量子点能带宽调控研究新进展

能带宽决定着量子点的光电性能,由于量子限域效应,量子点的能带宽可以随粒子大小的改变而改变.然而,通过改变粒子大小来调控量子点的能带宽仍然存在一系列问题,如极小尺寸量子点的不稳定性、大尺寸结构对量子点-生物分子结合体功能的影响等.因此,近年来开发新技术用于量子点的能带宽调控具有重要的实际意义.本文综述了量子点能带宽调控相关领域的最新研究进展,包括合金量子点、核壳量子点以及掺杂量子点等,并对其研究趋向及应用进行了展望.     

基于半导体量子点的单光子源:原理、实现和前景

确定性和高度不可分辨的单光子源是实现线性光学量子计算和固态量子网络的重要前提条件.半导体自组装量子点,具有良好的稳定性,易于集成于高品质因子的纳米微腔中,可获得超高亮度的单光子源.同时量子点可以作为光子—自旋比特的接口,可扩展的量子网络的结点.近年来共振激发技术的发展以及微腔加工技术的进步大大地提高了半导体量子点单光子源的品质,而成熟的半导体技术为这种单光子源的实用化奠定了基础.本文首先介绍单光子源的产生原理、性质以及在量子信息量子计算等领域的应用,然后介绍基于半导体量子点单光子源的技术发展和微腔量子点的进展.最后,讨论量子点单光子源未来的发展趋势.     

应变对量子材料新奇物性的调控

新型量子材料具有丰富的新奇物性,是现代凝聚态物理和材料科学研究的重要主题之一.常见的物性调控手段有很多,比如应变场、外电场、磁场、光场以及化学吸附等.其中,应变作为调节材料物性的有效手段被广泛地应用于研究中.本文对近年来发现的多种新型量子材料(拓扑材料和二维材料)进行介绍,并重点阐述本课题组在这些材料中应变效应的相关研究进展.在拓扑材料方面,主要介绍拓扑绝缘体、拓扑狄拉克半金属以及拓扑节线半金属中应变导致的拓扑相变等;在单层二硫化钼和黑磷中,对应变调节载流子输运和超导电性等研究结果进行讨论;最后对二维铁磁、铁电材料方面应变调节磁矩、电极化、居里温度以及磁光效应等问题进行了相关分析.     

金属纳米晶的相稳定性

根据热力学平衡条件, 建立了金属纳米晶的相平衡方程. 应用Fetch和Wagner的界面膨胀模型以及Smith和其合作者建立的普适状态方程, 对纳米晶界面的热力学量进行计算, 由此获得金属高温相可在较低的温度下存在的临界尺寸. 通过对元素Co的β相(fcc结构)和α相(hcp结构)纳米晶Gibbs自由能的计算表明, β相可在室温存在的临界尺寸和纳米晶界面处的过剩体积(ΔV)有关. 当ΔV 取10%时, β相应在35 nm以下稳定存在. 与Katakimi的实验较为符合. 对影响βCo稳定性的因素也作了讨论.     

SPS过程中导电粉体的显微组织演变规律及机理

放电等离子烧结(spark plasma sintering, SPS)是最近几年国际上兴起的粉末烧结新技术, 具有升温速度快、保温时间短、冷却迅速等独特优势, 尤其适于纳米及非晶块体材料、陶瓷和梯度材料等先进材料的制备. 然而, 与利用SPS技术探索新材料制备的实验报道相比, 有关其特殊烧结机制的研究极为缺乏. 基此, 选用导电的纯金属铜粉作为烧结原料, 设计了一系列烧结实验, 研究得出了SPS过程几个重要的特征烧结阶段及其中显微组织演变的规律. 提出了SPS过程中烧结体显微组织演变的“自调节机制”, 由此揭示了制备高致密度、均匀、细晶材料的SPS技术优势的内在机理; 还对SPS烧结体的致密化过程进行了定量预测, 实验测定值证实了模型预测结果.     

硅量子点双势垒存储结构及其编程机制的研究

采用等离子体化学气相沉积(PECVD)及热退火方法制备了含硅量子点的Si Cx薄膜.透射电子显微镜(TEM)观测表明Si Cx薄膜中生长了大量硅量子点.制备了含Si Cx薄膜包裹硅量子点的双势垒存储器结构.TEM观测表明,采用上述工艺成功制备了Si3N4/Si Cx薄膜/Si-QDs/Si Cx薄膜/Si O2双势垒结构的存储器结构.利用硅量子点的库伦阻塞效应及量子限域效应,从理论上分析了双势垒硅量子点存储器的编程机制,建立了双势垒存储结构阈值电压漂移模型,模拟仿真表明双势垒存储器的阈值电压漂移要大于单势垒存储器,编程速度更快.存储结构C-V特性测试表明,样品在扫描栅压为±12 V时有10 V左右的存储窗口,证明双势垒存储结构具有良好载流子存储效应.     

二维典型纳米结构的非局域化光学特性研究

由于量子效应的存在,纳米尺度结构所具有的特性很难完全基于经典力学来解释,其光学特性也难以采用经典方法得到.随着时域有限差分(FDTD)方法的发展,其在光学领域中的应用变得越来越广泛.论文基于FDTD方法研究了典型二维纳米结构的非局域光学特性,得到了不同纳米尺度结构的局域和非局域性光学特性存在的条件,分析了结构形状对其消光截面特性的影响.计算与分析结果表明随着纳米结构尺寸的减小及形状的突变,结构的非局域性越明显.我们的理论及结果可为实际小尺度纳米器件的设计提供参考依据.     

可见光驱动Methanosarcina barkeri-天然碳基半导体产甲烷性能及机制

利用半人工光合系统(非光合微生物-纳米半导体生物杂化体系)将二氧化碳转化为高热值的甲烷有助于缓解全球温室效应和能源危机.作为生物杂化体系的关键组分,纳米半导体颗粒的结构及性质显著影响生物杂化体系的性能.本研究以油菜花粉为原料,成功构建Methanosarcina barkeri-天然碳基半导体生物杂化体系(M. barkeriNCS),并将其应用于二氧化碳还原产甲烷过程.结果表明,所制备的天然碳基半导体具有可见光响应好、孔体积大等优势.在可见光(1.0±0.2 mW/cm2)照射下, M. barkeri-NCS生物杂化体系具有良好的光电性能,其甲烷产量最高可达51±4.5μmol/g.实时荧光定量多聚合酶链式反应结果进一步显示, M. barkeri膜结合氢酶和细胞色素相关基因表达显著上调,尤其是EchB(2.47±0.25倍)和VhtC(2.83±0.15倍),这表明这些基因在生物杂化体系光生电子传递-捕获-利用过程中起着关键作用.该研究结果有望为构建高效的半人工光合系统提供理论支撑.     

Fe基纳米晶晶化机理的AFM研究

用原子力显微镜(AFM)观测经不同温度退火的Fe基合金薄带(Fe_73.5Cu₁Nb₃Si1_3.5B₉)断口形貌, 结合XRD衍射晶体分析技术和综合他人已有研究结果, 分析了Nb和Cu在Fe基合金薄带退火过程中的作用机制. 提出了包裹晶颗、Nb空位团、Nb-B原子群等新概念, 并利用这些新概念描述了α-Fe(Si)纳米晶形成的机制, 从而建立了Fe基纳米晶合金由分隔相、包裹相和纳米晶相组成的三相互套结构模型.     

三维有序大孔材料的合成及应用

胶晶模板法是制备三维有序大孔(3DOM)材料较理想的方法,制备过程一般包括组装胶晶模板、往模板间隙内填充前驱物和去掉模板及前驱物转化等3个步骤。每一步都对产物的三维有序大孔结构有很大的影响。这种材料兼具固体材料本身和有序结构两种特性,在用作光子晶体、载体、电极材料、气敏元件和分离材料等方面具有潜在应用性。本文着重介绍了大孔材料的合成及应用。     

钢的氢致沿晶断裂理论

氢通过应力诱导扩散富集在晶界降低沿晶裂纹形核表面能;与此同时通过氢促进局部塑性变形使应变局部化,从而降低塑性变形功.由此可导出氢致沿晶断裂规一化门槛值(K_(IH)/K_(IC))~2=1-0.162×10~(-3))β_HCσ(H)G_H/(2r_S-r_b-0.16×10~(-3).∑β_iC_iG_i),其中β_H和β_i是氢和其他元素在晶界的富集系数,Cσ(H)是应力诱导扩散富集的氢浓度,C_i是钢中各元素平均浓度,G_H和G_i是氢和其他元素的沿晶断裂功参数,r_s是Fe的表面能,r_b是Fe的晶界能.对油管钢,实验测出K_(IH)/K_(IC)=0.26.根据实验测出的β_i值,按上式所算出的K_(IH)/K_(IC)=0.23,这与实验值基本一致.     

Sm3(Fe,Ti)29Nx/α-Fe双相纳米耦合永磁材料的制备

本文研究了熔体快淬工艺及添加元素Ti对Sm-Fe合金相的形成及结构的影响，成功制备了Sm₃(Fe,Ti)₂₉N_x/α-Fe双相纳米耦合永磁材料。研究发现，快淬薄带由Sm₃(Fe,Ti)29和α-Fe两相组成，晶化前在纳米晶周围存在部分非晶相，晶化后的晶粒间晶界平直光滑、且晶粒间结合紧密没有界面相，为晶粒间直接接触耦合。对甩带后的样品采用750℃保温10min的晶化退火得到的颗粒比较细小且均匀。氮化磁粉磁滞回线的第二象限没有出现明显的台阶，表现为单相永磁材料的特点，说明硬磁相Sm₃(Fe,Ti)₂₉N_x与软磁相a-Fe晶粒之间的交换耦合作用已形成。     

具有高温稳定性的ZrAlN薄膜的合成

干磨可以造成工具表面的温度上升到800~1000℃. 因此, 能在如此高温度下为切削工具提供保护的膜层已成为研究的热点. ZrAlN由于Al元素的存在可能具有高温稳定的结构和机械性能. 用直流磁控溅射的方法合成了ZrAlN 薄膜. 利用XRD与纳米压痕仪分析了反应气体分压和基底偏压对薄膜结构、机械性能及其高温热稳定性的影响. 在最佳条件(基底偏压-37 V, N₂分压为2×10^-5 Pa)制备的ZrAlN薄膜具有平滑的表面且其硬度具有热稳定性. 在退火之后, 该薄膜的应力由2.2 GPa降至0.7 GPa. 薄膜的高温热稳定性可能与Al₂O₃和ZrO₂晶相的形成有着直接的联系.     

Sm3(Fe,Ti)29Nx/α-Fe双相纳米耦合永磁材料的制备

研究了熔体快淬工艺及添加元素Ti对Sm—Fe合金相的形成及结构的影响，成功制备了Sm3（Fe，Ti）29Nx／α-Fe双相纳米耦合永磁材料．研究发现，快淬薄带由Sm3（Fe，Ti）29和α-Fe两相组成，晶化前在纳米晶周围存在部分非晶相，晶化后的晶粒间晶界平直光滑、且晶粒间结合紧密没有界面相，为晶粒间直接接触耦合．对甩带后的样品采用750℃保温10min的晶化退火得到的颗粒比较细小且均匀．氮化磁粉磁滞回线的第二象限没有出现明显的台阶，表现为单相永磁材料的特点，说明硬磁相Sm3（Fe，Ti）29M与软磁相α-Fe晶粒之间的交换耦合作用已形成．     

硅基光电子学研究进展与趋势

近年来硅基光电子材料和器件受到高度的重视.利用外延生长和键合技术成功研制出硅基应变赝衬底、GexSi1-x/Si量子阱、高密度锗量子点、硅基InGaAsP/Si异质结,这些进展为硅基光电子器件提供了坚实的材料基础.同CMOS工艺相结合,实现了硅量子点1.17 μm的受激发射,研制出硅基Raman激光器、1.55 μm混合型激光器、高灵敏度的Si/Ge探测器、谐振腔增强型的SiGe光电二极管、调制频率30 GHz的SOI CMOS光学调制器和16×16的SOI光开关阵列等.硅光电子学将在光通信、光计算等领域获得重要应用.本文综述了国内外硅基光电子材料和器件的进展、我们的研究结果和硅基光电子学的发展趋势.     

基于室温单自旋磁共振技术的量子精密测量

实现深及单个量子系统的测量技术,能够揭示出在传统宏观测量中被系综统计所平均掉的独特的个体信息.金刚石中的氮–空位色心(NV色心)在室温下具有超长的相干时间,并可以通过光探测磁共振的方式进行单量子体系的操控和读出,已经成为实现量子精密测量和量子信息处理的重要平台.尤其在测磁学方面,朝向单分子成像的研究正在全力进行.本文回顾了基于NV色心的量子精密测量研究,介绍了其在测量磁场、电场、力学系统、温度等方面的相关进展,讨论了本领域今后可能的发展方向.     

纳米薄膜及相应三维结构的构建、特性及应用

纳米薄膜是纳米材料家族一个新兴的成员,由于其特征厚度介于原子以及微米量级之间且具有高比表面积,纳米薄膜展现出了与宏观材料不同的特殊性质.纳米薄膜可以进行人为的操控甚至从衬底上脱离成为独立的薄膜.纳米量级的厚度使得该薄膜容易图形化以及加工成为复杂的二维、三维微纳结构.本文综述了纳米薄膜研究领域近年来的研究成果,包括各类性质研究和潜在应用方面的探索.纳米薄膜及相应三维结构在电学、光学、磁学、微纳机电等领域的广泛应用前景将使其成为纳米材料与器件研究领域一个重要的研究方向.     

蓝紫光InGaN多量子阱激光器

在(0001)蓝宝石衬底上外延生长了InGaN长周期多量子阱激光器结构. 三轴晶X射线衍射测量显示该多量子阱结构质量优良. 用该外延片制作了脊形波导GaN激光器, 激光器的腔面为GaN的自然解理面. 室温, 电脉冲注入, 激光器可实现激射. 阈值电流密度为3.3 kA/cm2, 特征温度为145 K.     

ZnO纳米阵列基钙钛矿太阳能电池的光电性能分析

近年来钙钛矿材料CH3NH3Pb X3(X=Cl,I,Br)因其在可见光范围的吸光系数大、成本低廉、能量转换效率高等优势而得到快速发展.本文采用低温化学水浴沉积制备出有序的Zn O纳米阵列,进一步在Zn O纳米阵列上旋涂不同体系的Ti O2,制备出Zn O/Ti O2复合阵列结构作为钙钛矿太阳能电池的电子传输层,通过改变Ti O2掺入体系探究电极的微结构变化和电池光电性能.研究表明,Zn O纳米阵列经过Ti O2浆料处理的复合体系组装的电池具有最优的光电性能,进一步考察Ti O2浆料浓度对电池性能的影响表明,当Ti O2浓度为0.1 mol/L时得到最佳性能,其组装电池的开路电压(Voc)达到0.93 V,短路电流(Jsc)为15.30 m A cm-2,填充因子(FF)为43%,效率(η)为6.07%.效率的提升主要是因为钙钛矿能深入Zn O阵列的间隙,同时在阵列的上部形成了均匀致密的覆盖层,有效提高了电池的光俘获,同时抑制了载流子的复合.在Zn O/Ti O2浆料复合阵列结构优化浆料浓度的基础上,进一步对纳米阵列采用Ti Cl4溶液进行处理,电池的光电性能得到大幅提升:Voc=0.99 V,Jsc=19.09 m A cm-2,FF=58%,效率η达到11%.性能提升的原因主要是Ti Cl4溶液对复合纳米阵列的处理,引入了小Ti O2纳米颗粒到Zn O/Ti O2浆料复合阵列结构中,有效地填补了阵列中的间隙,后续旋涂钙钛矿材料,阵列上部的钙钛矿覆盖层和间隙中的钙钛矿纳米晶,其光照后产生的载流子都可以与电子传输层有很好的接触,从而快速地经由Zn O阵列传导至导电衬底,此外小纳米颗粒的引入,也增大了电极的表面积,提高了对钙钛矿物质的吸附,增大了光俘获,因而电池的整体性能都得到提高.     

用迭代非均匀B-spline曲线(曲面)拟合给定点集

基于盈亏修正的思想, 提出迭代非均匀B-spline曲线曲面的算法, 来解决目前计算机辅助设计和逆向工程中急需解决的一个关键问题: 无需求解方程组得到拟合(插值)给定点集的曲线曲面. 其基本思想是首先按给定的拟合点集作一条(张)初始的非均匀B-spline曲线(曲面), 然后用迭代公式逐次调整其控制顶点, 得到一族拟合精度不断改善的非均匀B-spline曲线(曲面). 用现代矩阵理论严格证明了迭代的极限曲线曲面插值于给定点集. 这种用迭代法产生的非均匀B-spline曲线曲面具有符合NURBS标准、显式表达、局部性和保凸等优点.