关键词： 量子振荡   单晶材料   金属间化合物   周期性变化   对数   拓扑   磁场变化   SdH振荡  

摘要： 1930年舒伯尼科夫(Lev Shubnikov)和德哈斯(*** Haas)在铋单晶材料中观测到电阻随磁场的倒数呈周期性变化的规律,被称为Shubnikov-de Haas(SdH)振荡,这是人类首次发现的量子振荡。由此开始,量子振荡被物理学界所关注,并逐渐成为揭示新奇物理现象的一个重要研究工具。近90年来,研究者在包括金属、金属间化合物、半金属、半导体以及绝缘体在内的诸多材料及介观微结构中都发现了量子振荡。按照随磁场变化的规律目前已知的量子振荡可以分为两大类:第一类量子振荡表现为随磁场的倒数呈周期性变化,起源于体系形成朗道能级,代表为磁电阻中的SdH振荡。

关键词： 稀土离子   量子剪裁   能量传递   YAG荧光粉   太阳能电池  

摘要： 近年来,能源短缺和环境问题已经成为全球性问题,新能源的开发和使用十分迫切。太阳能光伏发电作为新能源技术的典型代表越来越受到重视,而如何提高太阳能电池的光电转换效率一直是科研工作者们关注的问题。对于技术相对成熟的晶体硅太阳能电池来说,由于硅的禁带宽度为1.1eV,太阳光中能量高于1.1eV的光子被太阳能电池吸收以后,多出的能量以晶格振动的形式形成热损失,而能量较低的光子无法有效地激发光生载流子,形成透过损失。这种太阳光谱与电池吸收光谱不匹配的现象被称为光谱错配,使得硅太阳能电池的效率不会超过Shockley-Queisser极限效率。对于短波光子的能量损失,一种解决办法是在晶体硅太阳能电池表面引入量子剪裁发光材料。这种材料可以将太阳光中高能量的短波光子转换为长波光子,从而匹配电池的光谱响应,减少太阳光谱中短波长范围的能量损失。Y3Al5O12（YAG）:Ce3+,Yb3+荧光粉由于具有较好的量子剪裁发光效果而受到了关注。稀土离子Ce3+对波长小于480 nm的光子具有较强的吸收,并且能够将部分吸收的能量传递给荧光粉中的另一种稀土离子Yb3+。Yb3+离子的2F5/2能级到2F7/2能级的跃迁可以发射波长在1000 nm附近的红外光子,其能量与硅太阳能电池的禁带宽度比较匹配,具有较高的光电转换效率。另外,YAG:Ce荧光粉已经在LED照明领域被广泛使用,是一种技术相对成熟的荧光粉材料。基于以上的原因,论文选择YAG:Ce3+,Yb3+作为量子剪裁材料,对其制备工艺、发光性质进行了研究,分析了材料内部Ce3+到Yb3+的能量传递机理,并探讨YAG:Ce3+,Yb3+荧光粉在单晶硅聚光太阳能电池上应用的可能性。具体研究内容如下:论文在介绍了晶体硅太阳能电池和稀土发光材料的基本理论、制备工艺和表征测试方法的基础上,研究了YAG:Ce3+,Yb3+荧光粉的发光随Yb3+离子浓度变化的规律。采用高温固相法制备了不同Yb3+离子掺杂浓度的YAG:1%Ce3+,x%Yb3+（x=5,10,15,20,25）系列荧光粉,在450 nm波长的蓝光激发下测试样品的发射光谱,观察到了中心波长在550 nm的可见光发射(Ce3+:5d→4f)和1030 nm的近红外发射(Yb3+:2F5/2→2F7/2)。可见光和近红外发射强度随Yb3+掺杂浓度的变化证实了荧光粉内部存在Ce3+到Yb3+的能量传递过程,并且观察到Yb3+离子的淬灭浓度为15%。同时,通过分析发光强度随Yb3+离子浓度的变化,明确了从Ce3+到Yb3+的协作能量传递（CET）方式在量子剪裁发光过程中起到的作用。在协作能量传递机制的基础上,论文通过研究YAG:Ce3+,Yb3+量子剪裁荧光粉在不同温度下的发光特性,又提出了一种新的稀土离子间能量传递机制。制备了双掺Ce3+和Yb3+的YAG:1%Ce3+,15%Yb3+荧光粉、单掺Ce3+的YAG:1%Ce3+荧光粉和单掺Yb3+的YAG:15%Yb3+的荧光粉,并在8 K-300 K的温度范围测试了样品的激发光谱、发射光谱和荧光寿命。为解释样品光谱特性随温度的变化,提出一种通过光诱导电荷迁移态传递能量的模型,认为Ce3+到Yb3+的能量传递过程也可以通过Ce3+离子、O2-离子和Yb3+离子形成的Ce-O-Yb电荷迁移态（CTS）实现。为研究入射光强对YAG:Ce3+,Yb3+量子剪裁荧光粉发光特性的影响,测试了荧光粉在不同光强下的发射谱,发现随着入射光强的增加,荧光粉中基于声子辅助的Ce3+→Yb3+CTS能量传递效率得到了提升。将荧光粉与PMMA的混合材料涂敷于单晶硅聚光电池表面后,在量子剪裁效应、渐变折射率以及荧光粉发光在界面的反射等因素的共同作用下,电池吸收了更多与其禁带宽度匹配的长波光子,从而提高了光电转换效率。测试结果表明,当入射光从100 mw/cm2增强到400 mW/cm2时,与原电池片相比,涂敷有荧光粉的电池的转换效率从相对增长4.86%提高到6.04%,证明了YAG:Ce3+,Yb3+量子剪裁荧光粉在单晶硅聚光电池上应用的可行性。

关键词： 钙钛矿量子点   多孔玻璃   复合材料   离子交换   响应材料   LED  

摘要： CsPbX3（X=Cl,Br,I）量子点（QDs）发光材料由于其量子产率高、发光峰窄以及发光波长可调谐等优点而引起光电领域的广泛关注。但它对湿度、温度以及光辐照等敏感使得其稳定性较差,此外,封装在LED器件中时不同发光颜色的量子点之间容易发生离子交换,这些缺点限制了其在照明显示等方面的应用。针对以上问题,本文拟用CsPbX3量子点与多孔玻璃复合,利用纳米孔道阻碍水分子对量子点的进攻破坏,同时还利用预处理时留在孔道内的卤素离子对量子点进行表面重构或修饰,进而提高量子点的耐水稳定性;此外,根据表面重构的可逆性,探索其作为对水响应的材料在防伪或环境等领域的应用。本研究采用简单的溶液浸渍法将CsPbX3量子点复合到透明纳米多孔玻璃（NPG）内。这些块体复合材料发光明亮,其中CsPbBr3/NPG能够在去离子水和含溴的非水溶液的依次浸泡下其发光颜色可切换。原位共聚焦显微镜动态地显示了块体复合材料对水的响应行为。将复合材料放在水中浸泡数月后,复合材料仍然可以发光,说明这种特殊的结构可以很有效地保护量子点。研究发现,玻璃造孔时引入的氯离子在对水响应行为和长期耐水性方面起了关键的作用。此研究提出了一种用离子交换原理来设计制备钙钛矿量子点响应材料的方法。此外,我们通过溶液浸渍法得到了CsPbX3量子点与粉体多孔玻璃复合材料。利用InGaN蓝光芯片与合成的CsPbBr3粉体复合材料以及CsPb(Br0.4I0.6)3粉体复合材料组装了白光LED器件,结果显示多孔玻璃结构可以减缓LED器件中光热对红光的衰减。利用InGaN蓝光芯片与CsPbBr3粉体复合材料以及红色荧光粉KSF组装了白光LED器件,其发光稳定性好,流明效率为77 lm/W,色温4173 K。此研究表明在光热和湿度的环境下多孔玻璃对CsPbX3量子点有保护作用,减缓了CsPbX3量子点在LED器件中的衰减,表明CsPbX3/NPG在背光源显示领域有潜在应用。

关键词： 量子自旋液体   阻挫磁体   笼目结构   拓扑材料   单晶生长  

摘要： 量子自旋液体是指具有量子阻挫的磁性系统,在低温下形成的具有长程纠缠的量子态。该模型最初是在解决三角反铁磁格子的基态问题时提出;后来被认为是高温超导体的基态;目前,被认为是具有纠缠熵的拓扑序。关于量子自旋液体的研究一直是凝聚态物理的研究热点。理论上,量子自旋液体的出现打破了经典的朗道对称性破缺相变理论的范式,推进了强量子关联体系的研究,对于量子理论的发展具有重要意义;实验上,利用量子自旋液体材料可以观察到具有分数化的自旋子激发,对实验量子计算具有重大价值。目前,人们普遍认为,具有笼目结构的海森堡反铁磁材料是最有可能实现量子自旋液体的模型之一,本篇博士论文主要介绍我们在笼目结构的新量子自旋液体材料所做的探索以及笼目量子自旋液体的物性特征的研究。首先,我们利用水热法首次合成了新的量子自旋液体候选材料Cu3Zn（OH）6FBr,该材料中由Cu2+离子组成二维的笼目晶格。Cu2+离子之间存在很强的反铁磁相互作用（200 K）,然而热力学测量到50 mK,没有观察到任何磁相变的迹象。进一步,我们利用核磁共振技术,得到样品中来自笼目层Cu2+离子的自旋磁化率,观察到了低温下能隙打开行为;并基于塞曼劈裂效应,首次在笼目结构的量子自旋液体上观察到了S=1/2的自旋子激发。其次,由于室温下Cu4（OH）6FBr与Cu3Zn（OH）6FBr具有完全相同的晶体结构,我们详细测量和分析了,Cu4-xZnx（OH）6FBr体系中不同Zn2+离子含量的变化对笼目磁性影响,期望能够找到从三维磁有序到量子自旋液体的量子相变行为。实验中,我们发现该系列材料中三维反铁磁有序随着x值增加,被快速抑制;但是,这个材料体系中同时存在着局域的铁磁性的磁有序,这种铁磁性行为在x=0.8时依然存在。令人惊奇的是,我们发现与量子自旋液体性质相关的笼目层的行为,在x大于0.3的时候即开始表现出来。因此我们认为这个体系中很有有可能具有人们长期搜寻的从长程序到拓扑序转变的量子相变点。最后,简要介绍了我们利用水热法、助溶剂法等方法在探索量子自旋液体材料和拓扑材料方面都做出的一些新成果。一方面,我们合成了与Cu3Zn（OH）6FBr行为与结构都很接近的新量子自旋液体候选材料Cu3Zn（OH）6FCl。这是该材料的首次合成,为探索合成量子自旋液体材料提供了新的思路,同时由于量子自旋液体候选材料的匮乏,该材料的合成为研究笼目结构的量子自旋液体行为提供了新的素材。另一方面,我们利用助溶剂法首次合成了高质量的MoP单晶。这是一个打破外尔-狄拉克-马约拉纳传统分类的具有三重简并的新费米子半金属材料,我们利用APRES测量,首次在实验上观察到了MoP体能带中的三重简并点。这一发现,为推进拓扑物理学的发展,进一步在固体材料中寻找新型费米子提供了新的动力。以上是本论文的主要内容,量子自旋液体和拓扑材料作为当前研究的热点,依然处于初期的研究阶段,仍有大量的问题需要解决。这两个主题的起源于上个世纪末高温超导体和分数霍尔效应的发现有直接的关系。正如20世纪物理学的两朵乌云最终发展成了物理学重要的支柱量子力学和相对论,我们认为,由量子霍尔效应发展而来的拓扑材料和与高温超导相关的量子自旋液体,有可能重新刷新人们对凝聚态物理的认识。

关键词： α-T3模型   石墨烯   克莱因隧穿   电导   散粒噪声  

摘要： 石墨烯的发现推动了二维狄拉克材料的综合性研究,其能带结构由两个狄拉克锥组成,且两个锥顶点相交,我们称之为赝自旋为1/2的能带结构。3T晶格或骰子晶格是最近几年非常热门的二维狄拉克材料,其能带结构与石墨烯相似,只不过在狄拉克锥顶点相交处夹着一个平带,这是赝自旋为1的能带结构的。现在有一种新型的二维材料α-T3模型,它通过参数α将石墨烯与3T晶格联系起来。在之前对α-T3模型的研究中,发现了在粒子相对于势垒正入射时,无论粒子能量、入射角度以及模型参数如何变化都会发生克莱因隧穿;在粒子取某些固定能量时还会产生超克莱因隧穿。本文基于以上在α-T3模型中发生的奇特物理现象,我们在模型中施加外场来研究相应的输运性质,其中具体的内容安排如下:第一章的主要内容是α-T3模型相关的一些材料、能带结构和主要性质的介绍比如石墨烯、克莱因隧穿以及赝自旋为1的狄拉克-外尔体系。第二章介绍了研究α-T3模型输运性质时涉及到的相关概念和理论知识,其中包括量子隧穿效应、散射矩阵理论、介观量子器件里的电导以及散粒噪声等相关参数。第三章主要研究了α-T3模型在外加电场之后的输运性质。我们通过相关的公式推导以及数值计算,得到了透射率、电导、散粒噪声以及Fαno因子随各种参数变化的示意图。我们知道在没加电场时,在特定情况下会发生克莱因隧穿效应。但是在外加电场之后,能带结构的狄拉克锥之间产生间隙,并且平带的位置位于导带的底部。在此种情况下,无论模型系数α、能隙大小△、入射粒子能量EF及入射角度入射变化,都不会发生克莱因隧穿效应。这也说明施加外场之后会对α-T3模型的势垒输运产生很大的影响。第四章主要研究了α-T3模型在外加磁场之后的输运性质。同样,经过相关的公式推导和数值计算,然后作图来分析透射率、电导、散粒噪声以及Fαno因子的变化情况。外加磁场时,能带结构中的平带处于能隙的正中间。在这种情况下,粒子在特特定情况下也能够发生克莱因隧穿效应。并且通过与第三章相比较,也说明了平带的位置对势垒隧穿也有很大影响。第五章主要对目前研究做简要总结,并对之后的研究方向作分析与展望。

关键词： 量子点   氢化丁腈橡胶   加氢   荧光性能  

摘要： 石墨烯量子点是一种新型碳纳米材料,尺寸一般小于10nm,因其具有生物相容性及光电特性等优点,被广泛的应用于成像、传感、电极和光催化等领域,表面丰富的官能团和规整的晶核结构使其在复合材料方面具有潜在的应用价值。但石墨烯量子点的生产效率较低、提纯过程复杂,限制了在复合材料宏量制备方面的应用。本论文高效制得石墨烯量子点,讨论其光学及传感特性,将其与羧基丁腈橡胶乳液混合,原位加氢制得复合氢化丁腈胶乳并加工成膜,主要工作如下:1.以三硝基芘为碳源,通过微波辅助加热法研制了具有良好荧光效应的水溶性石墨烯量子点,产率可达60.2%。通过FTIR、XPS、XRD、Ramman、TEM表征了石墨烯量子点的表面结构以及结晶状态,产率和量子产率均高于水热法产品。通过荧光强度和pH值的指数拟合,研究不同pH环境下的荧光特性,并探索了 Fe3+和Cu2+浓度检测方面的潜在应用。2.利用石墨烯量子点制备过程中的水合肼,研究了原位羧基丁腈橡胶的乳液加氢,得到氢化度95%的羧基丁腈橡胶乳液。通过Zeta电位和荧光测试研究了复合乳液稳定性、分散性和荧光特性。3.研究了复合乳液成膜的特性,通过红外光谱、热重分析和交联点密度测试建立了互穿网络结构模型,互穿网络结构使橡胶膜荧光强度提升,拓宽激发波长至可见光。通过荧光测试发现接枝交联法使石墨烯量子点在氢化羧基丁腈橡胶膜中分散更好,随着接枝效率的增加,荧光强度逐渐提高。石墨烯量子点及其形成互穿网络结构都会使膜的力学性能增强并具有更好的耐老化性。

关键词： 光催化   光电性能   石墨烯量子点(GQDs)   空心二氧化钛(H-TiO2)   二氧化铈(CeO2)  

摘要： 石墨烯量子点（Graphene Quantum Dots,GQDs）是指有荧光发射的粒径小于100nm的石墨烯纳米粒子,作为一种新型的碳材料,具有优异的光学、电学、磁学、环境友好和生物相容性,在能源环境、生物医学、电子设备等领域表现出诱人的应用潜力。然而目前GQDs的制备方法和应用研究方兴未艾,有研究者发现GQDs的制备原料、合成途径、分子尺寸、表面结构等因素都会影响其光电特性。此外,GQDs用于半导体催化材料的敏化剂,对催化剂的催化性能具有显著的增强效应。本论文主要围绕GQDs的可控制备,GQDs的功能性修饰,以及GQDs/多孔空心结构TiO2（H-TiO2）和GQDs/氧化铈（CeO2）复合材料的合成调控,表面形貌,光电特性,光催化性能方面开展了系统的研究。在GQDs的方法研究和增强光催化性能的GQDs/H-TiO2,GQDs/CeO复合材料方面取得了新颖的研究成果。（1）以三维网络状石墨烯为原料通过“自上而下”法制备了GQDs,并对其合成条件进行了优化,探究并提出了一种产量高,尺度便于控制,光致发光性能强的GQDs的制备方法。这种GQDs在可见光下的电流密度可达0.025μA/cm2且稳定可逆,520 nm处荧光发光稳定且不受激发波长影响。功能性GQDs的制备是开拓其应用的一个重要途径,我们通过简单的GQDs表面修饰制备了手性GQDs,荧光增强GQDs和稀土Eu3+配位的GQDs,这些功能性修饰的GQDs均表现出良好的光学特性。（2）我们通过“模板法”制备大比表面积且多孔隙的纳米H-TiO2,将其与GQDs水热复合得到GQDs/H-TiO2复合材料。比表面积为223.48 m2/g的H-TiO2为GQDs提供了大量的附着位点,GQDs小的尺寸分布和高溶解度对GQDs在H-TiO2的表面均匀分布起到重要作用。合成的复合材料GQDs/H-TiO2对可见光的吸收明显增强且光生电子和空穴复合率降低,其中GQDs-3.0/H-TiO2的带隙低至2.8 eV,光电流密度为1020μA/cm2,表现出良好的光电活性。同时,所制备的GQDs-3.0/H-TiO2复合材料光催化降解速率同比H-TiO2提高了9.1倍,在可见光下光催化降解有机染料罗丹明B（RhB）的能力明显提升。（3）稀土化合物CeO2的光生电子与空穴容易复合,我们通过将其与GQDs结合,制备了GQDs/CeO2复合材料来改善CeO2的催化性能。GQDs/CeO2复合材料中GQDs均匀包覆在每个CeO2晶体周围,诱导CeO2组装呈现为有序的圆锥状形貌,有效增加了反应活性位点和有效接触界面。其中复合材料GQDs-4.5/CeO2吸收边拓宽至475 nm可见光响应最好,具有极低的电子-空穴复合率和最佳的光电性能。复合材料形成能级交错的异质结构,光生电子从GQDs导带转移至CeO2导带,过程中有效延长了载流子的寿命,表现出增强的光催化活性,可见光下降解RhB的光催化反应速率最高为CeO2的13.8倍。由此可见GQDs在提升GQDs/CeO2复合材料催化性能方面具有显著的增强效应。

关键词： 磁共振成像   荧光材料   双功能微球   合成   表征  

摘要： 由于单一成像技术在成像深度、时空分辨率及灵敏度等方面均有各自的优缺点,多种成像技术的联合使用,即将多种成像诊断模式相互融合以达到取长补短、优势互补的目的,能够得到更为真实、准确、全面的诊断结果。近年来,随着医学的进步,多模态融合技术已经成为生物医学成像领域的发展趋势。同时具备荧光/磁共振成像功能的双模光学成像材料同时具备优越的光学成像性能、优秀的超顺磁性、良好的生物相容性以及有效的药物担载等性能,大大提高了检测的灵敏度和准确度,可被应用于细胞标记和分离、药物靶向输送、肿瘤诊断和治疗等领域。已有报道的磁性中心材料多为具有超顺磁性的纳米材料,如Fe3O4、Fe2O3和含钆化合物。由于磁性材料（Fe3O4）易团聚、抗腐蚀性差、难于洗涤且会引起发光粒子的荧光猝灭,而导致荧光强度的降低,使其进一步应用受到了限制。而Gd3+的4f层有7个未成对电子,具有较强的顺磁性,不会引起发光粒子荧光发射强度明显的猝灭,因而含钆化合物被广泛应用于磁共振成像（MRI）。尤其是采用聚丙烯酸、D-葡萄糖醛酸和牛血清白蛋白修饰的氧化钆（Gd2O3）已被用于癌症的MRI诊断。但是研究发现钆基造影剂存在诱发肾细胞的纤维化的风险,为了提高造影剂的临床应用安全性,人们考虑用Mn2+替代Gd3+。目前用于肠道造影的MnCl2（LumenHance?）和肝脏造影的[Mn-DPDP]4-（Teslascan?）已应用于临床诊断。然而游离的Mn2+对人体有一定的毒性,近年来,锰的氧化物（MnO和Mn3O4）作为另一种T1造影剂材料受到关注。本论文以零价铁、氟化钆和四氧化三锰为磁共振成像材料,将CdTe量子点作为荧光成像材料,并将两种材料复合于二氧化硅微球之中,形成稳定球形或囊泡结构,制备出具有良好的磁共振性能、荧光示踪和载药性能的多模态光学成像材料。本文制备了Fe0/无定形磷酸钙（简写ACP）、Fe0/无定形磷酸钙/CdTe量子点复合物、CdTe@SiO2@GdF3复合物、CdTe/Mn3O4/SiO2复合物核壳结构的荧光/磁共振成像双功能微球,并用TEM、EDXA、MRI、红外、荧光光谱等对其结构、磁共振成像和发光性能进行了表征。通过SEM和TEM分析可知所合成的Fe0/ACP粒径为300 nm左右,磁滞回线表明在磁场中可以将该复合物从非磁性材料中分离出来。氮气吸附脱附曲线表明所合成材料具有吸附性能。此外所合成Fe0/ACP复合物被用来吸附CdTe量子点,并采用二级动力学方程对吸附过程进行了分析。吸附产物Fe0/ACP/CdTe量子点复合物采用XRD、FTIR、荧光和磁滞回线进行了表征,结果表明该Fe0/ACP/CdTe量子点复合物不仅具有磁性,而且具有很好的荧光性质;TEM照片显示所合成的CdTe@SiO2@GdF3微球具有明显的球形核壳结构,大量的GdF3以小颗粒形态均匀分散于二氧化硅表层,颗粒尺寸5-8 nm。EDXA分析显示所制备的CdTe@SiO2@GdF3微球表面可检测到Si、O和Gd元素,证明Gd被掺杂到CdTe@SiO2材料之中。荧光发射光谱显示相对于CdTe量子点,CdTe@SiO2@GdF3微球荧光发射光谱发生了一定的红移,但是仍具有良好的荧光性能。MRI分析可知CdTe@SiO2@GdF3微球的弛豫参数（r1）为3.48 s-1（mm）-1,说明所合成的CdTe@SiO2@GdF3微球可用于T1-加权磁共振成像。细胞毒性实验表明,当CdTe@SiO2@GdF3溶液浓度达到200μg/mL时,细胞活力仍可达到90%以上,表明此浓度对细胞的毒性作用较弱;TEM照片显示所合成的CdTe/Mn3O4/SiO2微球具有明显的球形核壳结构。EDXA分析显示所制备的CdTe/Mn3O4/SiO2微球表面只检测到Si和O元素,证明CdTe量子点和Mn3O4纳米立方体被包被于二氧化硅微球之内。荧光发射光谱显示相对于CdTe量子点,CdTe/Mn3O4/SiO2微球荧光发射光谱虽然发生了一定的蓝移,但是仍具有良好的荧光性能。MRI分析可知CdTe/Mn3O4/SiO2微球的弛豫参数（r1）为3.88s-1（mm）-1,说明所合成的CdTe/Mn3O4/SiO2微球可用于T1-加权磁共振成像。细胞毒性实验表明,当CdTe/Mn3O4/SiO2溶液浓度达到300μg/mL时,细胞活力仍可达到90%以上,表明此浓度对细胞的毒性作用较弱。所合成的荧光/磁共振成像双功能微球可以被应用于荧光检测和生物检测等领域。

关键词： 非平衡格林函数   量子点   光子辅助隧穿   Fano效应   热电输运  

摘要： 如何调控半导体量子点系统电输运一直是电子科技领域中具有广阔应用前景的研究课题。半导体量子点通常在单电子静电计、静态存储器元件、量子信息科学、量子计算等方面得以应用。与单量子点系统相比,耦合多量子点系统具有更多可调参数,可以更加容易地控制系统电荷输运、自旋极化输运和热电输运等。耦合多量子点可被用作集成量子芯片的基础电子元器件,而耦合多量子点系统电输运和热电转换的研究,则为设计与制备新型量子功能器件提供必要的理论支撑。本文利用Keldysh非平衡格林函数建立Dyson方程的方法,结合Langreth定理对几种不同构型的耦合多量子点干涉仪系统电荷输运、光子辅助电输运、自旋输运及热电输运进行理论研究。首先,在平行双量子点干涉仪结构基础上侧向悬挂一个量子点,设计成非对称三量子点干涉仪光子辅助电输运模型。通过调节量子点间耦合强度、含时外场的振幅和频率可以控制系统的平均电流峰值的大小和位置,实现介观器件的整流功能。对含时外场振幅的调控可实现系统平均电流峰与谷之间的转换。调节量子点-电极之间耦合强度的非对称性参数,能够使平均电流主峰与旁带峰更加易于区分,有助于确定系统能级的分立。其次,为使介观量子器件中的自旋极化电流得到更加有效地控制,设计了在Aharonov-Bhom干涉仪两臂中分别嵌入“T-型三量子点分子”模型,研究了该量子器件中光子辅助电荷及自旋输运特性。当有横向磁通穿过系统时,可观察到平均电流的Aharonov-Bhom效应。通过调节Rashba自旋-轨道耦合强度,可以在整个量子点能级区域内实现纯自旋向上(向下)的极化传输。在对称含时外场作用中,通过调节直流偏压、磁通和Rashba自旋-轨道耦合相位因子,自旋极化的大小和方向都可以有效地控制。在系统中施加时间调制的非对称外场能够实现多光子-电子泵功能。再次,设计并研究了“线型双量子点分子”Aharonov-Bohm干涉仪光子辅助电输运和“线型三量子点分子”Aharonov-Bohm干涉仪电输运。在“线型双量子点分子”Aharonov-Bohm干涉仪的研究中,调节量子点间耦合强度或磁通可以诱导电导共振峰发生劈裂。控制横向磁通的有无,可实现电导共振峰数值在0与1之间的相互转换,这为制造量子开关提供了一个新的物理解决方案。借助磁通和Rashba自旋-轨道相互作用,该系统可实现自旋过滤。对于“线型三量子点分子”Aharonov-Bohm干涉仪,当两个“线型三量子点分子”内点间耦合强度的数值差较小时,在电导谱中可以观察到Fano反共振峰。通过调节系统结构参数,可同时形成两个束缚态。随着磁通量相位因子在)0(-π范围内的增加,系统电导反共振点逐渐演变成反共振带。研究结果为“线型耦合多量子点分子链”嵌入Aharonov-Bohm干涉仪系统电输运的进一步研究提供了新的认知。最后,为提升介观量子器件的热电转换性能,在平行耦合双量子点基础上对称侧向悬挂单量子点。由于对称侧向悬挂量子点的耦合作用,在低温条件下电导谱和热导谱均产生了双Fano共振,这在很大程度上增强了系统热电转换性能。由于局域双极化效应与Fano效应的共同作用,该系统比平行耦合双量子点系统的热电优值提高一倍,基于此该系统可用于设计高效热电转换的量子器件。在相对高温条件下,通过调整量子点-电极耦合强度和量子点能级,可以实现系统热电优值的优化。总之,本文设计并研究了几种典型耦合多量子点干涉仪的电子输运、光子辅助电输运、自旋极化输运和热电输运。阐明了系统结构参数的调节可实现对电导、平均电流、自旋极化电流和热电参量的有效控制。这些典型耦合多量子点干涉仪系统对于实验来说结构并不复杂,对欧姆接触电极进行设计之后便可在实验中实现。本文的结论期望有助于自旋量子器件和热电转换量子器件的设计与研发。

关键词： 硅基异质结光伏器件   表面-界面钝化   空穴选择性接触   空穴隧穿   三元杂化层  

摘要： 量子选择型硅基异质结光伏器件一般由晶硅、钝化隧穿层、载流子选择层组成,具有负温度系数低、寄生吸收少、理论转换效率高等优点,已引起光伏研究者的广泛关注。本文根据半导体器件物理、硅太阳能电池基本原理及技术,对ITO/SiOx（In）/n-Si、MoOx/SiOx（Mo）/n-Si和MoOx/a-Si:H（i）/n-Si三种光伏器件的可控制备、能带匹配和量子输运机制等展开研究,重点探究了新型多功能材料的引入对改善界面钝化效果、增强空穴隧穿几率、提高器件光伏性能的作用。同时,对MoOx/a-Si:H（i）/n-Si结构光伏器件进行了性能失效机理分析,揭示了“S”型输出曲线的形成原因。本论文主要研究成果如下:（1）采用射频磁控溅射方法在n-Si衬底表面直接沉积ITO薄膜,制备了ITO/SiOx（In）/n-Si异质结光伏器件,该简单结构器件的光电转换效率达12.2%,开路电压540 mV,短路电流30.5 mA/cm2,填充因子74.2%。通过对ITO薄膜光电特性、器件光伏特性及界面区微结构表征分析,并结合非晶SiOx（In）材料第一性原理计算结果,发现:器件内建电势本质上来源于ITO薄膜和n-Si衬底之间的功函数差,较大的功函数差诱导出n-Si表面上亚微米区p型反型层,可形成类p-n结的等效内建电场;ITO/n-Si界面区自然形成了含有In元素的超薄非晶SiOx层（1.2-1.7 nm）,不仅可以有效钝化n-Si表面;而且光生空穴经由直接隧穿和缺陷辅助隧穿机制输运通过SiOx（In）层;In的掺杂在a-SiO2禁带中引入一条新能级GSII,降低了势垒高度,有助于量子输运;In的掺杂还引入了一条浅受主能级,有利于与n-Si形成空穴选择性接触。这些结果有助于加深对ITO/SiOx（In）/n-Si异质结光伏器件基本原理的理解,并为改善该类器件的性能提供了理论与实验依据。（2）为了实现空穴、电子选择性钝化接触,我们成功制备了MoOx/SiOx（Mo）/n-Si/SiOx/poly-Si（n+）异质结光伏器件。该器件的最高光电转换效率达16.7%,开路电压600 mV,短路电流38.2 mA/cm2,填充因子72.9%。利用微结构表征技术及第一性原理计算方法,研究了SiOx（Mo）夹层对该器件内建电场及量子输运的影响。结果表明:在n-Si无预先氧化的情况下,MoOx/n-Si界面区自然形成了非晶SiOx（Mo）三元杂化层（3.5-4.0 nm）;MoOx薄膜与n-Si衬底之间的高功函数差诱导n-Si表面形成p型反型层,产生内建电场;SiOx（Mo）界面层中的Mo掺杂在带隙中引入两条半满能级和三条未占据能级,分别起到空穴的缺陷辅助隧穿和直接隧穿的作用;隧穿-复合模型可以很好的描述器件中光生空穴的输运过程;该器件具有良好的稳定性,且工艺流程简单,预示着MoOx/SiOx（Mo）/n-Si异质结光伏器件具有潜在的应用价值。（3）基于MoOx薄膜功函数测量、MoOx/a-Si:H（i）界面化学成分表征和AFORS-HET软件模拟,对MoOx/a-Si:H（i）/n-Si异质结光伏器件性能进行了失效分析。结果表明:在MoOx薄膜沉积过程中,MoOx/a-Si:H（i）界面区自然形成的SiOx夹层阻碍了载流子的传输;随着MoOx薄膜沉积速率的增加,一方面MoOx薄膜功函数的降低导致其空穴提取能力变弱;另一方面SiOx层中O/Si比率提高,价带偏移量（ΔEv）增大,进而导致a-Si:H（i）/n-Si界面势垒阻碍空穴通过热发射机制进行输运;同时,SiOx层变厚（>4 nm）,导致空穴的隧穿几率降低。我们对MoOx/a-Si:H（i）/n-Si器件“S”型J-V曲线的研究结论,为进一步优化该器件性能提供了新思路。