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WTe2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。WTe2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WTe2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Y3Fe5O12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WTe2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Td相WTe2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 ~oC退火72小时的条件下,首次获得了具有Sd H量子振荡的WTe2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 cm2V-1S-1,载流子浓度为1018 cm-3,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WTe2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WTe2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WTe2薄膜中的自旋动力学过程及其各向异性,为未来WTe2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WTe2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WTe2/YIG异质结构,包括湿法转移与直接在YIG薄膜表面外延生长WTe2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WTe2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： 石墨烯晶界   经验势方法   声子非平衡格林函数方法   量子热输运  

摘要： 器件小型化对散热、隔热的高要求促使人们研究低维材料的量子热输运性质。在石墨烯中普遍存在的晶界对其热传导学性质有显著影响。本文结合经验势方法和声子非平衡格林函数方法,较为系统地研究了若干含晶界的石墨烯体系的量子热输运性质。我们在第四近邻力常数模型的基础上考虑了键长、键角、配位数等的变化,引入了与键长、键角、配位数等相关的物理量,在一定程度上拓展了第四近邻力常数模型,使之可应用到含有晶界的石墨烯体系中,便于进一步探究大规模输运体系的量子热输运性质。利用经验势计算,我们发现理想石墨烯纳米带的声子谱在X点处的简并性与宽度的奇偶性有关。具有奇数宽度NZ的锯齿型石墨烯纳米带（NZ-ZGNR）在X点处由成对简并的声子模式组成,而具有偶数宽度NZ的NZ-ZGNR多为非简并模式。扶手椅型石墨烯纳米带则与之相反。在含有晶界的石墨烯体系中,晶界使得体系透射谱原有的理想“阶梯状”被破坏,降低了声子透射系数。我们发现,波矢失配是声子透射系数降低得原因之一。此外,在晶界处声子的高局域化可导致与二维结构相似的类Fano共振现象。以上研究为更进一步理解石墨烯晶界的热输运性质提供了参考,也为未来低能耗量子器件的研究提供了新思路。

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： 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。

关键词： 双量子点系统   高斯白噪声   量子点接触   全计数统计   动力学  

摘要： 近三十年来,随着微观实验技术的迅速发展,人们已经可以制备出具有纳米尺度的半导体器件,并通过逐渐完善的量子动力学理论得以从微观角度分析元器件中电子转移问题。而量子相干性作为量子效应里最具代表的基本概念,由于其突破空间思维的关联性,被越来越多的视为一种重要资源,在量子信息处理、量子计算方面有广泛应用。现实中,这种脆弱的物理资源极易受到外界环境干扰产生退相干。同时在对量子系统观测研究过程中,由于人为观察者的存在,导致波函数坍塌,间接损耗了量子相干性。因此,对开放量子系统研究有利于人们理解量子力学基本问题以及量子输运和测量中的退相干现象,可以为以量子点、纳米结为基础的微观电子器件制备提供理论支持,也对提高量子通信信息传递准确性有重要意义。在研究开放量子系统的输运以及测量问题时,环境对系统有两类影响:弛豫和退相。为方便处理环境效应,理论研究中将弛豫速率和退相速率以常数形式展现,但严格来说,环境效应不可能一成不变,应采取更为准确的方式描述开放量子系统的环境模型。自基于谱扩散的随机涨落理论建立以来,在物理模型建立以及信号处理等方面都有广泛应用。考虑环境的随机涨落模型,能够比较真实反映环境作用于量子系统的退相干效应,环境效应遵循满足特定函数的噪声统计特性分布,量子系统哈密顿量由于环境与系统耦合会产生随机涨落,通过给定描述随机过程的状态函数,反映出环境噪声的一些统计特性,从而准确描述环境作用于系统的动力学演化过程。根据该理论,本论文从时间非卷积的量子主方程出发,考虑高斯白噪声类型的随机涨落环境,系统与环境耦合使系统哈密顿量产生随机涨落,并认定该涨落满足Ornstein-Uhlenbeck(OU)类型高斯白噪声统计特性。理论推导了双量子点系统与高斯白噪声环境相互作用的精确动力学演化方程。在此基础上考虑了量子点接触探测器测量效应,通过全计数统计理论和附加布洛赫(Bloch)矢量方法计算在不同情况下的探测器平均电流、法诺因子(Fano factor)以及平均等待时间,并以此来反映双量子点内部电子转移特性。理论计算结果表明,在长时间极限下,探测器测量和高斯白噪声环境都对系统动力学演化有明显影响。测量会局域量子系统的演化,而高斯白噪声使平均电流和法诺因子随偏置电压的演化有明显扩宽行为。其中法诺因子呈现出明显的超泊松分布,主要来源于量子相干和共隧穿效应。在短时间极限下,测量会加快探测器内部单电子的运动,增强量子点内电子局域性,而高斯白噪声的存在通常会抑制探测器内单电子转移,破坏平均等待时间的单峰结构。本论文的创新之处在于理论推导了受高斯白噪声环境影响的开放量子系统的精确动力学演化方程,基于量子测量理论,通过探测器外部输出结果研究高斯白噪声环境和量子点接触测量对双量子点内部电子转移的影响,并以此分析噪声参数,提取有效环境信息,为量子实验中减小外界环境相干损耗提供理论借鉴。本论文主要从五个部分对高斯白噪声环境影响下开放量子系统动力学性质展开相关研究工作,着重研究探测器测量以及噪声环境导致的涨落如何影响系统的动力学演化。本论文的内容安排如下:第一章是本文的综述,主要介绍基于双量子点系统的输运以及测量理论,简单回顾关于开放量子体系动力学演化的研究现状和最新进展。同时论述相互耦合的双量子点结构以及量子点接触探测器等基础理论模型。并给出本论文所采用随机涨落环境模型的Hamiltonian形式和简单介绍高阶隧穿过程。第二章是本文的研究理论基础,详细介绍了本文的理论框架,包括随机涨落环境模型中的时间卷积和时间非卷积两类量子主方程,以及高斯白噪声的噪声特性。阐述了量子输运过程的全计数统计理论和附加布洛赫矢量方法,以及基于该理论建立的探测器平均电流、法诺因子以及平均等待时间的计算方法。第三章是对系统与随机涨落环境耦合体系动力学方程的推导,基于时间非卷积量子主方程,我们推导了系统与高斯白噪声环境相互作用的精确动力学演化方程,并给出环境导致系统涨落的二阶累积矩形式,获得高斯白噪声环境下受探测器测量双量子点系统的粒子数分辨量子主方程。最后理论分析探测器输出电流和系统约化密度矩阵的时间对应关系。第四章是本文的结果分析部分,由于探测器和环境的干扰,影响电子的转移过程,展现出奇特的动力学现象。我们研究了开放双量子点系统的动力学演化特性,计算分析了涨落环境导致的横向、纵向噪声以及探测器测量对长时间极限下平均电流和法诺因子的影响。同时探讨了短时间极限下探测器内电子转移平均等待时间与环境噪声的关系。我们给出开放量子系统动力学演化过程中物理现象的合理解释。第五章是本文的总结展望,我们对前面几章的工作进行了总结,并对以后要开展的研究工作的做了计划与展望。

关键词： 润滑材料   碳基量子点   制备工艺   摩擦学性能  

摘要： 较低的层间剪切力赋予二维(2D)石墨烯良好的润滑性能。但是，较大的片层尺寸使其在普通溶剂和润滑油中的分散稳定性差，即使经过复杂的化学或物理改性，依然容易在分散介质中聚集沉降，从而使其无法完全发挥功效甚至失效。一个直接有效的策略就是降低其维度减少其尺寸，使之成为零维(0D)碳基量子点(CBQDs)纳米材料，从根本上解决2D石墨烯分散稳定性差的问题。因此，本论文围绕石墨烯量子点(GQDs)、氟化石墨烯量子点(FGQDs)、碳量子点(CQDs)、氮掺杂碳量子点(NCQDs)等纳米材料的制备展开。基于润滑添加剂和润滑涂层这两种摩擦学的应用形式，研究并揭示了上述一系列CBQDs纳米材料的摩擦学特性以及维度和尺寸的减少对材料摩擦学性能的影响。论文主要研究内容和结果总结如下:　　1.采用水热切割、电化学微调技术和超声辅助合成等方法制备了一系列具有小尺寸高水溶性的CBQDs纳米材料。其中，水热切割氧化石墨和氟化石墨前驱体制备了GQDs和FGQDs，所得GQDs的平均尺寸约为2nm、呈亮绿色荧光，FGQDs的平均尺寸约为3.5nm、呈黄绿色荧光;电化学技术微调氧化石墨尺寸和维度的制备工艺简易，通过控制电化学反应时间可制得0D GQDs、1D石墨烯纳米带(GNRs)和2D小尺寸石墨烯纳米片(GNSs)。其中，GQDs的平均尺寸约为2nm，GNRs的平均宽度和长度分别约为30和800nm，GNSs的平均尺寸约150nm，材料均呈蓝色荧光。以马铃薯淀粉为原料超声辅助合成CQDs的制备成本较低，CQDs的平均尺寸约为3.5nm，呈绿色荧光。通过研究上述一系纳米材料的尺寸、形貌和光学性能，可观察到纳米材料的光致发光性能与其尺寸效应密切相关，小尺寸的量子点材料表现出与激发光波长无关的光致发光特征;较大尺寸的GNRs和GNSs材料表现出与激发光波长依赖的光致发光特征。　　2.基于小尺寸和高水溶性的特点，GQDs作为一种水基润滑添加剂能够使水的摩擦系数降低42.5％（从0.41降低到0.23）、磨损率降低58.5％（从14.70μm3/N·s降低到6.11μm3/N·s）。这是因为在摩擦过程中，GQDs表面的负电荷与金属表面的正电荷通过静电引力使GQDs吸附于磨损表面，形成润滑保护膜，有效阻隔摩擦副直接接触，从而大幅度提高水的摩擦学性能。此外，与在水中加入大尺寸的2D氧化石墨烯纳米片添加剂的对照样品相比，在相对低的浓度下，GQDs添加剂的润滑效果更为显著。其次，以CQDs作为剥离试剂剥离氟化石墨，获得CQDs修饰的氟化石墨烯(FG)复合物(FG/CQDs)。基于CQDs表面大量的亲水官能团，FG/CQDs复合物在水中具有较好的分散稳定性，其水分散液静置半年后无明显沉淀出现。FG/CQDs复合物作为水基润滑添加剂能够使水的摩擦系数减少达61.5％（从0.41降低到0.15）、磨损率降低约79.2％（从19.3μm3/N·s降低到3.7μm3/N·s），其摩擦学性能优于单纯CQDs添加剂的性能，这是复合物中2D FG易滑动的层间结构和0D CQDs良好的分散稳定性的协同作用导致的结果:FG易滑动的层间结构赋予其低的摩擦系数，CQDs的修饰作用进一步改善FG在摩擦界面的嵌入稳定性，促进界面摩擦膜的生成，有效避免了摩擦副界面的直接接触，从而起到显著的减摩抗磨作用。　　3.以廉价的生物质废弃物葵花子壳为原料，通过一步水热法制备得到尺寸均一的NCQDs，实现了废弃物的高效利用。NCQDs的平均尺寸约为2nm，呈深蓝色荧光。将NCQDs作为润滑油添加剂超声分散于液体石蜡油中，基于NCQDs的小尺寸有利于其在润滑油中的稳定分散以及其准球形结构使其在摩擦界面上扮演着“纳米滚珠”的角色。NCQDs能够使液体石蜡油的平均摩擦系数减少近53.6％（从0.26降低到0.13），磨损率降低87.9％(从0.19μm3/N·s降低到0.02μm3/N·s)，显著提高其抗磨损寿命至3600s以上。　　4.以碳基量子点水分散液为原料，采用电泳沉积(EPD)技术分别获得石墨烯量子点涂层(GQDCs)和氟化石墨烯量子点涂层(FQDCs)材料。GQDCs的厚度可通过改变沉积电压调控在50至350nm范围内;FQDCs的氟含量可通过调节沉积电压来调控，30V电压沉积得到的涂层具有较高的氟含量。基于碳基量子点的小尺寸特性以及在水中极佳的分散稳定性，制备得到的润滑涂层均匀、致密、光滑与基底结合牢固。由于摩擦过程中，众多量子点在摩擦力作用下从涂层本体分离出来，在摩擦界面上相互滑动形成层流滑移效应，GQDCs能够使纯硅基底的摩擦系数降低约85％（从0.43降低到0.068）;FQDCs能够使纯硅基底的摩擦系数降低约82％（从0.255降低到0.045）。两种涂层材料的摩擦系数均与其表面粗糙度线性相关，粗糙度越