基于硅锗异质结的二维量子点阵列的制备与表征

硅基半导体量子点中的自旋量子比特近几年来发展迅速,其单比特门与两比特门操作保真度已经突破了容错量子计算的阈值.在此基础上,如何构建硅基量子点二维阵列变得广受学界关注,然而二维阵列复杂的结构在器件制备和测量上均带来挑战.本文设计并成功制备了一种Si/SiGe异质结上的2×4结构八量子点二维阵列器件.借助输运测量方法测量了八量子点器件的全部电荷稳定性相图,并进一步地使用电荷感应调制测量方法得到了器件内的少电子区电荷稳定性相图,说明了对量子点电荷态的高灵敏度探测能力.此外,通过调控势垒电极展示了对量子点间隧穿耦合的调控作用并测量了多量子点耦合的电荷稳定性相图.本文的研究结果展示了使用Si/SiGe异质结构建自旋量子比特二维阵列的潜力,为未来硅量子点二维阵列的进一步扩展提供经验与参考.     

二维光催化材料的电子结构调控与应用研究进展(特邀)

首先综述了基于二维光催化剂的电子结构调控方式,包括厚度调节、元素掺杂、缺陷工程和异质结的设计等.其次,由于半导体异质结在减少光生电子空穴复合速度方面具有独特的优势,着重介绍了由二维材料与其它不同维数的半导体界面组成的异质结的研究进展.最后介绍了新型二维光催化材料在析氢、CO2还原、固氮和污染物降解等方面的应用.总结文献...     

磷烯基二维范德瓦尔斯异质结的理论表征

本文基于单层黑磷和蓝磷,理论设计出二维范德瓦尔斯异质结、能带结构、态密度、Bader电荷布局、电荷密度差分图及光吸收谱等,计算结果表明它是典型的第二型异质结,有利于光生载流子分离,且可见光捕获能力显著增强.内禀的界面极化电场能有效阻止光生电子-空穴的复合.表明磷烯基二维范德瓦尔斯异质结是一类性能优异的光解水催化剂.     

磷烯基二维范德瓦尔斯异质结的理论表征（英文）

本文基于单层黑磷和蓝磷,理论设计出二维范德瓦尔斯异质结、能带结构、态密度、Bader电荷布局、电荷密度差分图及光吸收谱等,计算结果表明它是典型的第二型异质结,有利于光生载流子分离,且可见光捕获能力显著增强.内禀的界面极化电场能有效阻止光生电子-空穴的复合.表明磷烯基二维范德瓦尔斯异质结是一类性能优异的光解水催化剂.     

钙钛矿CsPbX3(X=Cl,Br,I)与五环石墨烯范德瓦耳斯异质结的界面相互作用和光电性能的第一性原理研究

异质结工程是一种提高半导体材料光电性能的有效方法.本文构建了全无机钙钛矿CsPbX₃(X=Cl,Br,I)和二维五环石墨烯penta-graphene(PG)的新型范德瓦耳斯(vdW)异质结,利用第一性原理研究了CsPbX₃-PG异质结不同界面接触的稳定性,进而计算了稳定性较好的Pb-X接触界面异质结的电子结构和光电性能.研究结果表明,CsPbX₃-PG(X=Cl,Br,I)异质结具有II型能带排列特征,能级差距由Cl向I逐渐缩小,具有良好的光生载流子分离能力和电荷输运性质.此外,研究发现CsPbX₃-PG异质结能有效拓宽材料的光吸收谱范围,并能显著提高其光吸收能力,尤其是CsPbI₃具有最优的光吸收性能.经理论估算,CsPbX₃-PG的光电功率转换效率(PCE)可高达21%.这些结果表明,全无机金属卤化物钙钛矿CsPbX₃-PG异质结可以有效地提高半导体材料的光电性能,预期在光电转换器件中具有重要的应用潜力.     

碳量子点负载TiO_2纳米棒阵列的光电化学性能

研究了碳量子点负载的Ti O2纳米棒阵列光阳极的光电化学过程和光催化行为。实验发现碳量子点的引入使Ti O2纳米棒阵列在可见光区域的吸收强度增强,对可见光的响应电流提高3倍,光照下的开路电位增加了2.5%,光生载流子的转移和传输能力得到相应提高。光阳极对亚甲基蓝的降解特性显示,碳量子点的引入使Ti O2纳米棒在可见光照射下的催化效率由25%提高到33%。利用电化学交流阻抗谱(EIS)、MottSchottky曲线讨论了光影响下的电荷运动过程,表明Ti O2纳米棒阵列负载碳量子点后的电荷转移电阻减小,电子寿命增加;碳量子点的负载使Ti O2纳米棒的平带电位负移,导带位置提高,电子的还原能力增强。     

NiO/TiO2复合纳米管的水热制备及光催化性能

采用水热法,制得了管径约为10～15nm、管长约为10～300nm、管壁上附着NiO纳米颗粒的TiO_2纳米管复合光催化剂(NiO/TiO_2).采用X射线衍射、透射电子显微镜、扫描电镜、X射线光电子能谱及紫外-可见漫反射光谱等技术对催化剂进行了表征;以甲基橙为模拟污染物,评价了纳米管的光催化活性.结果表明:NiO晶粒与TiO_2晶粒结合形成p-n异质结,有效地促进了光生电子和空穴的分离;NiO对可见光有强烈的吸收,使复合TiO_2纳米管在整个可见光区域均有很好的光吸收;以上两点使NiO/TiO_2纳米管可见光下的光催化活性大幅提升,500℃煅烧后纳米管对甲基橙1h分解比由纯TiO_2纳米管的7.0%提升至NiO/TiO_2纳米管的95.6%.     

卤氧化铋与半导体光催化剂偶合研究新进展

两种半导体耦合能够形成异质结而使系统的电荷分离效率得到提高,扩展对光谱吸收范围,以便提高其光催化性能。半导体耦合在制备过程中容易受到制备方法、反应温度等影响,引起耦合半导体晶体结构和表面性质发生变化,从而使得其光催化量子效率增大。主要从以下三个方面进行了论述,(1) 卤氧化铋-氧化物偶合体系, 将半导体材料与BiOX进行复合,能够形成高效异质结型结构能提高光催化降解污染物光催化性能; (2)AgX-BiOX偶合体系, 与纯净的AgI或BiOI相比,复合光催化材料AgI/BiOI在可见光下具有更高的光催化反应活性。(3)卤氧化铋与其它化合物偶合体系,Bi₂S₃与BiOX进行偶合后,光生电子在两种催化剂中进行迁移,提高了电子与空穴分离效率,因而偶合物的光催化性能得到提高。另外,本文综述了近年来国内外半导体耦合制备方法、影响其光催化性能的因素、提高可见光利用效率的最新研究进展,并提出在半导体耦合研究中所要解决的主要问题及今后努力方向。     

半导体红外量子点发展现状与前景

半导体量子点具有独特的光学与电学性质,特别是红外量子点良好的光稳定性和生物相容性等优点使其在光电器件、生物医学等领域受到广泛关注。综述了吸收或发射光谱位于红外波段的量子点在激光、能源、光电探测以及生物医学等方面的应用现状与前景,归纳了适用于红外量子点材料的制备方法,并对比了不同方法在应用中的优势。半导体红外量子点材料选择丰富、应用形式多样:InAs量子点被动锁模激光器在1.3 μm波长处产生7.3 GHz的近衍射极限脉冲输出;InAs/GaAs量子点双波长激光器可泵浦产生0.6 nW的THz波;PbS量子点掺杂光纤放大器可在1.53 μm中心波长处实现10.5 dB光增益,带宽160 nm;CdSeTe量子点敏化太阳能电池、异质结Si基量子点太阳能电池的总转换效率可达8%和14.8%;胶质HgTe量子点制成的量子点红外探测器(QDIP)可实现3 μm~5 μm中波红外探测,Ge/Si量子点可实现3 μm~7 μm红外探测;CdTe/ZnSe核壳量子点可用于检测DNA序列的损伤与突变。半导体红外量子点上述应用形式的发展,将进一步促进红外光电系统向高效、快速、大规模集成的方向演进,也将极大地促进临床医学中活体成像检测的应用推广。     

Z型光催化材料的研究进展

与植物光合作用相似, Z型光催化材料体系是由电子传输介质、光还原剂和光氧化剂组成的双光子体系, 其应用于光催化反应具有很大的优势: 借助双光子激发过程, 在不同光催化剂上分别完成氧化反应和还原反应, 有效促进了光生电荷的分离和迁移. Z型反应体系中的光催化剂只需分别满足各自的光激发过程和对应的半反应, 为光催化材料的选择和设计提供了很大的空间. 光催化还原位点和氧化位点分别在两个光催化半导体上, 还原和氧化过程相互分离, 可以有效抑制逆反应的发生. 同时, 催化材料光还原剂中的光生空穴被来自光氧化剂中的光生电子复合, 光催化体系的稳定性随之增强. Z型光催化材料体系, 表现出了宽光谱响应, 高稳定性, 高光生载流子的分离效率, 强氧化还原能力, 具有广阔的应用前景.     

Si纳米量子点的LPCVD自组织化形成及其生长机理研究

采用低压化学汽相沉积(LPCVD)方法，依靠纯SiH₄气体分子的表面热分解反应， 在由Si—O—Si键和由Si—OH键终端的两种SiO₂表面上，自组织生长了Si纳米量子点. 实 验研究了所形成的Si纳米量子点密度随SiO₂表面的反应活性位置数、沉积温度以及反应气 压的变化关系. 依据LPCVD的表面热力学过程，定性地分析了Si纳米量子点的形成机理.研究结果对具有密度分布均匀和晶粒尺寸可控的Si纳米量子点的自组织生长，以及Si基新型量子电子器 关键词： Si纳米量子点 LPCVD 自组织化形成 生长机理     

CdSe/ZnS量子点和量子点-受体分子复合物的超快动力学研究

量子点(QD)作为一种新型的半导体纳米发光材料,由于其独特的光学性质,如发光颜色可调、尺寸可调、激发光谱宽和发射光谱窄等优点,自被发现以来一直备受关注。相比于单量子点而言,核/壳量子点更为优异的光学性能使其成为光伏器件应用中的理想材料,例如在量子点敏化太阳能电池中,Ⅰ型核/壳量子点太阳能电池器件表现出更高的稳定性和转换效率。然而,界面电荷转移和电荷复合过程如何影响器件性能一直是大家关注的焦点,相关方面认知的匮乏阻碍了量子点光伏器件的进一步发展。为了对电荷转移(CT)和复合过程有更加清晰的认识,通过利用飞秒时间分辨瞬态吸收(TA)光谱和量子化学计算相结合的方法,对Ⅰ型CdSe/ZnS核/壳量子点和三种量子点-电子受体分子(如1-氯蒽醌(1-CAQ)、蒽醌(AQ)和甲基紫(MV²⁺))复合物的载流子动力学进行了全面而细致的研究。通过光谱分析表明,QD-MV²⁺复合物发生了最快的电子转移(ET)和俄歇复合(AR)过程,并且ET速率与AR速率呈正相关关系。此外,根据Marcus ET理论和密度泛函理论计算,证明了电子受体的带隙和给受体之间的能级差作为...     

Ag/K_4Nb_6O_(17)异质结催化剂的制备、光谱分析及光催化性能研究

采用低温水热法成功制备了层状的K4Nb6O17半导体光催化材料。考虑到水热合成的K4Nb6O17表面多羟基(Nb—OH)和端氧(Nb O,Nb—O-)的特点,采用Ag(en)2+配合物前驱体法制备了高度均匀分散的Ag/K4Nb6O17异质结光催化剂,光催化性能评价结果表明,半导体K4Nb6O17表面负载极少量的Ag,其光催化降解甲基橙活性便得到大幅度提高,Ag的最佳负载量为0.5 at%。综合XRD,FTIR,UV-VisDRS,XRF和TEM表征结果,对Ag/K4Nb6O17异质结光催化剂的作用机制进行了较详细地阐述并获得如下结论:(1)K4Nb6O17提供了降解有机染料分子的电子和空穴;(2)K4Nb6O17纳米晶上Ag粒子作为光生电子接受器,促进了金属-半导体界面上电荷的转移,有效地分离了光生电子-空穴对,提高了光催化活性。     

In2O3/CuO纳米异质结的制备和光催化性质研究

通过溶胶-凝胶结合静电纺丝过程制备了In₂O₃/CuO纳米异质结。XRD和Raman光谱的研究表明,随着前驱物中Cu/In比例的增加,CuO相的含量逐渐增加。吸收光谱研究表明,随着CuO含量的增加,复合纳米结构的可见光吸收明显增强。光催化实验研究结果表明,In₂O₃/CuO纳米异质结具有比单一相的In₂O₃和CuO更强的光催化性能,其主要来源于异质结所导致的增强的光生电子和空穴的分离效率。     

Ag-TiO_2/KIT-6复合纳米光催化剂的研究

以有序介孔SiO2(简称KIT-6)为载体,采用钛酸丁酯水解法将纳米TiO2与KIT-6复合,并通过沉积沉淀法将纳米Ag粒子负载于其上,首次制得Ag-TiO2/KIT-6复合光催化剂,并采用相同的方法制备了一系列相关的催化剂.以光催化降解甲基橙来评价其催化性能,光催化活性顺序为Ag-TiO2/KIT-6＞Ag/TiO2＞TiO2/KIT-6＞TiO2＞Ag/KIT-6.利用XRD、N2物理吸附、XPS、UV-Vis DRS和TEM对系列催化剂进行表征,结果表明Ag-TiO2之间形成的异质结和催化剂的大比表面积是Ag-TiO2/KIT-6具有最高光催化活性的重要原因.其中Ag-TiO2之间的异质结结构,有效抑制了光生电子和光生空穴在TiO2表面和体相内部的复合,提高了光催化活性;此外Ag-TiO2/KIT-6的大比表面积大大提高了催化剂的吸附能力,增加了催化剂与污染物的接触,达到快速光催化降解污染物的目的.     

二维GaTe/Bi_2Se_3异质结:一类有潜力的Z型光解水催化剂（英文）

本文基于第一性原理方法,计算了二维GaTe/Bi_2Se_3异质结的电子结构、界面电荷转移、静电势分布、吸收光谱及光催化性质.计算结果表明异质结是一个小能隙的准直接半导体,能有效捕获太阳光.由于相对较强的界面内建极化电场和带边轻微弯曲,导致异质结中的光生电子和空穴分别有效分离在GaTe单层和Bi_2Se_3薄片上,可用于析氢和产氧.这些理论计算结果意味着二维GaTe/Bi_2Se_3异质结是一类有潜力的Z型太阳能全解水催化剂.     

Ni纳米团簇修饰的板钛矿TiO_2准纳米立方块的制备及其光催化产氢性能（英文）

本文采用化学还原法制备了系列Ni纳米团簇(NCs)修饰的板钛矿TiO_2准纳米立方块(Ni/BTN).结果表明,Ni NCs的负载量和氧化态对Ni/BTN复合材料的光吸收、光催化活性和稳定性均存在显著的影响.在制备的系列Ni NCs负载产物中,0.1%Ni/BTN复合材料的光催化产氢活性(156μmol/h)最佳,为单纯的BTN产氢活性(36μmol/h)的4.3倍.进一步的研究结果表明,Ni NCs的超细尺寸(～2 nm)和高分散性有利于快速捕获BTN的光生电子,从而可缩短光生电荷的传输距离和提高BTN的光催化活性.结果证明了板钛矿TiO_2是一类潜在的高效光催化材料,为采用低成本Ni基助催化剂进一步提高其光催化性能的研究提供了重要的思路.     

ZnO一维纳米线及其异质结构的外延生长

一维纳米结构因其优异的光、电特性，在纳米电子学，光电子学器件等方面有重要的应用价值而倍受关注．在一维半导体纳米材料中，ZnO因激子束缚能大（60meV），可在室温获得高效的紫外发光而成为近年来继GaN材料后的又一研究热点．外延生长一维纳米结构ZnO及其量子阱材料除因量子尺寸效应更适宜做室温紫外发光、激光材料与器件外，还因界面和量子限制效应而具有许多新奇的光、电、和力学特性，可应用于纳米光电子学器件，传感器及存储器件，纳米尺度共振隧道结型器件和场效应晶体管的研制和开发．文章着重介绍了目前ZnO一维纳米结构制备，一维ZnO纳米异质结构和一维ZnO／Zn1-xMgxO多量子阱结构的外延生长和研究进展．     

二维MoSi2N4WSe2异质结的第一性原理研究

实验上新合成的MoSi2N4（MSN）由于其独特的七原子层结构和电子特性引起了人们的广泛关注。本文搭建了一种由二维MSN与二维WSe2（WS）垂直堆垛而成的二维MSN/WS异质结,其表现出直接间隙半导体和I型能带排列的特性,具有1.46 eV的带隙。在异质结界面处存在一个由电荷耗尽层MSN指向电荷积累层WS微弱的内建电场。最后,通过施加双轴应变对二维MSN/WS异质结进行调控。发现在正双轴应变的作用下,MSN/WS异质结保持了原来直接带隙半导体和I型能带排列特性;在负双轴应变作用下,MSN/WS异质结由原来的直接带隙半导体转变为间接带隙半导体,当施加的负双轴应变达到-6%与-8%时,I型能带排列转变为Ⅱ型能带排列。     

银/碳点复合纳米粒子的构筑及其SERS研究

碳点(CDs)作为一种新型的量子点,具有优良的发光性质,生物相容性和低毒性,以及易于化学修饰与功能集成性等优点。在光催化,光电器件,环境检测和生物成像领域有着广泛的应用[1]。碳点经常被直接使用,但最近其复合纳米粒子的研究受到越来越多关注,尤其与金属纳米粒子的复合不仅能保持两者各自本体的性质,而且具有协同作用带来的新功能。本文主要介绍了碳点作为还原剂直接还原硝酸银合成具有核壳结构的银/碳点纳米粒子,使碳点的荧光得以猝灭,得到碳点的D band和G band本征拉曼峰。然后以对巯基苯胺(PATP)为探针分子,研究了此核壳纳米粒子在溶液中的SERS性能,结果表明合成的Ag/CDs核壳纳米粒子具有稳定性好,检测限低等优点。另外Ag/CDs还具有良好的催化性能,可催化氧化TMB与催化还原PNTP,我们用SERS技术监测了整个催化过程,得到了被催化分子的变化信息,为其SERS定量与定性分析提供理论依据,扩展了碳点在SERS以及光催化领域的发展。