关键词： α-T3模型   石墨烯   电导   噪声  

摘要： 石墨烯的能带结构是由两个相交的狄拉克锥组成,T3晶格相比与石墨烯的蜂窝状晶格中心多了一个碳原子,其能带结构为两个狄拉克锥交点处增加一个平带。新型的二维材料α-T3模型通过改变中心碳原子与六边形边缘的两个碳原子之一的耦合强度,可以做到从赝自旋二分之一的石墨烯到赝自旋为一的T3晶格之间连续变化。对于α-T3模型来说,相对于势垒正入射时会发生克莱因隧穿,影响克莱因隧穿透射概率的参数主要有:入射准粒子的能量,速度势垒两侧准粒子的费米速度比值,势垒高度,势垒宽度,入射角度以及中心碳原子与边缘碳原子的耦合强度,当参数满足特定关系时会发生超克莱因隧穿效应。本文基于α-T3模型的克莱因隧穿现象,研究速度势垒调制对α-T3模型中透射率以及相关的量子输运特性的影响。本文具体安排如下: 首先介绍了二维材料近二十年来的发展历程,包括类石墨烯二维材料,多原子厚度二维材料,二维材料异质结,狄拉克粒子和α-T3模型等。然后主要介绍了速度势垒调制作用下输运性质涉及到的理论及方法,包括量子隧穿效应,散射矩阵理论,介观量子器件中的输运性质,速度势垒与电导噪声理论。接着介绍并研究了速度势垒调制下的α-T3模型的公式以及推导。从石墨烯准粒子的哈密顿描述到方势垒三个区域的波函数,并将其代入边界条件得出透射系数以及透射率与各参数的关系式。改变不同参数的参数值,通过软件仿真,得到透射概率与准粒子能量,势垒两侧费米速度比值,势垒宽度,耦合强度的关系示意图,进而根据图像对比分析各参数对量子输运特性的影响。之后介绍了速度势垒调制α-T3模型的背景,利用之前得到的电导和散粒噪声与透射概率的关系表达式进行数值积分得到电导和散粒噪声关于各参数的关系式。将不同参数设为多元函数,采用控制变量法选取一组参数为对照组,依次改变不同参数数值绘制与对照组的对比图像,进而分析不同参数对电导和散粒噪声的影响。最后对以上速度势垒调制下α-T3模型的量子输运特性研究以及分析进行总结,并对研究方向提出未来展望。

关键词： 扫描探针显微镜   复杂氧化物材料   低维电子系统   铁弹畴壁   量子点   超导-金属-绝缘体相变   二维高温超导铜氧化物   单原子层刻蚀  

摘要： 随着电子学的发展,纳米器件集成度和尺度逐渐接近量子极限,传统硅基半导体技术面临着前所未有的挑战。近二十年来,可替代新型量子材料的探索以及新奇量子物理现象的研究,成为近代凝聚态物理和材料学科发展的重要方向。这其中,低维氧化物电子体系,由于其对称性破缺以及自旋-电荷-晶格-轨道的多重自由度耦合,产生了包括超导、铁电、磁性、自旋-轨道耦合以及量子振荡等众多可调控的新奇电子关联现象,这些现象几乎涵盖了所有凝聚态物理中重要的物理性质,对其的研究极大的加深了人们对于量子相变、超导机制以及准粒子关联现象等基础物理问题的理解。 通常,纳米量子器件是探索各种新型量子材料和研究电子关联行为的强大工具,然而真正想要将关联氧化物中的各种丰富新奇的物理性质编程到纳米尺度的量子器件中,传统自下而上的微纳加工工艺因其衍射极限和缺陷引入等因素而受到很大制约。近年来,原子力显微镜(AFM)量子调控技术的发展与研究在氧化物纳米器件制备领域取得了重要突破,并真正推动低维氧化物电子学进入纳米尺度。在本论文中,我们借助AFM量子调控这种技术手段,在氧化物异质界面和铜氧化物高温超导体这两类低维氧化物电子体系中,实现了纳米精度的局域相变调控和量子纳米器件的制备,并通过低温电子输运等技术对低维氧化物关联电子体系的新奇物理行为进行了探索与研究。本论文的内容主要分为三个部分: 1、在第一部分中,我们重点揭示了以导电原子力显微镜(cAFM)书写技术制备出的一维纳米线的铁弹畴壁本质,从而回答了这种一维纳米线和二维界面的输运性质存在巨大差异的根本原因。在LaAlO3/SrTiO3(LAO/STO)异质界面中,cAFM针尖电场对样品在纳米尺度的局域调控从而实现界面处的金属-绝缘体相变,基于此制备出各种呈现出新奇量子现象的低维纳米器件。然而令人意外的是,在LAO/STO体系中的二维界面和这些纳米器件的输运性质存在明显差异。为了研究这种cAFM一维纳米线的本质,我们以低温电子输运为主要研究手段,通过制备和研究特殊构型的一维纳米线,深入探究了这种纳米线热动力学效应,发现了其在特定温度下的铁弹畴壁特征行为,为cAFM纳米线的铁弹畴壁本质提供了重要实验证据。 2、第二部分中,我们介绍了利用金刚石AFM探针在LAO/STO体系实现单原子层精度膜厚控制的金属-绝缘体相变调控,并以此为基础开发出晶格栅极驱动的量子纳米器件制备技术。单原子层精度控制的原子层操控和原子层间的耦合调控,总是会诱发材料体系产生全新的物理现象。这里我们利用金刚石探针,在LAO/STO异质界面演示了单原子层的刻蚀剥离技术,并通过这种逐层剥离的方法实现了对界面金属-绝缘体相变的调控。通过在纳米尺度局域控制LAO的厚度,开发出了在晶格栅极调控下的全新量子纳米器件制备技术。我们以准零维量子点的电子输运测量为例,展示了这种全新技术在探索和研究关联氧化物界面领域的巨大潜力。 3、本论文第三部分,我们借助cAFM书写技术实现了在二维高温超导铜氧化物材料铋锶钙氧铜中的超导-金属-绝缘体相变。本章节中,我们重点提出了可重构高温超导纳米电子学的概念:利用cAFM在二维高温超导薄膜上进行局域调控,实现样品物态在超导、常态金属和绝缘态之间可逆切换。静电力显微镜验证了针尖电压可以在样品局域实现掺杂水平的调控,同时低温电子输运实验验证了这种纳米尺度的调控可以实现样品超导-金属-绝缘体相变,此外AFM形貌图和拉曼光谱在一定程度上揭示了这种调控过程很可能对样品结构是没有损伤的。这些全新的研究和尝试是迈向可重构高温超导电子学的重要一步。 我们的研究为低维氧化物关联电子体系的纳米电子学的发展提供了全新尝试,一定程度上推动了基于AFM量子调控的氧化物纳米器件制备技术的发展,为基于低维氧化物关联电子体系的综合纳米器件制备平台的开发,和在未来依托于此的量子计算和固态量子模拟平台的搭建提供了重要基础。

关键词： Dice晶格   高陈数   拓扑相变   体-边对应   非厄米   准无序   量子输运  

摘要： 发现和研究非平庸的陈绝缘体系统是凝聚态物理学中的研究议题之一。这类体系的非平庸特性通常由非零陈数来表征。高陈数能够支持陈绝缘体具有更多的边缘通道,使得体系具有绝缘体和金属的双重特性,进而带来潜在的应用。理论上,我们可以运用紧束缚的方法给出系统的有效模型,进而分析其中的拓扑相。本论文主要从理论的角度研究二维Dice晶格系统的拓扑性质,寻找这类体系中存在的高陈数相,并且通过调控系统的参数,使Dice晶格系统可以在具有不同陈数的拓扑相之间变化,揭示准无序厄米或非厄米系统中拓扑相变、能谱的实-复转变和波函数的拓展-局域转变这三种相变之间的联系。具体的内容包括:首先研究周期驱动的Dice模型,给出系统有效哈密顿量在实空间和动量空间的表达式,给出一般性解析计算陈数的方法,分析了体系的高陈数相,讨论了体系的体-边对应;其次研究Dice模型受跃迁相位和在位势调制而发生的拓扑相,给出系统完整的相图,讨论体-边对应关系;接着研究系统在增益耗散和准无序调制下的拓扑相和局域化性质,揭示耗散增益如何影响增益耗散的变化,进一步提出能量的实-复转变与波函数的拓展-局域转变的非常规对应关系;最后研究系统因准无序势驱动的拓扑相变和局域化相变,讨论两者之间的联系,给出系统的相图。本博士毕业论文包含以下六章内容: 在第一章中,我们主要介绍Dice晶格系统拓扑性质研究的发展历程和研究现状,回顾能带陈数的计算,并提出新的一般性计算陈数的解析方法,并演绎如何运用该方法获得系统的拓扑相图。 在第二章中,我们研究圆频驱动的Dice晶格的拓扑性质,发现了圆频驱动可在二维Dice晶格中诱导出高陈数相。首先,我们研究一个全联通的二维Dice模型,即初始时刻粒子在三对最近邻格点之间跃迁情形,并且格点处的在位势能呈现Λ或V状构型。通过Floquet方法,得到实空间的有效哈密顿量的表达式。通过求解准能带的陈数C,我们发现发现中间的准能带具有大陈数C=-3。根据周期驱动体系的体-边对应原理自洽地验证了这一发现。其次,我们研究半联通的驱动Dice模型,即初始时刻粒子仅在两对最近邻格点之间跃迁的情形。通过Floquet方法获得了实空间的有效哈密顿量。运用一般性的计算陈数的方法,解析地求解准能带的陈数,发现体系的最低准能带具有高陈数C=2,且与数值计算结果吻合。另外,我们利用周期驱动体系的体-边对应原理对该发现进行了自洽验证。 在第三章中,我们研究紧束缚二维晶格系统的拓扑性质,发现了调节次近邻跃迁相位和在位势强度不仅可引起二维Dice系统发生金属-绝缘体相变,也可诱导出包括高陈数相在内的丰富的拓扑相。我们首先研究各向同性的Dice模型,即模型中心格点与外围格点的最近邻跃迁强度跟外围格点间的最近邻跃迁强度一致的情况。同时,该模型还有两种同类型格点之间附带相位的次近邻跃迁和Λ或V构型在位势。通过分析给定参数下的能谱,发现系统存在金属-绝缘体转变。通过数值计算处于体绝缘相中各个能带的陈数,发现具有丰富的拓扑相,伴随陈数C=0,C=±1,C=±2和C=±3。此外,对于各向异性的Dice模型,即中心格点与外围格点的跃迁强度跟外围格点间跃迁强度不一致时的情况,发现这个体系也存在金属-绝缘体转变。通过计算体绝缘区的能带陈数,也发现存在丰富的,且具有高陈数C=±2和C=±3的拓扑相。我们利用体边对应原理对结果进行了自洽验证。 在第四章中,我们研究具有增益耗散的系统的拓扑性质和局域化性质。首先,我们研究增益耗散不平衡Dice模型的拓扑性质。我们发现只有当增益耗散强度较小时非厄米能带受线带隙保护,且中间复能带具有高陈数C=-3,而低能带具有低陈数C=1。通过锯齿型边界下的能谱的实部,验证了增益耗散不平衡时系统遵循体边对应原理。接着我们研究增益和耗散相平衡的Dice模型的拓扑性质。通过计算能带的陈数,发现中带也具有高陈数C=-3,低能带具有低陈数C=1,且该拓扑相只在增益耗散强度较小时受线带隙保护。通过扶手型边界下能谱的实部,我们验证了增益耗散平衡时系统也遵循体边对应原理。先前的研究表明,具有宇称-时间对称性的准无序增益耗散体系会存在能量的实-复转变与波函数的拓展-局域转变的对应关系。我们的研究发现,在一类没有宇称-时间对称性的准无序增益耗散的拓扑超导体中,仍然存在前述的对应关系,即实能对应拓展态,复能对应局域态,我们称之为非常规对应关系,而且这种对应关系可用拓扑相变来表征。进一步研究发现,如果在准无序增益耗散体系引入非对角的非公度调制,非对角非公度调制导致实能不存在,此时非常规对应关系发生崩坏。但是,我们还发现,如果非对角的调制变成公度形式,那么系统会恢复常规的对应关系。 在第五章中,我们研究准无序驱动的拓扑相变与安德森局域化转变的联系。首先,我们研究具有准无序势的一维p-波超导体。采用一种改进的实空间

关键词： 二维材料   拓扑量子材料   物理气相沉积   光电探测   异质结器件  

摘要： 光电探测器在现代信息技术、环境监测、国防安全、医学成像和通信等领域发挥着至关重要的作用。随着科技的发展,传统材料（如硅、锗、砷化镓等）光电探测器在制作成本、功耗及尺寸等方面逐渐暴露出局限性,难以满足新兴技术对于小型化,便携化和节能器件的需求。为应对这些挑战,二维材料（如石墨烯、过渡金属硫化物和拓扑量子材料）因其超薄柔性、优异的带隙调控能力和强光-物质相互作用等特点,成为下一代光电探测器研究的热点。特别是拓扑量子材料,凭借其拓扑保护表面态、特殊的带隙结构和高载流子迁移率,有望构建宽光谱范围内高性能的小型化光电探测器,且具有在极端条件下保持稳定性能的优势。然而,基于拓扑量子材料的光电探测器在材料生长、器件设计及性能优化方面仍面临挑战。本研究旨在优化二维拓扑量子材料的光电探测器,解决材料生长尺寸小,器件暗电流高,响应速度慢等技术难题,为开发新一代高性能光电探测器提供理论支持和技术方案。论文主要内容如下: （1）通过物理气相沉积法（Physical Vapor Deposition,PVD）实现了高质量Bi2Te3纳米片的可控生长。通过调节衬底生长温度,平衡前驱体扩散与结晶速度的关系,实现了不同尺寸纳米片的生长。在此基础上,构建了Bi2Te3纳米片光电导探测器,并测试其电学及光学性能。进一步地,通过将Bi2Te3与过渡金属硫化物（TMDCs）WSe2结合,实现了类似于二极管的整流特性,对纳米片的暗电流及噪声进行了有效抑制。优化后的器件在光电探测性能方面表现出色,实现了7.6A/W的响应度（R）,3.01×1011 Jones的比探测率（D*）,和214μs的快速响应速度。该部分内容为高质量拓扑绝缘体材料的可控生长及光电应用提供了可靠理论和实验依据。 （2）为了进一步拓宽响应光谱,通过机械剥离法获得了少层的半金属Pt Se2纳米薄片,在此基础上,成功制备了二维Pt Se2/Mo Se2范德华异质结器件,该器件在无需外部偏压的情况下,能够实现从可见光（405 nm）到近红外（1550 nm）的宽带检测,表现出优异的光伏特性和强大的内建电场作用。在室温自驱动模式下,器件的响应度达到22.95 A/W,比探测率高达9.27×1011 Jones,并且具有180/108μs的快速响应速度。该部分内容不仅丰富了二维材料的应用范围,也为未来开发小型化、宽光谱、自供能的高性能光电探测器奠定基础。 （3）为了实现半金属光电探测器的高效探测,构建了一种新型PSN（P型半导体/半金属/N型半导体）结构。利用半金属层作为低能光子的吸收层,而顶部和底部的半导体层形成了强的垂直内建电场。这种结构有助于减少载流子重组,促进激子的快速分离,并抑制器件暗电流,从而提升器件的各项性能指标。例如,PSN器件在无外部偏压下,从405 nm到1550 nm范围内实现了高性能的宽带光伏响应,在可见光（650 nm）波段实现了0.56 A/W的响应度及5.63×1011 Jones的比探测率,近红外波段（1550 nm）也能达到10.56 m A/W的响应度和1.05×1010 Jones的比探测率,同时实现了多波段高质量成像应用。这项工作提出了一种有效的方法,用于开发基于半金属的新型宽带、自供能和高性能的微型光电探测器。 （4）构建了一种全耗尽型半金属异质结场效应晶体管（Field-Effect Transistor,FET）,并探索其在不同栅极电压调控下的光响应特性。通过研究,在合适的栅极调控下,半金属Pd Te2和P型半导体WSe2之间形成了强肖特基势垒,且WSe2在强栅极电压下完全耗尽,以此极大的抑制了半金属器件的暗电流从而实现了高性能的光电探测。例如,该器件实现了高达10～6的光学开/关比,9.79×1013 Jones的高比探测率,快速响应速度（219μs和45μs）和宽波段探测能力（405 nm-5μm）。同时,器件可用作信号接收器,应用于通信频段内ASCII码（American Standard Code for Information Interchange,美国信息交换标准代码）信息的传输。这项工作为降低拓扑量子材料暗电流,实现宽光谱高性能探测提出了一种通用方法。 综上所述,本文展示了高质量拓扑量子材料的生长方法,并介绍了各种类型拓扑量子材料的性能优化策略,例如制备异质结、构建新结构和栅极调控等方法。同时详细探讨了各类型光电探测器的响应机理,实现了低至几十微秒的响应速度,高达10～6的开关比,接近1014的比探测率以及覆盖至5μm的响应波长。利用探测器的优秀性能,实现了例如偏振探测,光学成像及光通信方面的各种应用。这些工作为新型拓扑量子材料在光电探测领域的应用提供了创新思路和技术途径。

关键词： 碳量子点   硫醇-烯   荧光增强   LED   介电性能  

摘要： 碳量子点（CQDs）具有制备方法简单、发光波长可调、量子产率高以及电学特性好等优点,因此在发光二极管（LED）、发光太阳能聚光器以及柔性电子器件具有广泛的应用前景。尽管人们对CQDs的光学特性进行了广泛研究,但是对其发光机理仍然没有形成统一的认识。除此之外,当CQDs与高分子聚合物相结合时,由于有机材料与无机材料相容性较差,使得CQDs的团聚现象比较明显,这不但会降低CQDs的发光效率,还会使得CQDs基复合材料的介电性能变差。因此,寻找与CQDs相容性好的高分子聚合物,对拓宽CQDs在白光LED、波长转换器以及薄膜电容器等柔性电子器件的应用至关重要。针对上述问题,本文的研究内容主要分为以下三个部分: （1）采用溶剂热反应法分别制备出了O-CQDs和N,O-CQDs两种量子点材料,利用“点击”化学反应将CQDs与非计量硫醇-烯（OSTE）聚合物交联固化,形成CQDs/OSTE复合材料。固化后,O-CQDs和N,O-CQDs的发光效率分别提高了6倍（16.5%）和4倍（17.6%）左右。通过对两种CQDs的微结构（TEM、XPS、FTIR和EPR谱）以及光学特性（吸光度谱、光致发光谱和TRPL光谱）的分析,我们认为交联固化后与氧相关的非辐射复合中心的减少、非辐射跃迁过程的抑制以及N和S的协同效应是提高CQDs材料发光效率的主要原因。 （2）采用365 nm的紫外芯片为激发光源,以蓝绿光CQDs/OSTE和红光CdSe@ZnS/OSTE复合材料作为发光介质,构筑了一种“三层”WLED发光结构。利用热重分析技术和紫外光老化实验对复合材料的热稳定性及光稳定性进行了测试,测试结果表明这两种复合材料具有良好的稳定性。在CQDs和CdSe@ZnS体积分数分别为2.46%和2.65%时,制备出了CIE色坐标为（0.353,0.381）、发光效率达到85 lm W-1以及相对色温为4826 K的暖白光LED。 （3）通过改变CQDs的体积分数,研究了不同频率下CQDs/OSTE复合材料的电学特性,包括介电常数、介电损耗及电导率。着重分析了CQDs掺杂浓度对复合材料介电性能的影响,并测试了不同频率下复合材料的介电常数,发现在100 Hz的频率下,随着CQDs填量的增大,介电常数从8.2增加到33,提升了4倍左右,其归因于麦克斯韦-瓦格纳-西拉等界面极化效应和偶极极化的增强。最后,测试了CQDs/OSTE复合材料的介电参数随温度的变化特性。实验结果表明CQDs/OSTE复合材料的介电常数和介电损耗随温度的升高都逐渐增大,我们认为偶极极化和界面极化的协同作用,决定了复合材料介电性能对温度的依赖特性。

关键词： 过氧化氢-乙酸预处理   纳米纤维素   木质素基碳量子点   荧光复合薄膜   LED器件  

摘要： 发光二极管（LED）广泛应用于固态光源和显示设备,被认为是下一代照明和显示最有前途的发光器件。木质素基碳量子点（L-CQDs）因其独特的发光特性、高稳定性和低毒性,有望成为LED的理想荧光材料。然而,高聚物木质素制备的L-CQDs的荧光量子产率普遍偏低,且难以实现长波长发光,阻碍了高效率、多色LED的制备。此外,碳量子点（CQDs）在固态下的聚集诱导猝灭效应（ACQ）,限制了其在LED器件中的应用。纳米纤维素纤丝(（CNF）骨架含有许多规律分布的羟基,可以很容易地和CQDs构建氢键网络,抑制CQDs的ACQ效应。但纯纤维素制备的CNF膜存在雾度低及阻水性差的问题,导致其作为LED的基材还有一定差距。针对这些问题,本研究采用过氧化氢-乙酸辅助机械研磨制备了不同木质素含量的纳米纤维素纤丝（LCNF）,探究了木质素含量对LCNF制备、性质及膜性质的影响,并评价LCNF膜作为LED基材的潜力;同时,以木质素为碳源,通过改变掺杂试剂,制备了蓝、绿双色L-CQDs,明确了L-CQDs的结构和荧光机理;最后,将L-CQDs与LCNF进行复合制备了L-CQDs/LCNF荧光复合薄膜,研究了木质素含量对复合薄膜荧光特性的影响机理,探究了荧光复合薄膜用于制备环境友好LED器件的可行性。主要结论如下: （1）以木质素为碳源,通过改变掺杂试剂的种类,成功制备了高量子产率的蓝（B-）和绿（G-）双色L-CQDs,其量子产率分别为31.10%和10.15%。BL-CQDs和GL-CQDs的IG/ID强度比分别为1.03和1.18,GL-CQDs的石墨化程度高于BL-CQDs的。BL-CQDs最佳激发波长为350 nm,最佳发射波长为450 nm;GL-CQDs最佳激发波长为410 nm,最佳发射波长为505 nm。BL-CQDs和GL-CQDs均具有碳核态和表面态两个荧光中心,其中,碳核态均占主导地位。 （2）通过调节过氧化氢-乙酸（HPAA）预处理工艺,可有效调控浆料中木质素的含量为23.87%、14.26%和3.92%。其中,LCNF-100膜的综合性能最优:透明度为84.24%且具有较高雾度72.21%;最大拉伸强度为57.73MPa,杨氏模量为5.12 GPa,断裂伸长率为6.83%;初始热降解温度为306.3℃,最大热降解温度339.9℃。LCNF-100膜在光学性能、机械性能和热稳定性能等方面均具备作为LED基材的潜力。 （3）采用LCNF作为负载L-CQDs的基质材料,通过流延法制备出具有优异雾度、阻水性以及能有效抑制L-CQDs固态ACQ效应的荧光复合薄膜。蓝色、绿色L-CQDs被均匀地嵌入LCNF交织的纤维之间,与LCNF形成氢键网络结构。荧光复合薄膜的表面更加光滑、平整,水接触角略有增大。采用综合性能最优的BL-CQDs/LCNF-100制备LED器件,在导通状态下显示出均匀的绿色发射,发射峰波长为560 nm,色度坐标为（0.39,0.47）。LED具有良好的发光稳定性,当驱动电流从20 m A增加至120 m A时,LED色坐标从（0.3899,0.4666）偏移至(（0.3948,0.4677）。

关键词： 二维系统   狄拉克材料   手征对称性破缺   超导相变   赝量子电动力学   SU(N)Thirring模型   电声耦合   陈-西蒙斯  

摘要： 自石墨烯的发现以来,二维狄拉克材料已成为现代物理研究的前沿。这些材料中的电荷载体表现出狄拉克费米子的特性,其行为遵循二维狄拉克方程。这一特性使得二维狄拉克材料转变为研究相对论性量子力学的新型场景,为探究新颖的相对论量子现象提供了凝聚态物理的视角。随着科研的深入,我们已经成功地制备出更多种类的二维狄拉克材料,包括但不限于过渡金属二卤化物、硅烯和磷烯等。它们的电子能带结构(狄拉克锥)赋予了这些材料高载流子迁移率和良好的电导率,展现出一系列独特的物理属性。然而,尽管这些材料的单体性质已被广泛研究,但它们的多体相互作用和由此引发的量子相变仍然是一个活跃且充满挑战的研究领域。特别是,多体效应如何影响材料的电子相和拓扑性质,以及这些效应如何在实验中被探测和调控,是当前研究的热点问题。这一方向不仅对于理解二维狄拉克材料的物理性质至关重要,也对高能物理与凝聚态物理之间的交叉研究具有深远影响。 在高能物理的研究中,我们拥有一系列唯象模型,这些模型可用于探究重离子碰撞、低能介子谱、量子色动力学(QCD)的手征对称性破缺等现象。然而,这些模型在实验支持方面略显不足。令人振奋的是,在二维狄拉克材料中,当我们考虑一些多体相互作用时,其对应的低能有效理论可以映射成这些高能模型,因此二维狄拉克材料可作为一个强大的实验平台,帮助实现并验证这些唯象模型,在高能物理和凝聚态物理之间建立联系。 本文以二维狄拉克材料为研究对象,深入探讨了其中的多种多体相互作用及其诱导的量子相变,我们重点研究了以下几个问题:1.无相互作用的二维狄拉克材料的低能激发可以用具有洛伦兹对称性的狄拉克拉格朗日量描述,那么当我们考虑了其上的一些相互作用,例如Hubbard相互作用等,其对应的低能有效相互作用是否也具有洛伦兹对称性。2.狄拉克材料基本上都是拓扑材料,那么相互作用和材料的拓扑性质之间有什么关联。3.电磁相互作用和电声耦合相互作用作为凝聚态材料中最常见的两类相互作用,其如何影响二维狄拉克材料的电子状态和输运性质。 为了回答上述问题,我们的研究内容具体分为以下三个部分:首先,我们以Haldane模型为基础,考虑了其上的Hubbard相互作用。我们研究了 Haldane模型中磁通和手性化学势以及Hubbard相互作用三者对系统相变的影响。我们利用一套在超对称场论中经常使用的范德瓦尔登(van der Waerden)符号技术,将该系统映射到了高能物理领域里较为关注的具有洛伦兹对称性的Gross-Neveu和Nambu-Jona-Lasinio相互作用模型,并使用有效势的方法研究了该系统的相变过程。我们发现,在吸引Hubbard相互作用下,手性化学势在诱导电荷密度波(CDW)相变中起决定性作用,并在一定程度上抑制了超导相变的发生,而磁通的主要作用则是限制相变发生的区域。我们还发现Haldane模型的拓扑与相互作用诱导的相变之间存在内在联系,即相边界受到拓扑保护。 此外,在凝聚态物理学领域,电子之间的强关联效应催生了许多引人入胜的现象,包括量子液体、分数量子霍尔效应、莫特金属绝缘体相变、重费米子以及高温超导性等。当电子之间的关联程度强到足以使传统的微扰理论方法不再适用,探索新的理论框架和方法论就显得尤为重要。为此,物理学家们已经开发了一系列非微扰的解析方法来解决强关联问题,其中包括泛函重整化群、施温格-戴森自洽方程等。值得注意的是,这些电子的库伦相互作用源于它们与电磁场的耦合,该耦合过程通常由量子电动力学(QED4)来描述。然而,对于二维材料,电子之间的库伦作用需要通过赝量子电动力学(PQED)来进行描述。在这个背景下,我们深入研究了一类在二维狄拉克半金属材料上的PQED模型,并考虑了一类电子自旋相关的Hubbard相互作用,其对应的低能有效理论可以用SU(Nc)Thirring模型描述。我们的研究表明这两种相互作用会诱导材料的电子能带打开一个能隙,从而发生半金属到绝缘体的相变。我们使用非微扰的施温格-戴森自洽方程成功地求解了表征系统发生半金属到绝缘体相变中的临界耦合常数αc的解析表达式。我们的计算结果表明其依赖于费米子风味数Nf和非阿贝尔规范群色数Nc。 最后,我们研究了 Haldane模型中的弱电声耦合效应。我们考虑了在平面内的光学声子和Haldane模型中的狄拉克电子之间的相互作用。光学声子的独特性质使其等同于一个不含时间分量的规范场。通过计算电声耦合导致的声子激发谱,我们发现其特性与Haldane模型的拓扑性质密切相关:在拓扑平庸的绝缘体中,两个狄拉克点产生的陈-西蒙斯项相互抵消,结果是声子激发谱呈现出无能隙的特征。相对地,在拓扑绝缘体中,两个狄拉克点的陈-西蒙斯项相互叠加,导致声子激发谱出现了明显的能隙。此外,我们还探讨了电声耦合对霍尔电导的影响,并发现它也与Haldan

关键词： 碳量子点   真空梯度加热法   固态荧光   白光发光二极管  

摘要： 碳量子点(C-dots)作为一种较为新颖的光学纳米材料,因其低毒性、低制备成本、光学性能优异和原料来源广泛等优点,被广泛应用于传感器、防伪和生物成像等各个领域。与无机量子点不同,碳量子点只由碳、氮和氧等元素构成,包含高度结晶化的碳核和表面官能团。当碳量子点间距离较近时,因为重吸收或聚集态诱导荧光猝灭现象(ACQ),会导致荧光严重衰减,因而碳量子点在其溶液浓度较高或者固体状态下时,荧光产率普遍很低,严重制约了其在固态发光器件中的应用。目前,解决聚集态荧光猝灭现象的方法主要有两种:(1)首先制备出碳量子点,然后选择合适的基质材料,将碳量子点分散其中,利用物理阻隔作用,增加碳量子点之间的空间距离,减少由于聚集态诱导猝灭导致的光学损耗;(2)采用一步合成方法直接制备碳量子点/基质复合物,获得高亮度固态碳量子点/基质复合体碳量子点。但是,目前在碳量子点固态发光应用领域仍然存在较多的科学问题:(1)缺乏简单高效的合成方法用于构建碳量子点/基质复合物;(2)缺乏系统性碳量子点光学性能机制研究,明确解析碳量子点与周围基质的协同作用对其光学效率的影响;(3)利用高效固态发光碳量子点构建高效光学器件的研究鲜有报道。针对这些问题,本研究发展了真空梯度加热的合成方法,并在发现前驱体中引入硼酸可获得量子效率显著提高的固体产物后,对体系中碳量子点的形成过程进行了解析,最后通过调整前驱体使得所制备的碳量子点/基质固体复合物量子产率达到90%;为了验证所制备材料在固体光学器件中的应用潜力,构建了LED,并进行了相关测试与表征。 本文主要研究内容与结果如下: (1)开发了一种高效可控的真空梯度加热方法,原位合成稳定高荧光量子效率的碳量子点/基质复合物。以柠檬酸、尿素和氯化钙反应体系为基础,采用真空梯度加热的合成方法,制备了具有固态荧光的碳量子点复合材料,并系统地研究硼酸添加量对碳量子点结构和光学性能的影响。通过调节不断优化反应条件和反应物配比,在柠檬酸:尿素:氯化钙:硼酸为1:1:1:0.75(g)、最终反应温度为200℃和反应时间为1 h时,获得了固态荧光量子产率超过75%的碳量子点/基质复合物。 (2)解析了高性能碳量子点/基质复合物的结构因素,并将其量子产率提高至90%。通过对比有无添加硼酸所制备的固体产物的形貌、光学性质、结构和成分,探索硼酸分别在体系反应过程中和固体基质中的作用。为了理解硼酸对于所合成的碳量子点/基质复合材料固态荧光产率提高的作用机理,分别对前驱体中含有硼酸和不含硼酸的不同反应阶段的碳量子点/基质复合物进行了包括粉末X射线单晶衍射、固体核磁共振及液相质谱等表征,对它们的结构与成分进行解析。分析结果证明,由于硼酸的引入使得反应发生的途径产生了变化,尿素与柠檬酸更倾向于进行环化反应,使得碳量子点产生的过程变得缓慢可控,同时体系反应也变得更具有选择性,这种选择性有效抑制了副反应的发生,并为碳量子点的生长创造了“单一稳定”的固体基质。基于对碳量子点生成过程的理解对体系进行了二次优化,通过调整部分前驱体,添加缩二脲、三聚氰酸,制备了固态量子产率高达84%和90%的碳量子点/基质固体荧光材料。 (3)构建了基于固态碳量子点的高流明效率、高稳定性和高显色指数的白光LED器件。使用所制备的碳量子点/基质构建白光发光二极管(WLED)并对其性能进行了研究与测试。使用碳量子点/基质粉末与405 nm和460 nm的蓝光LED和红色荧光粉共同制备了具有白光发射的LED。构建的WLED具有优异的光学性能:较高的显色指数(84),并表现出远高于常用的充气白炽灯(12-19lm/W)的发光效率(88 lm/W)。碳量子点/基质粉末在长时间(140个小时)运行过程中也表现出极高的稳定性,证明了其在照明领域的巨大应用潜力。

关键词： 金刚石色心   加速绝热输运   受激拉曼绝热输运   超绝热受激拉曼输运   测地线跳跃  

摘要： 量子信息技术作为一门新兴的交叉学科,近年来得到了迅猛发展。量子态的快速制备与精准操控是实现量子计算、量子模拟、量子通信和量子传感等量子技术的重要基石。因此,发展高保真度、高鲁棒性、高效率的量子态制备方法具有重要的科学价值和实用意义。传统的量子态制备方法抗噪声能力差,易受驱动脉冲波动干扰。基于量子绝热定理的受激拉曼绝热输运作为一种典型的量子态制备与操控方法,具有良好的抗环境噪声能力,在多种量子系统中得到应用。然而,受量子绝热条件的制约,该方法通常需要较长的演化时间,导致量子态制备效率较低。因而,探索发展更高效率、更高鲁棒性的量子态制备新方法一直是该领域的重要研究目标。本论文在金刚石色心自旋系统中研究了受激拉曼绝热输运方法的局限性,包括对较长演化时间以及较强外界驱动脉冲的需求。为了突破这些局限,本论文围绕加速量子态绝热输运这一目标,基于金刚石色心自旋系统开展了系统的研究。主要的工作内容如下: (1)针对传统受激拉曼绝热输运过程中量子态绝热输运较慢的问题,本论文通过引入额外的超绝热校正脉冲,在金刚石色心自旋系统中,实验实现了超绝热受激拉曼输运。具体地,利用高斯型、指数型以及三角型脉冲包络所对应的超绝热校正脉冲加速量子态绝热输运过程。在相同的演化时间内,显著提高了量子态的制备效率。不仅避免了量子绝热定理的制约,也避免了对脉冲强度的严苛要求。 (2)针对超绝热受激拉曼输运需要额外驱动脉冲的问题,在金刚石色心自旋系统中,发展并演示了无需额外驱动脉冲的基于测地线跳跃的加速量子态绝热输运方法。该方法在保证了量子态制备高效率、高鲁棒性的同时,有效降低了实验操控的复杂度。具体地,本论文基于规范不变的绝热理论,研究了对非绝热校正项的处理,通过寻找最优的参数路径,最小化非绝热校正项。在该优化的参数路径中,通过施加非连续的脉冲控制序列,使得非绝热校正项趋近于恒等算符,并驱动系统沿着测地线进行跃迁以加速量子态绝热输运。相较于传统受激拉曼绝热输运,该方法可以显著减少实现高保真度量子态绝热输运的时间,对磁噪声引起的频率失谐具有更高的鲁棒性。