关键词： 马约拉纳束缚态   拓扑超导-量子点混杂系统   自旋流   格林函数  

摘要： 马约拉纳费米子（Majorana fermions）是高能物理中的一种特殊粒子,它是自身的反粒子,因此没有能量和电荷,近年来理论和实验两方面都得到了广泛的研究。研究证明,马约拉纳费米子能够以束缚态的形式在非常规超导体的边缘或拓扑缺陷处实现,形成准粒子,即马约拉纳束缚态（Majorana bound states,MBSs）。这种束缚态受到拓扑保护,并遵从非阿贝尔而不是通常的费米-狄拉克统计规律,因此是制备拓扑容错量子计算中量子比特的理想选择。马约拉纳束缚态也对介观系统中的电子输运过程产生显著的影响,在制备高效、节能量子器件领域也得到了深入的研究。本文研究了拓扑超导纳米线-量子点混杂体系中马约拉纳束缚态调制的输运过程,分别探讨了两个量子点同时耦合到普通金属扫描隧道显微镜探针和拓扑超导纳米线两端的马约拉纳束缚态时的谱函数特性,考虑了量子点可调的能级、库伦相互作用、量子点与电极耦合强度以及不同自旋方向的电子各自处于不同的费米能级时的情况;在单个量子点与铁磁体及普通金属扫描隧道显微镜探针同时连接、并与拓扑超导纳米线两端的马约拉纳束缚态相互作用的模型下,研究了马约拉纳束缚态及铁磁体中的自旋热累积效应对自旋流的影响。本文在第一章中简述了马约拉纳束缚态的一般性质和前沿研究进展、拓扑超导纳米线-量子点混杂系统的研究背景和该系统内所具有的主要效应。第二章中介绍了本文使用的格林函数计算方法,详细研究双量子点耦合到普通金属扫描隧道显微镜探针和拓扑超导纳米线系统中马约拉纳束缚态对谱函数的影响。第三章利用运动方程法研究单量子点同时耦合到铁磁体、普通金属扫描隧道显微镜探针、拓扑超导纳米线两端的马约拉纳束缚态对微分电导和自旋流的影响。在双量子点结构中,我们发现零能谱函数的值在量子点与马约拉纳之间有相互作用时保持为1/2,表示马约拉纳束缚态的信号进入了量子点中,这个性质也是产生零偏压电导峰的原因。我们发现进入量子点马约拉纳束缚态信号与量子点和扫描隧道显微镜探针的耦合强度、两个量子点中能级的差以及两个量子点与马约拉纳束缚态的相对耦合强度均无关,表明马约拉纳束缚态一旦进入量子点就会非常稳定。这种在空间分离的马约拉纳束缚态是实现拓扑容错量子计算过程中需要解决的关键问题之一。在单个量子点系统中,我们发现通过改变量子点与马约拉纳束缚态之间的耦合强度及自旋热累积的大小,可以产生电荷流为零而自旋流不为零的状态,即纯自旋流的产生。在给定量子点内库伦相互作用的条件下,通过调制量子点能级与量子点和马约拉纳束缚态之间的耦合强度,可以使纯自旋流的方向发生转变,有可能会在自旋电子学器件中得到应用。

关键词： 量子点发光二极管   能级匹配   电荷平衡   双层空穴传输层   环保无镉量子点  

摘要： 量子点（Quantum Dots,QDs）是一种准零维半导体纳米结构材料,近年来由于其优异的光学性能:高荧光量子产率（Photoluminescence Quantum Yield,PLQY）、发光色纯度高、发射波长可调等等,在太阳能电池、防伪标记、生物标记、发光二极管（Light-Emitting Diode,LED）和电子显示等领域引起了人们广泛的关注。尤其是随着QDs光电应用技术的发展与完善,量子点发光二极管（Quantum Dot Light-emitting Diodes,QLEDs）的性能也在不断提高,甚至掀起了QDs技术及其光电应用的研究热潮,QLEDs被认为是最具潜力的下一代新型显示器之一。然而相关的技术水平距离商业应用仍有很大差距,器件电子/空穴注入不平衡问题已经成为限制进一步提高QLEDs工作效率和寿命的瓶颈。另一方面,目前的高性能QLEDs大多使用镉基量子点,然而镉基材料的重金属毒性使QDs技术的进一步商业化应用受到极大的环境限制。磷化铟量子点（In P QDs）因其无毒环保且荧光光谱覆盖范围宽而被视为镉基量子点有力的竞争者,但是In P QDs仍然存在很多缺点,尤其是较低的PLQY和较差的尺寸均一性极大地影响了In P QDs的发展和应用,而且In P QDs对高温的敏感性会使QLEDs器件结构的设计难度增大。因此,提高In P QDs质量和QLEDs性能是QDs技术大规模商业推广应用的关键,本文主要做了如下工作:1.首先以倒置QLEDs结构为基础,通过大量实验确定电荷传输/注入不平衡问题对QLEDs的性能影响很大,并找到器件电荷不平衡的根本原因是QLEDs的空穴注入效率明显低于电子注入效率。最后从薄膜厚度、能级匹配和载流子迁移率三个方向分析器件空穴注入效率低的原因,为促进QLEDs电荷平衡的研究奠定了基础。2.引入一种新型空穴传输层材料(1,3-bis（9H-pyrido[2,3-b]indol-9-yl）benzene,m Ca P),其具有较高的空穴迁移率和较深的最高占据分子轨道（Highest Occupied Molecular Orbital,HOMO）。将其直接应用于基本结构的QLEDs后,发现空穴注入层（Hole Injection Layer,HIL）与空穴传输层（Hole Transport Layer,HTL）之间的较大注入势垒会影响空穴注入,因此我们设计一种递进能级的双层HTLs来更好地使用这种新材料。基于深HOMO递进能级双层HTLs的QLEDs具有良好的能级匹配,可以有效提高空穴注入效率,从而显著改善了QLEDs的器件电荷平衡。最后基于深HOMO递进能级双层HTLs的QLEDs的最大电流效率（Current Efficiency,CE）和外部量子效率（External Quantum Efficiency,EQE）分别达到41.2 cd A-1,12.6%,同时器件工作寿命提高了1.5倍以上,远远高于仅使用单层HTL的对照组器件。3.首先针对In P基核壳QDs的发光效率低和尺寸分布不均一的问题,利用In P QDs生长过程中魔幻尺寸团簇（Magic Size Cluster,MSC）的存在及其独有性质并结合合金过渡层减少核壳界面张力和缺陷,开发了新的In P QDs制备方案,合成出的In P/Zn Se/Zn S QDs具有高PLQY（81%）和36nm的发射峰半高宽（Full-Width at Half-Maximum,FWHM）。最后将In P QDs应用于QLEDs,制备出的In P-QLEDs显示出2230 cd m-2的最大亮度和3.6%的最大EQE。

关键词： CsPbBr3量子点   发光材料   超饱和重结晶   EVA薄膜   无定形SiO2   包覆   稳定性  

摘要： Cs Pb X3（X=Cl,Br,I）全无机钙钛矿量子点作为一种新型光电材料,因其性能优异、制备工艺简单,在发光二极管、白光LED照明及太阳能电池等众多领域展现出了极大的应用潜力。但由于钙钛矿量子点的形成能低,结构不稳定,在水、氧、光和热的作用下容易被分解,导致其光学性能降低,限制了其进一步的应用。本文采用相对简单的超饱和重结晶法,通过改变前驱体的加入量和反应温度,探究了CsPbBr3量子点的结晶生长过程;采用有机物基质EVA树脂作为制备柔性薄膜的基体材料和量子点的包覆材料,进一步用无定形SiO2对CsPbBr3量子点进行二次包裹,以避免量子点与水氧分子的直接接触,从而提高量子点的稳定性。研究内容及主要结论如下:（1）采用超饱和重结晶法,以油酸（OA）,油胺（OAm）为配体合成CsPbBr3量子点,通过TEM及HRTEM研究了前驱体加入量和反应温度对量子点结晶生长过程的影响。结果表明,CsPbBr3量子点结晶生长过程由Ostwald熟化与自组装机制共同作用,随着前驱体加入量的增加和反应温度的升高,量子点临界尺寸减小,自组装效应增强,导致大颗粒的量子点增多,尺寸分布逐渐宽化。通过控制前驱体的加入量和反应温度可合成尺寸均一、分布均匀的量子点:当前驱体的加入量为0.2 m L,反应温度为20℃-30℃时,合成的CsPbBr3量子点尺寸均匀,平均尺寸约为10 nm。（2）为了改善CsPbBr3量子点的稳定性,本文以EVA树脂作为量子点的包覆材料,制备CsPbBr3 QDs/EVA薄膜复合材料,分别探究了前驱体加入量和反应温度对所得薄膜材料的光学性能的影响,以SEM、EDS、XRD、TG、FT-IR及PL等表征手段研究了复合材料的微观结构、物相组成、热学性质及光学性能。结果显示,前驱体加入量为0.2 m L,反应温度为30℃时,制备的CsPbBr3QDs/EVA复合材料荧光强度较高,发光峰位为521 nm,半高宽21 nm。浸水40h后,其荧光强度能保持在原来的67.6%;紫外光照30 h后,荧光强度能维持在69%;空气中放置90 d后保持率为63.4%。上述结果表明,EVA树脂包裹能有效隔绝量子点与水分的接触并延缓氧气侵入,明显提高了CsPbBr3量子点的耐水性、光稳定性和在空气中的长期稳定性,但水氧分子依然会通过材料表面残留的气孔进入到材料的内部,破坏量子点的结构。（3）在上述实验的基础上,采用TEOS水解后形成的无定形SiO2对量子点进行二次包裹,研究了TEOS含量和反应温度对所得薄膜光学性能的影响。结果表明,TEOS加入量为0.06 m L,反应温度为35℃时,TEOS水解后形成的无定形SiO2对量子点形成了有效的包裹,量子点在SiO2内部分布均匀,量子点的尺寸在10 nm左右,制备的CsPbBr3 QDs@SiO2/EVA薄膜材料的发光性能较好。浸水40 h以后,材料的荧光强度仍能维持原有荧光强度的84%;紫外光照40 h后,材料的荧光强度维持在77.7%;放置120 d后,材料的荧光强度仍能维持在的77.6%。SiO2层对量子点起到了很好的保护作用,不仅阻止了进入材料内部的水氧分子对量子点的侵蚀,还能提高量子点的分散性,防止其团聚在一起发生荧光淬灭和阴离子交换反应,经过EVA树脂和SiO2的二次包裹,量子点的稳定性得到有效提升。

关键词： 高压   量子材料   拓扑半金属   量子相变   拓扑相变   高压超导  

摘要： 突现(emergence)是指多体系统中由于集体相互作用而导致的一系列性质、现象和功能等。随着越来越多突现现象在非强电子关联体系中被发现,量子材料这一更宽泛的概念取代过去的强电子关联,成为凝聚态物理中的前沿范畴,主要包括高温超导、巨磁阻、莫特跃迁和拓扑绝缘体等等。量子材料所表现的奇异突现行为受量子力学效应所决定,通过外界手段操控量子力学效应可以引入量子相变从而赋予材料更多新奇的性质,这对探索新材料、发现奇异现象以及理解材料中的粒子间相互作用具有重要意义。对于近年来受到密切关注的拓扑半金属,其电子与空穴轨道呈线性能量色散关系并同时穿过费米能级,导致导带和价带在费米面附近交叉,在动量空间形成特定的节点结构,如狄拉克点(Dirac node),外尔点(Weylnode),节点线(nodal-line)或节点弧(nodal-loop)等,形成一系列具有新奇性质的拓扑半金属。由于能带交叉发生在费米能级附近,可以方便地通过外界压力来改变晶格体积或晶格对称性进而调控能带交叉点和费米面,因此压力已经成为调控半金属性质的有效手段之一。在本论文工作中,我们利用金刚石对顶砧技术,结合高压电输运,高压Raman光谱,高压同步辐射x射线衍射等实验方法,并辅助以第一性原理计算,重点研究了包括拓扑半金属在内的几种半金属材料在高压下的奇异量子相变行为,包括费米液体半金属1 T-TiTe2、拓扑节线半金属ZrSiSe和极大磁阻材料LaSb。本论文主要包括以下几章内容:第一章,主要介绍量子材料的研究现状,尤其介绍了拓扑半金属和超导体等量子材料在高压方面的研究进展与意义。第二章,主要介绍金刚石对顶砧高压技术和本论文工作所涉及的高压实验方法,主要包括电输运、Raman光谱以及x射线衍射等。另外,还简要介绍了此类实验常用的单晶生长方法,包括化学气相输运和熔剂热法。第三章,主要介绍费米液体半金属1 T-TiTe2在高压下的拓扑相变行为。此工作利用化学气相输运的方法制备了 1 T-TiTe2单晶,并进行了室温高压Raman光谱和电阻的测量。通过对Raman位移与电阻率压力系数变化的分析,我们发现在1.7 GPa,3 GPa和8 GPa存在三个不连续奇异点,分别对应了相Ⅰ,相Ⅱ,相Ⅲ和相Ⅳ四个相。利用密度泛函理论(DFT),我们计算了 1T-TiTe2块体的轨道投影能带结构并分析了其在高压下的演化过程,发现体系的轨道杂化效应随压力增加而增强,而且在某些压力点时发生能带翻转。由于能带翻转通常预示着拓扑相的出现,我们因此利用奇偶性分析方法计算了体系的4个Z2拓扑不变量。结果表明,实验中发现的相Ⅱ和相Ⅲ拓扑不变量分别为(1;001)和(0;001),分别为强拓扑相和弱拓扑相,而相Ⅳ实则发生了结构相变。由此,1T-TiTe2体系在外界压力作用下由于轨道杂化的增强而经历了拓扑平庸-强拓扑-弱拓扑-结构相变的丰富的相变路径。同时,在实验中我们还发现了受宇称变化影响的Raman光谱信号的变化,本工作的发现为我们提供了一个研究拓扑物理的理想平台。第四章,主要介绍拓扑节线半金属ZrSiSe在高压下经历的丰富的电子拓扑相变与同结构相变特性。利用高压磁阻与电阻测量,Raman光谱,同步辐射x射线衍射和第一性原理,我们系统地研究了 ZrSiSe单晶在高压下的性质变化,并在3.6 GPa,6.8 GPa和11 GPa分别发现两次电子拓扑相变和一次同结构相变。在11 GPa,x射线衍射结果分析发现存在c/a极小值,而计算表明这是由于原子占位改变导致Se-Zr-Se键角出现极大值所致,因此体系发生同结构相变。另一方面,密度泛函理论计算发现压力可以明显地调控动量空间M-Γ路径和高对称点Γ附近的电子和空穴口袋,导致费米面形状发生显著变化并进一步引入电子拓扑相变。ZrSiSe中丰富的相变过程导致Raman信号和电输运性能在相应压力区间出现一系列不连续变化。本工作为研究ZrSiSe中的拓扑性质开辟了一条新途径,而其中的量子震荡、各向异性磁阻效应与高压的关系值得更深入的探索,以此来进一步理解拓扑节线的真正作用。第五章,主要介绍极大磁阻材料LaSb高压超导相的发现。LaSb单晶在10.8 GPa时出现超导转变,其超导临界温度(Tc)在13.7 GPa达到最高值为5.3K,随后呈线性降低直至我们所达到的最大压力值35 GPa,由此得到LaSb穹顶形超导温度-压力相图。结合以往报道的高压x射线衍射和第一性原理计算结果,我们发现这里观察到的超导相变压力点与LaSb正交相(B1相)过渡到四方相(PT相)的结构相变点一致,因此可知LaSb压致超导相实际上就是高压四方相,而原因是由于结构相变过程中费米能级附近电子态密度的急剧增加所致。值得关注的是,在以往的报道中,其同结构化合物LaBi在常压结构B1相时就会发生压致超导相变,这

关键词： 第一性原理   二维磁性半导体   磁各向异性   量子输运  

摘要： 自旋作为电子电荷之外的一种内禀性质,是自旋电子学的基础。通过利用近年发现的低维磁性材料,电子器件有望进一步降低尺寸与发热量,并实现多功能性。其中接近原子尺度量级的磁性机制与电子输运性质值得我们进行深入的探讨。铁磁性单层化合物MI3（M=V,Cr）具有MI6八面体共边构成的蜂窝状结构,而磁各向异性是二维铁磁性半导体在有限温度下仍可以保持其长程磁有序的必要条件。本文讨论了MI3中M3+离子的磁各向异性与磁矩等物理性质。首先通过使用杂化泛函的第一性原理计算获得了VI3和CrI3两种单层材料的磁各向异性能,然后通过基于MI6八面体最高占据/最低非占据分子轨道间相互作用的选择定则分析了两种材料的自旋择优取向,并讨论了两种材料是否存在单轴磁性。计算发现单层MI3中,V3+（d2,S=1）离子的磁各向异性能比Cr3+（d3,S=3/2）离子的数值大一个数量级（～8 vs.～0.6 me V）,并证明铁磁VI3具有单轴磁性,而CrI3不具有单轴磁性。VI3单轴磁性来自于其非零的轨道角动量以及大于1/2的自旋角动量量子数。另外,本文也构建了两种材料的自旋有效哈密顿量模型,由此出发进行了基于第一性原理计算结果的蒙特卡洛模拟,预测单层VI3居里温度为60K,并找到了区分两种二维铁磁半导体材料的两参数最简哈密顿量模型。谷电子学中,六角晶格的中心反演对称性破缺会导致动量空间中K+/K-点处的能谷互不等价,通过外场或近邻效应等手段可以进一步诱发谷极化,并产生二色性等物理性质用于信息存储。2H相结构的单层过渡金属硫族化合物材料内禀地具有破缺中心反演对称性的六角晶格,因而本身具有不等价能谷。因为自旋轨道耦合作用导致自旋与谷之间存在锁定作用,因此通过磁场调控能够产生谷极化。半导体2H-VSe2在第一性原理计算的能量上比实验已成功剥离出的室温铁磁导体1T-VSe2更稳定,是有望实验得到的室温铁磁半导体,并实现室温铁谷性的体系。前人理论预测报道Janus型的单层2H-VSSe具有巨大的谷极化强度,本文通过第一性原理计算的自旋有效哈密顿量、蒙特卡洛模拟,系统地研究了六种单层2H-VXY（X,Y=S,Se,Te）材料的电子结构、磁基态、动力学稳定性、磁各向异性、磁相变温度、谷极化强度等物理性质。计算结果表明六种材料均为易面磁各向异性,会发生Berezinskii-Kosterlitz-Thouless（BKT）准长程相变。在自旋磁矩为二维材料面外方向时,谷极化强度、最近邻磁交换常数均与硫族原子平均序数正相关。但包含Te的单层2H-VXY在能量上不如1T相稳定,且会带来过高的负数次近邻磁交换常数,导致相变温度反而降低,其中2H-VSe2被预言具有2H-VXY中最高的室温BKT相变温度。准一维的锯齿型边缘石墨烯纳米带可表现铁磁半金属性,有望用于构建具有巨大磁阻比的隧穿电子器件。本文将其作电极材料,连接自组装二维共轭芳香族聚合物的组成单元DDQP构建了有机分子自旋过滤磁隧道结器件。本文使用密度泛函理论结合非平衡格林函数的方法计算了其各种构型的量子输运物理性质。发现DDQP分子中含有的氮原子导致器件相比于全碳类构体的自旋过滤效率与磁阻比都有显著增强。增大石墨烯纳米带的宽度可以进一步提高自旋过滤效率到～100%,而纳米带的末端碳原子缺陷会导致电子隧穿效应的增强。结合不同偏压下的透射谱、实空间散射态、散射态波函数与构型-隧穿势垒分析,本文解释了上述多种现象的微观机制,总结出了对这一类分子自旋电子学器件输运性质的一套调控与设计方案。

关键词： 密度泛函理论   碱土金属氧化物   点缺陷   量子比特  

摘要： 半导体和绝缘体中的空位,反位杂质,间隙杂质和替位杂质等统称为点缺陷。这些点缺陷强烈影响着半导体和绝缘体的物理性质,对它们的应用有着决定性的作用。点缺陷可以作为人工原子嵌入到半导体或绝缘体材料中,点缺陷在带隙中产生与周围的环境即与价带和导带相互隔离的缺陷态。因此,他们表现出孤立原子的量子特性却不需要复杂的隔离技术。宽禁带材料中的光学活性点缺陷具有可伸缩性,也便于集成入设备,是量子信息技术的主要组成部分,其中应用包括量子处理器、量子中继器、量子模拟器和量子传感器等。尽管点缺陷几乎在所有的半导体或绝缘体材料中都是普遍存在的,但在某些半导体或绝缘体材料中选择特定的点缺陷构型可以得到特定的电子自旋量子态,这些量子态可用于不同的量子技术。本文关注点在用于量子比特候选材料的相关宽禁带材料中的点缺陷。论文结构如下:第一章主要介绍了最具代表性的固态量子比特候选材料及密度泛函理论在筛选鉴别固态量子比特中的作用。首先简要介绍了量子比特的物理概念。接着通过密度泛函理论与实验相结合,介绍了最著名的半导体固态量子比特候选材料:金刚石中的带负电的NV色心和碳化硅中的碳硅双空位点缺陷。最后介绍了相关固态量子比特候选材料的研究前沿进展。第二章主要介绍了以密度泛函理论为主的第一性原理方法。包括基本原理,计算常用的一些相关交换关联泛函和一些常用的计算模拟程序包,比如VASP和Material studio 等。第三章具体介绍了计算固态量子比特的相关特性的原理,比如基态,激发态和超精细耦合张量等等。第四章主要是在密度泛函的理论框架下研究了过渡金属铂(Pt)掺杂碱土金属氧化物(MgO和CaO)后的电子自旋性质。基于VASP计算,我们研究了该点缺陷的自旋极化的缺陷能级,形成能,光学性质,超精细耦合张量和两个自旋极化缺陷中心的磁耦合相互作用。我们发现PtMg和PtCa均具有S=1的自旋三重基态和一个自旋保留的激发态。通过计算这些点缺陷在不同价态下的形成能,发现它们分别在N型掺杂的氧化镁或轻度P型掺杂的氧化钙中可以稳定存在。通过采用限制性密度泛函理论(CDFT)的方法,我们得到了这些点缺陷的光学性质:光吸收,光发射和零声子线能量。其次,通过计算两个自旋极化中心的磁耦合相互作用,发现这些缺陷中心可以在室温下进行单独的自旋比特操作。最后,通过计算超精细作用张量,为未来的实验提供理论支持。所有这些结果表明这些缺陷中心可以作为潜在固态自旋量子比特的候选材料。

关键词： 凝聚态物理   SSH原子链   SSH原子环   量子点   边缘态   电子输运特性  

摘要： Su-Schrieffer-Heeger(SSH)原子链是典型的具有拓扑边缘态的一维系统，其边缘态对局部缺陷和系统无序具有很强的鲁棒性。因而,其在自旋电子器件和低功耗器件中具有潜在的应用价值。目前，如何确定SSH原子链拓扑边缘态的存在成为凝聚态物理中的重要课题之一。其中，通过电子的输运特性确定SSH原子链边缘态的存在是一个重要研究课题。虽然SSH原子链的电子输运特性对其边缘态的依赖关系已有研究，但是SSH原子链与电极之间的隧穿耦合强度对其边缘态电子输运特性的影响，特别是，SSH原子链与电极处于强隧穿耦合区域时，边缘态与其电子输运特性的关系，尚未被揭示。　　本文将利用紧束缚近似和传输矩阵方法研究量子点--SSH原子链系统、SSH原子环系统的边缘态电子输运特性。研究发现：　　(1)在量子点--SSH原子链系统中，四重简并的边缘态对应于SSH原子链存在边缘态的情形，而二重简并的边缘态对应于SSH原子链不存在边缘态的情形。当量子点--SSH原子链系统与外加电极之间为强隧穿耦合时，边缘态电子共振透射峰的个数将减少2，例如，对于四重简并的边缘态，电子共振透射峰的个数将变为2;而对于二重简并的边缘态，电子的共振透射峰将消失。因而，可以通过调节量子点与SSH原子链、外加电极之间的隧穿耦合强度，观察边缘态电子共振透射峰的个数变化情况来判断SSH原子链是否处于非平庸拓扑态。　　(2)在SSH原子环系统中，边缘态是由环上臂和下臂SSH原子链的边缘态叠加而成。当环上臂和下臂原胞数目不同时，边缘态为四重简并;而当环上臂和下臂SSH原子链原胞数目相同时，边缘态为二重简并。当SSH原子环系统与外加电极之间的隧穿耦合强度由弱变强时，边缘态电子共振透射峰的个数变化情况与量子点--SSH原子链系统相同，即对于环上臂和下臂原胞数目不同的情形(四重简并的边缘态)，电子共振透射峰将从四个变为两个;而对于环上臂和下臂原胞数目相同的情形(二重简并的边缘态)，电子的两个共振透射峰将逐渐消失。因此，同样可以通过调节SSH原子环与外加电极之间的隧穿耦合强度，观察边缘态电子共振透射峰的个数是否变化来判断该系统是否处于非平庸拓扑态。

关键词： 碳量子点   碳量子点-银纳米复合物   荧光成像   超氧阴离子   抗菌   枯草芽孢杆菌   铜绿假单胞菌  

摘要： 区别于传统纳米材料的单一功能,纳米复合材料因其功能集成或协同等优势逐渐受到广泛关注。碳量子点-银（Carbon Quantum Dots-Ag,CQDs-Ag）纳米复合材料,即结合了CQDs的光学特性和纳米Ag的电化学特性,不同复合方式、尺寸、形貌和晶体结构又赋予复合物不同的功能,从而使其在催化、传感、表面增强拉曼光谱等多个生物医学领域具有广阔应用前景。优化CQDs-Ag纳米复合材料可控合成方法,提高结合表面规则有序性,是促进推广应用亟需解决的问题。本研究利用化学还原法和化学沉淀法,在CQDs表面原位合成纳米Ag,通过优化合成方法,制备了不同形貌结构的核壳纳米复合材料和纳米杂化体,并探讨它们在荧光成像及抗菌中的应用。主要内容及创新点如下:（1）通过优化原位还原法,合成碳量子点@银纳米复合物（CQDs@Ag NCs）,利用透射电子显微镜、原子力显微镜、X-射线衍射光谱、X-射线光电子能谱、紫外-可见光吸收光谱、傅里叶变换红外光谱和荧光光谱等对复合物结构、形貌、组成、光吸收特性和发光特性进行表征分析。分析结果表明,CQDs@Ag NCs为核壳结构,颗粒分散均匀,平均粒径为8.06±0.21 nm;复合物中,存在Ag纳米粒子面心立方晶格,和CQDs主要官能团红外特征吸收峰;具有超氧阴离子(O2·-)响应性荧光发射,最大激发光和发射光波长分别为360 nm和440 nm,呈蓝色荧光。基于CQDs@Ag NCs的O2·-响应性荧光发光机理,对细胞内O2·-进行成像分析。分析结果表明,CQD@Ag NCs可对MCF-7细胞自噬全过程O2·-进行荧光成像;线性检测范围为0.6-1.6μM,最低检出限0.3μM;细胞毒性低,高选择性地识别O2·-。因此,CQDs@Ag NCs可作为一种高灵敏度、高选择性的“off-on”型荧光探针,用于细胞内O2·-的荧光成像检测。（2）为弥补Ag纳米粒子分散性差、易团聚的缺陷,利用CQDs自身还原性和稳定性,固定[Ag（NH3）2]+浓度,在不同浓度CQDs表面原位沉淀纳米Ag,合成两种纳米杂化体CQDs/Ag NC-1(0.1 mg·m L-1 CQDs)和CQDs/Ag NC-2(0.4 mg·m L-1 CQDs)。对两种纳米杂化体的组成、表面性质及抗菌性能进行研究,发现与CQDs/Ag NC-2相比,CQDs/Ag NC-1的粒径小、Zeta电位绝对值大、抗菌性能高;SEM观察发现CQDs/Ag NC-1引起革兰氏阴性菌形态畸变,导致革兰氏阳性菌细胞壁破裂,胞内物质外泄。研究结果表明,低浓度CQDs的引入与高浓度CQDs相比,显著提高了Ag纳米粒子的稳定性和表面能,表面细菌黏附能力明显增强,抗菌性能显著提高。

关键词： Condensed matter physics  

摘要： Programing the properties of quantum materials on demand is a central goal of condensed matter physics with the potential to usher in a new technological era. Photoexcitation has proven to be an exceptionally capable means of resonant and non-resonant control over matter offering coveted routes to selectively control the electronic, lattice, interband or valley optical and excitonic properties of quantum materials. One major limitation of probing the rich class of phenomena enabled by photoexcitation is the diffraction limit. The properties of quantum materials are often sensitive to the microscopic details of the environment at phase transition boundaries: which naturally leads drastic inhomogeneity at the nanoscale. In other cases, the media may transiently support high-momentum “nano-light” or host topologically protected conductive channels that are localized to one-dimensional physical edges. All of these phenomena demand a probe with the spatial resolution that is commensurate with the emergent behavior. To address these demands the author contributed to the development of time-resolved scattering near-field optical microscopy (Tr-SNOM). Utilizing the principles developed as part of this thesis amplified laser technology was combined with a commercial near-field optical microscope to produce a state-of-the-art time-resolved nanoscope. The custom apparatus operates with twenty nanometer spatial resolution with unprecedented spectral coverage spanning visible to mid-infrared all with (30-300) femtosecond temporal resolution. The experimental apparatus was, first, applied to investigate the photo-induced insulator-to-metal transition in Vanadium Dioxide. We observe nanoscale inhomogeneity of the transient conductivity. Our data reveals that local nanoscopic variations of the strain exist in our particular VO2 thin film at equilibrium. Regions of compressive strain are, furthermore, found to correlate with regions where a high degree of transient conductivity is a

关键词： 白光二极管(WLED)   稀土发光材料   红色荧光粉   Eu3+掺杂   钼/钨酸盐   晶体结构   发光性能   量子效率   低温   强磁场  

摘要： 白光二极管（WLED）已在照明和显示等领域得到广泛应用,为了满足高发光效率、宽光谱发射、低能量消耗、稳定性、无毒性等多样的性能指标要求,研究用于WLED的新型稀土荧光粉是当前新材料领域的热点之一。WLED通常使用蓝紫光或近紫外光LED激发红、蓝、绿等其他颜色的荧光粉,以此获得混合白光发射。目前商业化应用的红色荧光粉主要为硫化物和氮/氮氧化物,但硫化物有毒、化学稳定性差,而氮/氮氧化物的制备工艺要求苛刻且生产成本高,因此急需研发新型高性能稀土红色荧光粉替代当前市场上的红色荧光粉,进而提升WLED的发光性能。本文基于无毒的钼/钨酸盐基质材料,使用Eu3+作为激活离子,研究了Eu3+在不同基质结构中的超敏跃迁机制,优化了合成工艺,获得了新型的高量子效率、稳定性好、合成条件简单的稀土红色荧光粉。本文的主要研究工作总结如下:论文首先研究了制备方法、基质种类和晶体结构对钼/钨酸盐基质材料发光性能的影响规律。研究使用改良的高温固相反应方法,合成了一系列阳离子同为稀土元素、成分和晶体结构不同的Eu3+掺杂的钼/钨酸盐基质的红光材料。结果表明,使用该改良方法成功合成了一系列钼/钨酸盐基质的红光材料,并且相比传统方法制备得到的材料具有更优的光谱特性。同时,在本工作中研究的若干类钼/钨酸盐体系的发光材料之中,Eu3+在晶体结构对称性较低的材料中超敏跃迁强度更大。其中,具有三斜结构的α-La2W2O9是一种潜力很大的基质材料,制备得到的α-La2W2O9:Eu3+材料能够有效被397nm和465nm的蓝紫光波长激发,产生很强的红光发射,且在607nm附近存在强度远大于其他跃迁峰的5D0→7F2超敏跃迁发射峰。进一步研究并优化了α-La2W2O9:Eu3+红光材料的发光性能。通过调整反应温度和煅烧时长等参数,探索了α-La2W2O9:Eu3+纳米多晶发光材料的最适宜合成条件。结果表明,在反应温度1050℃、煅烧时长3小时的条件下制备得到的材料具有良好的形貌以及强度最大的发射与激发光谱。进一步优化Eu3+掺杂浓度,利用各种测试表征手段和模拟计算方法,深入研究了材料的晶体结构、掺杂过程与发光性能。结果表明,当Eu3+掺杂浓度为3%时,材料的发光性能最优。α-La2W2O9:3%Eu3+具有强度最大的激发与发射光谱,表现出很强的618nm波长红光发射。材料的量子效率高达77%,荧光衰减寿命为0.651ms,色坐标值为（0.665,0.335）。以上结果均表明,α-La2W2O9:3%Eu3+是一种发光性能优异、具有很大应用潜力的新型红光材料。此外,随着掺杂浓度升高,材料中出现了浓度猝灭现象。根据临界距离理论,使用斜率拟合方法分析了该材料中荧光猝灭效应产生的机理,结论为该材料中的荧光猝灭效应主要由电偶极-电偶极相互作用导致。最后,在低温条件下测量了不同掺杂浓度的α-La2W2O9:Eu3+的磁光谱,进一步研究了α-La2W2O9:Eu3+材料的发光机理和磁光特性。一方面,强磁场影响了材料晶体结构和Eu3+离子能级,提升了α-La2W2O9:1%-5%Eu3+材料的发光强度。另一方面,材料的发射光谱特性随掺杂浓度变化,在磁场下表现出一系列的现象:高掺杂浓度样品和低掺杂浓度样品在磁场下具有不同的光谱特征和磁光响应特性;在同一激发波长激发下,样品积分发光强度随磁场变化的规律与掺杂浓度密切相关;材料在磁场调制的积分发光强度曲线上出现了非线性变化的精细结构。磁场下的光谱研究结果有助于深入分析材料的晶体结构对发光性能的影响,对拓展材料的应用领域以及进一步优化材料的发光性能提供了一定的理论指导作用。