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关键词： 光解水   二氧化钛   缺陷   掺杂   多体格林函数理论  

摘要： 随着全球能源消耗和对环境污染问题的高度重视,开发新的清洁的可再生能源势在必行。太阳能作为一种可持续的清洁能源引起了人们的极大兴趣。利用太阳能驱动的水分解可以储存丰富的太阳能,并生产绿色的氢气和氧气。利用半导体光催化剂分解水是目前大规模太阳能制氢的一种简单、经济的方法。二氧化钛TiO2因其低成本、储量丰富、无毒且稳定性高而被广泛研究。除了研究较多的体相材料外,二维L-TiO2纳米片也逐渐走进人们的视野,由于其独特的结构性质,已成为光催化水分解的研究热点,然而其中的反应机理还处于研究空白。TiO2由于其本征缺陷使光催化效率受阻,金属离子掺杂是提高其效率最有效的策略之一。然而一般都使用过渡金属,很少使用碱土金属。近几年,实验上发现碱土金属Mg掺杂可以消除TiO2本身的缺陷态,这无疑是对光催化反应有利的。研究掺杂Mg的TiO2的光催化水分解反应机理也是很有必要的。多体格林函数理论是目前研究电子结构最先进且计算结果最精确的理论方法之一。在本文中,利用该理论中的GW方法和第一性原理的密度泛函理论分别对二维L-TiO2纳米片和掺Mg的锐钛矿(101)面进行光催化水分解的反应机理研究,为进一步理解TiO2光催化水分解反应以及光催化剂的设计提供了一些理论基础,主要研究内容和结果如下:一、利用密度泛函理论和多体格林函数理论研究了二维L-TiO2纳米片光催化水分解的反应机理,揭示了在光催化水分解中的反应势垒和空穴转移途径。与体相金红石型TiO2相比,L-TiO2纳米片在光催化水分解反应中的优势在于关键的反应中间体Ti-OH具有良好的光生空穴捕获能力,这对氧化半反应是极为有利的。然而,Ti-OH相对于前驱体的稳定性较差是限制L-TiO2纳米片进行水分解反应的不利因素,可能会对纳米片的光催化效率产生巨大的影响。此外,我们发现在L-TiO2纳米片上引入Ti空位会使纳米片变成p-型半导体,可以使桥接氧原子成为水分解的活性位点,而且整个光催化反应的能量呈下降趋势,这样水分解反应更加容易进行。在L-TiO2纳米片上引入Ti空位可能是提高光催化效率的有效途径之一。二、实验上已经用X射线光电子能谱(XPS)分析了 Mg掺杂TiO2的表面化学成分,结果表明在TiO2表面下至少前3-5个单层中存在Mg原子。我们通过第一性原理的密度泛函理论也证实了这一结果,发现Mg原子的掺杂位置越靠下,体系就越不稳定。此外,与未掺杂的锐钛矿TiO2相比,掺杂Mg之后的水解离位点由原来的五配位Ti原子变为桥接氧,所形成的水解离产物也大不一样,而且掺杂Mg之后所形成的水解离产物更加稳定。

关键词： 磁随机存储器   磁化隧道结   自旋轨道矩   磁翻转模拟  

摘要： 近年来随着科技的发展，人们对存储器件的功能有越来越高的要求，因此越来越多的研究人员投身到研究新型存储器件的事业中，自旋轨道矩磁随机存储器（SOT-MRAM）随之产生。它完全改变了传统磁随机存储器的磁化翻转方式，缩短了磁矩翻转所用时间，降低能耗，已成为人们心中期待的快速、高效、大容量的磁随机存储器。　　本文基于宏自旋模型，通过Landau-Lifshitz-Gilbert（LLG）方程模拟了自旋轨道矩（SOT）驱动的垂直磁化磁隧道结（MTJ）的磁矩翻转情况。主要研究内容有如下：　　1.首先介绍了SOT-MRAM的研究背景及意义，并且对其发展历程和相关内容进行了简要地概述。　　2.当沿XY平面加入外磁场时，运用LLG方程讨论了垂直磁化MTJ的磁矩翻转情况。结果表明，当外加磁场与x轴的夹角为-23o时磁矩翻转速度最快，翻转时间约为1.13ns。　　3.为了降低能量损耗，研究了不加磁场的磁翻转情况。在MTJ的自由层中引入面内形状各向异性，来替代外加磁场。结果表明，利用形状各向异性场代替磁场可实现确定性磁化翻转，从而可以大幅度降低能耗。不过，磁化翻转时间较有外加磁场的情况有所增大。　　4.引入单轴应力场，探索无外加磁场的磁矩翻转情况。研究结果表明，当应力为100MPa，应力场方位角为60°，极角为15°时，磁矩翻转时间可缩短到0.47ns。相比有外加磁场情况，翻转速度有很明显的提高。　　5.由于环境温度对于磁矩有一定的影响，可以利用温度场实现无外加磁场SOT垂直磁隧道结的翻转。研究结果表明，温度场可代替磁场实现磁化翻转，并且随着温度的升高，翻转速度也随之加快。　　本文的研究结果对无外磁场SOT-MRAM的设计和优化有很好的借鉴作用。

关键词： 磁场   过渡金属氧化物   析氧性能   自旋   eg电子  

摘要： 析氧反应（Oxygen Evolution Reaction,OER）由于反应动力学缓慢,严重阻碍了整体水分解过程,因而催化剂在OER过程中显得十分重要。过渡金属氧化物,尤其是Fe,Co,Ni,Mn等金属的氧化物由于其含量丰富,价格适宜且具有不错的电化学性能,受到了人们的广泛研究。另外,磁场作为调控催化剂电化学性能的新兴手段,为设计催化剂提供了一个新的自由度,逐渐成为近些年来的研究热点。本文以过渡金属氧化物OER催化剂为对象,研究了外加磁场对催化剂性能的调控及影响机理。主要内容如下:1、钙钛矿催化剂LaSrMn O（LSMO-x,x=0,0.04,0.08）结构灵活可调,且具有独特的磁性能。本实验以居里温度为分界点,研究了在不同温度下施加磁场前后OER性能的变化情况及其可能的机理。磁场能够影响Mn的e电子填充数,在磁场作用下e电子填充接近1.2时,催化剂的电阻值和对反应中间体的吸附均达到极佳值,LSMO-x的OER性能明显增强。催化剂展现的磁电阻效应则导致了在居里温度附近施加磁场时,样品的OER性能变化最为明显。2、通过固相法制备了LaCaMn O（x=0.23,0.33,0.43）,合成的Ca掺杂样品在室温下为顺磁性,研究了磁场下催化剂的OER性能变化。以碳纸为载体时,催化剂在磁场下的OER性能基本没有变化,而以泡沫镍为载体时,催化剂对磁场表现出较为明显的响应:在施加6000 Oe的磁场后,催化剂在10 m A cm处的过电位降低了大约50 m V。性能增强的原因是铁磁性泡沫镍基底在磁场作用下对顺磁性催化剂样品产生了钉扎作用,使得LaCaMn O的自旋排列逐渐有序化。自旋有序化有利于三重态氧的产生,从而促进了整个OER反应的进行。3、制备了过渡金属氧化物FeO,研究了它在磁场下的OER性能变化。施加磁场后,不论是碳纸还是泡沫镍负载的FeO的OER性能均有所降低。原因是磁场虽然也可以使FeO的磁畴对齐从而促进OER反应的进行,但同时磁场又会改变FeO中二价铁的自旋状态,最终使e电子填充数过大。施加磁场后,FeO的电化学活性表面积（ECSA）也会有所降低,两者相结合,最终表现出的结果就是施加磁场后样品析氧反应的性能反而有所降低。

关键词： 拓扑绝缘体   蜂窝晶格   PT对称   拓扑边缘态   量子自旋谷霍尔效应  

摘要： 近年来,受到电子学领域中量子自旋霍尔效应和量子谷霍尔效应的启发,在光学领域,在二维体系下的光量子自旋霍尔效应和光量子谷霍尔效应也相继被实验验证。在光学领域,基于量子自旋霍尔效应和量子谷霍尔效应的经典模拟,开发了许多的光子拓扑电路。另一方面,能谷自由度和自旋自由度的结合可以导致一种新的拓扑传输现象--量子自旋谷霍尔效应。人们也致力于寻找可以实现量子自旋谷霍尔效应的系统,但是在大多数已知的材料平台上实现量子自旋谷霍尔效应是具有极大挑战性的,因为需要分被打破(赝)费米子的时间反演对称(T)和空间反演对称(P),但是保持组合对称S=PT完整性。环形谐振器蜂窝晶格模型便是实验可行装置,用于实现光学频率下的可重构的量子自旋谷霍尔效应。1.本论文主要研究的系统为蜂窝状环形谐振器晶格模型系统,讨论该系统实现重构的量子自旋谷霍尔效应的可能,具体研究如下:首先,我们在原有环形谐振器晶格模型中,考虑了谐振器的增益/损耗系数,在该系统中,分别从以下四种情况进行讨论:在周期晶格自能量相同时,分别考虑哈密顿量中的非线性耦合项和不考虑非线性耦合项;在周期晶格自能量不相同时,也分别考虑哈密顿量中的非线性耦合项和不考虑非线性耦合项。在这四种情况下各自得到了新的哈密顿量,我们将哈密顿量在k空间中重新表示成矩阵的形式。为了判断该系统是否可以实现量子自旋谷霍尔效应,我们通过本征值判据进行判断:当系统本征值为实数时,该系统是满足未破缺PT对称的;当系统本征值为复数时,该系统是满足破缺PT对称的;当系统本征值为0时,为PT对称的临界条件。2.通过对系统周期晶格自能量相同和不同以及非线性耦合项存在和不存在四种情形进行讨论并给出相应的判据,得到系统为PT对称时所需满足的条件。通过条件对各参量进行取值,得到了系统本征值与增益/损耗系数的关系图。3.研究了蜂窝状环形谐振器晶格模型边缘结构,讨论了锯齿型边缘结构和扶手椅型边缘结构两种情况。发现两种边缘结构都是呈规律周期性排列,用矩阵的形式表示出系统最简单的哈密顿量,画出系统本征值与增益/损耗系数的关系曲线图,并且数值模拟了两种边缘结构模型中的光强随时间的演化规律。

关键词： 量子压电电子学   自旋轨道耦合增强   量子比特  

摘要： 自旋轨道耦合涉及自旋量子比特、量子自旋霍尔效应、马约拉纳费米子等物理基础及其应用研究领域。其中Rashba自旋轨道耦合通过打破结构的反演对称性,为在外部势场中通过控制电子运动来操纵自旋提供了一种有效的方法。实验上利用操控Rashba自旋轨道耦合成功在Ga As量子点、In As纳米线中实现了对自旋量子比特的连续操纵,可能对未来量子信息处理、量子计算产生巨大影响。第三代半导体作为宽禁带半导体材料广泛应用于高性能、低功耗和高极端性能器件中,由于宽禁带的影响,Rashba自旋轨道耦合较弱影响了第三代半导体自旋量子比特的应用,研究中利用电场来增强Rashba自旋轨道耦合。本研究提出利用应力产生的极化场增强Rashba自旋轨道耦合。Zn O/Cd O量子阱结构在应力产生的极化场调控下,该量子阱Rashba自旋轨道耦合系数峰值可达83 me V·nm,比传统的Ga As量子阱高近3个数量级,同时该量子阱对应的Rabi频率可从0.19 MHz增加到4.05MHz,达到Ga As量子点对应Rabi频率相同量级。该研究有助于利用压电效应产生极化电场增强自旋轨道耦合,实现自旋量子比特的操纵,对于第三代半导体自旋量子比特的理论与应用研究具有重要意义。本论文所包含的主要内容如下:(1)研究对比了ZnO/CdO量子阱在普通绝缘态与拓扑绝缘态两类体系下极化场的调控效应,研究了不同结构不同应力对Zn O/Cd O量子阱Rashba自旋轨道偶耦合系数的影响,聚焦于在拓扑态绝缘体态下该量子阱出现的极大Rashba自旋轨道耦合系数与系数非线性变化现象。(2)研究了第三代半导体材料作为自旋量子比特材料的可行性,从理论上计算了Zn O/Cd O量子阱用作自旋量子比特材料的各项性能参数,各项参数与目前报道的Ga As量子点参数处于同一量级。同时对制备该Zn O/Cd O量子阱的难点进行调研,论证了实验上可行性。(3)对其他第三代半导体材料组成的量子阱体系中极化场调控进行分析,研究极化场调控自旋轨道耦合系数的物理机制。计算结果按照能否在应力调控下发生能级反转变为拓扑绝缘态可分为两类:在Zn O/Cd O、Ga N/In N量子阱等能级反转体系中系数有峰值且非线性变化;在Zn O/Mg O、Al N/Ga N等量子阱未发生能级反转体系中系数线性变化。以Ga In N/Ga N量子阱为例研究了在不同比例情况下极化场对自旋轨道耦合的调控。

关键词： 非线性薛定谔方程   孤立子   辅助函数   齐次平衡原则   Riccati方程  

摘要： 本文研究的非线性薛定谔方程是含有三阶色散项、自陡峭项和自频移项的两个非线性薛定谔方程(NLSE),探讨这两个方程的孤立子解的存在性问题。一个是含有三次-五次非线性项的非线性薛定谔方程利用行波变换和代入消元法将其化简为常微分方程,根据齐次平衡原则,运用Riccati方程-展开法、Riccati方程-倒数展开法、Exp-展开法求解常微分方程,从而求得了原方程的几种精确解:亮-孤子、激波、周期波。并选取合适的参数值,图示了这三种解的波形结构,还比较了这三种方法及所得精确解的关联性。另一个是Sasa-Satsuma方程采用由特殊到一般多种的探索过程。首先,当n=1时,我们引入行波变换将其化简为常微分方程后,引入变量替换φ=(?),再分别运用Riccati方程-展开法和Exp-展开法求出几类孤立子解族;然后,当n=2时,我们引入行波变换将其化简为常微分方程后,直接运用试探函数法求解和分岔法进行分析,并计算出了相应的孤子解,同时验证了明、暗-孤子解与同、异宿轨之间的对应关系;最后,对任意n的广义的Sasa-Satsuma方程,通过行波变换将其化简为常微分方程后,再引入变量替换φ=(?),运用Riccati方程-展开法和Exp-展开法进行求解,得到了一族广义的孤子解。

关键词： 自旋开关效应   自旋重取向相变   光学浮区法   稀土正铁氧体  

摘要： 稀土正铁氧体(RFe O,R=Y或稀土元素)作为一种倾角反铁磁材料,具有自旋重取向相变、磁光效应、超快自旋开关和多铁性等多种有趣丰富的磁特性,因而引起了不同领域研究者们的浓郁兴趣。拥有畸变钙钛矿结构的稀土正铁氧体,其空间群为D-Pbnm。由于稀土正铁氧体具有稀土离子亚晶格和铁离子亚晶格,两亚晶格之间以及内部复杂的超交换相互作用,令稀土正铁氧体的磁结构和磁特性变得十分有趣。在稀土正铁氧体丰富的磁性质中,自旋开关效应和自旋重取向相变被认为是未来最有可能在器件中应用的两种性质,因而备受研究者们关注。本学位论文对目前稀土正铁氧体的研究进展进行了调研,以Nd MnFeO(x=0,0.1,0.2)系列单晶样品和ErDyFe O(x=0.25,0.5)系列单晶样品为主要研究对象,探究了使用光学浮区法生长高质量单晶的制备条件,并进行以自旋重取向相变和自旋开关效应为重点的磁性表征。本研究主要内容如下:1)使用固相反应法,将Er离子和Mn离子分别掺杂进入Dy Fe O的稀土位与Nd Fe O的铁位,成功制备了ErDyFe O(x=0.25,0.5)和Nd MnFeO(x=0,0.1,0.2)多晶系列样品。采用粉末X射线衍射仪对多晶样品进行扫描,结果显示样品成相质量良好,且无杂相。通过光学浮区法成功地制备了这两个系列单晶样品。基于晶体粉末X射线衍射数据采用Full Prof软件进行结构精修,对离子掺杂后的晶体结构进行了表征。X射线背反射劳厄晶体衍射测试表明单晶质量良好,更进一步,单晶样品的三个晶轴在4π立体角中通过劳厄衍射测试确定并进行精确切割后用于磁性测量。2)对于Dy Fe O稀土位掺杂Er离子的ErDyFe O(x=0.25,0.5)系列单晶样品,在场冷(Field-Cooling,FC)和零场冷(Zero-Field-Cooling,ZFC)两种磁化强度随温度变化的测量模式下都观察到了自旋开关效应。这种在FC模式下磁化强度突然下降和ZFC模式下磁化强度突然上跳的现象,在未掺杂的母体材料Dy Fe O和Er Fe O单晶中尚未见报道。通过对ErDyFe O单晶中的自旋开关效应进行研究,发现这种自旋开关效应的触发温度可以通过超低磁场实现从50 K到400 K超大温区范围的调控。在对该系列单晶样品的自旋重取向相变研究中,ErDyFe O单晶表现出从Γ态到Γ态再到Γ态的双重自旋重取向相变。3)在50 Oe外加磁场下,观察到Mn离子掺杂Fe位单晶样品Nd MnFeO和Nd MnFeO中呈现出三个自旋组态,从高温区倾角反铁磁相Γ态到完全反铁磁相Γ态,再到低温区倾角反铁磁相Γ态的双重自旋重取向相变。更有意思的是,在室温附近,Nd MnFeO和Nd MnFeO单晶沿c轴方向呈现出由磁场诱导的“台阶式”自旋开关效应。测试结果显示,该类磁场诱导的“台阶式”自旋开关效应具有很好的可重复性。同时,还观察到沿c轴方向磁场诱导的自旋重取向相变,而且距离自旋重取向相变温度越近,所需诱导磁场的数值就越低。

关键词： 团簇   类卤素超原子   磁性超原子   吸附   密度泛函理论  

摘要： 性能各异的原子团簇在磁学、电学和光学等领域具有潜在的应用前景,使原子团簇的设计及性质研究成为近年来的热点领域。在众多金属团簇中,铝团簇因其特殊的物化性质而被广泛研究。其中,最典型的例子是倾向于获得一个额外电子以填充空的2P分子轨道,从而满足闭壳层电子结构的类卤素超原子Al。基于此,科学工作者表征并研究了大量的掺杂铝团簇。但是,目前对于镧系元素掺杂铝团簇的研究鲜见报道。本文采用量子化学方法,理论设计并研究了镧系元素钆掺杂的铝团簇AlGd及其阴离子AlGd。结果显示,AlGd的全局极小值结构为九重态,呈现掺杂原子位于Al骨架底部的二十面体构型。AlGd的全局极小值结构为八重态,其几何骨架与AlGd的全局极小值结构相似。分子轨道分析表明,Gd原子的4f电子倾向于定域在原子轨道上,并且AlGd团簇额外得到的一个电子倾向于填充到1F分子轨道中,由此得到了高稳定性团簇AlGd。此结论揭示了AlGd具有类卤素性质和磁性的根本原因。随后,我们从如下几方面研究了AlGd的类卤素特性:(1)AlGd与(超)碱金属原子形成复合物时倾向于获得一个电子,表现出类似于卤素的性质;(2)两个AlGd单元与碱土金属原子结合可以模拟Ca Cl/Ca Br分子;(3)两个AlGd团簇之间也可以形成类似于Cl的二聚体(AlGd)。根据自然键轨道(Natural Bond Orbital,NBO)分析,AlGd在形成复合物时始终保持自身磁矩,且复合物的磁矩均由Gd原子的4f电子提供。此外,为了揭示磁性超原子AlGd吸附在石墨烯表面的行为,我们研究了吸附体系的结构稳定性、电子性质和磁性。研究表明,吸附在石墨烯表面的AlGd团簇保持了其自身的结构。AlGd团簇和石墨烯之间存在较弱的电荷转移相互作用,其中AlGd团簇在吸附体系中失去电子,而吸附底面则得到电子。这些结论进一步推动了掺杂铝团簇的研究,并且f电子的特殊性以及文中提到的non-Aufbau电子结构为设计新型磁性超原子提供了新方向。