关键词： 铅卤钙钛矿量子点   复合材料   二维杂化钙钛矿材料   矿物材料   稳定性提升  

摘要： 近年来,铅卤钙钛矿量子点作为一类“明星材料”,受到了人们的广泛关注。由于其具有载流子扩散长度长、消光系数高和缺陷密度低等优点,在发光二极管(LED)、激光、光电探测器等光电领域呈现出十分广阔的应用前景,成为固态照明和显示的新生代材料。但由于其本身结构的不稳定,纳米尺度效应,高表面能等原因,导致该材料对光、热和湿度敏感,稳定性差,在光电应用领域受到限制。通过复合材料设计和降低维度等方式是十分有效的提高其稳定性的方法。矿物材料具有高稳定性、离子交换性、高比表面、环境友好等性能,其可以作为主体材料接受多种客体材料而实现新型功能材料的组装。如前所述,将钙钛矿量子点与矿物材料进行复合构筑,二者复合后实现性能的调控与协同提升,各种各样的新型量子点与矿物复合材料应运而生,其应用领域也不断扩展。此外,二维钙钛矿材料自身稳定性优于钙钛矿量子点,通过选择不同种类的层间有机基团,合成新型低维钙钛矿材料都可以实现高稳定性钙钛矿材料。本论文采用不同的矿物材料,构筑系列复合光学材料体系,协同调控铅卤钙钛矿量子点的发光性能和稳定性,揭示了复合材料对发光性能的影响机制,并探索钙钛矿量子点复合材料在白光LED中的应用。此外,设计合成了新型二维高稳定性钙钛矿材料,研究其发光性质。本论文的创新点:(1)基于天然矿物埃洛石纳米管和二维氮化硼层状纳米片优异的散热性能,设计构筑了系列钙钛矿量子点@矿物复合材料,通过静电作用和化学键合作用,可以将钙钛矿量子点和矿物进行有效复合,揭示了稳定性提升的影响机制,为优化钙钛矿量子点发光材料的发光性能和提升其发光热稳定性提供了新的思路,为天然管状和二维层状矿物的利用开辟了新的途径。(2)基于多孔硅藻土的多级孔道结构,设计了钙钛矿量子点硅藻土复合材料,通过硅藻土的纳米空腔共振提升效应,同时提高发光强度和改善了热稳定性,为钙钛矿量子点发光效率和发光热稳定性带来了新的思路,拓展了多孔矿物材料的应用领域。(3)以有机胺为有机层,铅溴层为无机层,交替合成一种新型n=1的二维钙钛矿材料(CHNO)Pb Br,具有高稳定性和易调节的光学性能。主要研究成果总结如下:(1)采用一步法构筑了一维钙钛矿量子点@埃洛石(Cs Pb Br@HNTs)复合材料。利用埃洛石外表面的正电荷,通过静电相互作用,吸附卤素阴离子,原位形成钙钛矿量子点晶种,合成钙钛矿量子点@埃洛石复合材料。通过改变埃洛石负载量,埃洛石纳米管长径比等条件,对制备工艺进行优化,确定最优的制备工艺路线和实验参数。研究了钙钛矿量子点@埃洛石复合材料的稳定性。由于埃洛石具有中空的纳米管结构,当温度加热到100 C时,钙钛矿量子点@埃洛石复合材料的发光强度约为室温下强度的80%。优异的热稳定性归因于埃洛石中具有高热导率的氧化铝和较大比表面积。另外,该复合材料在紫外线连续辐射下具有优异的光诱导稳定性和环境储存稳定性。(2)采用紫外接枝聚合法构筑聚丙烯酸接枝多孔硅藻土和钙钛矿量子点(CPX-DE-g-PAA)复合材料。选取具有光增强作用的准光子晶体结构的矿物硅藻土,作为构建聚丙烯酸接枝的硅藻土(DE-g-PAA)媒介反应器,用于原位捕获钙钛矿量子点,通过表征验证了多级孔道的腔体结构可以更有效的进行接枝反应。此外,DE-g-PAA中捕获的-COOH可以作为合成钙钛矿量子点所需的表面配体,取代传统的油酸,将钙钛矿纳米晶体均匀铆钉在腔体中和矿物表面,构造的聚合物刷为钙钛矿量子点提供封装保护层。所制备的CPB-DE-g-PAA复合材料不仅保持较高的光致发光量子产率,而且还表现出优异的热稳定性和耐水性。引入光增强的准光子晶体硅藻土后,CPB-DE-g-PAA的发光热淬灭受到明显抑制,在373 K时仍可保持?73%的室温初始强度。该结果表明硅藻土的引入可以显著增强CPB-DE-g-PAA复合材料的耐热性能;同时,CPB-DE-g-PAA薄膜在水中浸泡120小时后表现出强烈的绿色发射,约为纯钙钛矿量子点薄膜(约9小时)的13倍。最后,利用时域有限差分法(FDTD)模拟计算了不同腔体直径的CPB-DE-g-PAA复合材料的电磁场强度分布,揭示了发光的改善应归因于硅藻土腔体共振效应引起的电磁场增强。(3)二维氮化硼纳米片@钙钛矿量子点(CPX@BN)复合材料构筑。将铅卤钙钛矿量子点和二维纳米材料进行复合构筑。首先将二维(2D)六方氮化硼进行剥离制备纳米片,通过优化实验,确定了最佳剥离时间,取得了较好的剥离效果,得到约50 nm厚的BN纳米片堆叠物。接着采用一步法原位均匀生长钙钛矿纳米晶体,通过氨基功能化后,将钙钛矿量子点铆钉于剥离的氮化硼纳米片上,形成稳定的CPX@BN-E。该复合材料具有高热稳定性,在120C时的PL强度仍保持在RT时初始强度的80%,这是由于引入了高热导率的氮化硼和其二维纳米片状结构,形成了及时有效的

关键词： 铁磁半导体   拓扑物态   二维磁性   超导电性  

摘要： 磁性半导体结合了半导体（电子电荷）和磁体（电子自旋）两种特性，是新一代半导体科学-自旋电子学的基础材料。能否实现室温磁性半导体被Science期刊列为125个未知科学问题之一，是实现磁性半导体大规模应用需要解决的核心难题。我们利用第一性原理研究预言了一系列二维高温铁磁半导体，包括锝基半导体和过渡金属三卤化物，为实现室温磁性半导体提供了新的候选材料。　　拓扑物态和二维磁性是当前凝聚态物理前沿研究中令人着迷的两大主题，两者结合是否会产生新的量子物态成为人们关注的重要科学问题。近年来，外尔半金属作为三维材料的一种拓扑相引起了人们广泛的兴趣，并在一些材料中得以发现。由于受到拓扑保护，外尔半金属在三维空间非常稳定，在布里渊区存在二重简并的外尔点(Weyl points)，其导带和价带在外尔点线性交叉，低能电子类似于相对论性的外尔费米子。外尔半金属具有许多新奇的物理性质，例如表面费米弧，超高迁移率，负磁电阻效应，巨光伏响应，以及可增强催化过程的材料等。一个重要的问题是可否把外尔半金属的概念推广到二维体系？实际上这种推广并不平庸。在三维空间中，外尔点在拓扑上是稳定的，即任何扰动都只能移动外尔点的位置，而不能破坏它。然而在二维空间，由于维度降低，这种拓扑保护将会丢失，需要寻找额外的晶体对称性以保护其稳定性。我们首次提出了一种新的拓扑量子物态——“二维外尔半准金属态(2D Weyl half-semimetal，WHS)”，这既是一种具有拓扑性质的二维外尔半金属(Weyl semimetal)，同时也是一种完全极化的铁磁性半金属(half-metal)，其低能电子是自旋完全极化的外尔费米子(Weyl fermion)。我们首先提出了实现该物态的条件，并提出了单层PtCl3是实现该拓扑物态的候选材料;并发现二维外尔半准金属态是处于两种相反陈数的量子反常霍尔绝缘体之间的临界态。　　量子反常霍尔效应可以实现低耗散的电荷输运，在节约能源方面有巨大的应用前景。实现室温下的量子反常霍尔效应是该效应走向实际应用需要解决的核心难题。我们预言了具有室温量子反常霍尔效应的二维铁磁半导体PtBr3，PdBr3，为实现室温量子反常霍尔效应，设计低功耗器件提供了新思路。我们也预言了具有大自旋轨道耦合的高居里温度的锝基铁磁半导体TcSiTe3、TcGeSe3和TcGeTe3，其居里温度在200-500K左右。由于大的自旋轨道耦合，在这些二维锝基材料中发现了大磁晶各向异性能、大反常霍尔电导率和大的磁光克尔效应，这些独特的磁行为在自旋电子学器件的设计中将会有广泛应用。　　碳是一种用途极其广泛的元素，它可以形成sp、sp2和sp3三种杂化键，从而形成了众多的一维、二维和三维的同素异形结构和化合物。在碳材料中人们发现了其丰富的物理和化学等性质，使得碳材料的研究一直是材料科学和凝聚态物理的一个主要研究热点。我们在碳材料方面也做了大量的研究，取得了重要进展。首先，我们提出了一种同时具有sp、sp2和sp3的新型拓扑碳，命名为碳砚(carboneyane)。几何、振动和电子性质的研究表明，碳砚具有良好的力学性能，同时是一种拓扑节线半金属，有一对节点线穿过整个布里渊区。由于碳砚具有蓬松的结构，在存储、吸附和电极材料等领域具有潜在的应用前景。其次，我们提出了一种由18个碳原子组成的单层（命名为环石墨二炔），并在费米能级处得到了类似于魔角双层石墨烯(TBG)的平带。通过对环石墨二炔进行空穴掺杂，使平带部分占据，可以产生空穴诱导的非磁性到铁磁性的转变。通过对几种碳单层结构的研究，我们发现只有最近邻电子跃迁的三角构型分开或顶角连接的晶格中可能出现一个理想的平带，并且平带的色散可以通过次近邻跃迁来调节。该研究结果为TBG中平带的形成提供了有意义的启示，同时提供了一种通过在碳材料中掺杂平带来产生磁性的方法。最后，我们提出了钠掺杂的T-碳超导体，计算表明其超导转变温度Tc约为11K，发现Tc随压力增加而增大，在14GPa的压强下，转变温度可以增大到19K，同时发现其正常态呈现出非费米液体行为。对掺钠T-碳超导电性的预测将会在实验和理论上引起人们探索新型碳基超导体的兴趣。

关键词： 硅烯   石墨烯   能隙   器件   量子输运  

摘要： 摩尔定律表明:集成电路上可容纳的元器件数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。目前硅基半导体场效应晶体管尺寸已经缩短至亚10 nm,下一个十年晶体管的沟道长度要降至5 nm,由于显著的短沟道效应,其性能提升正趋于物理极限。目前广泛研究的二维半导体材料拥有独特的物理性质,已成为当今纳米交叉学科的研究热点,其中,石墨烯由于其零能隙、低电导率、常温下的高电子迁移率及量子霍尔效应和独特的光吸收等优良特性,引发人们的研究热潮。石墨烯的成功制备开启了一扇基于二维体系实验和理论研究的大门,但其固有的“零能隙”特点限制了它在微纳电子学中的应用。拓展研究更多二维新型半导体材料,设计新的结构和器件成为凝聚态物理和纳米材料科学研究的一个重要部分。 论文主要运用密度泛函理论的第一性原理方法研究打开硅烯和石墨烯能隙的方法(包括硅烯半氢化、挖洞和石墨烯掺杂h-BN方法),研究其电子结构性质;结合非平衡格林函数方法计算以半氢化硅烯为沟道的自旋过滤器件和以硅烯纳米网和h-BN掺石墨烯为沟道的场效应晶体管器件的量子输运性质,并与国际半导体技术路线图(International Semiconductor Technology Roadmap,缩写为ITRS)中的器件参数进行对比。研究结果为硅烯和石墨烯在半导体器件中的应用提供理论支持,获得的主要结果如下: (1)通过分子动力学计算,发现硅烯半氢化后,在室温下结构可稳定存在。分析半氢化硅烯的三种磁状态(铁磁态、反铁磁态和非磁态)的能量和磁矩大小,表明铁磁态总能量最低为基态,而且每个原胞中未氢化的硅原子拥有1μB的磁矩,而氢化的硅原子和氢原子几乎没有磁矩。能带计算表明,由于硅烯两个Si子格间的对称性被打破,从而产生能隙,采用HSE06计算能隙值为1.96 e V。从态密度分布图中显示,在Fermi能附近存在两个自旋极化方向相反的峰。采用半氢化硅烯为沟道材料构造单门自旋过滤器件,计算不同栅极长度器件的电输运性质。在偏压为0.2 V下,器件电流开关比达到10～6,电流转移曲线亚阈值摆幅为90 m V/dec;通过器件透射谱分析,通过栅压可调节自旋过滤器件自旋向上和向下的电流值,随着栅压增加至1.9 V,器件电流自旋过滤效率达到100%,对于实现器件的自旋注入,半氢化硅烯材料比铁磁性金属材料更具有优势,拓展了硅烯在自旋电子学领域的应用。 (2)计算表明,通过在硅烯中挖洞(至少去掉一个六角硅环形成纳米网结构,此时记为R=1)可打开硅烯的能隙,打开能隙的大小程度由孔壁宽度(孔孔之间的硅链条数,记为W)决定,W为偶数时,产生直接能隙,最大能隙为0.677 e V;当W是奇数时,表现为与原始硅烯类似的半金属性;相同孔径(R)下的能隙随着W的增大而减小。选取[R=1,W=2]结构的硅烯纳米网作为栅极材料,构造不同栅极长度的场效应晶体管并计算器件电输运性质,其中,9.1 nm栅极长度(该长度与ITRS 2022高品质逻辑器件要求的8.9 nm栅极长度相接近)的单门FETs器件,在偏压0.2 V和栅压0.5 V下,器件电流开/关比达到5.1×10～4,满足高速逻辑器件10～4～10～7的要求;9.1 nm栅极长度的硅烯纳米网场效应晶体管器件增加为双门后,在偏压为0.72 V时,开态电流提高到3122μA/μm,满足国际半导体技术路线图2022年对高品质器件参数要求(1350μA/μm)。 (3)研究了h-BN掺杂石墨烯体系(BNC)的电子结构性质和构造的场效应晶体管器件的输运性质。石墨烯中掺杂h-BN可打开其能隙,产生能隙的原因源于电荷重新分配后引起的电势局域对称性破坏,[R=1,W=2]结构(最小六角BN记为R=1,BN之间的碳链条数,记为W)的h-BN掺石墨烯计算能隙值为1.07 e V,以这种结构构造h-BN掺石墨烯场效应晶体管器件,在ITRS标准要求的2025年场效应晶体管工作偏压0.68 V下,计算了不同栅极长度场效应晶体管器件的电流转移特性曲线,不同栅极长度器件的开态电流在125～192μA/μm之间,电流开关比在1.3×10～3～1.9×10～3之间,亚阈值摆幅都比较小,计算结果与实验中碳纳米管、高级硅和ETSOI FETs器件各项参数进行比较,多项参数具有优势。通过在垂直方向施加一个外力,曲面结构转变为平面结构,实现h-BN掺杂石墨烯FETs器件电流的“开关”效应。

关键词： 碳量子点   荧光   室温磷光   复合材料   可视化Fe3+离子检测  

摘要： 室温磷光(RTP)材料可以在外源激发光照射下储存部分能量,关闭外源激发光后,能以可见光的形式释放出来,使其在高级防伪、生物成像、化学传感等领域具有潜在的发展前景。但传统的RTP材料主要集中于重金属有机材料或纯有机材料。碳量子点(CQDs)作为新型荧光纳米材料,具有优异的光学性能、生物相容性、低毒性、抗光漂白性等特点。本文以制备基于碳量子点(CQDs)的室温磷光材料为主旨,研究其发光性质及相关领域的实际应用,论文主要研究内容如下:(1)以葡萄糖为碳源,通过水热炭化法制备得到外源氮掺杂碳量子点(NCQDs)溶液,与基质聚乙烯醇(PVA)混合均匀后,得到具有RTP效应的NCQDs/PVA复合材料。在紫外光照射下,NCQDs溶液发射蓝色荧光;而NCQDs/PVA薄膜,在紫外光照射下,发射蓝色荧光,关闭紫外光后,具有肉眼可见的蓝绿色磷光。其中,NCQDs溶液的FTIR图谱表明,其表面含有C=N/C=O官能团,易与基质PVA表面的羟基基团之间形成氢键,通过氢键作用抑制NCQDs表面官能团的非辐射弛豫过程,进而得到长余辉的RTP材料。制备得到的RTP材料,一方面可作为光学墨水,成功应用于高级防伪领域;另一方面,具有超长寿命的(416和442ms)NCQDs/PVA薄膜、气凝胶材料,在离子检测、气体传感等领域发挥了潜在的应用价值。(2)以天然产物五味子提取得到的多糖为碳源,通过水热法制备得到CQDs溶液,进而与PVA基质通过涂覆法制备得到寿命长达271.2ms的CQDs/PVA复合薄膜材料。其中,五味子通过水提醇沉的方法制备得到的多糖,具有天然多糖的含氮分子结构,无需外源引入其他含氮化合物,即通过原位绿色合成得到基于CQDs的RTP材料。CQDs/PVA复合薄膜材料具有较小的能级差(0.32eV),利于ISC过程的发生,进而促进了 RTP效应的产生;FTIR和XPS光谱表明:CQDs表面含有大量的C=O/C=N官能团,与PVA基质复合后,通过氢键作用,抑制CQDs表面官能团的旋转、振动,进而有利于自旋耦合作用的发生、并稳定三重激发态,最终获得RTP效应。(3)五味子多糖制备得到的CQDs溶液在350nm激发光照射下,发射蓝色荧光,表现出优异的光学稳定性、pH值(pH=3-12)及离子稳定性,金属铁离子(Fe)可将其荧光猝灭。CQDs/PVA复合薄膜在紫外光照射下发射蓝色荧光,关闭紫外灯后发射绿色室温磷光;在Fe存在的条件下,复合薄膜的荧光和室温磷光同时猝灭,当Fe浓度为0.1-2mM范围内,其最低检测限为0.57μM,且Fe对CQDs/PVA复合薄膜荧光和磷光的猝灭均可用肉眼直接观察到。制备得到的CQDs/PVA复合薄膜放置在空气中半年后,其光学强度和光学寿命几乎不变,表现出较强的光学稳定性,使其在实际可视化铁离子检测中具有较大的应用潜力。

关键词： 拓扑半金属   WTe2薄膜   量子输运   超快自旋动力学  

摘要： 自二十一世纪起,人们逐渐进入了高速发展的信息科技时代。目前,拥有更高速度,更小尺寸,更低功耗,更高容错率等优异性能的电子器件的制备成为了研究的重点课题。但是随着器件尺寸减小而急剧增加的各种负面量子效应以及热效应,使得依赖传统材料的电子器件的发展进入了难以突破的瓶颈期。为了打破僵局,人们开始尝试将除电荷属性外的新自由度-自旋以及近年来异常“火热”的拓扑新材料引入到器件的制备中去,期望能够制备出性能远高于目前器件的“新型电子器件”。本文从一种典型的拓扑新材料WTe切入,它属于第二类Weyl半金属,拥有层状结构并在a轴的W链上存在一个扭曲,从而导致其空间反演对称性的破缺。极其特殊的能带结构以及材料内部极强的自旋轨道耦合(SOC)给它带来了众多奇异的物理现象:单晶块材的高迁移率、巨大的不饱和磁电阻与可调制的超导现象;少层中出现的令人意外的铁电性;单层所展现出的拓扑绝缘性与量子自旋霍尔效应等等。WTe所拥有的这些卓越的性质使其在未来电输运以及自旋电子学器件与应用方面具有诱人的潜力。本文工作循序渐进,从相对基础的WTe薄膜生长制备及输运测试开始,再到适应未来高速器件的制备与应用的超快自旋动力学特性的研究,最终结合磁性绝缘体材料YFeO薄膜尝试进行相关异质结构的制备。所以,从生长制备到特性表征,单一结构到异质结构,本文对WTe薄膜材料从基础科学到实际应用进行了综合性的研究,与时俱进,紧抓拓扑新材料这一新时代的研究主题,为未来拓扑半金属薄膜材料器件的制备及应用做出了显著的贡献。本论文的研究内容可以总结为以下三个方面:(1)基于脉冲激光沉积及后退火技术,成功生长了大面积高质量单晶的T相WTe薄膜。通过结构表征以及相关的稳态输运测试,详细研究了退火时间对于薄膜质量的影响,并在700 C退火72小时的条件下,首次获得了具有Sd H量子振荡的WTe薄膜。该振荡的Berry相位为π,是非平庸的。且该薄膜的迁移率达到了1350 cmVS,载流子浓度为10 cm,相比之前本组的工作,迁移率扩大了一倍,载流子浓度也降低了一个数量级,从而为之后更进一步的研究奠定了高质量薄膜的重要基础。(2)在进行各种稳态结构表征以及输运测试的同时,本文还运用TR-MOKE技术对单晶WTe薄膜进行了超快自旋-谷动力学的研究。整个自旋-谷动力学弛豫过程主要包含了两个子过程,分别为历时0.8 ps的带内跃迁极化反转过程以及5 ps的缺陷散射耗尽过程。前者对应于WTe导带底部强SOC带来的自旋劈裂,而后者则来源于薄膜中存在的Te空位。另外,本文还发现该弛豫过程展现出双各向异性的特性,包括一个内禀的近似六重的对称性与另一个外禀的两重对称性。该工作首次综合性的研究了单晶WTe薄膜中的自旋动力学过程及其各向异性,为未来WTe材料在高速器件中的应用起到了重要的指导作用。(3)最后,本文还尝试了将WTe薄膜与YIG薄膜材料相结合制备异质结构,并与基于YIG的常见异质结构的性能进行对比,包括自旋泵浦效应与反常霍尔效应。本文主要通过两种方法制备WTe/YIG异质结构,包括湿法转移与直接在YIG薄膜表面外延生长WTe薄膜。其中,湿法转移过程进行了详细的研究;而利用MBE与PLD技术直接在YIG表面外延WTe薄膜则仅进行了初步的尝试。

关键词： 石墨烯   LaAlO3/SrTiO3   复合体系   量子霍尔效应   量子电容效应   能带示意模型   超流拖拽效应   层间耦合  

摘要： 石墨烯和LaAlO3/SrTiO3异质界面是两种具有代表性的新兴二维电子系统。两者都具有丰富的物性,并且这些物性可以便捷地被电场所调控。由于两者均对各自的表面环境非常敏感,可以期待在两者组成的复合体系中,原有物性将被彼此通过近邻效应显著地调节,同时可能产生单一体系中无法具备的新颖物性。此外,该复合体系也是研究这两种性质迥异的二维电子系统之间相互作用的极佳平台。在本论文中,我们利用这种复合体系,对石墨烯的量子输运特性以及石墨烯与LaAlO3/SrTiO3界面之间的层间相互作用进行了研究。主要内容如下:1、LaAlO3/SrTiO3衬底上的石墨烯中显著增强的量子霍尔效应鲁棒性研究。通过利用5层的LaAlO3作为天然的背栅介电层,我们实现了高达1.59μF/cm2的超大栅极电容,这使石墨烯基场效应器件的操作电压显著减低。进一步地,我们在相对宽松的条件下实现了量子霍尔效应,例如,1.5 K/1.5 T以及150K/7 T。显著增强的量子霍尔效应鲁棒性归功于LaAlO3/SrTiO3对石墨烯中多种散射过程的有效抑制。基于此,该复合结构可以用于发展宽松条件下的量子霍尔电阻标准。2、源于超大栅极电容的宽量子霍尔平台现象研究。在LaAlO3/SrTiO3衬底上的石墨烯中,我们成功在非常宽的磁场、栅压区间内实现了填充因子为v=±2的量子霍尔平台,例如从2T延展到最高可用的9T磁场。根据能带示意模型,我们对该现象进行了分析,结果表明宽平台现象源于由超薄LaAlO3层作为介电层所带来的超大栅极电容。常见的宽平台现象源于石墨烯与界面态间的电荷转移,但在本体系中贡献甚微。这种利用大栅极电容的新方法可以拓展至其他石墨烯基体系以及更普遍的二维材料体系,用于优化材料的量子输运表现。3、石墨烯与超导的LaAlO3/SrTiO3界面之间的超流拖拽效应研究。我们发现,在由两者构成的电双层结构中,当且仅当LaAlO3/SrTiO3界面处于超导转变过程中时,石墨烯中的驱动电流可以在LaAlO3/SrTiO3界面中诱导出非零的拖拽电压信号。得益于极小的层间距以及两者的高可调控性,该结构中的层间耦合效应非常强,耦合率在零温极限下可达50倍。基于此,该复合结构在新型超导电子学器件的发展中将具有潜在的应用价值。不仅如此,该效应在多种外场作用下的演化行为,尤其是随载流子浓度、载流子极性、温度的特殊依赖关系,说明其源于一种全新的微观机制。我们的研究将促进人们利用新兴的二维电子系统,特别是具有长程序的二维电子系统,进一步探索异质结构中的层间耦合效应。

关键词： 二硫化钼量子点   复合材料   光电化学析氢   光电化学传感  

摘要： MoS QDs材料的特征体现在边缘效应、小尺寸效应、光学与电学性能及量子极限等。但MoS材料以单一形式存在时,不能保存很长时间,而且很容易发生聚集,这会影响到其本来的优良特性,且传导性低,光生载流子复合率高,此时需要对材料进行复合来改变性质。本文以咔唑和苯胺通过在MoS QDs表面进行聚合的方法制备了两种复合材料,分别应用于光电化学析氢和硫化物的光电化学传感。1、聚咔唑-二硫化钼量子点复合材料的制备及其光电析氢性能研究对清洁和可再生能源的发展是解决全球能源危机和环境问题的一条有希望的途径。氢成为替代化石燃料的清洁燃料,被人们看作是最有发展前景的能源载体。光电化学(PEC)析氢是获得高纯度氢燃料的有效手段,一直是研究的热点。本文首次将咔唑与MoS QDs进行复合。咔唑属于一种重要的有机中间体,在制药、燃料、农药合成中应用的同时,衍生物可在合成光电功能材料中运用。通过水热法合成了MoS QDs@PCZ,咔唑复合增加了MoS QDs的活性位点,减小带隙宽度,从而降低价电子跃迁所需的势垒,扩大了MoS QDs的紫外吸收范围,表现出高度增强的荧光,更好的光电流响应。并且光电稳定性增强,在320 s的光电化学测试中光电流强度基本保持不变。通过LSV测量发现光电析氢能力提高。光照下MoS QDs@PCZ的电流密度最大值为-2.82 m A·cm,相当于光照下MoS QDs电流密度的168%。该复合材料可用于荧光检测和更稳定、更有效的光电化学析氢。2、Co掺杂聚苯胺-二硫化钼量子点复合材料的合成及光电传感性能研究不仅存在严重的能源问题,而环境问题也是日益严重。硫化物是一种生物学和环境上常见的有毒污染物,因此找到一种快速、灵敏的方法用于检测硫化物对于环境的保护来说是至关重要的。本文利用原位聚合的方法成功制备了MoS QDs@PANI-Co作为检测硫化物的光电化学传感器。MoS QDs@PANI与单纯的MoS QDs相比,光电性能得到了极大提高,在此基础上,掺杂过渡金属钴离子,发现MoS QDs@PANI-Co光电性能进一步提高,钴离子的加入不仅提高了材料的光电性能,同时由于Co和S之间的键合作用,可应用于硫化物的光电传感,光电流变化(I-I)与硫化物浓度在1-100μmmol·L之间有一个良好的线性范围,线性相关系数为R=0.993。最低检测限为0.8μmol·L。用加标回收法检测了真实自来水样品中的硫化物,构建的光电化学传感器具有良好的平均加标回收率(98-103.2%),和相对标准偏差(0.64-0.89%)。图[29]表[6]参[125]

关键词： 密度泛函理论   非平衡格林函数   碲烯   量子输运  

摘要： 单元素二维材料(Xenes)是二维材料家族中的重要组成部分,Xenes拥有许多优秀的力学、电学、光学和热学性质,被广泛应用于各种纳米器件中。最近,一种新的Xene——碲烯在理论上被预测然后在实验上被合成。碲烯拥有多个不同的相,表现出优秀的光学和电学性质,但是关于碲烯的应用研究还处于初步阶段。我们利用非平衡格林函数结合密度泛函理论计算方法研究了基于碲烯不同相的光电和输运器件的性质。我们利用碲烯的两个半导体相α-Te和β-Te分别构造了光电器件,并计算了器件在线偏振光照射下的光电流性质。结果显示,光电流随偏振角有三角函数变化关系,光电流随器件所受偏压增大出现饱和现象。光电流随光子能量的的变化曲线分别在1.4和1.8 eV处形成光电流峰。通过分析材料的电子结构,我们验证了光电流峰对应电子具体的能级跃迁过程。基于α-Te的器件的光电流随偏振角变化曲线在光子能量微小变化下会出现反相现象,从而导致光电流显著增大,该现象表明α-Te可以应用于光电开关器件中。而基于β-Te器件的曲线则始终保持相同的相位,而且拥有较大的消光比,所以β-Te可以应用于偏振光检测器件中。然后我们利用碲烯的半导体相α-Te和金属相γ-Te搭建了量子输运器件并研究其性质以及应变调控。器件表现出明显的负微分电阻效应,通过分析得知是器件电极带隙导致能级不匹配造成的。器件在拉伸应变下,电极带隙的宽度增大,负微分电阻效应增强;在压缩应变下,电极带隙消失,负微分电阻效应减弱或消失。该应变可调控的负微分电阻效应表明器件可以用于开关器件、逻辑电路等应用中。器件在小偏压下的电流峰值和x轴应变成完美的指数变化关系,表明器件还可以用作距离传感器。我们的研究再次证明了碲烯的优秀的光学和电学性质,并提出了多个碲烯的实际应用场景,为碲烯的应用研究提供了重要的理论支持。

关键词： 磷族化合物   Cr基超导体   拓扑半金属   聚焦离子束  

摘要： 量子材料是近年来凝聚态物理学中对具有层展现象的各类材料的一个总体描述,包括超导体,自旋液体,重费米子,拓扑绝缘体,拓扑半金属等。磷族化合物具有丰富的结构,在温度,磁场,压力的调控下可展现丰富的物性。我们课题组在磷族量子材料研究方面具有丰富经验,重点关注新超导体和新拓扑非平庸材料。本论文主要对若干磷族量子材料进行了研究,主要结果包括:1.采用固相反应法生长制备了La3Cr10-xN11多晶样品,它与立方氮化物Pr3Cr10-xN11具有相同的晶体结构。电阻数据表明它是一个超导转变温度为4.6 K的超导体,磁化率和比热数据证实了它的体超导性。La3Cr10-xN11的上临界场Hc2为12.2 T超过了泡利顺磁极限。电子结构理论计算结果显示材料在费米能级处的态密度主要是由Cr的3d电子贡献的,因此它是新的铬基超导体。然而通过替换稀土元素得到的Ce3Cr10-xN11与La3Cr10-xN11和Pr3Cr10-xN11不同,在1.8 K以上没有观察到任何的超导迹象。2.采用助熔剂法合成了高质量的CaMn2P2单晶样品,该材料与铁基122系列超导体不同,呈三方CaAl2Si2型晶体结构,基态为绝缘体态。磁化率测量结果显示400 K以下样品没有发生磁性相变,不具有大的有序磁矩。与其他具有相同结构的AMn2Pn2（A=Ca,Sr,Ba,Pn=P,As,Sb）不同,比热和电阻数据显示CaMn2P2在69.5 K有一个一级相变,此相变不受磁场影响,且相变温度随压力的增大而升高,10 GPa以内未能将其金属化。低温下新出现的拉曼峰表明相变之后晶体的对称性发生了变化。结构,输运,热学和磁学性质表明CaMn2P2在相变前后均为具有关联效应的绝缘体。3.采用助熔剂法合成了高质量的SrAs3单晶样品,该材料被预言为拓扑节线环半金属,其晶体对称性低,为单斜结构。我们采用聚焦离子束加工技术,制备一系列器件,可以确保电流沿不同的主轴方向,并用于低温强磁场下的电输运研究。器件上测得数据与单晶上的数据一致。我们明确得到了SrAs3电阻率的各向异性,并通过磁电阻上的量子振荡确定了该材料的体费米面。结合量子振荡与霍尔数据,SrAs3具有多种载流子,载流子浓度低同时迁移率高,与其他拓扑半金属类似。但是,在磁场沿a轴和c轴方向时,我们均观察到了明确的负纵向磁电阻。在排除其他可能因素后,我们认为该纵向负磁电阻应该是由SrAs3中存在受拓扑保护的能带节线环导致的。

关键词： 重Ⅳ族单层材料   量子输运   自旋二极管   能谷电子学   自旋Seebeck效应  

摘要： 自2004年单层石墨烯成功制备以来,氮化硼、硅烯、二硫化钼等一系列新型二维类石墨烯材料的制备和研究应接不暇,为新型低功耗量子器件的设计和开发提供了很多可能性。本文重点关注硅烯、锗烯等重IV族单层材料,以理论推导为主数值计算辅助研究和探讨了与电子自旋和能谷自由度相关的量子元器件的设计及新奇物理效应的实现。前两章,主要概述了几种典型二维材料的制备、结构及基本的物理性质,介绍了电子输运有关的基本概念和理论方法等。第三章,介绍基于能谷概念的新型自旋二极管效应的研究。在硅烯、锗烯和锡烯等重IV族单层材料构成的铁磁/反铁磁结中,使用纵向偏压驱动,通过在反铁磁区外加层间电场,可以实现自旋二极管双极—单极转换。当电场强度为零时,只有来自一个能谷上的电子对电流有贡献,且一种自旋正向导通反向截止,另一种自旋反向导通正向截止,对应于双极型自旋二极管;当电场强度增大时,导电能谷切换到另一个能谷上,一种自旋正向导通反向截止,另一种自旋不导电,对应于单极型自旋二极管。改变层间电场的方向,自旋二极管的单双极状态因输运对称性而保持不变。通过调节纵向偏压和电场强度,在磁性交换场强度为1me V时即可获得观测信号。第四章,介绍新奇自旋Seebeck效应和能谷Seebeck效应的实现途径。常规的自旋Seebeck效应考虑的是电子自旋和电荷的输运,可通过在铁磁硅烯中引入温差来实现纵向自旋Seebeck效应,即反自旋电子反向运动。在两个铁磁硅烯电极和中间电控栅极结构的场效应管装置中,来自两个不同能谷上的电子反向运动,对应于能谷Seebeck效应。进一步通过调节栅极电场,可实现能谷Seebeck效应和自旋Seebeck效应状态间的切换。第五章,介绍能谷锁定的新型自旋Seebeck效应的研究。在非对称铁磁交换场的存在的条件下,可实现能谷锁定的自旋Seebeck效应,即单一能谷中反自旋电子反向运动而另一能谷因能隙的存在处于不导电状态。进一步研究表明,这一效应会被高温所破坏,随层间电场的增加会而减弱,可通过增加源-漏温差的方法来增强信号,且对Fermi能级的扰动和磁化强度都具有鲁棒性。相关研究可应用到自旋-能谷逻辑电学装置的开发和设计中去。最后,给出总结、展望以及致谢。