硅和锗纳米线的原子排布和电荷分布的密度泛函紧束缚方法研究

低维硅锗材料是制备纳米电子器件的重要候选材料，是研发高效率、低能耗和超高速新一代纳米电子器件的基础材料之一，有着潜在的应用价值。采用密度泛函紧束缚方法分别对厚度相同、宽度在0.272 nm~0.554 nm之间的硅纳米线和宽度在0.283 nm~0.567 nm之间的锗纳米线的原子排布和电荷分布进行了计算研究。硅、锗纳米线宽度的改变使原子排布，纳米线的原子间键长和键角发生明显改变。纳米线表层结构的改变对各层内的电荷分布产生重要影响。纳米线中各原子的电荷转移量与该原子在表层内的位置相关。纳米线的尺寸和表层内原子排列结构对体系的稳定性产生重要影响。     

多级孔芳香骨架材料的合成及固载硫脲催化剂的研究

合成了一种多级孔芳香骨架材料(PAF-70); 使用由氨基修饰过的单体, 应用该合成策略得到了同样具有窄分布介孔的含有氨基活性位点的PAF材料, 并通过硫脲单体与其氨基活性位点的反应, 将硫脲基团引入PAF-70材料中, 获得了含有硫脲催化位点的材料(PAF-70-thiourea). 氮气吸附-脱附测试结果显示, PAF-70存在孔径分布较窄的介孔, 介孔孔径为3.8 nm, 与模拟计算值(约3.7 nm)吻合. 热重分析结果表明, PAF-70具有很高的热稳定性. PAF-70在大多数溶剂中可以稳定存在, 具有良好的化学稳定性. 将PAF-70-thiourea作为催化剂, 应用在N-溴代琥珀酰亚胺(NBS)氧化醇类的反应中, 其表现出较高的催化活性、 较高的稳定性和广泛的底物适用性. 与含有相同硫脲催化位点的金属有机框架(MOF)材料(IRMOF-3-thiourea)作为催化剂对比, 进一步证实PAFs材料非常适合作为催化有机反应的固载平台.     

非富勒烯受体DA'D型稠环单元的结构修饰及电池性能研究

近年来,设计和合成高性能非富勒烯受体(NFAs)材料已经成为太阳能电池研究领域的前沿课题。基于DA'D型稠环结构的NFAs由于具有吸光系数高、能级和带隙可调、结构易于修饰、分子可高效合成、光电学性能优异等优点而受到了越来越广泛的关注。在短短7年的时间里,能量转换效率(PCE)从3%~4%提高到18%。2019年初邹应萍等报道了一个优秀的受体分子Y6,与PM6共混制备单结电池,获得了15.7%的能量转换效率。Y6类受体材料的中心给电子单元为DA'D型稠环结构,缺电子单元(A')通过氮原子与两个给电子单元(D)并联形成稠环结构,这有助于降低前线分子轨道能级并增强吸收,同时与氮相连的两个烷基链和位于噻吩并噻吩β位的两个侧链则有助于提高溶解度及调节结晶性。自Y6问世以来,人们对分子的结构剪裁进行了深入的研究,并报道了数十种新的结构。在这些新的受体中,DA'D部分的结构裁剪对提高器件效率和太阳能电池的性能起着至关重要的作用。本文对A'、D单元和侧链结构修饰的研究进展进行了综述。通过选择几组受体,对最近报道的分子进行分类,并将它们的光学、电化学、电学和光电性质与精确的结构修饰相关联,从而对结构-性能关系进行全面概述。     

Y掺杂WS2二维材料的第一性原理研究

WS₂由于其优异的物理和光电性质引起了广泛关注。本研究基于第一性原理计算方法,探索了本征单层WS₂及不同浓度W原子替位钇(Y)掺杂WS₂的电子结构和光学特性。结果表明本征单层WS₂为带隙1.814 eV的直接带隙半导体。进行4%浓度(原子数分数)的Y原子掺杂后,带隙减小为1.508 eV,依旧保持着直接带隙的特性,随着Y掺杂浓度的不断增大,掺杂WS₂带隙进一步减小,当浓度达到25%时,能带结构转变为0.658 eV的间接带隙,WS₂表现出磁性。适量浓度的掺杂可以提高材料的导电性能,且掺杂浓度增大时,体系依旧保持着透明性并且在红外光和可见光区对光子的吸收能力、材料的介电性能都有着显著提高。本文为WS₂二维材料相关光电器件的研究提供了理论依据。     

金刚石衬底上GaN HEMT沟道温度建模:各向异性且非均匀热导率的影响

为了改善GaN HEMT的自热效应,集成高热导率的金刚石衬底有助于增强器件有源区的热量耗散。然而,化学气相淀积(CVD)生长的多晶金刚石(PCD)具有柱状晶粒结构,导致了各向异性的材料热导率,且其热导率值与生长厚度有关。为此,通过建模金刚石生长过程中晶粒尺寸的演变过程,计算了金刚石沿面内和截面方向的热导率。基于该PCD热导率模型,利用计入材料非线性热导率的GaN器件热阻解析模型,计算得到了GaN HEMT沟道温度的波动范围,并分析了其与器件结构(栅长、栅宽、栅间距、衬底厚度)和功耗的依赖关系。最后,通过与有限元(FEM)仿真结果对比,分区域提取了GaN HEMT器件中PCD衬底的有效热导率,分别为260~310 W/(m·K)和1 250~1 450 W/(m·K)。本文的计算为预测金刚石衬底上GaN HEMT器件的沟道温度提供了快速、有效的方法。     

多孔有机笼的制备及其用作毛细管电色谱手性固定相

多孔有机笼(POCs)是具有一类内在的、客体可及的空腔的离散分子，是一类独特的微孔材料。本文根据席夫碱反应原理，用(1R,2R)-二氨基环己烷和3,3′,5,5′-四醛基-4,4′-联苯二酚缩合成一种孔径均匀、高比表面积、热化学稳定性良好的棱柱形手性多孔有机笼(POCs)。采用核磁共振氢谱仪、红外光谱、热重分析和扫描电子显微镜对该材料进行表征。将该材料溶解在二氯甲烷中，用动态涂覆法将溶液均匀地涂覆在石英毛细管内壁上，制成毛细管电色谱柱。结果表明，该手性电色谱柱不仅能拆分氧氟沙星、特罗格尔碱、2-氨基-1-丁醇和1-苯基-1-戊醇4种手性药物，还能拆分o,m,p-甲苯胺和o,m,p-氯苯胺2种位置异构体，说明该手性柱具有良好的手性分离能力。通过研究氧氟沙星、特罗格尔碱、2-氨基-1-丁醇和1-苯基-1-戊醇的最佳拆分条件，得出电压、缓冲溶液浓度和pH值对组分分离度有显著影响，其中，氧氟沙星、特罗格尔碱、2-氨基-1-丁醇的最优分离电压均为15 kV, 1-苯基-1-戊醇的最佳分离电压为17 kV;氧氟沙星、特罗格尔碱、2-氨基-1-丁醇、1-苯基-1-戊醇的最佳缓冲液浓度均为0.100 ...     

有机张力半导体及其光电特性

分子张力作为空间设计的重要组成部分正成为调控有机半导体的重要手段。由于分子内产生的拉伸张力、扭曲/弯曲张力以及空间张力而导致p轨道排布重组和构型构象结构发生变化,最近各种几何与拓扑结构的高张力有机半导体材料相继被报道,这使得高张力有机半导体材料成为有机电子领域研究的焦点。为了进一步梳理分子张力在有机半导体材料中扮演的角色与价值,该综述从分子张力的类型、实验与理论量化以及可视化出发,总结了高张力共轭芳烃的分子设计策略、与其光电性能分子张力之间的关系,以及这类新兴材料在光电领域的应用。最后,对高张力共轭芳烃的研究前景进行了展望,阐述了该类材料所面临的机遇与挑战。     

TFSI钝化晶体硅表面性质的第一性原理研究

晶体硅表面钝化是高效率晶体硅太阳能电池的核心技术,直接影响晶体硅器件的性能。本文采用第一性原理方法研究了一种超强酸-双三氟甲基磺酰亚胺(TFSI)钝化晶体硅(001)表面。研究发现,TFSI的四氧原子结构能够与Si(001)表面Si原子有效成键,吸附能达到-5.124 eV。电子局域函数研究表明,TFSI的O原子与晶体硅表面的Si的成键类型为金属键。由态密度和电荷差分密度分析可知,Si表面原子的电子向TFSI转移,从而有效降低了Si表面的电子复合中心,有利于提高晶体硅的少子寿命。Bader电荷显示,伴随着TFSI钝化晶体硅表面的Si原子,表面Si原子电荷电量减少,而TFSI中的O原子和S原子电荷电量相应增加,进一步证明了TFSI钝化Si表面后的电子转移。该工作为第一性原理方法预测有机强酸钝化晶体硅表面的钝化效果提供了数据支撑。     

基于Parity-Time对称结构极点效应构建光学三极管模型

为了构建光学三极管模型,设计了一个基于半导体磁性材料InSb的PT(parity-time)对称耦合微腔的结构模型。通过结构参数优化,产生了PT对称结构磁场强耦合的极点效应。在极点频率附近,通过改变输入电流信号改变施加在磁性材料上的磁感应强度,实现极点状态下信号的放大输出。这种放大可以是同相,也可以是反相,该设计实现了特殊光学三极管模型。     

基于三组元可调光焦度器件的变焦光学系统设计

采用矩阵光学理论分析三组元可调光焦度器件的变焦系统的一阶属性，得到了基于系统放大率的光焦度控制方程。结合三组元系统初始参数并以系统球差最小为目标，对其进行了初始结构设计，得到了透镜形状参数的控制函数，然后进行光焦度和像质评价验证计算，最后对设计实例进行了归化对比验证。验证结果表明:对球差最小优化值的求解可信，设计方法为采用可调光焦度器件设计变焦系统提供了参考。