关键词： CdTe量子点   g-C3N4   氧化石墨烯   复合光催化剂   助催化剂  

摘要： 光催化技术在解决能源短缺和环境污染问题方面具有重要的发展前景,光催化技术产业化关键是开发宽光谱响应和高量子效率的光催化材料。不同于体相半导体材料,量子点半导体材料具有尺寸小、比表面积大、光谱响应范围广和能带可调控等优点,已经成为光催化材料的研究热点。CdTe半导体材料的带隙约为1.45eV,能够高效利用可见光,在可见光下展现出优异的光催化分解水产氢活性和光催化降解污染物的性能。本文以CdTe量子点(CdTe-QDs)为研究主体,将其与典型的碳材料氧化石墨烯(GO)和石墨相碳化氮(g-C3N4)复合,采用水热法制备了 CdTe-QDs/g-C3N4和GO/CdTe-QDs复合光催化材料,分别研究了CdTe-QDs/g-C3N4和GO/CdTe-QDs复合材料的光催化产氢和降解污染物的性能,探讨了复合材料的光催化机理。具体研究工作如下:(1)以3-巯基丙酸(MPA)为稳定剂,碲粉和氯化镉为碲源和镉源,g-C3N4纳米片为复合载体,采用简单的一步水热法,构筑了 CdTe-QDs/g-C3N4复合光催化材料,并研究了复合材料在可见光条件下光催化产氢性能。结果表明,可见光照射10小时下,以抗坏血酸和三乙醇胺为牺牲剂,氯化钴为助催化剂,溶液pH为4.65,CdTe-QDs负载量为20wt%时,CdTe-QDs/g-C3N4复合光催化材料展现了最好的光催化产氢性能,其产氢量为4.8 mmol,是纯CdTe-QDs的1.92倍。通过40小时稳定性测试,结果表明CdTe-QDs/g-C3N4复合光催化材料拥有良好的光催化稳定性。这是因为CdTe-QDs与g-C3N4形成了 Type Ⅱ型异质结光催化剂。可见光照射下,CdTe-QDs和g-C3N4受光激发同时产生光生电子-空穴对,其中g-C3N4价带上的空穴转移至CdTe-QDs的价带上,而CdTe-QDs导带上的电子转移至g-C3N4导带,从而抑制CdTe-QDs和g-C3N4自身光生载流子的复合,让更多的电子参与还原反应,从而提高CdTe-QDs/g-C3N4复合物光催化活性。(2)以氧化石墨烯(GO)为复合载体,3-巯基丙酸(MPA)为稳定剂,碲粉和氯化镉为碲源和镉源,采用温和的水热合成法,制备了 GO/CdTe-QDs复合光催化材料。研究了不同含量的GO对复合物光催化活性的影响并探究了 GO在光催化过程中发挥的作用。利用XRD、TEM、FTIR、DRS、PL等测试手段对GO/CdTe-QDs复合光催化材料的微观结构、光学性能和光催化活性进行了分析研究。结果表明2wt%GO/CdTe-QD复合材料的光催化降解亚甲基蓝(MB)活性最好,60分钟MB降解率为74.1%,降解率是纯CdTe-QDs的2.74倍。GO/CdTe-QDs复合材料光催化性能提升的原因是由于GO作为载体促进了 CdTe-QDs的分散,GO作为电子传输通道有利于光生电子的分离和转移,同时,GO大的比表面积为光催化反应提供了更多的活性位点。

关键词： 磷酸银   PPCPs   可见光   碳量子点  

摘要： 光催化技术是指在光催化剂作用下将有机污染物彻底分解为二氧化碳、水和无机水分子物质的一种“绿色”技术,在治理环境方面有着巨大的潜能。催化剂的研发是光催化技术的关键点。磷酸银（Ag3PO4）在有机废水处理方面以优异的可见光催化性能备受研究者的青睐。然而Ag3PO4化学性质不稳定,易发生光腐蚀现象,降低了其催化性能,因此限制了Ag3PO4在环境领域的应用。碳量子点（CQD）由于优异的向上转换荧光性质和良好的电子受体,可以提高Ag3PO4的光催化活性。本文首先通过对形貌的修饰方法对Ag3PO4进行了改性,提高了Ag3PO4在可见光下降解BPA的效率和重复使用率,并在此基础上采用CQD与Ag3PO4复合,优化CQD/Ag3PO4催化剂的制备条件,探讨了其光催化性能及可见光下光催化机理,得到结果如下所示:（1）采用共沉淀法成功制备出片状Ag3PO4,通过XRD、BET、SEM、TEM、XPS、UV-vis、PL等手段对催化剂的形貌结构进行表征,结果表明制备的片状Ag3PO4具有更高的光催化活性,相比于纯Ag3PO4,制备出的新型Ag3PO4材料具有1～10μm边长,50～600 nm厚度的片状结构,具有较多的（111）晶面数量（111）/（110）之比从1.23提高到1.87,比表面积增大1倍,能有效的增强其对可见光的吸收,较低的电子-空穴的复合率。Ag3PO4-2（钼酸铵添加量2 g/L）具有最佳的光催化性能,20 min对BPA的降解率高达97%。纯Ag3PO4光催化反应过程中主要的活性物质h+,而片状Ag3PO4提高了活性物质·O2-的氧化能力。（2）用水热合成法成功制备了具有高荧光性能的CQD,探究了CQD在Ag3PO4光催化降解BPA过程中的作用。采用荧光光谱、紫外吸收光谱、Zeta电位和红外光谱等方法进行表征,结果表明,当反应的温度为180℃,保温时间为10 h,碳量子点在360 nm波长的激发下,其荧光性能最强。在此条件下制备出CQD/Ag3PO4光催化剂具有较优的光催化活性。进一步探讨了CQD掺和量对CQD/Ag3PO4光催化性能的影响,结果发现添加量为3 mL时,CQD/Ag3PO4复合催化剂的动力学常数达到最大为0.0769 min-1,是纯Ag3PO4的2.84倍。（3）对优化后的CQD/Ag3PO4催化剂运用XRD、SEM、XPS、UV-vis等手段进行表征,并在此基础上探讨了光催化反应机理。结果表明CQDs一定程度上改变了Ag3PO4的外部形貌,CQD/Ag3PO4复合催化剂表面出现短小突起,棱边和棱角变得较为圆滑。CQD/Ag3PO4的禁带宽度略大于Ag3PO4复合材料的禁带宽度,减缓了光生电子-空穴的复合,并且CQD还可以储存电子,可以有效的抑制Ag3PO4产生的电子空穴的复合,减缓Ag3PO4的光腐蚀现象。通过活性物种的抑制实验表明光催化降解BPA过程中的主要活性物种为h+和·O2-。

关键词： 硅/碳量子点   复合组装   UV吸收   相容性   纳米增韧  

摘要： 鉴于化学类紫外线吸收剂的单一材料吸收范围窄、或毒性、或致皮肤过敏、或循环和累积引起环境污染,物理类屏蔽剂的效率低、透气性差、透光率低等缺点,广谱UV吸收剂的研发无突破性进展,以及水性紫外线吸收剂的极其缺乏。而硅和碳量子点的UV吸收光谱和吸收效率具有可调控性,其还具有良好的相容性、低毒或无毒性、低成本以及强酸强碱、光辐射和高温下的稳定性,且针对硅和碳量子点作为UV吸收剂的研究,在我们开展此研究之前尚未见报道,我们立项了碳和硅量子点作为UV吸收剂这一极具挑战和有价值的研究课题。本论文,我们对基于硅和碳量子点的UV吸收性能进行了理论研究和实验验证。理论上,研究了量子点表面基团与UV吸收性能的关系,探讨了环境因素(pH、光、热)对吸收效率的影响,通过红外成像法分析了UV吸收后的能量转移过程,并分别提出了硅量子点和碳量子点的UV吸收机理;实验上,通过人体防晒实验检验了量子点的抗UV辐射效果,通过对比商业紫外线吸收剂,研究了量子点的抗黄化和光降解效应,通过将量子点与无机材料复合实现了多功能应用,通过一步法合成量子点聚合物复合材料获得了UV全吸收的暖白光LED;进一步地,我们制备了油性硅量子点,并研究了与高分子材料的相容性和抗老化性能。所研究的详细内容及进展如下:(1)采用一步水热法,通过表面基团调控,分别合成了具有广谱UV吸收的硅量子点(SiQDs)和碳量子点(CQDs),且该两类量子点均在温度为25～150℃和pH为1～14范围内具有优异的UV吸收性质,满足了多数相关应用工业产品的加工条件和应用环境。通过应用性试验发现,硅量子点相比商业化水性UV吸收剂(BP-4)对聚氨酯具有更好的UV辐射引起的抗黄化性能,而且可以有效的防止罗丹明B的UV光催化。此外,通过理论计算,所合成的硅量子点具有较高的防晒指数,与碳量子点的防晒性能基本一样,而碳量子点进一步开展的人体防晒试验表明,碳量子点与PVA配制的防晒胶液,在工业试验标准的测试条件下,达到了商业化同类产品的防晒效果。重要的是,我们提出了SiQDs和CQDs的UV吸收机制,其中,SiQDs的UV吸收源自于Γ→Γ间接带隙跃迁,而CQDs的UV吸收源自于芳香共轭结构引起的n→π*和π→π*电子跃迁,而且均通过红外成像证实其吸收的UV辐射能转化为热能。(2)基于CaF具有与PE近似的折射率,和BaSO的高稳定性、且为常用的高分子材料添加剂,我们分别用CQDs和SiQDs与其组装成了量子点复合材料,并赋予了CaF和BaSO多功能化,如:UV吸收性能、转光性能,甚至可以调控CaF和BaSO的粒径大小。然后,通过与PE进行混合制备了分别添加了CQDs@CaF和SiQDs@BaSO的PE薄膜,经过UV加速老化试验发现,其相比纯PE薄膜具有更显著的抗UV老化性能,且荧光光谱显示该两类PE薄膜具有紫外转蓝光功能,不仅可以吸收对植物生长有抑制作用的紫外线,而且能发射促进植物生长的蓝光(主峰:～450nm)。此外,分别在CQDs和SiQDs作用下实现了CaF和BaSO纳米化,添加到PE中可以改善其力学性能。(3)基于无机物与高分子的相容性差、阻挡可见光等问题,为了克服硅烷与十八烯和CA-Na易形成胶束的技术难点,我们提出了先聚合后结晶化的两步法合成策略,成功制备出了具有全UV吸收性能的、强荧光发射的油性硅量子点(F-OSiQDs)。通过与PE热处理混合发现,F-OSiQDs与PE具有非常好的相容性,制备的F-OSiQDs/PE薄膜不仅具有优异的全UV吸收性能,而且具有较高的可见光透明率以及透明性,此外,F-OSiQDs对PE具有显著的增塑作用,又由于其低毒或无毒性,F-OSiQDs有望取代现有商业化UV吸收剂,而用于聚合物提高其抗UV老化性能。(4)提出了一种自内而外、一步合成量子点复合材料的方法,并通过此方法成功制备出了荧光量子效率高达82.8%的聚硅氧烷镶嵌硅量子点的复合材料,其物理结构通过HRTEM得以证实。固体核磁、FT-IR和XPS测试分析,证实了其发光性能是由两个脱氨方法形成的闭环所决定的,且形成的两个闭环基团分别对应于主峰450nm和521nm的特征发射。此外,该复合材料具有优异的耐热性和光稳定性,与395nm LED芯片封装出了无UV和无蓝光发射的暖白光LED光源,且具有高达75的显示指数和高达76.2lm/W的光效。该工作为量子点聚合物复合材料的制备提出了一个新的策略,为实现健康的暖白光LED光源封装开辟了一个新型的技术路线。

关键词： 量子点   巯基配体   水溶性   二氧化硅   荧光共振能量转移  

摘要： 环境污染问题日益危害人们的生活健康,环境污染物的检测问题引起了人们广泛的关注。量子点（QDs）由于具有的独特光学性能得到了广泛的应用研究,它可以用作一种新型荧光探针具有灵敏度高、选择性好、响应快速以及操作简单等特点,在生物大分子检测、离子检测、免疫检测等检测领域具有重要的应用前景。采用高温注入法制备的量子点虽然有较高的量子产率、尺寸均一等一系列优点,但是由于表面配体所限无法直接分散在水环境中,且量子点对环境特别敏感,如温度、pH等环境条件的变化容易造成量子点的荧光淬灭。因此,需要对量子点进行表面改性,保持其优异的荧光性能同时赋予量子点在水中的分散性,还要保证一定的环境稳定性。本文基于量子点水溶性改性,通过对油溶性量子点进行巯基配体改性和二氧化硅包覆,并探究其荧光性能与检测性能。本文主要内容包括以下三个方面:（1）通过高温注入法,合成了一系列从发射红色（625 nm）、橙色（582 nm）、绿色（522 nm）到蓝色（489 nm）的油溶性合金量子点,其发射峰窄且量子产率高达78%。利用带有不同官能团和不同链长的巯基配体对其进行配体交换,系统研究了荧光量子点的温度敏感性,研究结果表明,量子点表面巯基配体的链长增加或者带有苯环,量子点的温度影响不敏感;巯基乙胺改性量子点对温度最不敏感;巯基乙醇对温度的影响最为敏感。以巯基丙酸改性量子点对镉离子进行检测,在镉离子浓度为10-100μM范围内,量子点的荧光强度随浓度呈线性关系,线性相关系数为0.9832,方法检出限为0.8μM,为镉离子的定量检测提供了新途径。（2）通过溶胶-凝胶法,以十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）为油溶性量子点的稳定剂和模板剂,在氨水的催化作用下使正硅酸乙酯（TEOS）水解,对油溶性合金量子点进行二氧化硅包覆,包覆二氧化硅后量子点的荧光效率为56%。调整TEOS、氨水以及CTAB的比例,控制量子点@二氧化硅（QDs@SiO2）粒径在10-100 nm左右分布以及量子点包覆的数目。通过环境稳定性测试发现,QDs@SiO2对温度影响不敏感,常温放置一个月其荧光强度保留了94%以上。当镉离子浓度在1-30μM范围时,QDs@SiO2的荧光强度随浓度呈线性关系,其线性相关系数为0.9824,方法检出限为0.065μM,实现对镉离子的定量检测。（3）基于荧光共振能量转移（FRET）原理,以QDs@SiO2为能量供体,罗丹明B（RhB）作为受体,构建了QDs@SiO2-RhB的FRET体系,研究了供受体浓度、pH值、盐离子浓度以及QDs@SiO2粒径大小对能量转移效率的影响,当QDs@SiO2浓度呈比率增大时,荧光转移效率从66.17%下降到56.07%,pH值和盐离子浓度对荧光转移效率影响不大,并将FRET体系用于研究镉离子的检测,当镉离子浓度增大到80μM时,溶液荧光从黄色变为黄绿色,可以对镉离子进行可视化检测。

关键词： 氮化碳量子点   反蛋白石   异质结   光催化剂   污染物降解  

摘要： 光催化技术利用绿色能源光能激发光催化剂产生光生电子(e-)和空穴(h+),e-与h+进一步与氧气(O2)和水(H2O)反应产生具有强氧化能力的超氧自由基(.O2-)和羟基自由基(·OH),实现对污染物的有效降解。然而传统光催化剂电子和空穴复合率高,对可见光的响应不足,制约了光催化技术在实际中的应用。针对这一现状,本文通过结构设计与量子点负载的方式对二氧化钛(TiO2)和石墨相氮化碳(g-C3N4)进行改性。一方面,具有三维有序孔道的反蛋白石结构使得材料具有更大的比表面积,有利于污染物分子在催化剂表面的吸附;另一方面,反蛋白石结构所具有的慢光效应、多重光散射效应提升了材料对太阳光的利用效率,并且,氮化碳量子点(CNQDs)的负载改性促进了材料的光生电子与空穴的有效分离,进而增强其光催化活性。具体研究内容如下:通过灌注、水解与高温煅烧的方法,将CNQDs嵌入到TiO2反蛋白石光子晶体结构的骨架中,成功制备出氮化碳量子点原位负载的反蛋白石TiO2(TCNIO)材料,并将该材料应用于光催化降解气相污染物甲苯、液相污染物苯酚以及染料罗丹明B(RhB)。实验结果表明,TCN IO具有比普通TiO2(bulk-TiO2)、无CNQDs负载的TiO2光子晶体(TiO2IO)均优的光催化降解活性。特别地,在VOCs气相甲苯的去除上,TCNIO甚至表现出比商品化的P25更优的降解效果。通过原位负载的方法在合成反蛋白石多级孔TiO2-SiO2材料的过程中,引入CNQDs,煅烧法除去大孔模板聚苯乙烯小球PS和介孔模板P123后,得到氮化碳量子点改性的反蛋白石多级孔结构TiO2-SiO2光催化剂(CNTi-MMSi-PCs)。CNQDs负载在多级TiO2-SiO2的孔壁中,促进光催化活性的提高,同时相互联通的多级孔结构也提供了很好的客体分子扩散和传输的通道,使制备得到的光催化剂对磺胺嘧啶、苯酚等有机污染物以及实际高浓度抗生素废水都具有良好的光催化降解活性。以三维有序排列的二氧化硅(SiO2)光子晶体作为硬模板,二氢二胺(Dicyandiamide,DCDA)作为前驱体来合成g-C3N4反蛋白石光子晶体(CNIO)。通过搅拌和二次煅烧的方法对CN IO进CNQDs的负载改性,并通过改变CNQDs水溶液的加入量来调控CNQDs的负载量,得到具有同型异质结结构的氮化碳量子点改性的反蛋白石g-C3N4(CNQDs/CNIO)。材料表征结果显示,CNQDs/CNIO具有更大的比表面积,更高的光生电子和空穴分离效率,更广的可见光响应范围。通过将其应用于废水中苯酚的降解,发现在可见光的驱动下材料具备快速降解有机污染物的能力,并具有比普通氮化碳(bulk-CN)以及CN IO材料更好的光催化活性。

关键词： 超级电容器   锰氧化物   碳量子点   碳纤维   柔性超级电容器  

摘要： 在能源危机的大背景下,提升电学储能设备的性能是解决问题的关注焦点之一。超级电容器兼具高功率密度和高能量密度的特性,使其有望替代锂离子电池在众多领域得到应用。锰氧化物材料（MnOx）因其超大的理论比电容,在超级电容器行业一直备受重视,同时其资源丰富、价格低廉、制备容易、环境友好的优点,使其成为了超电容的研究热点。但MnOx作为过渡金属氧化物亦有电子传导率低、离子扩散缓慢的巨大缺陷,本文正是抓住这一痛点,通过研究合适的合成条件,采用一步反应的方式绿色合成碳量子点@MnOx复合材料,并将其用于超级电容器电极材料。进而基于碳量子点@MnOx复合材料和其合成方法,分别设计、制备了二维柔性超级电容器器件与一维线性超级电容器器件。具体研究内容如下:（1）探究与调控合成碳量子点@MnOx复合材料的最佳反应条件,获得三种形貌、成分均一的目标产物。使用高锰酸钾（KMnO4）和掺氮碳量子点（N-CDs）作为反应原料,调控单一变量,即水热反应的反应温度、反应时间、两种反应物的质量比等,探究了合成碳量子点@Mn3O4复合材料（MCDs1-2）、碳量子点@MnO2复合材料（MCDs1-8、MCDs-Me1-2）的最优反应条件。通过SEM、XRD等多种表征测试手段得到MCDs1-2复合材料为黑锰矿型四氧化三锰与碳量子点的复合产物,其微观形貌呈边长为50 nm至200 nm的正八面体,碳量子点被均匀包裹在其中。MCDs1-8复合材料和MCDs-Me1-2复合材料,均是水钠锰矿相d-MnO2与碳量子点的复合产物,具有MnO2沉积在碳量子点缺陷位点处形成片层状的特征形貌。二者中MnO2与碳量子点成分比例不同。（2）碳量子点@MnOx复合材料的超级电容器性能的研究。对于前面所获三种复合材料,采用两电极体系,以来源广泛、安全性高的Na2SO4水溶液为电解液,为三种复合材料分别选定了合适的电位窗口,并在该电位窗口下获得了特征比电容、倍率性能、循环性能的数据。综合比较相关数据,得到MCDs1-8材料在三种材料中拥有最为优异的电化学性能。在-0.8 V0.8 V的电位窗口下,扫速为50 mV·s-1时,MCDs1-8材料表现了204 F·g-1的比电容。（3）柔性超级电容器的设计与制备。选用MCDs1-8材料作为电极材料,制备以聚丙烯酸钠为高分子基底并添加1M Na2SO4的水凝胶电解质,设计制备了“三明治”型的二维柔性超级电容器器件。该器件在多种弯曲角度下的电化学性能测试表明,任意弯折不会对其性能造成影响。通过一步水热反应,在碳纤维表面生长了水钠锰矿相d-MnO2与石墨烯量子点形成的复合片层（MCF-GQD）。将其用作一维线性超级电容器电极,长度比电容与仅有MnO2生长的碳纤维（MCF）相比增加了45.9%。在阻抗谱上表现的导电性能也远胜于MCF。

关键词： 量子信息处理   量子传感   量子计算   金刚石氮-空位中心   碳纳米管双量子点   复合量子体系   量子纠缠态   单向量子计算  

摘要： 量子信息科学是量子力学、信息科学等多个学科的新兴交叉学科,其利用具有量子特性的量子体系或复合量子体系实现信息的测量、处理和传输,分别对应量子传感、量子计算和量子通信。近十多年中,人们对量子信息科学进行了大量的研究,并取得了许多重要成果。在可实现量子信息处理的物理体系中,金刚石氮-空位中心电子自旋具有优越的量子相干性,碳纳米管中的量子点具有较好的可扩展性。这些优点使这两种基于碳材料的固态自旋量子体系成为实现量子信息技术的重要物理载体。在本论文中,我们利用这两种基于碳材料的固态自旋量子体系,设计了两种高灵敏度、高空间分辨率的量子传感方案,并利用这两种碳材料的量子自旋复合体系提出了可扩展的固态量子计算方案。本论文的主要内容和创新点可以归纳为:1.我们提出了基于金刚石氮-空位中心电子自旋探针和自由基对的复合扫描隧道显微成像方案。自由基对分子与待探测的目标自旋通过相互作用进行耦合,该耦合会对自由基对的动力学演化产生影响,我们利用氮-空位中心电子自旋探针对其进行测量。自由基对具有亚纳米尺寸,可以起到信号放大的作用,使得该方案有望达到较高的空间分辨率。同时,金刚石中氮-空位中心电子自旋探针具有较高的测量灵敏度。我们的方案结合了这两个方面的优势,为在室温条件下实现对单分子自旋的高空间分辨率磁扫描成像提供了一种新的方法。2.我们提出了基于碳纳米管双量子点谷自旋比特的量子传感方案。通过对碳纳米管中量子点进行连续电驱动,我们的方案可以实现振荡磁场特征谱的测量,并有望实现单分子磁共振谱的测量。单壁碳纳米管具有纳米尺度的直径和相对较大的轨道g因子,这使得该体系有望达到较高的测量灵敏度。同时,碳纳米管中的量子点具有可扩展性,因此该方案有助于在芯片上实现集成化量子传感。3.我们提出了基于金刚石氮-空位中心电子自旋和碳纳米管双量子点的复合量子体系结构,并设计了制备固态自旋量子纠缠稳态以及实现可扩展量子计算的方案。通过对碳纳米管双量子点进行电压调控和对金刚石氮-空位中心电子自旋进行微波驱动,该方案可以实现距离在微米量级的两个金刚石氮-空位中心电子自旋之间的量子纠缠稳态。在此基础上,利用处于量子纠缠稳态的金刚石氮-空位中心电子自旋与氮原子核自旋之间的耦合,我们设计了两个氮-空位中心氮原子核自旋之间的量子纠缠逻辑门。进一步的,我们提出了制备可用于实现普适单向量子计算的多量子比特纠缠簇态的方案,该方案具备较好的可扩展性,为实现基于固态自旋体系的量子计算提供了一种新途径。

关键词： 太赫兹探测   分子束外延生长   等离激元共振   量子阱探测器  

摘要： 太赫兹波是指频率在0.1-10 THz,对应的波长为3000-30mm的电磁波。该波段相比于与微波、毫米波具有更高的空间与时间分辨率;相比于红外波段,太赫兹波具有更高的穿透性,并且具有更宽的视场搜索范围。随着太赫兹源如太赫兹量子级联激光器等的快速发展和技术突破,作为太赫兹技术重要组成部分的太赫兹探测技术因缺乏足够研究手段而使得太赫兹技术的发展应用一直受到限制。目前应用较为普遍的太赫兹探测器有高莱管、硅测热辐射计、肖特基二极管直接探测等,然而因使用条件的限制以及探测性能的不足,如高莱管的响应时间慢,硅测热辐射计限于宽谱测量,肖特基二极管噪声等效功率高等,使得太赫兹探测技术一直难以得到突破,尤其在军事应用等对探测器性能有严格要求的领域难以实现应用。而基于固态半导体GaAs/AlGaAs体系太赫兹量子阱探测器的研究给太赫兹探测技术的突破带来新的途径,该类型探测器响应时间可到亚皮秒级,拥有高响应速度、高分辨率、工艺成熟、性能稳定以及易于集成等优点,尤其适合太赫兹波段的高速探测和成像应用。太赫兹量子阱探测器是满足发展太赫兹技术应用的核心,可为太赫兹成像和太赫兹通讯的发展提供必要的基础支撑,尤其在安全检测、医学诊断、军事探测等领域。随着光刻、蒸镀、刻蚀等半导体微纳加工技术的发展,使小尺寸光子耦合结构在太赫兹量子阱探测器中的集成应用成为可能。本论文主要的研究目的在于利用光子微纳结构的耦合作用获得高响应率的太赫兹量子阱探测器,此外为了提高目前太赫兹量子阱探测器的工作温度,论文也展示了相应的探索研究结果,因此该论文主要研究内容包括:分子束外延技术生长太赫兹量子阱探测器材料,基于表面等离极化激元共振模式增强太赫兹量子阱探测器的吸收,基于金属-介质-金属（MDM）微腔共振模式提高太赫兹量子阱探测器的性能,基于共振遂穿效应实现高温甚长波量子阱探测器,主要代表性的创新点如下:1、为获得跃迁类型为束缚态到准连续态（B-QC）的太赫兹量子阱探测器（该跃迁类型探测器综合性能最优）,通过能带计算的方法（考虑了多体效应的影响）得到了探测器的响应峰位、量子阱宽度、势垒层组份以及跃迁类型之间的关系。MBE实际生长参数的选取参考能带设计的结果。所生长的材料组份与厚度分别采用荧光光谱（PL）与扫描隧道显微镜（SEM）标定,通过半导体微纳加工手段流片获得太赫兹量子阱探测器（45度磨角器件）。成功制备了器件样品的响应峰位分别有45、46、47、49、51以及54mm,背景限温度12-16 K,峰值响应率0.1-0.24 A/W。2、为实现高响应率的太赫兹量子阱探测器并且同时满足简化制备工艺的要求,通过在顶部集成金属反射光栅的方法,制备了基于表面等离激元共振模式的太赫兹量子阱探测器。当太赫兹光从衬底端入射后,经过周期性金属光栅倒格矢的补偿,入射的太赫兹波与金属表面等离激元发生共振,激发出横向传播的等离极化激元（SPP）,由于近场效应的作用,在量子阱区域能够产生平行于量子阱生长方向的强电场分量,从而提高量子阱对太赫兹光光子的子带间吸收率。基于该原理的一维背入射金属光栅太赫兹量子阱探测器46mm处峰值响应率为0.82 A/W,相比标准器件提高了6倍,与理论计算的8.1倍相接近。此外实验测得的偏振消光比达到56,光谱峰值强度随入射光偏振角度的变化满足Malus定律。二维金属反射光栅耦合的金属光栅太赫兹量子阱探测器不具有偏振选择性,峰值响应率达到了1.2 A/W,相比标准器件提升了9倍多。该结构具有制备工艺简单,性能提高显著的特点,效果远优于传统的衍射光栅,为表面等离激元在太赫兹探测中的应用提供了新的思路。3、为进一步实现高响应率的太赫兹量子阱探测器并且满足器件制备与焦平面工艺相兼容的技术要求,研究了金属-介质-金属（metal-dielectric-metal,MDM）耦合微腔对太赫兹量子阱探测器性能提升的影响,相比于MDM结构在红外波段的应用,太赫兹波段可实现更厚的介质层应用（响应峰位为46mm的QWP中间量子阱层可生长15周期,介质层厚度2mm左右）。一维MDM微腔耦合的太赫兹量子阱探测器共振峰位46mm处的峰值响应率达到1.07 A/W,相比同结构的标准太赫兹量子阱探测器实验上提高22.3倍,偏振消光比达到了163,为目前文献报道的最高数值。该结构制备与焦平面工艺相互兼容,并且响应峰的位置受太赫兹波入射角度影响小,响应率的增强不依赖于金属微结构的周期性,为小尺寸台面与太赫兹量子阱焦平面探测器的成功制备提供了可能。4、根据理论模型的计算表明n型重掺杂的GaAs在太赫兹波段表现出类似于金属的光学性质,为了避免金属微腔结构在太赫兹探测过程中对入射光的过多损耗,采用量子阱的上下重掺杂电极层代替MDM结构的两个金属层,其中将上电极重掺杂层刻蚀成周期性光栅槽,则量子阱激活区夹于上下重掺杂

关键词： Mn-doped CsPbX3量子点   复合材料   量子点玻璃   发光可调   白光LED  

摘要： 全无机卤化铅铯钙钛矿量子点引起广大学者的研究,归因于其独特的光学性质,比如窄带发射、高量子效率、全光谱可调等诸多优点,无论是在制备工艺还是实际应用都有很大的突破。遗憾的是由于重金属铅的毒性限制了卤化铅铯量子点的应用,因此在不损害量子点优异的发光性能前提下,使用环境友好型的元素部分或全部取代铅元素具有十分重要的研究价值。其次,目前量子点只能溶解在一些非极性溶剂(如正己烷和甲苯)中,而且空气稳定性、水稳定性和热稳定性极差,所以提高其稳定性也是当下需要解决的难题。本论文采用传统的热注入法、溶胶凝胶法、热烧结法和整体析晶法制备了一系列Mn掺杂CsPbX量子点溶液、复合材料以及硼硅酸盐微晶玻璃。下面我们通过一系列表征手段对其形貌大小和光电性质进行了分析。本文的研究内容如下:1.采用热注入法成功制备了双发光中心的Mn-doped CsPbCl、Mn-doped CsPb(Cl/Br)量子点溶液。通过透射电子显微镜(TEM),X射线衍射仪(XRD)以及X射线光电子光谱(XPS)证明了Mn掺杂CsPbX量子点已经成功制备。荧光光谱(PL)分析发现在600nm附近出现了一个Mn的发光峰,通过改变MnCl、PbCl以及MnCl、PbBr的比例,其荧光光谱随之发生了改变。其次还探讨了温度对量子点的影响。随后将量子点溶液与环氧树脂薄膜复合,在蓝光芯片InGaN的激发下获得暖白光LED。2.采用溶胶凝胶法,将量子点溶液与AlO/SiO复合材料搅拌混合制备Mn-doped CsPbCl NCs-SAM固态复合材料。该材料不仅保持了量子点优异的发光性能,还提高了稳定性。将制备好的固态复合材料与Ce-PiG复合,与蓝光芯片InGaN匹配得到全无机钙钛矿量子点暖白光LED器件。在20 mA电流下,光效为80.91 lm/W,显色指数为83.8,色温为4082K。3.采用热烧结法和整体析晶法制备了Mn-doped CsPb(Cl/Br)量子点玻璃。通过改变锰的掺杂浓度以及不同的析晶温度对玻璃的影响进行了一系列的测试。通过荧光光谱和变温光谱测试结果表明玻璃具有优异的发光性能,在空气中保持很好的稳定性和热稳定性。

关键词： 黑磷   连续近似   传递矩阵   各向异性   量子输运  

摘要： 本文从理论上研究了在连续近似下黑磷材料的各项异性输运性质。我们的研究包括在黑磷上施加电场作用和势垒后黑磷的输运性质,以及在不施加外场作用的情况下,对于一种新的黑磷物理模型进行输运性质的探究。全文分为如下五个部分:第一章为绪论,首先对近年来纳米材料和纳米器件的研究背景,研究动机和一些重要的研究进展进行了介绍。尤其关注近年来吸引众多研究者兴趣的石墨烯和黑磷。然后介绍了本论文采用的理论方法,对于如何运用波函数连续和传递矩阵解决具体问题作了简单的阐述。第二章主要研究了在单层黑磷和双层黑磷上外加垂直电场的电子的量子输运。电子通过黑磷材料传输的输运概率是一个关于入射角、电场强度以及电子入射能的振荡函数。由于黑磷材料在沿不同方向的输运存在不同的有效质量,导致了两个方向上不同的输运性质,因此电子隧穿沿不同方向传输的临界角是不同的。通过调整外加电场的场强大小可以控制输运的打开或者关闭。此外,电导在不同的方向上也表现出强烈的各向异性行为,并且电导中间隙的宽度会随着黑磷材料层数的增加而增加,当给定电子入射能和电场强度后,输运的各向异性随着黑磷材料层数的增加呈现增加的趋势。因此想要调控黑磷材料的输运性质,外加垂直电场是一种行之有效的方法。这些性质将为以后设计出性能更卓越的微电子器件提供良好的理论基础。第三章主要研究了基于连续近似下,在黑磷材料上施加单势垒后的各向异性输运,将研究对象从单层黑磷扩充到了多层黑磷。与外加垂直电场对能带的调控方式不一样,外加垂直电场的情况下,黑磷材料的导带和价带会从两个不同方向同时想费米能级靠近,使得带隙变小;施加单势垒则会使得黑磷材料的导带和价带整体向上或者向下移动,带隙的大小并不会改变。在研究输运性质时发现不论是n-n-n结还是n-p-n结,施加单势垒后,不同输运方向的临界角随着黑磷材料层数的变化规律都有所不同。黑磷材料在单势垒结构之中的电导同样体现了显著的各向异性,电导的差异性随着黑磷层数从1变化到3逐渐变小。这些性质说明,通过施加一个合适的单势垒来对黑磷材料的输运性质进行调控同样是行之有效的。第四章我们研究了一种由单层黑磷和双层黑磷组成的黑磷物理模型。对于这个模型,我们发现载流子入射的方向不一样,临界角和输运概率的峰值都会呈现不同的结果。之所以出现这种现象,是因为双层黑磷比单层黑磷的带隙更小,输运性能更好。最后,研究这个系统电导的各向异性时,我们可以看到,对于同样的入射能和输运方向,从单层黑磷边射入具有更高的电导。这个模型不需要施加外场,只需要调整入射能就可以对系统的输运性能进行调控。最后是本论文的简要总结。