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关键词： 自旋交叉   MOFs   近红外光触发   磁性   维度  

摘要： 自旋交叉（SCO）材料由于其高低自旋态的可逆切换性能,在传感、存储、开关等领域的应用潜力广阔。丰富孔洞、可控形貌、裸露的活性位点等特点使得显示SCO性质的MOFs成为值得期待的多功能型材料。本论文以过渡金属离子Co（Ⅱ）为金属中心,得到两类MOFs材料,分别对其3D块状、2D纳米片以及3D、2D掺杂的复合凝胶进行研究,探索了近红外光下的SCO行为,维度演变下光学、磁学性能的改变以及复合凝胶对SCO行为影响。具体内容如下:（1）针对两种结构不同的MOFs,即3D Hofmann型Co（py）2Ni（CN）4和3D[Co（NCS）2（pyz）2]_n,创造性地利用低能量的近红外光对材料进行触发,根据光学性能变化判断在近红外光触发下的SCO行为。更重要的是,通过对这两种3D MOFs的近红外光原位处理,证明了两者对近红外光触发显示出良好的循环性能,非常适合应用于近红外光触发的分子开关与传感器件中。（2）将3D[Co（NCS）2（pyz）2]_n剥离成2D纳米片,考察维度演变后对材料光学性能、磁性的影响。2D纳米片由于显著增强的π-π*共轭表现出对温度和近红外光的敏感响应,以及2D纳米片从低自旋态（LS）到高自旋态（HS）的自旋转变,提供了一个短而有效的磁交换路径。当3D MOF前体转化为2D纳米片后,材料的磁性也由顺磁性转为自旋倾斜的反铁磁性,验证由维度演变控制MOFs材料磁性行为的可行性。（3）以聚偏氟乙烯（PVDF）凝胶为载体,将MOFs材料引入进凝胶网络中,制备了MOFs掺杂的复合凝胶,研究近红外激发对凝胶光学性能的影响。在近红外光触发下PVDF@3D-Co（py）2Ni（CN）4,PVDF@3D-[Co（NCS）2（pyz）2]_n表现出了显著的d-d跃迁增强,PVDF@2D-[Co（NCS）2（pyz）2]_n表现出了HS到LS的自旋切换。由此,这种在PVDF中负载SCO型MOFs（SMOFs）材料的设计方法,有望在复合凝胶中实现协同SCO,拓宽SMOFs的实际应用场景。以上工作通过利用近红外光对SMOFs进行触发控制、设计具有磁性转换的多功能材料、构筑良好协同性的复合凝胶,拓展了SMOFs的多功能性质,为未来研究SMOFs提供了新的思路。

关键词： 量子计算   自旋量子位元   量子点   大规模   微波工程   电子自旋共振  

摘要： 量子电脑利用量子叠加和纠缠的特性，可解决古典电脑无法解决的特定复杂问题。以自旋为基础的矽量子点元件因为拥有相当长的去相干时间，以及和超大型积体电路技术的相容性，被视为实现高保真度量子位元相当有潜力的元件平台。有效控制量子点内的电子自旋对实现大规模量子位元系统至关重要，透过电子自旋共振机制，并施加频率介於100 MHz和100 GHz的振荡磁场，可达成电子自旋操控，因此对微波工程实验技术的知识，对於利用电子自旋共振结构传送高频讯号至量子点来说非常重要。 　　尽管已有相关研究呈现有效的单一量子位元自旋操控，目前仍无相关文献探讨能应用於大规模自旋量子位元的电子自旋共振架构。本论文提出一个能应用於大规模矽量子点操控的电子自旋共振蜿蜒线元件。模拟结果显示该元件可以大幅增加磁场，并有效降低电场以减轻杂讯与局部加热的问题，并可适用於五十个量子位元系统以达到高保真度、低杂讯电子自旋操控。透过晶圆微波量测可用於三个量子位元操控的电子自旋共振蜿蜒线，其反射系数在10到50 GHz皆大於-7 dB，证实此元件低损耗的特性。

关键词： 分子器件   自旋输运   门电压   光电流  

摘要： 与传统半导体材料相比,有机分子材料具有柔性、弱自旋-轨道耦合作用及自旋驰豫时间长等优点。分子器件在未来自旋电子学器件小型化的过程中扮演重要的角色,在原子尺度上对单个分子的量子态实现精确操控以及对其物性可控调制一直是凝聚态物理及其应用领域中最重要的前沿研究之一。利用磁学的方法在分子尺度对自旋态的调控往往需要非常强的磁场才能实现。这制约了器件的集成以及与传统半导体技术的结合。探讨采用电场、光等手段对分子器件中自旋输出信号的调控,发展自旋调控的新方法是分子自旋电子学领域的核心问题之一。本文采用密度泛函理论(DFT)与非平衡态格林函数(NEGF)相结合的第一性原理方法,对一维金纳米线为电极,金属酞菁分子为中心区构成的分子器件进行研究,探讨利用门电压、光电流效应等手段实现分子器件中自旋输运的调控。主要内容如下:1.单酞菁分子自旋场效应管性质研究:研究了单铬酞菁分子器件(CrPc)、单铁酞菁分子器件(FePc)的自旋输运性质及门电压对二者自旋过滤效应(SFE)的调控情况。研究发现FePc器件具有优异的自旋过滤效应,而CrPc次之。基于一定的偏压,在门电压的调控下,FePc器件的SFE保持在90%以上并且略有增大;CrPc的SFE在门电压的调控下,增大了60%。2.单铁酞菁分子中光电流效应研究:在FePc器件中,对分子照射不同能量的线性偏振光,发现当光的能量为1.50e V和1.70e V所激发的光电流最大,而且产生的光电流是自旋极化的。光电流的大小与入射偏振光的偏振角满足余弦关系。研究发现由于酞菁分子中心铁原子的存在,使得酞菁分子发生磁化,镜像对称性和空间反演对称性被破坏,致使不存在偏压的情况下,也可以产生光电流。3.双铬酞菁分子(CrPc)自旋场效应管性质:研究了在一定偏压下,基于CrPc分子的自旋场效应管中自旋输运性质及门电压对SFE的调控情况。研究发现在门电压的调控下,CrPc分子器件具有更优异的自旋过滤效应,平行态CrPc器件的SFE增大了近30%并出现了完美的自旋过滤效应;反平行态器件的SFE增大了近75%。CrPc器件的磁阻在门电压的调控下出现了峰值,达到了近3200%。

关键词： 光子自旋霍尔效应   双曲材料   一维光子晶体   α-Li3N型拓扑半金属  

摘要： 一束线偏振光在具有折射率梯度的结构中发生反射或折射时,光束会沿垂直于折射率梯度的方向分裂成两束圆偏振光(左旋光和右旋光),这种现象被称为光子自旋霍尔效应(photonic spin Hall effect)。光子自旋霍尔效应不仅在精密测量技术领域具有潜在的应用前景,而且为微纳米光子器件的设计提供了一种调控光子的全新手段,因此,近年来得到了越来越多的关注。光子自旋霍尔效应是一种弱效应,对于常规材料和结构,其横向与纵向位移通常只有入射光波长的几十分之一,这极大地限制了光子自旋霍尔效应的实际应用。目前,许多研究者正致力于通过改进弱测量技术、探索非常规光学材料、设计新的共振结构等方法以增强光子自旋霍尔效应。本论文以基于二维过渡金属硫化物的一维光子晶体和α-LiN型拓扑半金属为研究对象,详细研究了高斯光束入射到一维光子晶体和α-LiN型拓扑半金属上时发生的光子自旋霍尔效应随入射光的波长(或光子能量)、入射角、膜厚度等多种物理参数的演变规律,并揭示了两种结构材料对光子自旋霍尔效应的调控机制。具体研究工作及取得的研究成果如下:(1)研究了在由超薄Au膜、单层过渡金属硫化物(TMDCs)和缺陷层组成的一维光子晶体表面发生的光子自旋霍尔效应。通过调节一维光子晶体中Au膜的厚度(变化范围为2.4～40.0 nm)发现,超薄Au膜比体材料Au膜更有助于增强光子自旋霍尔效应,特别的是,当Au膜的厚度为4.4 nm时,光子自旋霍尔效应横向位移是入射光波长的37.94倍,比Au膜的厚度为40.0 nm时的最大光子自旋霍尔效应横向位移(波长的3.05倍)高出12倍以上。此外,在四种单层TMDCs(即Mo S、Mo Se、WS、WSe)中,WS更适合被用于增强光子自旋霍尔效应,这可能是由于超薄Au膜中的短程表面等离子激元更容易与单层WS中的B激子共振发生相互耦合。此外,光子自旋霍尔位移的极值通常出现在表面等离子共振(SPR)角附近,当Au膜的厚度≤8.5 nm时,SPR角出现在33.0°附近,几乎不受入射光波长变化的影响;当Au膜的厚度≥13.0 nm时,由于一维光子晶体有效介电常数主分量的实部在特定波段满足Re(ε)Re(ε)<0(即一维光子晶体在特定波段为双曲材料),所以SPR角会随入射光波长的变化而变化,进而导致光子自旋霍尔位移的极值随入射光波长的变化而变化。(2)有学者基于第一性原理计算研究了α-LiN型拓扑半金属的电子能带结构,结果表明,α-LiN型拓扑半金属为天然双曲材料。在本论文中,仿真模拟了线偏振光入射到α-LiN型拓扑半金属薄膜后,透射光的光子自旋霍尔效应,绘制了光子自旋霍尔位移随入射光子的能量和入射角的变化光谱。仿真结果表明,光子自旋霍尔位移光谱的极大值或极小值出现在比α-LiN型拓扑半金属带间跃迁能量略高的一侧,且随着入射角或出射介质介电常数的增加而出现红移。当α-LiN型拓扑半金属受到压缩应变时,光子自旋霍尔位移的极大值或极小值出现蓝移;形成鲜明对比的是,拉伸应变会引起晶格膨胀,从而导致极大值或极小值出现红移。此外,空穴掺杂α-LiN以及将Li原子替换为K原子而形成的LiKN均会引起晶格膨胀,所以空穴掺杂与合金化会导致光子自旋霍尔位移的极大值或极小值出现红移。

关键词： 溴自由基   链式反应   化学动力学   量子力学   EPR   危险废物  

摘要： 由于汞具有化学稳定性、全球流动性、生物累积性和高神经毒性,汞污染引起了全世界的关注,制定汞排放清单是汞排放控制的评估的直接工具和减排技术指南。作为世界上最大的汞排放国,中国每年的汞排放量约占世界汞排放量的三分之一,在全球汞减排中发挥着重要作用。在危险废弃物焚烧领域,中国针对烟气汞的排放标准低于美国,有进一步减排的潜力。本文希望研究溴化钙对汞的脱除机理,进而针对固废燃烧过程中造成的汞污染开发有效的脱除手段。不同行业的汞排放特征以及汞的迁移转化规律不同,针对不同过程的汞脱除技术也有所差异,有必要对汞排放严重的行业进行调研,确定其汞排放特征,汞产生流程以及对应的影响因素,进而评估不同领域的汞排放现状,为开发新的汞脱除手段,制定新的汞排放标准提供理论基础。本文调研了燃煤、垃圾焚烧、冶金、水泥生产等行业的汞排放情况,基本没有针对烟气中的汞进行单独处置,主要是利用APCDs(空气污染控制装置)对汞的协同处理效果,例如SCR对Hg的催化效果,湿法脱硫装置对的Hg吸收效果,汞的总体脱除效率还可以进一步提高。在明确中国汞污染计算方法和调研现有汞脱除手段的基础上,为了进一步深入研究卤素添加剂(Ca Br)促进元素汞(Hg)氧化的反应机理,寻求更有效的潜在汞脱除技术和评估减少汞排放手段的有效性,进行了实验研究和检测分析。通过梯度温度燃烧实验测定了Ca Br喷射对烟气中Hg的去除效率,建立了温度、气氛和Ca Br浓度对Hg氧化的影响。Ca Br对Hg有很好的去除效果,其效率和温度成线性正相关性。为了对实验结果进行合理的描述,参考化学动力学来确定所有可能的反应,建立了基于自由基反应路径的单质汞氧化模型,并用与氯化钙浓度相关的中间产物自由基信号EPR(Electron Paramagnetic Resonance)谱进行了验证。最后我们在危险废物焚烧厂进行了现场试验,考虑到实际焚烧过程中烟气成分复杂,实验条件无法精确控制,溴化钙对单质汞的去除效率以及烟气中溴离子浓度的变化趋势是我们关注的焦点。总的来说,基于自由基的汞氧化模型可以很好地解释溴化钙促进汞氧化的机理。

关键词： 随机偏微分方程   发展方程   薛定谔方程   有效逼近   均匀化   玻姆轨线   Lévy过程  

摘要： 本文致力于研究一些随机和多尺度发展方程的有效动力学性态。具体包括:(ⅰ)具有大周期势的随机薛定谔方程和随机抛物型偏微分方程的均匀化问题,其中,初值依赖于尺度参数;(ⅱ)具有振荡势场的薛定谔方程和相应的量子玻姆轨线的有效逼近问题;(ⅲ)两个带有不同弱可微系数的非局部Fokker-Planck方程解的Kantorovich-Rubinstein距离的上界估计,及一类非局部Fokker-Planck方程的光滑有效逼近,其中这些方程与具有非高斯Lévy噪声的随机微分方程对应。 本文的具体安排如下: 在第一章中,阐述了本文的研究背景、研究现状以及主要的研究内容。 在第二章中,回顾了随机分析中关于Brown运动和Lévy过程的一些常见的基础知识和定理。同时还陈述了随机偏微分方程几类解的定义及关系。最后列举了文中需要用到的一些常见的不等式。 在第三章中,考虑了具有大周期势的随机薛定谔方程的均匀化问题。通过对相应单胞问题的谱性质研究,利用Bloch波理论建立适当的振荡检验函数,再基于双尺度收敛方法得到有效逼近的随机薛定谔方程。证明了原随机薛定谔方程的解可以近似分解成两部分的乘积。其中一部分为快速振荡的特征函数,另一部分为一有效逼近方程的缓慢变化的解。 在第四章中,研究了具有大周期势场的抛物型随机偏微分方程的有效逼近问题。其中,初值依赖于尺度参数,并且具有振荡性和周期性。基于Bloch波理论和双尺度收敛方法,推导出有效逼近的随机偏微分方程,并且其系数依赖于初值。 在第五章中,研究了具有时间振荡势场的薛定谔方程和相应的量子玻姆轨线。首先,基于均匀化理论,证明了薛定谔方程波函数的收敛性。然后,推导出了对应的玻姆测度的极限。最后,基于玻姆测度和玻姆流之间的联系,证明了在有限时间间隔上,相应的玻姆轨线局部依测度收敛,并且其极限为有效薛定谔方程对应的玻姆轨线。这有利于在振荡势场中有效模拟玻姆轨线。 在第六章中,研究了非局部Fokker-Planck方程的解的Kantorovich-Rubinstein距离,该方程与具有非高斯Lévy噪声的随机微分方程对应。基于叠加原理,得到了两个不同系数的非局部Fokker-Planck方程的解之间的Kantorovich-Rubinstein距离的上界估计,其中方程系数均是弱可微的。此外,还导出了一类非局部Fokker-Planck方程解的光滑有效逼近。 在第七章中,对本论文的工作与创新作了一个总结,并且探讨了可进一步研究的问题。

关键词： 非厄米物理   宇称时间对称性   奇异点   固态自旋   金刚石氮-空位色心   量子控制  

摘要： 标准量子力学的一大假设是哈密顿量的厄米性,因为这可以保证体系的实本征能谱和演化过程中的概率守恒。最近有研究表明一类满足宇称时间对称性(Parity-time symmetry,PT symmetry)的非厄米哈密顿量的本征能量也可以全为实数,这让非厄米物理成为了研究焦点。非厄米物理虽然是在对量子力学的讨论中被提出的概念,但却率先在经典系统中获得了广泛的应用。通过对增益与耗散的精密调节,科研人员们在诸如光学,力学,声学,电子电路等经典系统都对非厄米物理展开了深入的研究,非厄米系统不同于传统厄米系统的一些新奇性质被发现并实验验证,许多基于增益与耗散等非厄米性的纳米器件也被设计制造。然而在量子系统中对非厄米物理的研究却进展缓慢,这是因为封闭量子系统的哈密顿量必然是厄米的,要构造一个非厄米的哈密顿量十分困难。因而虽然在量子体系中开展对非厄米物理的研究非常急迫,却也充满了挑战。最近我们发展了一种扩展的方法,可以通过只引入一个辅助比特,就能在扩展后希尔伯特空间的一个子空间来观测任意非厄米哈密顿量下的动力学演化。这为在广泛的量子系统中开展对非厄米物理的全面研究提供了思路。氮-空位色心(Nitrogen-vacancy center,NV center)是金刚石中的一种点缺陷,也是当前研究得较多的量子系统之一。受益于其优秀的自旋与光学性质,NV色心在量子计算,量子通信,量子模拟和量子精密测量等领域都有广泛的应用。利用前面提到的扩展方法,本文基于NV色心这一优秀的固态自旋量子平台,开展了对非厄米物理的一系列实验研究,主要包括:1.在单量子系统观测宇称时间对称性的破缺。我们对处在宇称时间对称相和对称破缺相的非厄米哈密顿量都进行了扩展,并通过量子控制的方法实验实现了这些哈密顿量下的演化,从而首次在单自旋量子系统中观测到了宇称时间对称性的破缺。2.在量子系统实现动力学环绕奇异点并观测到本征态转换现象。奇异点(Exceptionalpoint,EP)是非厄米哈密顿量的能级简并点。在能谱图中,奇异点附近有独特的拓扑结构,导致在参数空间动力学地环绕奇异点可以导致一类新奇的本征态转换现象。我们通过非厄米量子控制的方法,成功实现了环绕奇异点过程的含时非厄米哈密顿量,观测到了这类本征态转换现象。这类本征态转换对噪声的鲁棒性也被实验验证,表明了基于它们的高保真度量子调控的可能性。我们的工作建立了实现非厄米哈密顿量的普适扩展理论,为在广泛的量子系统全面开展对非厄米物理的实验研究打下了基础。我们实验展示了非厄米系统不同于传统厄米系统的一些独特性质,这为非厄米量子调控在量子信息处理领域的应用提供了思路。

关键词： 纳米光子学   超材料   光子自旋霍尔效应   红移  

摘要： 光子自旋霍尔效应（PSHE）是对电子系统中自旋霍尔效应的比拟,光子和折射率梯度分别对应自旋电子和外加电场的作用。PSHE表现为一束线偏振光入射到非均匀介质中,光子自旋相反的两个角动量在反射或折射时沿垂直于入射面的横向方向上分离,实现光束的自旋分裂。由于对微结构材料的参数变化敏感,使其广泛应用于精密测量和光学传感领域。本文将利用一维光子晶体平台,并基于带隙的红移效应实现对光子自旋霍尔效应的调控,探究增强自旋分裂的方法。具体的工作以及成果如下:1、光子晶体是一种人工构造的带隙材料,是进行光与物质相互作用的良好平台。所谓的带隙是指特定波长的光在光子晶体中传播时,某一入射角度下的反射率或透射率几乎为零,进而形成一定波长范围的禁带,这些禁带就被称作带隙。传统的光子晶体一般都是由电介质组成,其带隙随着角度的增大而向短波长方向移动,即蓝移。根据有效介质理论（EMT）,利用银（Ag）和五氧化三钛（TiO）按一定体积比得到双曲超材料（HMM）,再将HMM与TiO堆叠,形成一维光子超晶体。光束在超晶体中传播,随着入射角度增大,反射光谱中横电波（TE）的带隙是蓝移的。此时,横磁波（TM）的带隙则发生红移,即带隙随着角度增大而向长波长方向移动。因此,利用两极化波带隙相反的角度灵敏性,可实现增大自旋相关分裂的目的。运用Mat Lab仿真模拟,在确定超晶体的各类参数后（如:周期数,超材料厚度,Bragg波长等）,得到的分裂位移值达到15μm。这是首次提出运用结合超材料的光子晶体来调控光子自旋霍尔效应,扩展了调控光子自旋霍尔效应的手段,为实现新型自旋光子器件提供了新的思路,相关研究成果发表在Optical Express上。2、打破晶体的对称性且传播相位满足一定条件时,晶体带隙内会产生局域态。这里,研究了基于红移局域态调控反射光自旋霍尔效应的方法。实现局域态的手段是利用掺杂了氧化铬的铟（In:Cd O）以及锗（Ge）构建一维光子超晶体,并插入电介质破坏晶体对称性。调节缺陷层厚度,Bragg波长和HMM厚度等参数,得到了TM波的大带宽全红移带隙,带隙内可以看到红移程度较好的缺陷态。最后模拟计算获得分裂位移大小为20μm。

关键词： 硅锗纳米晶体   氢化富勒烯   结构搜索   Hubbard模型   高自旋态  

摘要： 碳族纳米材料结构丰富,性能独特。通过结构优化和性能设计可以拓展碳族材料在高性能器件中的应用。原子吸附、替换掺杂带来的结构多样性,可以有效调控体系的性质,同时也让结构变得更加复杂,因为数目庞大的候选结构使得对体系的系统研究变得困难。对于sp3杂化的氢饱和硅锗纳米晶体（SixGeyHz）,量子限域效应可以使体系的发光性质随尺寸变化,而硅锗原子的分布可以进一步影响发光性能;对于sp2杂化的富勒烯(C60),氢原子的表面吸附使部分碳原子出现sp3杂化,而结构的限制导致特定体系的π电子无法完全配对,出现高自旋态。因此可以通过控制氢化富勒中氢原子的分布来设计具有磁矩的分子。通过基于结构识别的第一性原理计算和有效相互作用模型,本文研究了硅锗纳米晶体的稳定结构及电子性质,确定了给定氢原子数目时氢化富勒烯可以达到的最大磁矩,相关研究结果将为碳族纳米材料的设计研发提供理论依据。为了提高结构搜索效率,我们发展了团簇和晶体中基于对称性的结构识别方法,实现结构遍历,做到不重不漏。基于团簇的对称性,我们利用距离矩阵找到了所有的对称操作对应的原子置换操作,得到了团簇的对称操作表。利用对称操作表可以对团簇中的吸附和替代的结构进行枚举和去重。结合利用有限群的群链结构的有效算法,可以将具有指定点群对称性的结构生成出来。在晶体结构的研究中,利用Hermite标准形,我们得到给定扩胞倍数的所有晶胞。检查晶体的对称性可以对晶胞进行去重,晶胞对应的原子对称操作表可用于对合金结构的结构生成和去重。通过晶胞扩充的方法,我们给出了晶格匹配的通用流程,确定了硅烯在Ag（111）面上可能的匹配晶格结构。相关程序的开发为结构搜索和材料设计奠定了工作基础。对于不同尺寸、形状的SixGeyHz纳米晶体,我们研究了硅、锗原子分布对体系稳定性和电子性质的影响。第一原理计算结果表明,键能模型可以准确、高效评估硅锗纳米晶体的能量。利用键能模型分析不同替代位点的稳定性差异,我们发现稳定结构中的硅原子倾向于处在与较多氢原子成键的位置,合理解释了稳定结构对应的硅、锗原子比例和分布。考虑不同化学势情况下自由能的变化,我们得到了硅锗纳米晶体的化学势相图,探究了稳定结构随环境的演化情况。通过硅锗纳米晶体的能隙计算,发现体系能隙会随不同原子分布情况而变化,但尺寸效应依然占据主导地位,使得纳米晶体的能隙随体系尺寸（原子数目）增大逐渐变小;在原子数目相同时,不同形状体系的能隙分布会随着表面积的增大而逐渐增大。此外,我们考虑温度对纳米晶体能隙的影响,得到了室温下稳定结构的发光性质。结合第一原理方法和Hubbard模型,我们发现氢化富勒烯C60H_n中可能存在未成对电子,出现高自旋的电子态。由于第一性原理计算该体系磁基态时很依赖初始磁矩设置,我们采用Hubbard模型来确定各种磁构型的初始磁矩分布。通过对C60H2体系所有的23种结构的磁基态计算,我们发现了9个具有高自旋态的结构和一个反铁磁构型的结构。建立相互作用模型可以预测出现磁矩的C60H_n中氢的吸附位点。通过对n=3,4体系的第一原理计算,我们确认该模型可以较好地描述C60H_n的磁相互作用。利用模型结论对n>4的情况进行了结构筛选,在n<6时找到了单个分子内未成对电子数目和吸附的氢原子数目相同的结构。我们的结果将为实验中基于氢吸附富勒烯体系磁性器件设计提供参考。