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[博士论文] 邹艳波
凝聚态物理 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:二次电子信号的出射在科学技术领域都有着重要的价值,作为扫描电子显微镜最常用的成像模式,能够反应电子束轰击范围内原位的材料以及形貌信息。二次电子极易受到实验条件以及材料变化的影响,由此可以利用其得到多种实验可观测的衬度,这使得二次电子在更多的领域得到应用,例如二次电子产额用于薄膜材料层厚的估计,环境扫描电子显微镜用于生物样品的观测等。二次电子的发展期待着可以成为更多领域的表征工具,实现这一目标依赖于二次电子实验观测与理论模拟的紧密结合。基于上述研究背景,本论文关注二次电子实验测量的发展,在二次电子模拟计算方面开展了以下几项工作:
  首先介绍了扫描电子显微镜的发展,及二次电子成像的实验观测,概述了二次电子产生过程的理论描述以及数值模拟方法。(第1章)
  本文的工作是基于电子-固体相互作用的理论以及所构建的Monte Carlo模型,并结合二次电子级联处理方法来得到研究结果。电子从样品表面入射,与材料内原子及电子发生一系列的弹性或非弹性散射,输运过程中弹性散射使用更加准确的相对论Mott微分散射截面描述;基于介电函数理论描述电子在材料内的非弹性散射事件,采用full Penn算法从实验测量光学能量损失函数扩展到动量依赖的能量损失函数,并计算得到非弹性散射截面和非弹性散射平均自由程,进而计算得到二次电子信号的产额、成像衬度等。(第2章)
  出射信号的表面灵敏性是表面分析技术中的一个重要问题。二次电子由于出射过程中级联现象的存在,使得平均逸出深度的定义更加复杂,传统的逸出深度的计算是由非弹性散射平均自由程或最大逃脱深度粗略的估计得到,这个定义掩盖了二次电子激发和发射两个不同的过程。本文的研究中,我们引入激发深度分布函数,发射深度分布函数,和深度分布函数来定义二次电子的逸出深度。计算了C、Al、Si、Cu、Pt、Ag和Au几种基本元素固体材料的平均逸出深。不同实验条件的计算和精确的平均逸出深度的定义弥补了其在实验测量上的困难。二次电子逸出在浅表面的次纳米区域,因此它们的逃逸深度比预期的更加局域。(第3章)
  关键尺寸测量一直是纳米级精确测量领域最具挑战的问题之一,关键尺寸控制的价值是随着尺寸的减半而翻倍增加。CD-SEM是工业上广泛使用的关键尺寸测量工具。然而受二次电子信号边缘效应的限制,边缘探测算法显著影响关键尺寸测量的稳定性以及精度。依据模型数据库(MBL)的二次电子信号数据分析方法遵循测量的物理原理,使用收集到的所有信息,已经被证明优于任意阈值以及其它经验的方法。MBL方法相对于传统的阈值方法来说实现比较复杂。这一章中我们细致研究了MBL方法用于关键尺寸测量,给出了完整的数据库模拟过程。构建了Au元素样品的数据库,并基于该数据库,使用实验条件与之匹配的测量CD-SEM二次电子像进行关键尺寸的测量。通过MBL方法测量得到的关键尺寸不只是线宽的单一值,而是扩展到3D形貌的探测。这项研究工作的主要目标是MBL方法用于关键尺寸测量的标准化。本项研究考虑了MBL方法 用于关键尺寸测量标准化过程的诸多细节问题,最终形成了标准草案,并提交国际标准化组织微束分析技术委员会(ISO/TC202),2016年6月2日“Method for Evaluating Critical Dimensions by CD-SEM”通过投票立项为国际标准(ISO/AWI21466 (ISO/TC202/SC4)),预计2019年6月2日发布。(第4章)
  二次电子信号产生过程涉及电子在材料内部的输运、激发以及散射过程,二次电子出射强度依赖于目标材料更大的深度。如果激发电子在穿越材料内部的过程中有另外一种物质,那么即使在化学成分均匀的表面上,二次电子强度也会发生变化。基于二次电子出射与样品层结构之间的关系的实验观测结果,我们研究了均匀表面但是具有深度上不均匀性样品的二次电子出射问题。我们构建了更为复杂的多层结构样品,层元素为Ni-C交替,Si衬底,并改变层结构以及顶层厚度,逐次计算样品表面出射二次电子产额。二次电子产额受层结构以及顶层厚度的影响,理论模拟与实验观测结果比较,整体变化趋势符合的较好。我们从二次电子信号产生过程解释了厚度衬度的原因。(第5章)
  二次电子模拟工作值得关注的另一个问题是环境状态的下二次电子像模拟及衬度机制的解释。环境扫描电子显微镜(ESEM)区别于传统的SEM,可以观察样品的“原生”表面。对于生物样品、含水样品等不需要脱水和导电处理,可在自然的状态下直接观察二次电子像。二次电子及易受到实验条件及材料变化的影响,由此可以利用其得到多种实验可观测的衬度。不同环境下定量的ESEM图像衬度模拟有助于实验二次电子像衬度的解析。参照ESEM环境样品室,构建了石墨烯窗口、液态水介质、Au元素样品的结构,并模拟其二次电子出射。计算复杂环境下出射二次电子产额对入射电子能量的依赖,以及液态水介质层的厚度、Au样品的厚度对出射产额的影响。(第6章)。
[硕士论文] 范文亮
物理学 山西师范大学 2017(学位年度)
摘要:嵌段共聚物以及聚合物混合体系能够自组装形成许多新奇的结构,然而这些聚合物在均质基板或本体中往往形成高度无序的纳米结构。受限环境在相分离的过程之中饰演了不容忽视的角色,它能够改变本体自组装相行为。因此我们可以通过改变外部环境实现对自组装过程可控的目的,这样一来通过嵌段共聚物的定向自组装便会出现用途更加广泛的纳米材料。不同的受限环境能够诱导嵌段共聚物形成各种各样有趣且新颖的相形貌,这些结构在纳米技术应用方面有广泛的应用前景,例如:高密度媒体存储、纳米刻蚀、光子晶体等。为了能够有效地改善受限表面特性,我们可以在受限表面接枝嵌段共聚物或均聚物来实现这一目的。在本文中,我们运用自洽场理论,讨论了两嵌段共聚物及其与均聚物的混合体系在不同几何形状的软受限情况下自组装。
  首先,我们研讨了AB两嵌段共聚物受限于交替接枝两种不同性质的聚合物刷平行板间的相行为。考虑了嵌段共聚物对称性、聚合物刷接枝周期、聚合物刷体积分数、平板间距以及AB嵌段间的相互作用参数对体系相形貌的影响,获得了四角柱状与六角柱状的交替相、四角柱状与八角柱状的交替相、平行的斜层状相以及弯层状相等结构;同时发现,接枝周期性混合刷有利于减少体系无序相的产生,并且较小周期的聚合物刷体系有利于六角柱状相的形成;在一定条件下,通过调节聚合物刷体积分数能够实现由水平层状到垂直层状的转变,这对纳米平板制造具有重要的意义;随着平板间距的减小,也获得了从水平层状到垂直层状的转变。
  其次,我们利用均聚物对圆孔进行化学修饰,将AB两嵌段共聚物和星型均聚物的混合体系放置于其中进行自组装。均聚物与B组分存在排斥作用。对于对称嵌段共聚物,当增加均聚物体积分数或聚合物刷体积分数时,体系结构的整体转变趋势为:先是发生了层柱状数目的减少,然后形成了胶束状结构。当A嵌段体积分数Fa=0.7时,体系结构均为柱状相,当增加均聚物含量时,体系结构由四层柱状相→三层→两层→一层。当fA=0.6,在不同的均聚物含量或不同聚合物刷体积分数情况下,体系自组装结构实现了多种新颖结构之间的转变。同时我们通过构建三角相图,整体上研究了φH,φAB以及φbr三者对体系相形貌的影响。
  本文所提出的调控共聚物结构的新方法以及获得的新颖结构,能够对新型功能材料的设计提供一定的指导。
[硕士论文] 阮超
凝聚态物理 宁波大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,随着纳米器件尺寸的不断减小,纳米材料的尺寸效应、相稳定性等性质研究逐渐成为研究讨论的热点。而铁氧体作为纳米材料中重要的研究对象,更是因为其广泛的实际应用,具有更高的研究价值。本论文中,通过制备从纳米至微米级别一系列不同尺寸下的α-Fe2O3纳米结构作为研究对象,利用综合物性测量系统对样品的热学性能、磁学性能进行了较为系统的研究。除此之外,也对α-Fe2O3纳米材料的结构形貌对应用于锂离子电池负极材料上的影响作了详实的研究。本文的主要研究成果如下:
  (1)我们通过水热法合成了一系列尺寸的单晶α-Fe2O3纳米立方块体。在高真空(9.5×10-6 Torr)下通过920K之前的磁学性能的测量表明,单晶纳米颗粒随着其尺寸的减小,其热稳定性逐渐降低,对应的相转变点由~850nm的729K转变温度减小到~40nm的609K转变温度。而且,我们通过引入焓值的理论来有效地支持并解释这一实验结果。
  (2)我们测量了该系列α-Fe2O3纳米结构在上述相转变点前后的磁学性能。实验结果发现,对于α-Fe2O3纳米立方块体,随着尺寸的减小,其矫顽力、剩磁值都逐渐降低,整条磁化曲线呈缩小趋势,即表明更小的纳米尺寸可以在反复磁化/去磁过程中有效地减小能量损失。而对于相变后的铁氧体纳米颗粒,其饱和磁化强度随着样品尺寸的减小而显著增大,并且我们通过进一步的 RIR算法,半定量的计算出相变过程中的转变量。另外,我们对纳米尺寸下的样品,测量了其不同尺寸的 Morin转变温度的影响,进一步支持了前人的结论。
  (3)我们以铁氧体作为本次的研究对象,通过调节实验参数,有效的调控合成了一系列直径在~100nm左右,长度由100nm~`600nm的空心环结构样品。结果发现,随着样品结构尺寸的缩小,其首次充放电容量会呈现逐渐增大的趋势。对于100nm尺寸的样品,0.1倍率下可达到1200 mA h g-1;而随着尺寸的增加,同样倍率下其首次放电容量降至约800mA h g-1。在充放电循环稳定性方面,其性能的表现却并未和结构尺寸大小呈单调性关系。对于这一结果,我们理解为随着样品尺寸的减小,其比表面积增大,促使电极材料与电解液具有更好的接触,从而增强了 Li+的迁移率;但与此同时,更大的电极材料与电解液接触面会导致 Li+在充放电循环的镶嵌/脱嵌过程中有效利用率降低,从而导致随着充放电循环的持续,性能衰退更为严重,循环稳定性变差。
[硕士论文] 丁欢达
凝聚态物理 宁波大学 2017(学位年度)
摘要:在这篇文章中,我们采用 Langevin动力学(LD)模拟的方法,研究了在良性溶剂中,带电聚电解质刷对外加电场的响应,计算总电场分布、作用在带电单体的电场力大小及其分布规律。
  我们分别对较低接枝密度和较高接枝密度的聚电解质刷在不同的外加电场下进行了研究。研究发现,聚电解质刷的平均高度在负的外加电场下(拉伸作用)变化比正的电场下(压缩作用)变化更为明显,聚电解质刷在较低的接枝密度下对电场响应较为明显,高接枝密度下变化极小,而末端带电量的多少对刷子高度的影响并不大。在较强的负外加电场下,低接枝密度聚电解质刷,末端带电单体分布会出现较为明显的两个峰,且受末端带电量影响。另外,反离子在电场中的分布也会出现双峰,以平衡在外加电场作用下,带相反电荷的极板。
  利用分子动力学模拟计算得到的带电单体的分布和反离子的分布,通过解一维泊松方程可以进一步得到在Z方向上的总电场分布,我们发现,外加的均匀电场在系统内部的带电粒子影响下,最终形成了与均匀电场完全不同的总电场分布,在某些区域,电场几乎消失。此外,我们还统计了作用在带电末端单体上的总电场力的分布,随着末端带电量的增大,对末端带电单体的平均电场力增大,力的分布范围变宽。
  以上这些发现证明了电场力可以用来研究接枝聚合物,对单一聚合物力学有深远的影响。
[硕士论文] 曾绍龙
凝聚态物理 四川师范大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,磁性隧道结的相关实验和理论研究显示,无论是FM/I/SF/NM(铁磁层/绝缘层/自旋过滤层/普通金属层)单自旋过滤隧道结还是NM/SF/I/SF/NM(普通金属层/自旋过滤层/绝缘层/普通金属层)双自旋过滤隧道结,除了能得到极大的隧穿磁电阻以及自旋极化电流以外,还能克服普通的磁性隧道结中隧穿磁电阻随偏压升高而急剧下降的缺点。鉴于自旋过滤结潜在的应用价值和在自旋极化隧穿研究方面的意义,本文在前人研究的基础之上,进一步对两种自旋过滤隧道结中的隧穿时间进行了研究。首先本文介绍了磁性隧道结和隧穿时间相关的研究背景.然后基于Winful,以及Guo等人的研究,对单、双自旋过滤隧道结中的自旋相关的居留时间和相位时间进行了计算。计算发现对于FM/I/SF/NM隧道结,当入射电子的能量高于势垒高度时(高能区)上自旋电子和下自旋电子的居留时间和相位时间趋于一致,而当入射电子的能量小于势垒高度(低能区)时,由于自旋相关的自相干项的影响,不同自旋方向的电子相位时间总是大于居留时间。其中对于上自旋电子居留时间和相位时间差距明显,并且这种差距随绝缘层,自旋过滤层的宽度和高度增大而增大到趋于不变,而对于下自旋电子相位时间和居留时间差距不明显,但对于不对称势垒的情况(I层和SF层势垒高度不同),该差距会随自旋过滤层的宽度,高度,和分子场的增大而增大。对于NM/SF/I/SF/NM隧道结,上下自旋电子的居留时间和相位时间的特点和单自旋过滤隧道结的情况类似,但当改变自旋过滤层和势垒层的势垒高度时,居留时间和相位时间会出现峰值,其原因是由于自旋极化电子的共振隧穿造成的。上述研究希望对将来基于自旋极化隧穿效应的自旋电子器件的研究起到一定的帮助和作用。
[博士论文] 彭军
物理学 湖南大学 2017(学位年度)
摘要:随着科技的进步和社会的发展,电子器件朝着小型化和高度集成化的方向发展,不过原理性的物理限制和技术上的工艺限制,使传统的以硅、锗为基础的微电子器件遇到了前所未有的挑战。科学家们把目标瞄向体积更小的分子身上,其中有机分子具有很多良好性能而被广泛研究。本文选取分子尺度体系作为研究对象,采用了第一性原理计算方法,研究了石墨烯纳米带、硼氮纳米带、有机小分子和石墨炔纳米带的电子输运性质。具体从以下几个角度进行系统研究:中心原子替代掺杂与电极-分子的接触类型对有机小分子自旋过滤效应的影响;不同边界类型对石墨烯纳米带与硼氮纳米带构成的异质结整流行为的影响;边缘修饰对石墨炔纳米带整流及自旋过滤行为的影响;门压对基于场效应的有机单分子开关行为的调控等。主要研究内容分为以下几部分:
  研究了中心原子替代掺杂的sa lophen单分子与金电极构成的分子器件的自旋电子输运性质。在所采用的一系列作为中心替代原子的过渡族金属中,只有中心原子是 Co原子时才观察到明显的自旋过滤效应,且自旋向下的电子在电导中占主导地位。进一步研究还发现,分子自身与电极的连接位置也是影响器件自旋电子输运性质的重要因素。分子与电极的连接位置发生微小改变,也会改变器件的自旋电流大小,从而实现对器件传导性的调控。
  研究了宽度和边界类型对石墨烯与硼氮构成的异质结(BNC)的电子输运行为的影响。计算结果表明,异质结的宽度对其整流特性几乎没有影响;而不同的边界类型对异质结整流特性影响显著。异质结中,当石墨烯中的碳原子全部与硼氮纳米条带中的氮原子相连接时,有限偏压下的最大整流比可以达到107。前线分子轨道在正偏压时空间扩展程度的强烈局域,导致正负偏压下偏压窗内输运系数的不对称分布是整流现象出现的原因。还研究了边缘完全不钝化时,边界类型对 BNC异质结自旋电子输运性质的影响。观察到了完美的自旋过滤效应和磁致电阻率达到107%的磁致电阻效应。
  研究了对称和不对称边缘氢化的锯齿形?石墨炔纳米条带在外加磁场调控下的自旋输运性质。计算结果表明,边缘全部双氢化构型(D-D)在偏压达到一定值之前一直表现为绝缘体特征;而纳米带的左/右两半分别单氢/双氢化构型(M-D)呈现整流特性,且与外加磁场方向无关;边缘全部单氢化构型(M-M)在外加磁场调控下,能实现从导体到半金属性的转变,进一步分析表明这取决于边缘全部单氢化的?石墨炔,其能带结构中π和π*子带是否匹配。这些结果表明,通过不同的边缘氢化及外加磁场调控,锯齿形?石墨炔纳米条带器件能够被设计成多功能的分子自旋电子器件,这对进一步提升原子级电路的集成度有非常重要的意义。
  研究了单个Dibenzo[d,d′]thieno[3,2-b;4,5-b′]dithiophene分子(DBTDT)与金电极构成的三端分子器件的电子输运行为,重点考察外加门压的影响。从计算结果来看,器件的电子输运性质受外加门压的影响很大。门压引起了最高占据态分子轨道(HOMO)向费米能级(Ef)移动,导致了HLG的减少。然而,正、负门压对器件电子输运的作用却截然相反。施加正门压,对器件的电子输运能力起促进作用;施加负门压正好相反,会减弱器件的电子输运能力。正因如此,分子器件在高导态与低导态之间的转换,可以通过门压来调控,从而实现其分子电流的开关功能。这些计算结果将有助于理解真实情况下分子器件的电子输运过程。
[硕士论文] 何开宙
凝聚态物理 兰州理工大学 2017(学位年度)
摘要:运用密度泛函理论研究了M(Li,K)替代NaMgH3体系中部分Na后对体系电子结构和放氢热力学性能的影响。计算了M掺杂后体系的形成焓,发现形成焓为负值,表明体系在热力学方面结构是稳定的。研究了掺杂体系4条可能的反应路径,得到掺杂体系最有利的放氢路径。对比反应焓结果,发现Li替代部分Na后降低了体系的反应焓,改善了体系的放氢热力学性能,而K掺杂体系的反应焓变化不明显。进一步计算随着Li掺杂浓度的增加体系反应焓的变化,发现反应焓数值的绝对值逐渐减小,说明NaMgH3掺杂体系的热力学性能逐步改善。最后计算了体系的声子谱,发现体系Li的掺杂量不超过50.00%。
  分别研究了C和Si原子掺杂对MgH2(110)表面结构和体系放氢性能的影响。通过计算表面结构的能量随层数的变化,获取9层作为合理的表面结构。计算了MgH2(110)表面C和Si原子在2种掺杂位置的占据能,发现Si原子掺杂优先占据间隙位置,C原子掺杂优先替代表面Mg原子位置。研究了MgH2(110)表面外3层 H原子的脱附性能,发现Si掺杂间隙位置和C替代Mg原子位置的放氢能均比未掺杂体系同位置的放氢能要低,说明Si掺杂间隙和C替代Mg原子位置都有利于H原子的脱附。同时Si间隙掺杂比C替代Mg原子位置的放氢能低,说明Si掺杂体系H原子的脱附效果比C掺杂好。
  最后研究了N2H4分子与氟化石墨反应得到石墨烯的反应过程。计算发现N2H4分子插入到氟化石墨层间使层间距增大,层间的相互作用减弱,因此氟化石墨极易变为氟化石墨烯结构。研究N2H4分子与氟化石墨烯反应,考虑两种反应方式:一种为N2H4分子中的4个H原子依次攻击氟化石墨烯,计算发现N2H4分子发生还原反应的反应能垒值比置换反应低,给出了最低反应能垒的反应路径为N2H4(还原反应)→N2H3(还原反应)→N2H2(还原反应)→N2H(还原反应)→N2。反应后N2H4分子解离为N2分子,同时氟化石墨烯中F原子被N2H4分子中的H原子还原出去结构转变为石墨烯结构。另一种为N2H4分子中2个-NH2基同时与氟化石墨烯反应,反应后N2H4分子变为N2,此时的氟化石墨烯表面被氢化,但是该过程初始需要较大的反应能垒,表明该过程不易发生。所以,N2H4分子与氟化石墨烯反应,氟化石墨烯会被还原为石墨烯结构。
[硕士论文] 付广来
物理学 湖南大学 2017(学位年度)
摘要:表面等离子体又叫做表面等离激元(SPPs),是入射光子在金属和电介质表面与自由电子相互作用而形成的一种混合振荡模式。由于SPPs可以克服传统的衍射极限并将光局域在纳米尺度范围内,因此,其非常有利于设计亚波长尺寸的光子器件。有趣的是,研究者们发现石墨烯同样支持SPPs波。石墨烯等离子体已经在理论和实验上得到广泛的研究。石墨烯是太赫兹到中红外光谱范围中最有潜力的等离子体超材料,与金属等离子体相比,石墨烯等离子体具有更强的局域性,更长的相对传播距离和更好的可调控性。
  等离子体诱导透明(PIT),一种类似原子系统电磁诱导透明现象,已经被证实能够在石墨烯结构中实现。近年来,这些主动可调系统已经引起了研究者们的广泛的关注,因为它在集成光子电路,包括慢光器件,等离激元开关和光学传感器等领域具有广阔的应用前景。本论文中采用时域有限差分方法,设计并研究了几种石墨烯结构去实现PIT效应。主要工作内容以及结果如下:
  使用两个平行的石墨烯纳米带在中红外区域实现了PIT效应。两个明模式之间的弱杂化导致新颖的PIT光学响应。我们可以通过改变石墨烯纳米带的几何参数来控制PIT系统的性能。同时,通过门电压改变石墨烯纳米带的费米能量,而不是重新制造纳米结构,可以动态调谐透明窗口的共振频率。此外,在所提出的纳米结构中,可实现高灵敏度传感应用,其品质因数值高达12。我们提出的基于石墨烯的PIT系统可以为开发诸如可调谐传感器,转换器和慢光器件的集成元件开辟新的途径。
  在由石墨烯带和石墨烯盘构成的石墨烯系统中实现PIT效应。有趣的是,PIT透明度窗口不但可以通过改变两个谐振腔的间隙距离而且可以通过改变入射光的偏振角来实现来调制。我们使用三能级系统解释PIT效应的形成机理,分析结果与数值计算结果表现出很好一致性。此外,可以通过改变石墨烯的费米能量来动态地调整PIT谐振波长和入射波的群延迟。
  我们提出了一种基于石墨烯双环谐振腔的超紧凑结构,以实现等离子体诱导吸收效应(PIA)。我们利用时间耦合模式理论来验证仿真结果。我们的系统可以实现高达-1.2 ps的群延迟效果。此外,双耦合石墨烯环可以非常方便地用于设计等离子体诱导透明微纳结构,并获得突出的慢光效应。通过调整石墨烯纳米结构的几何参数和费米能,可以非常方便地调谐PIA和PIT共振。
[硕士论文] 于大明
物理学 湖南大学 2017(学位年度)
摘要:21世纪的人类已经步入了高速信息化时代,而光子替代电子成为信息的载体已成为光通信器件的必然发展趋势。随着纳米技术的飞速发展,一些传统光学极限被克服,这为高速集成化、小尺寸光学器件的发展奠定了基础,而表面等离子体激元就是其中的典型。它能将电磁波束缚于金属表面,并在纳米尺度上对电磁波的传输进行操控。作为支持表面等离子体激元传输的光学结构,金属-介质-金属波导具有能量损耗低、纳米尺度的高光场限制性、几十微米的传播距离、结构相对简单以及便于加工制作等优势而得到了极大的关注。本文基于金属-介质-金属波导中表面等离子体激元的传输和相互作用,利用时域有限差分方法对构建的光子器件中的等离子诱导透明机理和应用进行深入地探讨。主要工作内容以及结果如下:
  在中红外频率附近在含有直角槽和矩形穴的表面等离激元(SPP)波导结构里实现一个等离子体诱导透明(PIT)现象。放置在金属包层一边的直角槽和矩形穴谐振腔分别被用于获得典型明-暗模式波导里的明模式和暗模式。波导的等离激元诱导透明透射谱由明和暗模式的相消干涉产生了,诱导透明峰可以通过调节明和暗谐振腔的几何尺寸以及它们之间的耦合距离操控。紧接着,基于等离激元诱导透明结构的谱线劈裂被数值上和理论上研究了。模拟结果表明,通过增加另外一个矩形穴,双电磁诱导透明类似物(EIT-like)出现在宽带透射谱中,相应的物理机制也被呈现了。我们的新颖的等离激元结构对高集成光学回路里新的设计和工程铺平了道路,例如,纳米尺寸光学开关、纳米传感器以及波选择结构。
  首先在含两个直角槽的结构里实现了基于解谐原理的类似电磁诱导透明共振行为。然后,基于明谐振腔和暗谐振腔耦合原理的类似电磁诱导透明共振行为在含有一个直角槽和一个矩形穴的结构里实现了。最后,基于解谐和明-暗谐振腔耦合原理的双类似电磁诱导透明共振行为在一个非对称的等离激元波导谐振系统里被实现了。这个系统由两个直接耦合到金属-介质-金属(MIM)波导的直角槽和一个矩形穴组成。此外,双类似电磁诱导透明共振行为的可调性被研究了,结果表明,双类似电磁诱导透明共振行为可以通过改变矩形穴的长度或者填充在两个直角槽里的介质折射率独立可调。
  在等离激元波导谐振系统里取得一个基于明-暗耦合物理机制的等离激元诱导吸收(PIA)效应。边耦合到金属-介质-金属波导的矩形穴被看作明模式,耦合到矩形穴的环被看作暗模式。系统的透射性质通过时域有限差分(FDTD)法模拟,通过三能级原子系统理论解释。等离激元诱导吸收窗口在水平和竖直方向分别可调。此外,通过增加另外一个边偶合的矩形穴,原来的宽带吸收窗口可以被劈裂成两个窄带吸收窗口。
[硕士论文] 张炯
物理学 湖南大学 2017(学位年度)
摘要:量子化困难是量子物理中的一个基础性问题。仅仅对于没有算符次序问题的系统来说,狄拉克的正则量子化假设提供了一个有效的规则。当粒子局限在二维曲面上的运动时,会碰到复杂的算符次序问题,如何实施量子化就是一个很严重的问题。本文将研究二维曲面上运动粒子的量子化问题。
  对于二维曲面上运动粒子的量子力学,有一个成熟的方案如下:先假定曲面不是一个几何面,而是有一定厚度的薄层,然后在这个薄层中写下薛定谔方程,接着再让厚度趋于零,就可以建立一个曲面上粒子运动量子力学的有效理论。这个时候,可以发现动量为几何动量,而粒子的哈密顿将多出一项几何势能。几何势能已经获得实验的验证。接下来的问题就是:直接在曲面上,如何利用狄拉克的正则量子化假设来给出合理的量子化结果。
  本研究主要分三部分。
  第一部分,简单回顾了约束体系量子化及其研究历史。首先介绍了Dirac正则量子化方案,限制势能技术以及几何动量和几何势能的导出,然后介绍了扩张型的正则量子化方案(Enlarged Canonical Quantization Scheme,简称为ECQS)理论框架、基本内容、基本性质等。ECQS就是要将三大基本对易关系进行扩张,同时实现位置X、动量P和哈密顿H的量子化。
  第二部分,介绍了哑因子的技术的来历,以圆柱面作为例子引入了两种不同的哑因子技术。在ECQS框架下继续用这一技术处理了圆环面、二次曲面以及一般的二维曲面,求解其封闭形式解,同时实现了在一般二维曲面中几何动量和几何势能的共容。
  第三部分,研究了隐函数曲面F(x,y,z)=0上的量子化问题。探究了隐函数曲面在笛卡尔坐标下的几何动量以及动量运动方程量子化,进而运用第二种哑因子技术分析了漏斗面和双钮面,我们发现能在一些比较特殊的高次曲面上得到粒子动量运动方程量子化的封闭形式解。具体来讲,我们在漏斗面上得到了三个方向的精确解,在双钮面上得到了x方向上的精确解,在其他两个方向上也给出了对应的偏微分方程。
  本研究表明,哑因子技术可以为二维曲面上运动粒子的量子化问题提供一个普适的解决方案。同时,这个方案并不完美,暗示着有更好的方式可以来解决这个问题。
[硕士论文] 王雅昕
物理学 湖南大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,随着纳米技术的发展,人们可以精确地操控单个原子和分子,各式各样的金属纳米结构随之产生,这些纳米结构的尺寸最小可以达到几十纳米,这为人们研究金属纳米结构体系中的等离激元提供了更多的可能。表面等离激元是一种集体振荡模式,是金属表面的自由电子在外场作用下发生共谐振荡而产生的。表面等离激元在动态电荷的积累、突破衍射极限、局域场增强等方面表现出了独特的性质,这种由纳米结构边界维持的集体振荡在能源、生物医学、光学、化学等多领域当中都具有非常广阔的应用前景。除此之外,通过改变纳米团簇的微结构也能够调控等离激元的激发性质,包括改变纳米结构的尺寸、形状、电子填充数,化学组成以及周围环境等等。本论文利用无规相近似方法研究了掺杂的方形原子点阵体系中等离激元的激发,该体系中的电子利用紧束缚模型描述。本文主要通过能量损耗谱和外部电场引起的诱导电荷密度分布图像研究和分析杂质对方形原子点阵体系中等离激元激发的影响。具体而言,主要做了以下几个方面的研究:
  (1)基于无规相近似方法,推导了掺杂的方形原子点阵体系的电荷集体振动方程、能量损耗函数。为研究杂质对原子点阵体系中等离激元激发性质的影响提供了一个有效的方法。
  (2)通过能量损耗谱及诱导电荷密度分布研究了方形原子点阵体系中杂质对等离激元激发的影响。发现当体系加入杂质后,体系中将会产生新的等离激元,同时外场引起的诱导电荷密度分布将发生改变。
  (3)为进一步研究杂质对等离激元激发的影响,我们通过能量损耗谱分析了杂质的不同参量对等离激元的影响,包括杂质的能级、主原子与杂质间的跃迁矩阵元、杂质与杂质间的跃迁矩阵元、杂质与主原子之间的库仑相互作用以及杂质与杂质间的库仑相互作用等杂质参量。发现所有的杂质参量都会引起能量损耗谱的混乱。其中不同的杂质能级会使能量吸收谱变得混乱,等离激元的激发频率发生不同程度的蓝移或红移,发生蓝移或红移主要取决于杂质在原子体系中的位置;主原子与杂质原子之间的跃迁矩阵元的变化会导致等离激元的激发频率发生移动,然而杂质与杂质之间的跃迁矩阵元的发生变化时,能量损耗谱几乎不发生改变,这是由于该参量只与杂质本身有关;除此之外,我们还讨论了杂质与主原子间的库仑相互作用、杂质与杂质之间的库仑相互作用以及杂质原子库仑势对等离激元激发的影响。
[硕士论文] 杨松霖
物理学 湖南大学 2017(学位年度)
摘要:表面等离激元(SPPs)作为一种非常特别的电磁波,其特征鲜明,具有广泛的可适性。同时,表面等离激元是入射光子与金属表面自由电子相互作用形成的非辐射电磁模式。而表面等离激元其中最基本的特征参数有:波长、传播长度及穿透深度。特征参数能够集中反映表面等离激元的基本特性,因而表面等离激元的基本特性对于研究是大有裨益的,因而它是实现表面等离子体激发、应用以及对其控制时用于参考的重要参数。目前,如何实对现纳米尺寸上表面等离子体的有效调控成为该领域研究者关注的热点。而新型的谐振腔结构被广泛研究。
  提出了一种新型基于金属-绝缘体-金属(MIM)波导的谐振腔结构,并通过完美的等离子体诱导吸收(PIA)效果的简单子系统实现,由两个矩形腔侧耦合到金属-绝缘体-金属的波导与障碍。其次通过时域有限差分(FDTD)方法来计算系统的传输特性和理论解释的三能级表面等离激元系统。本文提出并实际求证,宽带吸收窗口将被拆分为双窗口并添加一个矩形谐振腔,同时其物理机理也将被呈现。而与此相关,多开关效应也被发现。研究显示,所提出的新结构具有潜在的应用在高度集成的光电路,可以简单地制造。研究同时表明,取得完美的等离激元化致吸收在由两个矩形腔简单的子系统中可以实现。明亮的谐振器,它可以被金属-绝缘体-金属波导耦合;而暗谐振器,因为它不能被激发的金属-绝缘体-金属波导所耦合。然而,暗模式可以通过明亮的模式,通过近耦合来激发。明亮和暗模式之间的破坏性干扰在本文所提出的结构导致了完美的等离激元化致吸收效应。研究发现,原来的宽带吸收窗口可以分为双窗口添加一个矩形腔。综上考虑此金属-绝缘体-金属(MIM)波导的谐振腔结构,显然,所提出的简单结构在高集成度光路的光开关、滤波器和分光器中具有潜在的应用前景与其它谐振腔结构相比,此结构更具加简洁,功能多样化。
  提出了一个新颖紧凑的由单个切口和一个纳米圆盘组成的等离子体波导系统。其中单切口波导直接耦合,纳米圆盘进行间接耦合。与以往进行比较,Lai等人的双纳米圆盘系统的结构,本文的结构耦合系数更高,品质因子更大。利用理论解析和数值模拟的方法探究了由单切口和纳米圆盘组成的波导系统中类电磁诱导透明光谱反应。结果表明单切口实现的直接耦合和圆盘实现的间接耦合都可引起等离子体诱导透明光谱反应。通过实现FP腔,得到较高品质因子Q的结构,并通过对其几何参数的改变,来改进结构的优越性。进而研究温度的影响来实现基于金属-介质-金属(MDM)结构等离激元诱导透明效应的温度传感器的设计。耦合模理论与F-P模型均与FDTD数值模拟吻合较好。因此本文研究认为,等离子体波导系统可能在纳米光学开关,等离子体传感器和慢光设备高度集成光学电路方面有潜在的应用。
[硕士论文] 丘汉标
电气工程 安徽理工大学 2017(学位年度)
摘要:与低压微波等离子体相比,大气压微波等离子体有许多独特的优点:例如,密度大、活性高及生产装置简单等。因此,大气压微波等离子体在实际生产应用和科学研究中获得广泛的关注。然而,在大气压条件下,流注放电为微波放电的常见表现形式,因此,在这样的环境下为了获得理想的微波放电需要提供很高的激发入射功率,基于此,大气压微波放电的实现代价较高,实际应用较困难。针对大气压低功率微波放电难于实现的科学技术难题,以大气压低功率表面波等离子体(SWP)射流为研究对象,采用等离子体与微波相互作用的共振耦合放电方法,借助表面波等离激元(SPP)局部加强电场便于触发气体放电的优越性,研究SPP激励SWP射流放电机制。通过构建放电实验,诊断放电过程,辅以数值模拟,分析得出SPP激励SWP射流的放电机理。本文将揭示大气压低功率微波SWP射流的电离发展过程,解释大气压微波流注气体放电的时空物理参量演变机制。本文的主要研究内容总结如下:
  1.首先,微波放电是一种相对较新的技术,它需要科研工作者具备一些微波工程和等离子体工程的相关知识。所以先介绍微波放电理论中的一些基本概念,然后研究探讨现有的各种类型的等离子体发生装置。因为了解这些现有等离子体源的优点和问题,有助于新型等离子体源的开发和设计。
  2.其次,由于微波放电的不稳定性,以及微波放电的影响因素至今还未研究透彻,对于如何在大气压条件下开发大规模、高效节能、均匀的微波等离子体仍有待研究。因此,本文设计了三种类型的同轴谐振器,并获得了2.45GHz共振频率的微波。然后向谐振器通以流动的氩气,在只有5W的微波驱动功率下分别在周围空气中产生不同形貌的等离子体射流。
  3.最后,由于与直流放电和射频放电不同,微波放电的电压、电流不能直接测量。通常,需要使用复杂的系统对微波放电的正向和反射功率进行测量。因此这对于微波放电的诊断和分析是一个巨大的障碍。而本文绕开这一障碍,基于传输线理论模型,探讨了同轴谐振器的工作机制;并利用HFSS和COMSOL仿真软件建立电磁模型和流体模型,进一步探讨了同轴谐振器的放电机理。
[硕士论文] 许梦娟
物理学 湖南大学 2017(学位年度)
摘要:UN2是重要的核燃料之一,具有良好的热学特性。同时,它也是事故容错材料之一,和传统上的氧化物核燃料相比,铀氮化合物燃料有更高的热导性,高熔点和高密度,非常适合做未来高温反应堆燃料,在能源方面得到了世界范围的重视。在大气环境 UN2中与 O2,H2和 H2O等气体接触,从而有可能会发生氧化还原反应,腐蚀其性能。因此,如何有效地储存材料,阻隔其与大气中的腐蚀气体发生反应显得尤为重要。本文从理论角度应用第一性原理方法,模拟计算了 UN2表面与 O、H、O2、H2、OH和 H2O可能发生的吸附反应,计算了各种吸附质在不同吸附位置的吸附特性,以及电荷转移,差分电荷密度等。
  本工作利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,系统地研究了 UN2与一系列原子和分子之间的相互作用。研究计算了各原子、分子在 UN2表面的不同吸附位置和不同吸附方式的吸附过程,得到了各原子和分子在表面最稳定吸附构型及与之对应的最强吸附能。计算研究结果表明,O原子的最稳定吸附位置是bridge位,对应的最强吸附能为-5.08 eV。H原子的最稳定吸附位置也是 bridge位,对应的最强吸附能为-0.49 eV。采用第一性原理密度泛函理论和计算扩散势垒 CI-NEB方法,我们计算了O和 H原子在表面的扩散过程,并利用 Bader电荷分析方法计算了 O和H原子的电荷转移情况。对于 O2分子在表面的吸附,初始水平放置的 O2分子,最终都会发生完全解离。其中初始水平放置在 hollow位的方式对应的吸附能最强,为–10.21 eV。其末态结构中,两个O原子分别稳定吸附在两个邻近的bridge位上。而在所有的吸附位置上的垂直放置方式中,O2分子都未发生解离。对于 H2分子在表面的吸附, H2分子和表面的相互作用十分微弱,只是物理吸附,甚至发生了脱附。对于 OH在表面的吸附,所有位置的水平吸附初始放置方式,都会弛豫到同一种稳定的末态结构:以O原子为吸附端垂直吸附在 bridge位。这种方式也对应最强的的吸附能,大小为-5.73 eV。对于 H2O在表面的吸附,我们研究了 H-parallel,H-up,H-down和 H-up-down四种放置方式的吸附特性。H2O分子与表面的相互作用比较弱,而且没有发生解离,不同的吸附位置和放置方式会导致吸附能发生较大的变化,其中有三种方式的最终稳定结构相同,同时也有最强的吸附能为-0.69 eV。
[硕士论文] 范二女
凝聚态物理 太原理工大学 2017(学位年度)
摘要:本文系统地研究了一维光晶格中没有三体硬核限制存在的任意子哈伯德模型,分析了统计相角θ→π时,赝费米子极限下的硬核限制效应。若格点上无相互作用或仅有很小的吸引相互作用,这个效应有助于超流基态的稳定。对于其它值的统计相角,我们发现了一种非常规的对称性破缺超流态,其动量凝聚尖峰位于非零的有限值处,使得单粒子关联函数产生了一种有趣的拍现象。特别是在θ≈π时,我们观察到这个模型具有丰富的奇异性质,比如在不同超流相之间的一级相变和在密度较大且没有三体硬核限制存在时出现的一种双分量的部分配对相。
  此外,本文运用密度矩阵重整化群方法,系统地研究了一维光晶格中含off-site三体隧穿项的玻色哈伯德模型。该三体超流具有一个重要特征:在任意一个格点上的一个原子与相邻格点的原子对相向隧穿。凝聚在动量k=0处的off-site三体超流相仅存在于软核玻色哈伯德模型中,而在硬核玻色哈伯德模型中则不会出现。本文的数值结果表明off-site三体超流相在热力学极限下是稳定的,与文献[Phys. Rev. A81,011601(R)(2010)]从动量空间里得到的结果吻合。我们发现了off-site三体超流相、部分off-site三体超流相和莫特绝缘相,同时也观测到了有趣的相变,如从三体超流相到莫特绝缘相的连续或一级相变。我们的结果有助于在冷原子实验中实现这种新奇的off-site三体超流相。本文的主要内容如下:
  第一章,简单介绍了量子相变,任意子超流和三体超流的研究背景及理论基础,并给出了相应的哈密顿量。
  第二章,主要介绍在一维光晶格中的任意子哈伯德模型和三体玻色哈伯德模型中所运用的模拟分析方法,即双格点平均场和密度矩阵重整化群这两种方法。
  第三章,运用平均场方法和密度矩阵重整化群方法模拟了一维光晶格中的任意子哈伯德模型。分析了其单粒子关联函数、动量分布,发现了动量凝聚在0<θ<π的对称性破缺超流相以及一种在系统密度较大即ρ≥1.5时才会出现的双分量部分配对相。
  第四章,运用密度矩阵重整化群方法模拟分析了一维光晶格中含off-site三体隧穿项的玻色哈伯德模型。绘制出了该玻色哈伯德模型的硬核和软核相图,发现off-site三体超流相和部分off-site三体超流相存在于软核玻色哈伯德模型中,并对相图进行了讨论。
  第五章,对本论文的研究工作进行总结。
[硕士论文] 郭利娟
凝聚态物理 太原理工大学 2017(学位年度)
摘要:本文用平均场方法(MF)和密度矩阵重整化群方法(DMRG)研究了扩展Jaynes-Cummings-Hubbard(JCH)模型,该模型是将多个Jaynes-Cummings(JC)光腔耦合起来,并引入原子之间排斥相互作用得到的。JCH模型可以帮助人们理解光场对量子多体态的调控效应。通过研究我们得到平均场方法下的硬核(光腔中最多可容纳1个光子)、软核(光腔中最多可容纳2个光子)扩展JCH模型的基态相图,并用DMRG方法验证了部分细节图,从而确保相图中的超固体相是稳定存在的。研究发现,对于三角晶格上的硬核扩展JCH模型,有两个激子密度分别为1/3和2/3的固体相。与之前研究的扩展玻色哈伯德模型不同的是,即使光子之间没有排斥相互作用,仍然有光超固体形成。超固体相存在于激子密度分别为1/3和2/3的两个固体相中间,并且在1/3固体相下边缘处也发现了基于空位激发引起的超固体。对于一维硬核和软核扩展JCH模型,我们发现在1/2固体相的下边缘同样存在热力学极限条件下稳定的超固体相。超固体范围内的密度-密度关联对于硬核和软核JCH模型都发现了拍现象。本文的主要内容如下:
  第一章,介绍了超冷原子的玻色爱因斯坦凝聚、光晶格与光腔晶格、超流相、固体相和超固体相的概念及其应用。并介绍了标准和扩展玻色哈伯德模型、JC模型、JCH模型、扩展JCH模型及其它们的哈密顿量。
  第二章,介绍了平均场方法,该方法包括:单格点平均场方法和Cluster平均场方法;以及DMRG方法。
  第三章,分别介绍了用平均场方法和DMRG方法研究的三角晶格上扩展JCH模型以及一维硬核、软核扩展JCH模型的研究结果,并对模拟的结果进行分析。
  第四章,总结与讨论。
[硕士论文] 闰娟娟
凝聚态物理 太原理工大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,越来越多的关注投向自旋压缩课题研究,主要有着三方面的原因:
  1.随着科技的发展,经典误差包括技术缺陷、仪器误差等对测量精度的限制大幅度减小,由量子性质决定的量子误差成为主要误差来源。海森堡不确定关系中标准量子极限的普遍存在已经构成量子测量精度提高的本质障碍,而压缩态则在突破标准量子极限,实现测量精度提升方面有着十分巨大的发展前景和应用潜力[1]。
  2.自旋压缩与量子纠缠之间存在着密切关系,能够有效地提升量子信噪比,有关压缩的探究对量子信息具有非常重要的意义。
  3.除此之外,量子纠缠也是物理学探索的基本问题之一。
  因此对于自旋压缩的探究,不仅在应用方面有着广泛的应用前景,在理论发展方面也具有非常重要的研究意义。
  本文主要探究的是自旋F=l的玻色子组成的旋量凝聚体中特有的压缩问题,包括自旋压缩和自旋向列压缩。在分析压缩问题的过程中,采用角动量表象和粒子数表象两种方法,通过进行探究和比较,发现粒子数表象在探究压缩问题方面更具有优势,特别是许多无法由角动量升降算符表示的特殊的外场耦合项,可以很好地通过粒子数表象呈现出来。在系统地研究自旋压缩的同时,具体分析向列张量压缩随不同外场强度的变化关系,并通过数值分析给出压缩系数和粒子数关联之间的内在联系,最后通过理论模拟,给出自旋BEC中的压缩系数的演化和不同外场因素对压缩系数的影响。
  本文共分为五个部分,具体框架如下:
  第一部分首先介绍一些压缩的相关概念,从光子系统和自旋12系统开始回顾自旋压缩的理论知识。这些系统能够分别展示单光模式的正交压缩和自旋12系统的自旋压缩。本章对旋量凝聚体压缩课题的研究背景和基本概念进行简要的介绍。
  第二部分对相干态和压缩态予以分析,探讨几种不同的压缩系数的定义,给出探究压缩问题的基本方法,并将其推广到自旋向列压缩,最后对压缩态的实现方法进行有关的讨论和分析。
  第三部分分别采用角动量表象、粒子数表象和数值分析这三种方法对玻色系统的压缩问题进行探究,比较两种表象在探究压缩问题的优劣。除此之外,对自旋1系统中的自旋向列压缩进行探究,将自旋压缩与自旋向列压缩这两种压缩形成的各项条件进行对比,同时对自旋向列压缩过程中不同分量粒子之间的自旋交换进行讨论,给出压缩过程中初态指标的动力学演化规律。
  第四部分,将影响自旋压缩效果的主要因素考虑进去,包括压缩与外加磁场的关系,压缩与粒子数之间的联系,通过理论模拟给出压缩系数和对应的压缩初态指标在不同磁场及粒子数下的动力学演化规律。
  文章的最后就本文的主要工作和结论做出总结和展望。
[硕士论文] 冯志强
凝聚态物理 山西大学 2017(学位年度)
摘要:一维强相互作用冷原子气体模型一直是凝聚态物理学领域中最为基础也最具有研究价值的理论模型之一。早期关于一维冷原子气体研究大多是在光晶格中进行的,由于在光晶格中研究一维系统的局限性导致一些量子现象的缺失,例如:虽然短程反铁磁关联在二聚物晶格中已经被探测到,但在光晶格中至今也没有探测到两组分费米气体的反铁磁奈尔长程序。2015年德国Heidelberg大学Jochim小组利用简谐势阱中囚禁的6Li原子在散射共振附近实现了反铁磁海森堡自旋链的精确制备,在无需外加光晶格的情况下对少数几个粒子的精确操控使得有效自旋链模型成为可能。2016年崔晓玲小组利用有效自旋链模型在考虑p波相互作用下的自旋1/2两组分费米气体中研究了奈尔反铁磁关联。
  本文利用玻色费米映射理论在一维强相互作用冷原子气体中推导出有效自旋链模型,通过精确对角化的方法分别计算了囚禁在一维谐振子势阱和一维无限深方势阱中两组分费米系统的自旋密度分布与能级排布。结果表明自旋平衡的自旋链系统处于基态时两组分自旋密度分布相同,自旋非平衡的自旋链系统处于基态时两组分自旋密度分布不同。外势阱改变后,系统密度分布峰值位置会发生改变,外势的改变会导致能级发生偏移。随后计算了磁场梯度对自旋链系统密度分布和能谱的影响。考虑磁场梯度后,自旋平衡的自旋链系统处于基态时自旋密度在空间交替排布即系统处于反铁磁序基态,自旋非平衡的自旋链系统自旋密度分布的空间对称性会被磁场梯度破坏掉。粒子间相互作用趋于无穷时系统是高度简并的,磁场梯度的引入消除了系统的简并,并且随着磁场梯度的增加能隙会变大。在无需借助光晶格的情况下便可以在理论和实验上实现有效自旋链模型,有效自旋链模型不仅适用于玻色系统与费米系统也适用于多组分系统,这为研究一维冷原子气体的磁性开辟了另一条途径。
[硕士论文] 张鹏
凝聚态物理 山西大学 2017(学位年度)
摘要:自旋轨道耦合是量子物理学中的一个重要机制。近些年来,随着非阿贝尔规范场在中性冷原子中的实现,引起人们对自旋轨道耦合冷原子气的广泛关注。有了自旋轨道耦合效应,冷原子气会表现出一些新奇的超流性质,比如拓扑超流态、Majorana费米子态、FFLO态等。同时,自旋轨道耦合效应的引入,也使得人们可以利用冷原子这样一个便于操作的体系,来模拟拓扑绝缘体等重要的量子效应。此外,自旋轨道耦合冷原子气也成为实现拓扑量子计算的重要平台。本文主要应用平均场理论的方法研究了自旋轨道耦合作用下二维超冷费米气体的零温特性。
  文章首先简单的介绍了超冷费米气体以及人工自旋轨道耦合量子模拟在理论和实验上的研究背景。其次介绍的是有关二维费米冷原子气的多体理论。用平均场近似的方法对简单的二维费米冷原子气系统进行了较为详细的推导,最终得到了能隙方程和粒子数方程。接着用平均场理论的方法讨论了equal-Rashba-Dresselhaus(ERD)型自旋轨道耦合作用下二维质量相等费米气的零温特性。数值分析能隙方程和粒子数方程组成的自洽方程组,发现Zeeman场不存在时,只增加ERD型SOC的强度对超流序参量没有任何影响,只有Zeeman场存在时,增加ERD型SOC的强度才能够促进超流序参量的配对。紧接着用同样的方法研究了二维质量不相等费米气系统的零温特性,该系统具有ERD型自旋轨道耦合作用和Zeeman场。在该系统中存在三种不同的超流相(US-0相、US-1相、US-2相),通过数值分析能隙方程和粒子数方程组成的自洽方程组,发现二维费米气系统的质量相差越大,Zeeman场对超流序参量的抑制作用就会越强。在弱吸引相互作用区域,随着自旋轨道耦合强度的增加,US-2拓扑超流相会逐渐收缩。自旋轨道耦合强度一定情况下,质量比λ>1时,只有在弱吸引相互作用区域存在US-2拓扑超流相;当质量比0<λ≤1时,在弱相互作用区域和强相互作用区域都存在US-2拓扑超流相。最后,对文章的主要内容做了总结并对今后的研究方向做了展望。
[硕士论文] 丁琪
物理学 天津理工大学 2017(学位年度)
摘要:量子点由于其光谱可调谐,发光效率高,是近年来发展起来的一类新型功能材料,在发光器件、光催化、生物成像、光伏电池、传感器以及激光等领域中均有着非常广泛的应用。目前通常采用的调节发射光谱范围的手段有改变量子点颗粒尺寸,改变组分等方法。本文采用热注入法制备了不同粒径的ZnAgInSe量子点及不同Zn/Ag前驱物配比的ZnxAgInSe量子点,同时合成了包覆ZnSe壳层的ZnAgInSe/ZnSe量子点。通过荧光衰减寿命、变温PL的测试分析了其内部发光机制。具体内容如下:
  通过热注入法制备了不同颗粒尺寸的ZnAgInSe量子点。受量子尺寸效应的影响,随着颗粒尺寸的增加发光强度明显增强且光谱发生红移。通过进一步测试荧光衰减寿命来研究其内部的发光机制,主要是由导带到内部能级的复合,表面相关的复合以及施主-受主对复合三个过程共同作用的结果,且施主-受主对的复合占主要部分。同时,对不同颗粒尺寸的 ZnAgInSe量子点测试了变温 PL光谱,并研究了变温光谱的发射峰位置,发射峰强度以及半高宽与温度之间的变化关系。可以发现峰强度随着温度的升高而减弱,这可能是由于热激活非辐射复合机制引起的。ZnAgInSe量子点变温发射光谱的展宽可能是激子-声子的耦合导致的,黄昆因子随着颗粒尺寸的增加而增大,表明了激子-声子耦合作用增强。
  通过热注入法制备了不同组分的ZnxAgInSe(x=0.3,0.5,1)量子点,通过改变Zn/Ag配比成功的调节了量子点的发光峰范围。可以发现,随着Zn/Ag配比的增加发射光谱发生了明显的蓝移,同时发光强度也相应的增强,表明量子点中Zn空位(VZn)和Ag空位(VAg)的数量发生了变化,Zn组分的增加引起了VAg的降低,而VZn相应的增加。进一步测试了ZnxAgInSe量子点的变温PL谱,并研究了发射峰位置,半高宽,峰强度随温度的变化关系。随着Zn/Ag配比的增加黄昆因子S逐渐降低,可能是由于晶格结构的热膨胀引起了带隙能量的变化。ZnxAgInSe量子点的发光机制可以描述为以下三个过程:导带到内部能级的复合,表面相关的复合以及施主-受主对复合,其中施主-受主对复合占主导地位。同时,进一步将ZnxAgInSe(x=1)量子点应用在了温度传感器中。
  通过热注入法制备了包覆不同ZnSe层数的ZnAgInSe/ZnSe量子点。随着ZnSe壳层数量的增加,发光峰位发生蓝移,且发光强度也逐渐增强。ZnAgInSe/ZnSe核/壳量子点的发光机制主要是由于导带到内部定域能级的复合、表面相关的复合以及施主-受主对复合,其中以施主-受主对的复合为主。通过测试变温光谱,研究了发射峰位置,发射峰强度以及半高宽与温度之间的变化关系。可以观察到在10 K到300 K的温度变化范围内,随着温度的升高强度减弱且峰位红移,光谱展宽。拟合得到黄昆因子S均小于1,说明其激子-声子的耦合较弱,且随着ZnSe层数的增加S逐渐降低,表明激子-声子耦合逐渐下降。
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