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： 圆偏振光检测   量子阱红外探测器   手性超材料   高吸收率  

摘要： 圆偏振光的鉴别在生物医学,光通信和光传感等领域有着重要应用,是当前研究的热点之一。传统的圆偏振器存在着构造复杂、性能低下和不易小型化制造等缺陷。量子阱红外探测器(Quantum Well Infrared Photodetector,QWIP)作为一种成熟的红外探测器,具有高稳定性、宽探测波段和适合焦平面阵列制备等优势。将手性超材料集成到QWIP中,可以挖掘其在圆偏振光检测方面的巨大潜力。因此,本文设计了三种不同结构的手性超材料集成QWIP,在保持高耦合因子和高吸收率的探测性能的同时,拓展了器件对圆偏振光旋向的辨别能力。本文的主要研究内容如下: (1)为能够在7.5-9.5μm的长波红外范围内实现对圆偏振光的鉴别,设计了一种基于元镜结构的非均匀光栅QWIP。该元镜由两部分组成:顶部是倾斜45°排列的金属阵列层,底部是一维金属光栅条纹。虽然这两个部分单独并不具备手性结构,但它们的组合形成了手性超材料,类似于一些节肢动物的复眼结构,使得QWIP的圆偏振消光比(Circular Polarization Extinction Ratio,CPER)超过20。通过改变顶部金属阵列层的结构,可以调整圆偏振光的目标旋向。本器件通过调节底部光栅的间距可调控响应波长。当光栅从均匀排布变为非均匀排布时,器件的吸收率和耦合因子都得到提升。顶部金属阵列和底部金属光栅可以分别激发微腔模式和表面等离极化激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)模式,使得器件的总吸收率达到90%,量子阱有源区的耦合因子达到9.6。这种基于元镜结构的QWIP相比于传统的硅基圆偏振器,CPER提升了10倍,为将量子阱红外探测器应用于偏振成像、医学诊断、量子信息处理等多个领域提供了新的思路。 (2)为进一步提升器件的圆偏振检测能力,设计了一种集成了双L形手性超材料的QWIP,在7-9μm的波长范围内实现了高达45的CPER。手性超材料阵列的单元由两个结构相同,呈中心对称的“L”形金条纹组成,双L形器件的CPER是单个L形器件的14倍。通过调节双L结构,可以调整目标圆偏振光旋向。该器件在探测波段内具备微腔模式,SPP模式和混合模式三种工作模式。入射光经过顶部手性超材料层时激发微腔模式,通过手性结构的选择,右旋圆偏振光被反射,而左旋圆偏振光则透射进入器件内部,在底部的金属光栅层激发了SPP模式并被吸收。器件的峰值吸收率达到80%,量子阱有源区的耦合因子达到27,是同类型QWIP圆偏振器耦合因子的2倍。相比于元镜结构,双L形器件的CPER提升了1倍。 (3)为减小金属材料引起的欧姆损耗,提出一种集成了Ga As半导体手性超材料的QWIP。手性超材料的偏振选择性使得CPER达到42。基于SPP模式和波导共振的协同作用,在右旋圆偏振光入射时,器件的总吸收率超过90%,其中子带间吸收率可达到49%,是标准45°磨角耦合器件子带间吸收率的15倍。由于波导共振导致的电场增强区域覆盖量子阱有源区,此时器件的耦合因子为8.1,响应度预计达到1.85 A/W,是标准器件响应度的23倍。然而,在左旋圆偏振光入射时,由于相消干涉的影响,器件无法有效激发波导共振,SPP波激发的电场增强区域集中在金属表面,远离有源区,导致子带间吸收率和响应度均低于标准器件。该器件能够增强目标旋向圆偏振光(右旋)并削弱相反旋向圆偏振光(左旋),在保持探测器高性能的前提下实现对圆偏振光的探测。

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： 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： 复合材料   二硫化钼量子点   金属有机框架   光电析氢  

摘要： 目前,由于化石燃料的大量使用引发了各种环境问题,因此,推动氢能这一可持续清洁能源发展成为必然。氢能是一种理想的新能源,其高能量密度和高效环保的优点,具有很大潜力。由于光电催化制氢技术是通过利用太阳能将水分解为氢气和氧气,是实现氢能生产的一种理想途径,因此光电催化制氢得到了广泛的关注。二硫化钼量子点（MoS2 QDs）是具有良好光电性能的光电催化析氢材料,但存在载流子复合率高、光电转换效率低等问题,因此需要对其进行改性。本文主要研究内容及结论如下: 1、本研究采用水热法合成具有良好导电性能的MoS2 QDs,而吡啶（py）又具有很好的光电性能,通过二者有效复合再修饰到电极表面后能够明显提高析氢性能。通过荧光光谱图和紫外可见光光谱分析出与py的复合确实增强了MoS2 QDs的光学性能,提高载流子分离率。通过实验条件优化得出该检测体系中,最优复合比例为10:1。由瞬态光电流响应图（i-t）可知,MoS2 QDs/py具有较高的光电流,其光电流密度是MoS2 QDs的3.8倍,同时也提高了光电流的稳定性。由线性扫描伏安图（LSV）和Tafel曲线图得到光照条件下,MoS2 QDs/py的析氢过电位为-1.089V,MoS2QDs/py的Tafel斜率约为256 mV/dec。在黑暗条件下,MoS2 QDs/py的析氢过电位为-1.112V,MoS2 QDs/py的Tafel斜率约为154mV/dec。结果得到吡啶的添加有助于释放MoS2 QDs表面的光生空穴,从而得到MoS2 QDs/py析氢效率较高,是一种很好的光电析氢材料,为有机小分子敏化半导体量子点的光电复合材料的合成与性能调控提供新思路。 2、采用水热法合成MoS2 QDs,合成的MoS2 QDs粒径分布均匀,性能表现良好。使用透射显微镜（SEM）、高分辨透射显微镜（HRTEM）、X射线电子能谱仪（XPS）、傅里叶红外光谱仪（FT-IR）和紫外可见光谱仪（UV）等手段对其表征,证明复合材料的成功合成,通过MoS2 QDs和金属有机框架（MOFs）衍生CuO/Cu2O复合修饰到电极表面进行光电析氢性能的研究。在光照下,电流密度为-10 mA/cm2时,CuO/Cu2O-MoS2 QDs与其他电极相比,表现出更低的过电位（836mV）,优于CuO/Cu2O（928mV）。黑暗条件下,CuO/Cu2O-MoS2 QDs依然具有最低过电位（861mV）。 图[24]表[6]参[87]

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。