关键词： 太赫兹   超材料   石墨烯   六方氮化硼   二氧化钒   吸收器  

摘要： 太赫兹波（THz波）是一种介于红外线和微波之间的电磁波,具有很强的穿透性、高带宽、可控性强和非电离辐射等优点。因此,太赫兹波在环境监测、生物医学、无线通信等领域具有广泛的应用价值。然而,目前用于调控THz波的吸收器等功能器件的发展相对缓慢,存在一些问题,如功能较为单一、动态调控不足以及吸收率较低等。与此同时,二维超材料中的石墨烯具有出色的导电性、热导性、机械强度和柔韧性等物理特性。这些特性使得石墨烯在电子学、光学、力学等领域具有广泛的应用前景。在调控太赫兹波吸收器等功能器件中,石墨烯也被认为是最具潜力的材料之一。针对上述吸收器存在的问题,本论文提出了两种基于石墨烯材料的可调谐吸收器。具体研究内容如下。 通过采用时域有限差分方法进行数值模拟研究,发现了石墨烯条和六方氮化硼薄膜异质结构中的多带吸收现象。通过改变石墨烯条宽度、氮化硼薄膜宽度、厚度以及石墨烯费米能等参数,吸收峰的位置和强度都可以高度可调。具体而言,短波方向主要吸收峰位于7.36μm附近,主要受到氮化硼II类Reststrahlen带μ的影响,其位置仅随氮化硼的几何尺寸变化而调节。而长波方向的三个吸收峰主要由氮化硼I类Reststrahlen带和石墨烯的等离子模式耦合而成,形成了杂化等离子-声子极化子模式。这三个吸收峰的位置和强度可以通过调节氮化硼和石墨烯的几何尺寸以及费米能来实现高度可调。这项研究为基于石墨烯和氮化硼异质结构的多频太赫兹器件的设计和制造提供了重要的理论参考。 基于石墨烯的高导电性和二氧化钒（VO2）的独特的相变特性,设计了一种具有宽带吸收和多频带吸收可切换的太赫兹双功能吸收器。当VO2为绝缘态时,在所设计的结构观察到了六个吸收峰,分别在0.75 THz、2.18 THz、3.66 THz、5.27 THz、7.72 THz和8.91 THz。石墨烯和金属盘状阵列在多频带吸收机制中起主导作用。当VO2为金属态时,该结构为宽带吸收体,由顶部VO2贴片、Topas间隔物和嵌入金属方块的VO2组成。该结构在3.28 THz至7.26 THz范围内获得了吸收率>90%的宽带吸收。此外,所设计的宽带吸收体的吸收性能在小入射角下对偏振不敏感,在大入射角下也能很好地工作。通过改变石墨烯的费米能级,可以动态调整多带吸收的性能。由于可切换的功能,所提出的设计可能在智能吸收和太赫兹开关领域具有潜在的应用。

关键词： 钠金属电池   钠枝晶   近常温   石墨烯  

摘要： 钠金属负极具有较高的理论比容量(1166 m Ah g-1)和低的电极电势（-2.7 V vs.标准氢电极）。因此,由钠金属负极组成的全电池往往具有较高的能量密度。同时,国内钠资源储有量高且价格低廉,在成本方面比锂电池更占优势。然而,由于其高反应活性及无主体转化特性,在电池循环过程中,会不可避免的造成枝晶生长和不稳定的界面波动。不可控的枝晶生长会造成活性钠的逐渐损耗和电解液的不断枯竭,导致容量不可逆衰减。由于反应的进行,钠枝晶会持续增长,并刺破隔膜,导致正负极直接接触,使得电池短路,从而引发一系列爆炸安全风险。 本论文主要借助外部温度场,不掺入任何其他化学成分,实现钠金属电池循环过程中的稳定。分析温度与电流密度、沉积量之间的变化趋势,同时,深入探究了温度对Na+扩散、钠枝晶重新“结晶”的机理。为此,以温度为变量,分析均匀温度场对钠金属负极性能的影响。具体研究内容及结论如下: （1）本文通过构建恒定温度场,借助钠金属的低熔点（97.8℃）特性,以近常温（35℃）温度场,实现钠负极在循环过程中枝晶的重新“愈合”,从而得到新的平整致密的均匀钠负极表面。均匀致密的表面形貌有利于后续Na+的均匀沉积,从而抑制钠枝晶生长,减少副反应发生,进而降低极化,提升电极反应动力学。本实验通过SEM观察,结果表明不同温度场对钠枝晶有明显的抑制作用。此外,在组成的对称电池测试中,通过近常温（35℃）处理的对称电池能稳定循环500 h以上,过电压仅有82 m V。然而,未经任何处理的对称电池表现出不稳定的电压,随着循环的进行,过电位逐渐升高,仅循环100 h后,过电位便超过150 m V。在Na||Cu半电池的测试中,35℃处理的Na||Cu半电池在循环200圈后,仍具有99%以上的库伦效率（Coulombic Efficiency,CE）,表现出优异的循环稳定性。相反,在常温测试条件下（25℃）的Na||Cu半电池仅循环100圈后,CE便降低到50%以下。并且,在与磷酸钒钠(Na3V2（PO4）3,NVP)搭配组成的全电池中,35 ~oC处理的Na||NVP全电池具有117 m Ah g-1的较高初始放电比容量,循环320圈后,仍具有83.8 m Ah g-1的比容量,容量保持率为71.6%。整个循环过程中,始终保持高达98%的CE。同时,SEM结果表明:35℃下循环,钠金属电池中粗糙且结构疏松的负极表面转变成平整且致密的钠负极。从而降低了SEI层的厚度并增强了其稳定性,达到抑制枝晶的效果。 （2）利用加热扩散的方式还原氧化石墨烯（GO）,得到多孔且亲钠的还原氧化石墨烯（rGO）。由于氧化石墨烯经过高温瞬间的还原,使得材料微观结构分层,并与高温下的液态钠反应。这种rGO的毛细管作用与液态钠自扩散的方式得到了钠-石墨烯复合负极（Na@rGO）。以Na@rGO作负极的对称电池初始极化电压仅有50 m V左右,与Na||Na对称电池相比具有明显优势。但经过长时间的循环后,极化电压快速增长,直到电池发生短路。为解决这一问题,并证明35 ~oC条件的适应性,在高温的条件下测试Na@rGO||Na。结果表明35 ~oC下的Na@rGO||Na比常温下的性能更好,极化电压在20 m V左右,循环后的电压分布稳定。在三维碳材料与高温条件的双重作用下,使得金属钠复合负极表面呈现均匀沉积,负极形貌保持平整。

关键词： 自旋电子学   石墨烯   拓扑绝缘体   格林函数方法   自旋过滤   自旋极化电流  

摘要： 石墨烯以其优秀的电子特性被广泛使用在自旋电子器件的设计和制造中。对石墨烯纳米条带中的电子自旋进行操控,设计出具有自旋过滤和自旋极化的器件,能够在未来为高度集成的自旋电子学器件制造提供理论参考。本文基于紧束缚模型和介观输运理论,对两种Zigzag型石墨烯纳米条带结构的自旋输运进行了研究,探讨了磁性缺陷、Rashba自旋轨道耦合以及铁磁交换场对器件自旋分辨电导、局域态密度以及自旋极化电流的影响。本文的主要内容如下: 首先论文介绍了自旋电子学中常见的一些物理量、石墨烯的能带结构以及在强自旋轨道耦合下石墨烯拓扑绝缘体中的量子自旋与反常霍尔效应。然后介绍了单电子近似下的紧束缚模型、介观输运理论中的Landauer-Büttiker公式以及在处理量子输运问题时常用到的递归格林函数方法。 基于上述理论模型和方法,我们研究了在周期性Rashba自旋轨道耦合和铁磁交换作用的调制下,具有一对三角缺陷且不对称导线结构的纳米条带中的自旋输运性质。结果表明,铁磁交换作用破坏电子的自旋简并后,Rashba自旋轨道耦合可以增强自旋翻转效应,实现对自旋翻转电子的过滤。同时我们发现,电子在该器件中的输运具有双向自旋过滤效应。 最后,我们研究了在强自旋轨道耦合下,如何实现石墨烯拓扑绝缘体内部空腔中自旋电流的产生与调控。不同铁磁排布方式和不同类型的磁性缺陷组合,能够在空腔周围得到八种不同模式的自旋电流,其自旋极化率几乎为100%。在不同强度的Rashba自旋轨道耦合调制下,还能实现不同能量下空腔电流自旋极化的最大化。研究结果表明石墨烯拓扑绝缘体器件可以被用作可调谐的自旋二极管。

关键词： 类石墨烯   自旋波   磁性   共振频率   自旋电子学  

摘要： 石墨烯和类石墨烯材料由于其弱自旋轨道耦合、长自旋弛豫时间等特点,成为了开发新一代更轻薄、更快速的电子器件的热点材料。本文基于海森堡模型,建立了两种不同自旋取向的非对称三层类石墨烯结构——“铁磁-反铁磁-铁磁”、反对称“铁磁-反铁磁-铁磁”,应用线性自旋波理论及推迟格林函数,通过对角化求解出了系统的哈密顿量。根据谱定理和关联函数,探究了交换耦合、磁晶各向异性及自旋量子数等物理量对系统自旋波行为、磁性质和热力学性质的影响规律,为开发新型自旋电子学器件提供了理论依据。 结果显示,两种自旋取向的模型都存在6支自旋波谱。在“铁磁-反铁磁-铁磁”结构中,一个周期内存在一条能隙。在讨论系统共振频率时发现,铁磁交换耦合主要影响f3、f5,反铁磁交换耦合主要影响频率最高和最低的两支。改变自旋量子数是提高体系共振频率的主要方法,其中,频率较小的两支主要受到反铁磁层自旋量子数的影响,而其余四支共振频率对每个子格自旋量子数的改变都很敏感。在系统处于基态时,磁矩表现出量子涨落现象,C子格参与的层内各向异性和交换耦合对系统的磁矩影响显著。低温时,由于量子涨落和热涨落的竞争,磁矩M3、M4出现交叉点。 在反对称“铁磁-反铁磁-铁磁”结构中,在第一布里渊区内,系统存在两个能隙。交换耦合和自旋量子数是影响体系共振频率的主要因素,其中,第一层的层内交换耦合主要影响f4、f5,中间层的层内交换耦合和自旋量子数对每一支共振频率都有影响;第一层的自旋量子数主要影响高频的三支共振频率,第三层的自旋量子数主要影响低频的三支共振频率。基态时,中间层子格的磁矩比较活跃,中间层的层内交换耦合和各向异性主要影响本层两个子格的磁矩,第一层和第三层的层内交换耦合和各向异性对体系的磁矩影响很微弱。当层间设置为铁磁交换耦合即存在自旋阻挫时,M3、M4由于量子涨落和热涨落的竞争出现交叉的情况。 对比发现,在反对称“铁磁-反铁磁-铁磁”结构中体系的能隙由一条变成两条,交换耦合对共振频率的影响更为明显且复杂。由于自旋方向的改变,第三层子格的自旋量子数不再影响高频的共振频率。基态时,第三层的层内交换耦合对磁矩的影响减弱。第一二层的层间交换耦合对磁矩的影响趋势与“铁磁-反铁磁-铁磁”结构类似。由于结构不具有对称性,层间的交换耦合、各向异性对磁矩的影响效果发生改变。

关键词： 氮掺杂石墨烯   铜膜   电流密度极限   失效分析   纳米材料  

摘要： 随着集成电路的快速发展和电子设备的不断小型化,电子芯片内部的布线逐渐变窄,导致电流密度剧增。纳米级导体中存在极高的电流密度和焦耳热集中现象,这将引起严重的可靠性问题,特别是在电迁移和热迁移,这两者都会显著缩短导体的寿命。因此,迫切需要一种能够承受更高电流密度的导体来弥补传统铜导线的不足。近年来,碳金属基复合材料因其优异的载流能力而备受关注,如石墨烯、碳纳米管和碳纤维等材料已被纳入金属基体中。这些复合导体结合了铜中的高载流子浓度和碳材料中的高导热性以及高载流子迁移率。因此,本论文将高载流性能复合导体作为研究目标,采用天然蚕丝制备的丝素蛋白溶液作为碳源,以在石墨烯中实现氮掺杂,并通过微波等离子体烧结使氮掺杂石墨烯（Nitrogen-doped Graphene,NG）与铜膜有效结合,成功制备了具备高载流性能的NG/Cu复合薄膜。具体研究内容如下: （1）优化了NG/Cu复合薄膜的制备工艺以及结构。首先,研究了丝素蛋白溶液的旋涂转速对NG的厚度和电、热性能的影响。实验结果显示,通过调控转速可以有效调控石墨烯的厚度,并且其电阻率随厚度的增加而升高,在NG的厚度为20 nm时复合薄膜表现出最佳的电学性能和热稳定性,载流能力达到4.96×10～7 A·cm-2,相比于铜膜提升了21%。其次,调整了氮掺杂石墨烯和铜膜的制备顺序,实现了过渡金属层对界面的调控,优化了NG/Cu的结构。 （2）研究了过渡金属层对NG/Cu复合薄膜界面结构和性能的影响。首先,基于电子束蒸发技术在NG/Cu之间镀覆Ag/Ti/Cr过渡层,通过调整电子束束流大小和沉积时间,制备了不同厚度占比的NG/Ag、Ti、Cr/Cu复合薄膜。实验结果表明,Ag金属界面层下复合薄膜的载流能力提升最大,在Ag厚度为2 nm时,载流能力达到1.2×10～7 A·cm-2,相比铜膜提升了83%。其次,在可靠性测试当中,NG/15 nm Cr/Cu复合薄膜的极限载流能力超过NG/Cu复合薄膜一个量级,温度负载高达156.1℃。结果证明高电导率有利于提升复合薄膜的极限载流能力,高热导率有助于增强电子元器件在温度循环下的稳定性。 （3）研究了在仿真软件中验证载流失效机制的方法。通过有限元分析软件对薄膜进行三维建模,经过求解得到瞬态下的三维温度分布以及相应的极限载流能力。研究结果表明,热传导是复合薄膜的主要热消散方式。同时,NG/Cu复合薄膜的载流性能增强主要是由于热导率的提升。

关键词： 量子点   自旋切换   自旋比特   量子计算  

摘要： 自旋比特在固态环境中的退相干是固态量子计算领域急需解决的关键问题之一,自旋比特与晶格中核自旋的耦合通常是导致自旋比特退相干的主要原因。石墨烯晶格中的核自旋浓度很低,这允许电子自旋具有较长的相干时间。研究表明,石墨烯量子点的自旋相干时间可以达到40微秒,远高于传统半导体量子点的自旋相干时间,这为自旋比特在固态环境中的退相干问题的解决提供了一个可能的方向。 本文用平均场近似来处理价带电子对简并能带的影响,用紧束缚模型(Tight-binding model,TB)和哈特里-福克近似(Hartree-fock method,HF)的组合方法,获得足够精度的单电子体系电子态,用这些电子态矢量构建少电子体系的希尔伯特空间,再用组态相互作用方法(Configuration Interaction,CI),可获得少电子体系的电子结构。在此基础上施加外场,探索体系简并能带随外场的演化过程,并对石墨烯量子点少电子体系电子结构和基态自旋的外场调控进行研究,寻找少电子体系基态自旋随外场切换的条件,进行自旋比特具体方案的理论设计和性能分析。 本文的主要工作归纳如下: 1.石墨烯量子点简并能带、自旋及其电场调制 首先,计算了电场对于三角形石墨烯量子点的本征态和化学势的影响,结果表明,随着电场的增强,体系的基态自旋保持不变,且电场倾向于消除简并壳层的强关联性,从而消除自旋极化。然后,通过分析量子点的化学势和电子库的化学势,设计了简并壳层中电子数的控制方案。最后,通过分析相互作用能,提出了一种分析两电子态总相互作用能的方法,这种方法适用于所有具有简并能级的两电子系统。最后,通过分析两电子的相互作用能,发现随着电场的变化,自旋为0和自旋为1的态的总相互作用能依次出现振荡、过渡和稳定三种特性,为量子比特的设计提供了可能性。 2.石墨烯量子点自旋切换的磁场控制及双电子自旋量子比特 首先,分析了最低的自旋为0和自旋为1态的能量差与量子点尺寸及随电场变化的关系,结果表明,在没有电场的情况下,随尺寸的增大,基态自旋在0和1之间振荡。然后,利用磁场通过自旋塞曼能对能谱进行调节,实现了双电子的自旋切换。最后,在外加磁场的帮助下,也可以通过极弱的电场来实现自旋切换。 本文共有五章,第一章介绍了论文的选题背景、石墨烯量子点的概述以及本文主要的内容和结构安排,第二章概述了计算石墨烯量子点能谱的理论方法,第三章研究了电场对三角形石墨烯量子点简并能带随电场的演变、电子数的电场控制及对相互作用能的分析和自旋切换的设计,第四章讲述了通过磁场控制三角形石墨烯量子点的性质,并设计自旋量子比特,第五章是对工作的总结及未来的展望。

关键词： 功能梯度微梁   石墨烯纳米片增强   修正应变梯度理论   振动   屈曲  

摘要： 随着科学和工程技术的发展,微米/纳米尺度的结构已出现在许多工程设备中,其中微梁因其被广泛应用于微机电系统(MEMS)、原子力显微镜、生物传感器、微执行器和微探头等设备而受到了极大的关注。另一方面,碳纳米复合材料独特的力学性能也是当前研究的热点,其中石墨烯纳米片(Graphene nanoplatelets,GPL)通过增加与基体材料的接触面积,从而更有效地传递载荷并进一步提高基体材料的强度。本文融合这两大研究热点,以GPL增强功能梯度微梁为研究对象,将基于修正应变梯度理论,分析微观结构下尺寸效应与微梁振动和屈曲的关系。主要工作为: (1)研究置于弹性地基上的GPL增强功能梯度微梁的自由振动。首先通过Halpin-Tsai模型和线性混合率模型计算了复合材料的物性参数。然后基于修正应变梯度理论和三阶剪切变形梁理论,通过哈密顿原理变分建立弹性地基上微梁的基本方程,从而推导出含有长度尺度参数的控制微分方程。将控制方程用纳维法进行解析求解,得到无量纲固有频率与各个参数之间的关系。最后,详细讨论了石墨烯分布形式、质量分数、GPL几何形状和尺寸效应等对振动行为的影响。 (2)多孔材料具有比重小、强度高等优点,将孔沿厚度方向连续分布在GPL增强功能梯度微梁中,可获得比刚度和比强度极高的材料。本文第三章将研究该复合材料微梁的屈曲特性,基于精化梁理论和最小势能原理得到石墨烯增强功能梯度多孔微梁的控制方程,并利用瑞利-里兹法进行求解,得到了四种边界条件下的屈曲载荷。最后分析讨论石墨烯质量分数、尺寸参数、孔隙分布形式、孔隙率、长厚比,长度尺度参数等对微梁屈曲载荷的影响。 本文的研究成果将揭示梯度石墨烯增强对微梁力学行为影响的内在机理,为新型复合材料微梁在工程应用中的优化设计提供理论参考。