摘要： 近年来，以SiC、GaN、金刚石、Ga2O3为代表的宽禁带半导体在功率、射频器件方面展示出重要的研究价值，并在5G通信、汽车电子、快速充电等方面展现出了广阔的应用前景。抓住研发宽禁带功率半导体的战略机遇期，解决宽禁带半导体材料、器件、电路与系统集成中的关键技术瓶颈，具有极为重要的科学意义与实际价值。为进一步促进宽禁带半导体材料、器件、电路与系统集成等领域的新理论、新技术、新方法的创新研究，促进全国宽禁带半导体行业的相互交流、学习借鉴，

关键词： 高压   Ⅲ-Ⅴ族磷化物半导体   层状金属磷硫族化合物半导体   光电性能   超导电性  

摘要： 半导体材料作为现代工业技术的基础,在现代通信、互联网、人工智能、汽车电子等行业具有至关重要的作用。目前,半导体器件主要由硅基材料制成。但受到自身物理特性的限制,Si基半导体器件难以满足市场和科技发展的巨大需求。因此,亟需开发出具有优异性能的半导体材料。Ⅲ-Ⅴ族磷化物半导体和层状金属磷硫族化合物半导体同为典型的含磷半导体材料,具有丰富的结构和优异的物理性质,在光学、电子学、光电子学等领域展现了巨大的应用潜力,近年来引起了研究者们的广泛关注。其中,Ⅲ-Ⅴ族磷化物半导体材料的原料廉价无毒、合成方法成熟、光学性质优异和带隙宽度适中,可通过掺杂和构建异质结等调控手段有效调节其光学、电学等性质;层状金属磷硫族化合物半导体材料原子构型丰富、易于剥离、光谱响应范围较宽、光电响应性能优异,可通过施加应力、电场等方式有效调控其光学带隙等参数,显著提升其电学和光学性能。压力作为一种干净有效的调控手段,可以通过调控材料晶体结构、电子结构及微观相互作用,进而显著调节材料的物理性质。半导体材料在高压下涌现出了一些新奇的性质,如超导电性、光电流增益、超宽带光响应范围、光致发光增强等。 本文基于金刚石对顶砧技术,选取Ⅲ-Ⅴ族磷化物半导体GaP和金属磷硫族化合物半导体PdPSe和SnP2S6,结合高压光电流、光致发光、电输运、交流磁化率、拉曼、同步辐射X射线衍射等高压实验技术和理论计算,系统研究了GaP、PdPSe和SnP2S6的光学、光电、输运和结构性质在压力下的演化,主要内容如下: 一、压力诱导Ⅲ-Ⅴ族磷化物半导体GaP不可逆的结构相变和超导转变。实验和理论计算证实GaP在临界压力～20 GPa时发生压力诱导的立方相-正交相结构转变。结构的转变进一步导致了压致变色、金属化和超导电性现象的发生。随着压力增加,超导转变温度Tc单调递减。在卸压过程中,GaP经历了部分晶态-非晶态转变,同时Tc在压力下的演化趋势发生变化且超导转变明显展宽。由于结构相变的不可逆,超导电性在卸压过程中得以保留。 二、层状金属磷硫族化合物半导体PdPSe中压力诱导的光电响应增强和非晶化。研究发现压力可以显著增强PdPSe的光电响应性质,其光电流在25.9 GPa时较常压增强了两个数量级。随着压力的进一步增加,光电流信号突然消失;同时PdPSe中出现金属化和超导现象。超导转变温度Tc在压力下先单调增加,在30 GPa之上趋于稳定。高压结构分析表明,光电流的消失和超导电性的出现与高压非晶相的形成有关。由于卸压过程中非晶化的保留,PdPSe的金属导电行为一直保持至近常压。 三、层状金属磷硫族化合物半导体SnP2S6中压力下的光电响应和压力诱导的超导电性。温度、压力均可显著改变SnP2S6的发光性质,其光致发光强度在1 GPa以内出现小幅度增强,在更高压力下强度逐渐减弱。SnP2S6的光电流在12-20 GPa范围内增加。在临界压力20 GPa附近,SnP2S6中发生金属化和超导转变,与此同时光电流信号突然消失。压力下光电流的消失起源于压力诱导的金属化转变。随着压力的进一步增加,超导转变温度Tc单调上升,并于50.5 GPa时达到8.1 K。高压结构分析表明SnP2S6的菱方结构在54.1 GPa以内保持稳定,因此SnP2S6中超导电性的出现与结构相变无关。 综上所述,通过引入压力序参量,我们实现了对GaP、PdPSe和SnP2S6这三种含磷半导体材料的光学和电学性质的有效调制。这些结果有助于深入理解含磷半导体材料的结构-性质关系,同时为优化半导体材料的光学、电学性质提供了新途径。

关键词： 铁介电材料   结构维度   固态相变   二阶非线性   半导体  

摘要： 分子基铁介电化合物由于高性能以及良好的生物相容性引起了研究人员的广泛关注。有机-无机杂化化合物可依据结构维度划分为不同的类型,不同类型拥有独特的量子效应。例如二维结构体相中即可形成天然的量子阱,有利于高效荧光发射。然而化合物的性能具有一定随机性,在保持结构特性的前提下调控性能仍具有挑战。基于此,在结构维度不变的前提下,通过对母体化合物进行如卤素取代、异价金属替换、金属掺杂等方法调控性质,研究了二维和零维有机-无机杂化铁介电化合物结构与性质之间的耦合关系。主要研究内容和结果如下: （1）通过H/F取代策略制备了二维层状杂化化合物:(F2-C6H12N)2Pb Br4（1）。化合物1具有优异的切换性能,如二次谐波（SHG）、极化方向、介电常数的低损耗双稳态切换以及宽带荧光发射。研究表明氟取代后,如居里温度、极化值等切换性质有着显著提升。接着通过异价金属替换,将致癌的铅替换为三价金属和一价金属的组合,合成了一系列二维双金属钙钛矿（2-9）。这些化合物保持了双稳态切换以及半导体特性,并显著减小了对环境影响。 （2）通过在具有准球形结构的母体阳离子:3-奎宁环酮上引入柔性长链卤素替代基,成功合成出镉基低维杂化化合物:(C10H18ON)2Cd Br4（10）。化合物10具有接近水沸点的相变温度（374 K）以及小的双稳态切换损失,同时在紫外灯的激发下发射蓝白荧光。低维结构不同组分之间具有类似于主客体的关系,这为单独研究各组分提供了条件。通过在母体阳离子上引入了不同阳离子取代基,合成了化合物11-15。随着取代基链长和官能团的改变,对应化合物荧光产率有着显著增加（～20%）,表明金属距离以及结构刚性显著影响化合物的荧光发射。 （3）制备了化合物:(F2-C6H12N)2Cd Cl4（16）,具有可逆的固态相变,介电常数双稳态切换以及蓝色荧光发射。通过氟化有机阳离子,相变温度显著提升了42 K,归因于氟化后更高的旋转势垒。紫外吸收显示化合物16具有4.58 e V的超宽光学带隙,接近第四代半导体Ga2O3（4.9 e V）,是良好的半导体侯选材料。接着通过Sb掺杂,改变了化合物的前沿占据轨道,进而提升了化合物的荧光性能。这项工作为科学的化学修饰改性材料提供了见解。

ISBN: (数字)9780323951067 ISBN: (纸本)9780323951050

摘要： Semiconducting Polymer Materials for Biosensing Applications provides a comprehensive look at semiconducting polymer materials and their deposition, characterization and use in biosensors. The book begins with an introduction to the key materials and background of essential technologies. Major types of monomer chemistries and fabrication of polymer materials are discussed, with a focus on semiconducting films suitable for use in (bio)sensors. A survey of the state-of-the-art for organic thin-film polymer semiconductor sensor-based fabrication methods for materials and devices covers a wide range of chemical, material, physical and advanced fabrication techniques. The book concludes with a chapter on theoretical insights for designing sensors, (bio)sensors for medical, food and environmental applications and the future of sensors. This book is suitable for materials scientists and engineers and biomedical engineers in academia or industry.

关键词： 全固态激光器   超高斯分布模型   输出特性   泵浦光束   光纤耦合  

摘要： 长期以来,全固态激光器一直备受青睐,特别是在1342 nm激光光源方面,其在光纤通讯、激光医学等领域发挥着关键作用。随着全固态激光器的问世,研究的焦点已逐步转移到了提高工作效率和光束质量上。影响激光器效率的因素很多,主要包括泵浦方式、谐振腔设计、温度控制等。在前人的工作基础上,本文围绕如何优化泵浦光抽运模型展开研究,以半导体激光器为泵浦源,对1342 nm Nd:Gd VO4固体激光器输出特性进行分析。提出了一种基于传统描述泵浦光抽运模型的组合超高斯模型,该模型使用占比不同的高斯模型与超高斯模型的组合。主要研究内容如下: 分析激光技术及其光纤耦合过程。包括激光的基本理论及其激光工作原理,并将速率方程理论应用于本文的研究过程中,以及光学谐振腔的损耗这种影响激光工作的重要因素进行分析并提出解决方案。并介绍固体激光器常见种类。了解光纤的结构及分类、光纤耦合工作过程及工作原理。针对光纤耦合特性展开分析,研究激光耦合进光纤的耦合条件,激光与光纤机械对准误差对光纤耦合的影响,最后研究了激光入射条件对光纤输出光束的影响。 介绍高斯光束理论模型,高斯光束传输特性及基本特性,以及高斯分布的场分布。及高斯光束的准直,对于超高斯光束,主要介绍了超高斯光束的场分布、近场传播、M2因子、以及其传输特性等。 本文的创新点在于提出了半导体激光器光纤耦合光束强度的组合超高斯分布模型,数值计算了了不同阶次超高斯光束的具体分布。在上述研究基础上,实验测量了光纤耦合半导体激光器的输出光束分布,对其进行了高斯和超高斯拟合,结果表明采用高斯与超高斯光束组合更能准确的描述输出光束的分布,其决定系数达到了0.9919,优于高斯函数和2阶超高斯函数。进而利用该光纤耦合的半导体激光器输出光束作为泵浦源,构成1342 nm输出的全固态激光器,实验研究给出了该激光器输出功率与泵浦功率的关系。将此理论模型应用于光纤耦合激光二极管端面泵浦Nd:Gd VO4激光器,得到了与实验符合较好的理论计算结果。

关键词： 太阳能转换   ZnIn2S4   MoReS3   替位Cd掺杂   肖特基接触   空穴提取  

摘要： 能源危机和环境污染问题的日益加剧使得寻找可以替代化石燃料的可再生清洁能源成为人类当下的迫切议题。太阳能是离地球最近的清洁能源,其储量丰富,若能有效地将太阳能加以利用,使其替代化石能源,将极大地满足人类的能源需求。近年来,光电化学（PEC）水分解和太阳能CO2转换作为两种将太阳能转换为化学能储存在清洁燃料中的可行策略而被广泛研究。半导体材料的选择和微结构设计对于实现太阳能的高效吸收和转换至关重要。相较于金属氧化物,金属硫化物具有更合适的能带结构和更良好的可见波段响应,使其在太阳能转换领域极具应用价值。然而,金属硫化物较高的载流子复合效率和缓慢的表面氧化反应动力学等因素限制了其广泛应用。本文以Zn In2S4、CdS两种金属硫化物半导体作为模型材料,通过一系列微结构调控与界面设计策略来优化金属硫化物的光生载流子动力学,从而突破其在太阳能转换领域的应用瓶颈。实现高效的载流子分离效率、丰富的表面活性位点和快速的表面反应动力学的太阳能转换体系。为此,本文的研究主要包含以下两部分: （1）通过选择性在二维ZnIn2S4（ZIS）基面上的Zn位点引入替位Cd掺杂剂,成功地调制了掺杂Cd-Zn In2S4（Cd-ZIS）纳米片阵列光阳极的能带结构和表面电化学活性。深入的测试表征表明,Cd掺杂引入的的浅受主能级和优异的电化学活性使得表面Cd掺杂剂同时作为捕获中心和活性位点,介导半导体/电解液界面处的光空穴动力学。深入的光生载流子动力学分析表明,Cd掺杂剂的高效光空穴捕获带来了高效的光生载流子空间分离和加速的表面反应动力学。因此,最优化的2D Cd-ZIS在1.23 VRHE下光电流密度达到5.1 m A cm-2,外加偏压下的光电转换效率（ABPE）达到3%,实现了优异的PEC太阳能转换效率。这项工作揭示了一种可以有效调控下一代PEC半导体光阳极光空穴动力学的新型微结构设计策略。 （2）通过原位生长在CdS纳米线表面构筑了具有充分界面耦合的二维MoReS3纳米片。实验结果表明,二维MoReS3极高的比表面积为异质结构筑提供了丰富的表界面,功函数差异使界面处形成了由CdS指向MoReS3的界面内建电场。因此,1T`金属相MoReS3纳米片与CdS纳米线之间形成了肖特基接触。界面能带弯曲不仅显著提升了CdS纳米线的光生载流子分离效率、延长了光电子寿命,同时使得MoReS3纳米片能够有效地从界面处提取CdS中的光空穴,而MoReS3纳米片丰富的表面活性位点,有效地加速了表面光空穴氧化反应动力学,从而显著提高了太阳能驱动CO2转换效率,使得最优化的CdS@MoReS3的CO产率达到15.7μmol g-1 h-1,是CdS的7倍。这项工作不仅揭示了金属相MoReS3作为半导体共催化剂的潜力,更为基于异质结界面操纵调控载流子动力学行为提供了新思路。