预应力作用下双层石墨烯低温热振动

热振动对纳尺度器件动力学特性有着重要的影响.为此,建立了预应力作用下,考虑量子效应的双层矩形石墨烯的等效连续介质模型.计算了不同预应力作用下,不同温度时双层石墨烯的固有频率和均方根振幅.双层石墨烯层间存在范德华相互作用,其同向振动固有频率与相同尺寸单层石墨烯固有频率相等,双层石墨烯存在大于同向振动频率的反向振动频率.考虑量子效应板模型得到的均方根振幅值小于结合能量均分原理板模型得到的结果.且随着温度的降低,两种板模型结果之间的差值增大,量子效应越来越明显.随着预应力的增加,双层石墨烯的固有频率值增加,均方根振幅值降低,量子效应的影响逐渐增加.预应力对同向振动的影响远大于对反向振动的影响.分析了零点能量对双层石墨烯热振动的影响,当计入零点能量后,石墨烯均方根振幅大于结合能量均分原理板模型预测的结果,且在零温时依然存在不为零的振幅.     

范德瓦耳斯力对低维纳尺度结构振动特性的影响

范德瓦耳斯力对纳米材料的物理、化学、电学和力学等特性有着非常重要的影响,甚至是决定性因素.范德瓦耳斯力是影响纳尺度结构本构关系、边界条件的重要因素,进而影响其线性振动的固有频率和非线性动力学行为.本文主要介绍范德瓦耳斯力对纳尺度结构的力学行为的影响,尤其关注范德瓦耳斯力对纳尺度结构振动特性影响的最新研究进展;并对由于范德瓦耳斯力的存在,纳尺度结构动力学所面临的问题及其发展趋势做了初步展望.     

拓扑绝缘体与量子反常霍尔效应

量子霍尔效应是一种可以在宏观尺度出现的量子现象,由二维电子系统在强磁场下所具有的独特拓扑性质所引起.长期以来人们一直希望能够实现不需外磁场的量子霍尔效应,以便将其应用于低能耗电学器件.磁性拓扑绝缘体薄膜可能具有的量子化的反常霍尔效应即是一种可以在零磁场下出现的量子霍尔效应.本文介绍了拓扑绝缘体和量子反常霍尔效应的概念发展及量子反常霍尔效应如何在磁性掺杂拓扑绝缘体中实验实现,并探讨了量子反常霍尔效应在低能耗器件方面的应用前景.     

应变扭转双层石墨烯

扭转双层石墨烯是由两层石墨烯进行简单旋转再堆叠形成的二维莫尔超晶格材料,具有一系列超晶格依赖的奇特物理性质,如超导态、磁性态、局域态等,是近年来凝聚态物理和材料等研究领域最令人振奋的进展之一.然而,石墨烯莫尔超晶格材料与器件的研究依然面临着诸多挑战,其中最大的困扰在于扭转角和应变的无序性,严重影响了材料和器件的目标性能.围绕扭转双层石墨烯中的应变,本文总结了近年来相关理论和实验研究的进展,重点介绍了内在应变的起源和存在形式、莫尔超晶格结构的公度-非公度相转变、层间结构弛豫以及外加应变对材料性能的影响和调控.本文进一步讨论了该领域现存的问题,展望了未来的发展趋势,旨在促进应变扭转双层石墨烯的基础研究与实际应用.     

基于微纳材料与器件测量细胞温度

最近10年里,科研人员研发了多种微纳尺度测温传感器,希望能够借此来精确测量细胞内的温度或温度分布,但由于单个细胞的诸多限制,这些细胞测温传感器也在不断发展完善.本文将综述近年来基于微纳材料与器件测量细胞温度的研究进展,重点介绍微纳热电偶的实时细胞测温技术,最后介绍此类传感器在药物筛选、疾病诊疗等领域中的应用,并对细胞测温技术的后续发展进行了展望.具体而言,本文指出微纳尺度的细胞测温传感器一般可以分为荧光式细胞温度测量法和探极式细胞温度测量法:荧光式细胞温度测量法主要有作为温度计的有机化合物、量子点、聚合物和生物分子;探极式细胞温度测量法主要有作为热探针的热电偶、铂电阻和碳纳米管.     

有机半导体激发态的量子调控

有机半导体激发态具有多样性和独特性,这使得有机器件呈现出丰富而特有的物理现象.从根本来说,有机器件的功能过程与这些激发态的动力学演化密切相关,包括产生、弛豫、输运、复合及相互转化等.目前,多种有机器件虽已被研制成功,但其功能机制中仍有许多未解之谜,其中激发态研究是重中之重,是有机半导体物理及器件研究的重心.多年来,我们基于有机半导体激发态独特的性质、相互作用及界面过程,围绕其功能器件中的关键科学问题,通过实验和理论相结合的手段,对其内部激发态的量子效应和调控开展了多尺度的深入研究.本文将结合相关研究背景对我们在有机光伏效应和有机自旋效应两方面的一些典型工作做简要介绍.     

基于钙钛矿量子点的电致发光二极管研究进展

钙钛矿量子点因其优异的光电特性,在新型显示和固态照明等领域有着广泛的应用潜力.近年来,钙钛矿量子点成为光电领域的研究热点,钙钛矿量子点发光二极管的器件效率也有了突飞猛进的发展.本文综述了基于钙钛矿量子点的电致发光器件研究进展,分析了制约钙钛矿量子点电致发光二极管效率的主要因素,并对钙钛矿量子点电致发光器件效率提升的策略进行了讨论.     

飞秒脉冲激光双光子微纳加工技术及其应用

激光加工技术作为重要的先进制造技术之一已广泛应用于众多的工业制造领域. 利用激光直写技术进行材料加工时, 其所能达到的加工分辨率一直受到经典光学理论衍射极限的限制, 难于进行纳米尺度的加工. 飞秒脉冲激光的出现不仅为研究光与物质相互作用的超快过程提供了手段, 也为发展先进的微纳米加工技术提供了不可多得的光源. 近年来, 作为最新的激光加工技术之一的飞秒脉冲激光多光子微纳加工技术已成为国际上研究的热点. 该技术利用多光子效应和激光与物质作用的阈值效应, 成功地实现了纳米尺度的激光直写加工分辨率, 可望在功能性微纳器件制备等纳米技术领域发挥重要作用, 具有广阔的应用前景. 在2001年日本科学家利用飞秒脉冲激光双光子聚合技术首次突破衍射极限获得120 nm的加工分辨率后, 最近我国科学家实现了15 nm线宽的纳米尺度加工分辨率. 在利用多光束并行加工技术进行快速、大批量微纳结构加工的同时, 最新发展的多光束组合技术实现了多部件组合加工、一次成型, 解决了微尺度零部件组装难题, 为微纳尺度器件及微机电系统的开发提供了具有实用化前景的加工方法与途径. 利用飞秒脉冲激光双光子微纳加工技术的高精度、良好的空间分辨率和真三维加工能力的特点, 各国科学家制备出了各种微尺度光子学器件及微机电系统, 充分展示了该技术的应用前景. 随着对飞秒脉冲激光与物质相互作用机理、加工技术及相关材料技术的深入研究, 飞秒脉冲微纳加工技术必将获得快速发展, 并在先进纳米制造领域获得新的突破.     

水的核量子效应研究进展

"水的结构是什么"这是Science杂志在创刊125周年的特刊中提出的21世纪125个亟待解决的科学前沿问题之一.水的结构之所以如此复杂,其中一个很重要的原因就是源于水分子之间的氢键相互作用.人们通常认为氢键的本质为经典的静电相互作用,然而由于氢原子核质量很小,其量子效应在室温下都会非常明显,氢核的量子隧穿和量子涨落将减弱经典势垒对氢原子的限制,从而增强或减弱氢键相互作用强度,改变氢键网络构型,甚至影响氢键体系的宏观物性.该综述首先概述了核量子效应的起因和表现,然后介绍核量子效应研究的传统实验手段,以及新兴的基于扫描隧道显微镜和非接触式原子力显微镜的高分辨成像和谱学技术.然后,本文总结了水中氢核量子隧穿和量子涨落的最新研究进展,尤其是深入到原子尺度的核量子效应研究,最后对核量子效应研究所面临的问题和挑战以及未来发展方向进行评述.     

纳米量子器件研究的若干前沿问题

纳米量子器件是目前纳米物理学与纳米电子学领域中最重要的研究方向。人们预测，该领域中的任何一项具有实质意义的突破性进展，都极有可能在全球范围内触发一场新的信息技术革命。所调纳米量子器件，是指基于各种量子力学现象，如量子尺寸效应、量子隧穿效应、库仑阻塞效应、光学非线性效应以及量子信息处理等设计并制作的固态纳米电子器件、光电子器件、集成电路乃至量子计算机等。本将着重介绍目前纳米量子器件研究中的若干活跃前沿以及我们应采取的对策。     

微/纳尺度高功率电子器件产热与传热特性

传统的宏观传热理论难以准确表征几何结构尺度小于或接近声子平均自由程的高功率电子器件的产热与传热过程,此时器件中能量激发的时间尺度与声子的特征时间尺度相当,甚至小于声子的特征时间尺度,不能满足传统传热理论的假设.本文针对微/纳尺度场效应晶体管的工作过程,建立描述其内部产热及传热特性的多尺度格子-Boltzmann介观模型,通过在模型中引入源项去描述器件内部电子和声子的相互作用,分析计算不同工作状态下晶体管单元的温度分布特征,研究热管理方式对晶体管温度分布的影响,从微/纳尺度揭示了场效应晶体管的产热机理及传热特性,为热设计工作者提供一定的理论依据.     

微纳机械谐振器能量耗散机理研究进展

微纳机械谐振器因其具有超高的谐振频率、品质因子和灵敏度等优越特性,在物理传感、生物与化学检测、射频通信、能量收集等方面表现出了卓越的性能而备受关注,已成为当前微/纳机电系统领域的研究重点和热点之一.能量耗散一直以来都是制约微纳机械谐振器性能提升与应用发展的瓶颈问题,且耗散机制具有多样性、不确定性和尺度相关性.本文综述了微纳机械谐振器中的能量耗散机理与非线性阻尼效应的研究进展,主要针对热弹性阻尼、声子相互作用、黏性阻尼、支撑损耗、表面与界面损耗等内禀和外部耗散机制进行了综述,阐明了不同能量耗散的产生机理及影响规律,可为降低能量损耗和结构优化设计、提高谐振器件的品质因子和动态性能提供参考,对微纳机械谐振器的设计、制造及应用发展具有重要意义.     

石墨烯海绵的光声效应

探索了三维石墨烯海绵的光声效应.由于其具有均匀的孔结构以及良好的吸光特性,石墨烯海绵能产生均匀的光声信号.通过研究石墨烯海绵在不同气体中的光声效应,获得了所产生的光声信号与气体性质的关系.研究发现,石墨烯海绵在不同频率(20~20000 Hz)范围内,产生的光声信号均具有良好的谐振性.为了进一步解释石墨烯海绵的光声机理,建立了相应的理论模型.这些结果为利用石墨烯材料在光声器件等方面的研究提供了有益的借鉴.     

有机小分子纳米线光波导及激光器研究新进展

在过去的十几年间,一维纳米材料尤其是纳米线引起了人们广泛的研究兴趣.纳米线独特的二维量子限域效应使得它们在诸如逻辑门、光检测、化学传感等领域有着广阔的应用前景.很多纳米材料与周围环境之间折光率的差异构成一个很好的亚波长尺度的谐振腔,因此过去几年间     

锡烯的研究进展

石墨烯研究的巨大成功推动了二维晶体材料研究领域的蓬勃发展,和碳同族的Ⅳ族元素组成的具有类石墨烯结构的二维晶体材料受到了广泛的关注,其中由锡元素组成的锡烯晶体由于其优异的物理特性成为研究的热点之一.理论计算表明锡烯是一种大能隙的量子自旋霍尔效应绝缘体,还能够转化为二维的拓扑超导体.锡烯晶体在电子无耗散输运、自旋流产生、高性能热电、光电器件、拓扑量子计算等方面都具有重要的潜在应用价值.本文针对最近几年来锡烯的研究进展进行简要的综述.首先简单描述为什么锡烯晶体具有特殊的物理特性,然后介绍锡烯理论研究的进展以及最近利用分子束外延技术在锡烯晶体薄膜制备方法取得的突破,最后对今后可能的实验研究方向和内容进行了展望.     

半导体超晶格与量子微结构研究30年

半导体超晶格与量子阱系指对电子具有一维量子限制作用的多层超薄异质结人工材料,量子微结构泛指对电子具有二维和三维量子约束性质的量子线与量子点介观系统.这类低维体系的研究是近30年来半导体科学技术中,尤其是半导体物理学领域内一个发展最迅速的活跃前沿.它的研究兴起,不仅对信息科学技术,而且对低维物理、材料科学以及纳米技术的发展,正在产生着革命牲的影响.本文着重回顾与评述了30年来半导体超晶格与量子微结构在材料生长工艺、体系维度变化、物理效应产生以及新型器件应用等方面所取得的一系列重大进展,并对其在21世纪的发展作了初步展望.     

强关联量子杂质体系的精确模拟

对复杂凝聚态体系中的局域量子态的精确描述,以及对量子态在外场、环境调控下的响应与演化机制的深刻理解,对量子功能材料与器件的构筑与设计有着重要的基础性意义.然而,如何精确刻画复杂材料体系中的量子相干、关联、纠缠等特性,对理论研究而言是个传统难题.本文从全新的视角,即"开放量子体系"的角度来研究复杂凝聚态体系中的量子态.简要介绍了近年来我们基于严格的量子耗散理论发展得到的级联运动方程方法,以及该方法在实验高度关注的强关联量子杂质体系的计算模拟研究方面的应用.     

双光束激光干涉制备布基石墨烯仿生表面

提出一种利用双光束激光干涉系统制备多级石墨烯仿生表面的方法.利用Nd:YAG激光的双光束干涉系统在不同织物基底上对石墨烯氧化物薄膜进行干涉烧蚀,激光脱氧还原的同时产生石墨烯微纳结构.基底织物表面粗糙结构增大了石墨烯仿生薄膜表面粗糙度.布基的粗糙基底、激光烧蚀石墨烯微纳结构的双重作用形成多级结构的石墨烯仿生表面.这种石墨烯仿生表面不仅具有超疏水润湿性,还由于石墨烯微纳结构周期性而展现一定彩虹结构色.     

基于纳米碳的水伏材料及其能量转换器件

如何收集和转化自然界巨大的水能资源是近年来研究的焦点.自碳纳米管被发现具有在流水中产生电信号的性质以来,以纳米碳为主的水伏材料因具有独特的"水生电"特性引起广泛的研究兴趣.水能资源具有采集难度低、存在范围广、储量丰富等特点,主要以液态水、气态水两种形式存在.碳纳米管、石墨烯等纳米碳材料通过双电层理论和电动理论捕获雨水、水流、波浪等液态水能,而具有多孔结构、高比表面积、氧浓度梯度的碳量子点、碳黑、氧化石墨烯等则利用其独特的结构,实现对气态水能的转化利用.本文系统总结了纳米碳材料将液态、气态水中蕴含的机械能、化学能转化为电能的研究进展以及其能量转换器件;阐述了不同纳米碳和相关器件对水能的转化原理,并指出了水伏材料与器件发展过程中需要面对的挑战以及可能的发展方向.     

飞秒激光诱导钛表面可控微纳结构用于水下气泡操纵

针对典型金属材料钛,利用自主搭建的飞秒激光振镜扫描加工系统,加工了具有特定形貌特征的多尺度微纳结构.在此基础上对多尺度微纳结构的可逆润湿性及水下气泡操纵特性进行了实验探究,并从微观界面化学的角度阐释了可逆润湿性的调谐机理.研究结果表明:在飞秒激光烧蚀挤压作用下,钛表面诱导的多尺度微纳结构对原始表面的润湿性具有放大效应,固液接触角减小,水下气泡接触角增大;在辅助加热条件下,固液接触角增大,水下气泡接触角同时减小,气泡在表面完全铺展;随后将超疏水表面置于紫外灯下曝光,多尺度微纳结构上的液体接触角又开始减小,并最终实现了超疏水到超亲水性以及水下超亲气到超疏气的可逆调谐.另外,液体接触角与水下气泡接触角的可逆调谐特性呈现相反的变化趋势,这与固液气三相接触线的移动机制密切相关.本文对实现钛表面微纳结构设计与调控,提高具有可逆润湿性的金属表面在水下气泡操纵与收集,以及污水处理等领域的应用都具有重要意义.