索使用木质基碳量子点作为光催化剂或增效剂来提高光催化降解水中污染物的效率,旨在为可持续能源的开发提供新思路。最终通过开发新型Z型异质结光催化材料,对水体中的染料、抗生素和重金属进行光催化降解,从而改善水质。本文主要研究结果如下: (1)通过水热法制备进一步改性的氮掺杂木质基碳量子点(NCDs)。NCDs具有有利于光催化降解的吡咯氮形式掺杂结构。NCDs具有共轭结构的π-π*电子跃迁以及含氮或含氧官能团的n-π*跃迁。NCDs对应于石墨碳的(002)面的0.32 nm晶格间距显示出具有某种程度的石墨化结构。通过详细的荧光性能表征,本研究发现NCDs在不同环境因子如四环素(TC)、Cr(VI)浓度和pH值条件下表现出优越的稳定性和调控性。 (2)通过调节NCDs-乙二醇体系,开发了一种无需添加表面活性剂的高温溶剂热法,成功合成了具有丰富氧空位的NCDs/BiOBr超薄纳米片。揭示了NCDs在NCDs/BiOBr合成中的三重作用:控制纳米片厚度,增加氧空位浓度,调节带隙结构。在可见光下能够降解92%的TC和98%的RHB。通过光学和电化学表征验证了电子传递效率。合成的NCDs/BiOBr催化剂在不同的水样中表现出良好的降解能力,表明了样品的实际应用能力。此外,还对制备的催化剂降解TC过程的中间体和可能的降解途径进行了深入分析。结合自由基检测和能带计算,提出了NCDs/BiOBr的电子转移途径和光催化机理。 (3)本研究构建了具有优秀性能的NCDs/BiOBr/AgBr Z-scheme异质结光催化剂。NCDs/BiOBr/AgBr以NCDs为电荷转移通道形成Z-scheme异质结体系。在NCDs/BiOBr/AgBr中形成的内部电场极大地促进了电子转移。在合成中利用较易断裂的Bi-O键向NCDs/BiOBr/AgBr中引入了丰富氧空位,促进分子氧活化。同时在合成中还原出了银纳米棒,提升了光催化性能。光催化剂降解TC和还原Cr(VI)的效果提升了大约4倍和6倍。分析了影响TC和Cr(VI)去除效果的因素。同时测得催化剂具有良好的稳定性以及在实际废水中应用的潜力。测试了在NCDs/BiOBr/AgBr光降解TC和Cr(VI)中起主导作用的活性氧,并提出了可能的光催化机理。

关键词： 钙钛矿量子点   分子筛   复合材料   无溶液合成   光催化   WLED  

摘要： 作为一种新兴半导体材料,钙钛矿量子点因其高光致发光量子产率、高载流子迁移率、高吸收系数以及制备工艺简单等优点引起广泛关注,被广泛应用于发光二极管、光电探测器、太阳能电池和光催化等众多领域。然而,钙钛矿材料因其离子特性极易受水、氧、光、热等因素的影响而分解。有毒重金属铅的存在也导致钙钛矿材料的发展与应用受到限制。另外,钙钛矿量子点的制备过程往往需要使用大量有机溶剂,不利于环境保护和成本控制。钙钛矿量子点@分子筛复合材料兼具了钙钛矿优异的光学性能和分子筛的高稳定性,对于钙钛矿材料的应用具有重要意义。本文介绍了一种新的钙钛矿量子点@分子筛复合材料的合成方法,将制备的复合材料应用于光催化和照明领域,主要研究工作如下: 气相沉积结晶法制备了沸石A（LTA）包覆的Mn掺杂钙钛矿量子点CsPb1-xMnxCl3@LTA（x=0,0.2,0.4,0.6,0.8）复合材料。LTA不仅提高了钙钛矿量子点的水、光、热稳定性,而且将钙钛矿量子点的平均尺寸限制在20 nm以下。Mn2+掺杂提高了钙钛矿量子点基质的激子寿命。Mn2+产生的光生载流子具有数毫秒的衰减寿命,有效提高了光催化效率。当x=0.6时,CO和CH4的总产量为1443.25μmolg-1(CO为1191.08μmolg-1,CH4为252.17μmolg-1)。经过五次催化循环后,CO和CH4的产率分别保持在其原始水平的53.77%和62.27%,表明CsPb1-xMnxCl3@LTA具有优异的光催化应用前景。 使用分子筛（SBA-15）空间限域合成平均粒径为45.22 nm的无铅CsAgCl2钙钛矿量子点,获得CsAgCl2@MS复合材料。并探究水分辅助CsAgCl2结晶的机理:水蒸气进入MS的孔隙中,并发生毛细冷凝形成液态水,促进了CsCl的溶解和扩散,随后与AgCl反应生成CsAgCl2。CsAgCl2@MS复合材料的光致发光量子产率（PLQY）为22%,发射中心位于610 nm,半峰全宽为211 nm。以CsAgCl2@MS复合材料作为发光层制备得到白光发光二极管（WLED）,其国际照明委员会（CIE）色坐标为（0.3553,0.3408）,相关色温（CCT）为4556 K,最大亮度为316.55 cdm-2,在单组分白光照明领域具有很好的应用前景。

关键词： In2Se3   反铁电隧道结   量子输运模拟   内存储逻辑  

摘要： 随着信息技术的飞速发展,数据存储的需求不断增长,传统存储器已经难以满足这些需求。同时,随着芯片小型化的不断推进,器件尺寸逼近物理极限,芯片制造工艺面临着摩尔定律失效的困境。为了应对这些挑战,我们需要发展新一代的超快、低能耗、非易失、多阻态的存储器件,并打破传统的冯·诺依曼架构中信息处理和存储分离的限制,开发存算一体器件。存算一体技术通过将计算任务分配到存储设备上进行计算处理,实现了数据读取和计算的同时进行,从而减少了数据传输时间,提高了计算效率。由于兼具半导体特性和非易失铁电性,二维α-In2Se3被认为是用于存算一体化器件的潜在候选者。本文利用双层α-In2Se3铁电极化和导电性的耦合特性,设计了一种能够整合原位存储和计算功能的反铁电隧道结(AFTJ)。本文的主要研究内容与结论包括: 第一,我们基于第一性原理计算研究了α-In2Se3的结构与电子性质。在双层α-In2Se3模型中,我们观察到反铁电(AFE)和铁电(FE)两种极化状态对能带结构产生了显著影响。具体而言,AFE状态下带隙较宽,而FE状态带隙明显较窄。通过调控极化状态,我们能够有效控制双层α-In2Se3的导电性能,进而实现信息的存储与调控。 第二,我们通过量子输运模拟计算,搭建了双层α-In2Se3AFTJs。此器件中,平面外和平面内极化之间的相互关系允许通过平面内电场控制双层α-In2Se3的AFE和FE相。当极化方向改变时,电极区与中心区之间的隧穿势垒高度会发生变化。势垒高度可以影响AFTJ中的电流和隧穿电阻。我们的研究发现,AFTJ在-80至80 mV的偏置电压范围内,最大电流比高达426,因而可以通过改变极化方向来实现存储信息的功能。 第三,我们借鉴类脑神经运算的概念,构建了两个AFTJ组成的矩阵电路。双层α-In2Se3 AFTJ表现出两种不同的电阻状态,称为关(“0”)和开(“1”)状态。通过将两个AFTJ组合到一个计算单元中,总电流可以完全开启或关闭,也可以用作以偏置电压为输入的XNOR逻辑。此外,我们还设计了由四个AFTJ构成的逻辑电路,并推测通过增加AFTJ的数量,可以实现更为复杂的逻辑功能。我们的研究为实现集成存储和计算功能提供了一种新的方法,在推动基于二维铁电半导体实现存算一体化方面起到了积极作用。

关键词： 第一性原理   二维铁电材料   铁电隧道结   多铁隧道结   隧穿电致电阻效应   隧穿磁阻效应  

摘要： 随着信息技术的不断发展,对具有高输运性能和小尺寸的存储器件的需求日益增加。基于铁电材料设计的铁电隧道结（ferroelectric tunnel junctions,FTJs）以及多铁隧道结（multiferroic tunnel junctions,MFTJs）由于具有非易失性、低能耗、高密度等优势,在存储器件方面有着广阔的应用前景。传统隧道结常用三维（three-dimensional,3D）钙钛矿型的铁电材料作为中间势垒层,但其铁电性受到临界厚度的限制,不利于器件小型化。二维（two-dimensional,2D）铁电材料为解决这一问题提供了新的可能,利用2D铁电材料设计FTJ与MFTJ并研究其量子输运性质是目前的研究热点。隧穿电致电阻效应（tunnel electroresistance,TER）和隧穿磁阻效应（tunnel magnetoresistance,TMR）是衡量隧道结量子输运性能的重要参数,高的TER与TMR效应代表着隧道结具有高的输运性能。本论文采用密度泛函理论结合非平衡格林函数的第一性原理方法,从铁电材料和隧道结构建机制两方面入手,致力于设计具有小尺寸、高TER、TMR效应的FTJ与MFTJ。主要内容如下: （1）基于半羟基化石墨烷（SHLGA）的有机铁电隧道结设计及其输运特性研究。材料方面选择2D有机铁电材料-半羟基化的石墨烷（semihydroxylized graphane,SHLGA）为中间隧穿势垒层,掺杂B的石墨烯为左右电极,设计了一个二维有机铁电隧道结。利用铁电材料本身沿着输运方向的极化不对称优势构建FTJ,最终在费米能级处获得了7.55×10～4%的巨TER比率。研究表明,隧道结产生TER效应的机制是基于SHLGA独特的内建电场。SHLGA的三个极化方向中任意两个方向的夹角为120°,不同极化状态沿着FTJ输运方向的内建电场不同,进而导致不同极化下的势垒高度以及在费米能级处的电子态数目存在巨大差异,从而产生了TER效应。另外随着势垒层厚度的增加,隧道结不同极化状态的透射呈指数形式衰减,TER效应呈指数形式增加,合理设置势垒层厚度可以提高FTJ的输运性能。 （2）Fe/Pt Te2/In2Se3/Fe多铁隧道结的设计及其输运特性研究。以2D铁电（van der Waals,vd W）异质结Pt Te2/In2Se3为中间势垒层,铁磁金属Fe作为两侧电极,设计了Fe/Pt Te2/In2Se3/Fe多铁隧道结。构建机制方面,由于Pt Te2/In2Se3极化反转前后实现了绝缘-金属的转变,预计能实现高的TER比率。此外选用Fe作电极,改变铁电势垒层的极化方向的同时再设置铁磁电极的磁化取向,获得了四种电阻态。经过计算,在费米能级处最大得到了1.718×10～6%的巨TER比率以及323.39%的TMR比率。在磁平行排列的下极化状态下,该MFTJ具有接近100%自旋注入效率（spin injection efficiency,SIE）以及0.108Ωμm2的电阻面积（resistance-area,RA）,有利于对自旋信息的操纵、传输以及器件的集成。增加隧穿势垒层的厚度,该MFTJ的透射呈指数形式减小、TER效应呈指数形式增加,与此同时考虑TMR、SIE、RA随势垒层厚度的变化情况,推荐了N=8个矩形胞的Pt Te2/In2Se3势垒层厚度。利用二维铁电vd W异质结的绝缘-金属转变构建多铁隧道结可以获得优异的输运性能,在未来具有巨大的发展前景和研究潜力。

关键词： 二维拓扑量子材料   光电流   异质结   散射式扫描近场显微镜系统  

摘要： 石墨烯的出现,带动了二维材料的研究和应用,光电器件领域得到了迅猛发展。其中,由于具有独特的能带结构,二维拓扑材料得到了科研人员的关注,如拓扑绝缘体和拓扑半金属。本文以二维拓扑量子材料为核心,开展了可见光和太赫兹频段的场效应管器件光电流特性的相关研究。主要内容如下: 一、光电流产生机制和光电流器件的设计与测试方法。首先,详细阐述了光电流的产生机理,包括光热电效应、光电导效应和光伏效应等。其次,给出了光电流响应的重要指标,包括响应度和响应时间等。随后,利用电磁仿真软件设计了工作频率位于太赫兹频段的谐振天线结构。最后,分别搭建了可用于太赫兹和可见光器件测试的实验平台。 二、可见光波段光电流特性实验研究。首先,设计和制备了背栅结构,利用半导体分析仪测试了背栅石墨烯器件的IV曲线和转移特性曲线,成功实现了石墨烯的载流子浓度调控。其次,研究了基于拓扑绝缘体Bi2Te3的场效应管器件,当入射光波长为785 nm时得到了112.6 A/W的室温响应度和40 ms的快速响应。最后,研究了基于Pt Se2的垂直异质结隧穿器件,在入射光波长为405 nm和532 nm时获得了高达10～5量级的整流开关比。 三、太赫兹波段光电流特性实验研究。首先,研究了基于拓扑绝缘体Bi2Se3和狄拉克半金属Pt Se2的场效应管器件,在入射光频率为97.8 GHz时分别实现了3A/W和5.4 A/W的良好响应度和毫秒级别的快速响应,实现了太赫兹频点的室温自供能快速高效探测。随后,为了改善Pt Se2的太赫兹响应,研究了基于Pt Se2/Graphene异质结的场效应管器件。在入射光频率为97.8 GHz情况下,自供能工作模式时器件的响应度为1.97 A/W,外加1 m V源漏偏压时器件的响应度为3.928 A/W。最后,利用散射式扫描近场显微镜系统,在接触模式下对Pt Se2场效应管器件进行了近场光电流扫描,得到了器件的电流强度分布,分析了器件的光电流强度在电极和材料区域的分布规律及其产生原因。

关键词： 光纤激光器   可饱和吸收体   过渡金属硫族化合物   拓扑绝缘体   孤子  

摘要： 在光子学领域,高性能光纤激光器和孤子的发展受到了极大的关注。光纤激光器具有优异的效率、紧凑性和多功能性,使其成为遥感、空间通信、材料加工、医疗诊断和激光雷达等广泛应用的理想选择。在稀土元素中,铒(Er)由于其在1.5μm波长范围内的独特发射特性而成为令人信服的候选者。 由于被动锁模技术的出现,推进光纤激光技术的一个有前途的途径是使用低维材料作为可饱和吸收体(SA)。饱和吸收效应是一种随入射光强增加而吸收光强减小的非线性光学响应。SA通过这种效应完成被动锁模过程,从而产生超快脉冲。一些低维材料已经应用于1.5μm的锁模光纤激光器,并表现出独特的光学特性。例如,石墨烯、碳纳米管、拓扑绝缘体(TIs)、过渡金属卤族化物(TMDCs)和黑磷(BP)等,这些材料具有大的非线性敏感性、超快的载流子动力学和强的光-物质相互作用等有趣的特性。这些特性使它们成为光子器件的优秀候选者。除了在光纤器件中引入一种新的SA来产生锁模脉冲外,孤子之间的动态行为也引起了极大的兴趣。 本文聚焦了三种新型低维材料:CrTe2、SnTe、Ta2NiSe7,详细探究了他们的非线性光学性质,以及作为可饱和吸收体在掺铒光纤激光器中的性能表现,同时对光纤激光器中的束缚态孤子进行了观测和动力学分析。本文主要内容如下: (1)基于薄膜CrTe2-SA的掺铒光纤激光器。利用分子束外延(MBE)法生长了薄膜CrTe2,用双臂平衡探测法测得CrTe2-SA的调制深度达到43.5%,并在掺铒光纤激光器中得到了中心波长在1560 nm,脉冲宽度为316 fs的锁模脉冲输出。证明了 CrTe2作为可饱和吸收体的良好表现。 (2)基于薄膜SnTe-SA的掺铒光纤激光器。将SnTe薄膜转移到金薄膜上制备可饱和吸收锁模器件,其优异的非线性光学吸收效果超过了大多数已报道的二维材料。基于SnTe-SA,构建了掺铒飞秒光纤激光器(EDFL),获得了中心波长1560 nm、脉宽276 fs、最大平均功率14.2 mW的锁模孤子脉冲。同时,还观察到孤子间隔为1.01 ps的紧密束缚孤子。我们的工作表明,SnTe是一种很有前途的材料,用于制造超快光学器件,并为光纤激光器中束缚态孤子的动态分析提供了实验案例。 (3)基于Ta2NiSe7-SA的掺铒光纤激光器。Ta2NiSe7-SA具有很好的非线性吸收特性,调制深度为52.6%。与Ta2NiSe7-SA集成的激光器已被证明可以产生脉冲持续时间为225 fs的超快脉冲。信噪比(SNR)高达68.3 dB,输出功率为630 mW,表明Ta2NiSe7-SA在高功率下连续工作的稳定性。观察到Ta2NiSe7的一维稳态,表明单层Ta2NiSe7是二维TI。Ta2NiSe7-SA在激光器中的优异性能使Ta2NiSe7成为探索拓扑物理和开发超快光子器件的有前途的材料。