采用机械剥离法在金刚石对顶砧中制备了单层WSe2和MoSe2样品, 利用高压微区荧光光谱测量技术, 在氩传压介质环境下对其激子发光行为进行了高压调控研究。其中单层WSe2的中性和负电激子演化趋势在2.43 GPa处出现拐点, 单层MoSe2中性激子发光在3.7 GPa处发生了劈裂。结合第一性原理计算分析, 确认该不连续现象的产生机制为压力诱导的导带底K-Λ交互转变。该结果可以扩大至整个二维层状材料体系, 为发展激子器件垫定基础。

利用粉体NbCl5作为Nb掺杂源, 采用常压CVD方法合成了大尺寸Nb 掺杂的少层MoS2薄膜。通过扫描电子显微镜和原子力显微镜观察获得了该薄膜样品的形貌和厚度信息。拉曼光谱和X射线光电子谱测试证实了Nb被掺入到了MoS2薄膜中, Nb掺杂的MoS2合金薄膜已经形成。最后, 对Nb 掺杂的少层MoS2薄膜的电学性质进行了测试。

制备了具有高激子利用率的A-π-D-π-A结构的蓝光荧光材料CzPAF-CP, 并通过紫外-可见吸收光谱和荧光光谱以及理论计算等方法对化合物的光物理性质及激发态性质进行了研究。该化合物表现出显著的溶剂化效应, 溶剂化红移高达116 nm。根据Lippert-Mataga关系以及瞬态光谱测试证明CzPAF-CP具有局域电荷转移杂化态, 这一点从理论计算结果也可以得到证明。由于CzPAF-CP具有扭曲A-π-D-π-A结构, 在水含量高达90%的水和四氢呋喃混合溶液中荧光没有被猝灭, 具有聚集诱导发光性质。以CzPAF-CP为发光材料制备的OLED器件发射蓝光, 其电致发光光谱最大发射峰在452 nm, 半峰宽54 nm, 色坐标为(0.150, 0.117)。最大外量子效率达到6.3%, 激子利用率达到71.6%, 超出25%的上限, 这是由于CzPAF-CP局域电荷转移杂化态导致高能级单线态和三线态激子发生反系间窜越导致的。

研究了磁场作用下石墨烯中电子与表面光学声子弱耦合情况下的极化子的性质。采用线性组合算符和Pekar变分法分别推导出了石墨烯中弱耦合极化子的基态能量E0、第一激发态能量E1和跃迁频率ω随磁场强度B和德拜截止波数kd之间的变化关系。数值计算结果表明, 极化子的基态能量E0随磁场强度B变化的曲线(kd一定时)和E0随kd的变化曲线(B一定时)均会分裂成对称的两条, 并且当B一定时E0的绝对值随kd的增加而增加。在kd一定时, 极化子的第一激发态能量E1和跃迁频率ω均为磁场B的增函数; 在B一定时, E1和ω均随kd的增加而增大。

基于密度泛函理论, 采用第一性原理的方法计算H修饰边缘不同宽度硼稀纳米带的电荷密度、电子能带结构、总态密度和分波态密度。结果表明, 硼烯纳米带的宽度大小影响着材料的导电性能, 宽度5的硼烯纳米带是间接带隙简并半导体, 带隙值为0.674 eV, 而宽度7的硼烯纳米带却具有金属材料的性质。分波态密度表明, 宽度5的硼烯纳米带的费米能级附近主要是由B-2s、2p电子态贡献, H-1s主要贡献于下价带且具有局域性, 消除了材料边缘的不稳定性。宽度7的B-2p和H-1s电子态贡献的导带和价带处于主导地位, 费米能级附近B-2p和H-1s电子态的杂化效应影响材料的整体发光性能。

通过共振激发技术和速度影像法对铕原子4f76pns(n=7, 8)自电离态进行了系统性的研究。首先采用三步共振激发技术探测光谱, 通过前两步固定波长的激光将铕原子激发到4f76p2态上后扫描第三步激光的波长, 使得三步激光的能量总和位于铕原子4f76pns(n=7, 8)自电离态能域附近, 从而得到该自电离态的光谱; 然后采用速度影像法对其动力学过程进行探测, 经过数据分析得到铕原子4f76pns(n=7, 8)自电离态的衰变分支比和弹射电子的角分布。不仅从光谱中观察到了强烈的组态相互作用并且确定了部分能态的总角动量, 从自电离弹射电子角分布中观察到铕原子4f76pns(n=7, 8)自电离态复杂的物理机制, 还在该能域内观测到了粒子数反转。最后, 本文还对孤立实激发技术在探测低n值自电离态光谱的适用性进行了讨论。

柔性太阳电池具有重量轻、可卷对卷连续生产、可卷曲、不易破碎、便于携带和可穿戴等特点, 可在多种领域为人们提供电力, 具有非常广泛的应用前景。近年来, 在基于刚性衬底的有机/无机杂化钙钛矿太阳电池(PSC)展示了出色的功率转换效率之后, 柔性PSC研究也受到了人们的广泛关注。目前, 柔性PSC的转换效率已经达到了18.1%。本文介绍了近年来柔性PSC领域的相关研究工作, 综述了已应用于柔性PSC的柔性基底、透明电极和界面传输层等关键材料近来的发展, 并探讨了这些材料应用于柔性PSC时的优势和面临的主要问题, 最后对柔性PSC未来的发展进行了展望。

应用于空间的图像传感器在辐射影响下产生的热像素严重影响空间光电探测性能, 本文通过质子辐照试验研究了热像素的产生和变化规律。首先, 使用3 MeV和10 MeV两种能量的质子对图像传感器进行辐照, 分析不同能量、不同注量的质子辐照产生热像素的性质; 其次, 再对辐照后的器件进行退火试验, 分析热像素的退火规律。对于相同注量辐照, 3 MeV质子辐照下热像素产生率大约是10 MeV质子辐照下的2.3倍, 但是10 MeV质子辐照产生热像素的灰度值高于3 MeV质子; 辐照过程中热像素的数量都是随着注量的增加线性增加。退火过程中, 热像素数量都不断减少, 而3 MeV质子辐照产生的热像素相比于10 MeV质子, 退火更为显著。结果表明, 质子辐照下每个质子与器件之间的作用过程及产生缺陷的机制是相对独立的, 不同质子的作用过程之间没有相关性。不同能量的质子辐照产生缺陷的类型不同, 导致热像素具有不同特性。

针对LED样品检测中的样品短路失效、LED光源黑化、光通量下降和芯片表面通孔异常现象, 采用金相切片、机械微操、静电测试等方式结合扫描电镜和能谱仪(EDS)等表征手段对失效机制进行了分析, 揭示了LED失效原因。包括镀层银离子与杂质硫离子导致光源黑化; 芯片抗静电电压低, 部分样品发生静电击穿; 失效芯片通孔下面的Ni-Sn共晶层存在大量空洞, 使得复杂结构的芯片通孔应力不均, 样品工作时芯片表面开裂破碎, 从而导致PN结短路失效; 封装胶中残存的杂质离子腐蚀芯片负电极导致电极脱落而出现漏电、光衰和死灯等现象。

在湿法氧化过程中采用一种自制的新型红外光源显微镜和CCD相机俯视成像系统监测被氧化晶圆片上氧化标记点颜色的变化, 通过CCD相机得到的氧化标记点尺寸大小与实际氧化标记点尺寸大小的比例计算, 由氧化标记点变化颜色的尺寸大小获得实际晶圆被氧化尺寸大小, 反馈调节氧化工艺, 保证控制垂直腔面发射激光器(VCSELs)的氧化孔径精度在±1 μm。根据氧化实验总结高Al组分含量对氧化孔形状影响、氧化速率随温度变化及氧化深度随时间变化规律, 得到在炉温 420 ℃、水浴温度 90 ℃、氧化载气N2流量 200 mL/min的工艺条件下, 氧化速率为 0.31 μm/min, 实现量产高速调制 4×25 Gbit/s的850 nm VCSELs。室温条件下, 各子单元器件工作电压为 2.2 V, 阈值电流为 0.8 mA, 斜效率为 0.8 W/A。在 6 mA工作电流下, 光功率为 4.6 mW。

为了解决在单晶硅衬底上生长的InGaN/GaN多层量子阱发光二极管器件发光效率显著降低的问题, 使用周期性δ型Si掺杂的GaN取代Si均匀掺杂的GaN作为n型层释放多层界面间的张应力。采用稳态荧光谱及时间分辨荧光谱测量, 提取并分析了使用该方案前后的多层量子阱中辐射/非辐射复合速率随温度(10~300 K)的变化规律。实验结果表明引入δ-Si掺杂的n-GaN层后, 非辐射复合平均激活能由(18±3) meV升高到(38±10) meV, 对应非辐射复合速率随温度升高而上升的趋势变缓, 室温下非辐射复合速率下降, 体系中与阱宽涨落有关的浅能级复合中心浓度减小, PL峰位由531 nm左右红移至579 nm左右, 样品PL效率随温度的衰减受到抑制。使用周期性δ型Si掺杂的GaN取代Si均匀掺杂的GaN作为生长在Si衬底上的InGaN/GaN多层量子阱LED器件n型层, 由于应力释放, 降低了多层量子阱与n-GaN界面、InGaN/GaN界面的缺陷密度, 使得器件性能得到了改善。

为了得到一种三倍频效率高达60%的355 nm脉冲激光器, 采用曲率半径分别为2 m的凹凸高斯镜和9 m的平凹全反镜组合作为谐振腔, 加以电光调Q, 得到1 064 nm高光束质量激光输出, 再将其进行行波放大, 获得重复频率10 Hz、脉宽7.3 ns、单脉冲能量1.01 J的1 064 nm基频光输出。利用 Ⅰ 类相位匹配LBO晶体进行二倍频、 Ⅱ 类相位匹配LBO晶体进行三倍频以得到波长为355 nm的紫外光输出。通过二倍频和三倍频输出特性和非线性晶体参数的分析和实验调试, 最终获得了单脉冲能量为608 mJ、脉宽为5.7 ns、线宽为2 nm的紫外激光输出。通过优化二倍频的转换效率, 可使1 064 nm基频光到三倍频得到的355 nm紫外光的转换效率达60%。

为降低ITO薄膜对紫外波段的光吸收, 制备低电压高功率的紫外LED, 研究了一种基于金属掺杂ITO透明导电层的365 nm紫外LED的制备工艺。利用1 cm厚的石英片生长了不同厚度ITO薄膜以及在ITO上掺杂不同金属的新型薄膜, 并研究了在不同的退火条件下这种薄膜的电阻和透过率, 分析了掺杂金属ITO薄膜的带隙变化。将这种掺杂的ITO薄膜生长在365 nm外延片上并完成电极生长, 制备成14 mil×28 mil的正装LED芯片。利用电致发光(EL)设备对LED光电性能进行测试并对比。实验结果表明: 掺Al金属的ITO薄膜能够相对ITO薄膜的带隙提高0.15 eV。在600 ℃退火后, 方块电阻降低6.2 Ω/□, 透过率在356 nm处达到90.8%。在120 mA注入电流下, 365 nm LED的电压降低0.3 V, 功率提高14.7%。ITO薄膜掺金属能够影响薄膜带隙, 改变紫光LED光电性能。

采用液相沉积法在ITO衬底上以ZnO纳米棒阵列为模板合成了TiO2纳米管阵列, 并采用SEM、XRD对样品的形貌、结构等进行表征。在此基础上, 以空白ITO导电玻璃为对电极制备了光电化学型紫外探测器, 并对其光响应特性进行测试。实验结果表明, 制得的TiO2纳米管轻微弯曲, 由单一稳定的锐钛矿相组成。制得的自供能TiO2纳米管紫外探测器对300~400 nm紫外波段非常敏感而对可见光区无响应。在无外加偏压的条件下, TiO2纳米管紫外探测器能够对紫外光实现探测, 表现出自供能特性并且具有较高的光敏性。循环测试结果表明, 制得的自供能TiO2纳米管紫外探测器能够循环工作且性能稳定, 上升时间和下降时间分别为0.33 s和0.38 s。

为提高有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(PSCs)光吸收效率、平衡有源层中载流子产生速率, 将周期性纳米光栅结构引入到PSCs器件结构中。分析了光栅周期、光栅高度和有源层厚度对表面等离子激元(SPPs)与法布里-珀罗(F-P)共振耦合模式的影响。通过改变光栅周期, 实现了SPPs与F-P共振耦合波长范围与钙钛矿材料的弱吸收光谱区域相重合, 同时光栅高度的增加可以增大耦合模式的光谱宽度。SPPs与F-P共振耦合模式实现了金属电极与电子传输层(ETL)界面处的局域电场增强。结果表明: 场增强效应扩展到有源区, 有效提高了PSCs有源层远入射光侧在570~800 nm波长范围内的光吸收, 进而提高了有源层远入射光区域的载流子产生速率。当光栅周期为250 nm、光栅高度为50 nm、源层厚度为300 nm时, PSCs在太阳光弱吸收光谱区域内的本征吸收提高了~12%, 有源层远入射光侧载流子产生速率提高了~41%。

采用真空蒸镀法分别制备了以CuPc、ZnPc、C60为阴极修饰层的OLED, 对比研究了它们对OLED光电性能的影响。从能级结构、表面形貌、折射率及纳米界面等方面对载流子注入和输运进行了探讨。结果表明: 修饰层使器件性能显著提高, 它不仅降低OLED开启电压(最低至4.2 V)、提高OLED电流密度及发光效率(最高至13.49 lm/W), 同时增强了器件的发光稳定性(180 s后光强保持在90%以上), 其中以CuPc为阴极修饰层的器件表现的性能最好。发光光谱方面, 以CuPc和ZnPc作为修饰层的器件对550~650 nm的红光部分略有吸收, 而C60作为修饰层的器件光谱则无太大变化, 这是由修饰层材料的吸收系数随不同波长而变化所致。实验结果说明, 若想较大程度地提高器件电性能, 酞菁材料是不错的选择; 若对光谱有要求, 可用C60做阴极修饰层。

在pH 7.4的Tris-HCl缓冲溶液中, 采用紫外吸收光谱、荧光光谱结合溴化乙锭(EB)荧光探针、共振散射光谱以及DNA熔点(Tm)实验和分子模拟等技术, 研究了青蒿素(QHS)与小牛胸腺DNA(ctDNA)分子间结合位点与结合机制。光谱实验结果显示, QHS与DNA发生减色效应, QHS的加入使EB-DNA体系发生静态荧光猝灭, QHS与DNA作用后其467 nm处共振散射峰锐增, 与QHS作用引起DNA的Tm值升高5 ℃, 说明QHS竞争性地嵌插入DNA的碱基对中。通过计算获得QHS与DNA间结合常数Ka为1.43×103 L/mol(298 K)、0.99×103 L/mol(304 K)。分子模拟结果表明, QHS吡喃环部分结构嵌插到DNA小沟区域GA碱基对间, 氢键和范德华力是两者间结合的主要非共价作用方式, 该结论与光谱法和热力学所得结果一致。

分析了二维光子晶体马赫-曾德尔干涉仪的传输特性, 将二维光子晶体波导、环形腔和马赫-曾德尔干涉仪有效结合,提出了一种基于二维光子晶体马赫-曾德尔干涉仪的异或门设计。用平面波展开法分析二维光子晶体能带结构, 并用时域有限差分法验证光信号在该器件中的电场稳态分布。结果表明, 该结构能够实现异或逻辑, 且具有高逻辑对比度7.88 dB, 快速响应周期0.388 ps和高传输速率7.87 Tbit/s; 并且该器件结构尺寸仅为13 μm×14 μm, 易于集成。该异或逻辑结构中引入了二维光子晶体马赫-曾德尔干涉仪, 使得光子晶体逻辑门结构的设计更加多样, 并为二维光子晶体半加器与全加器的设计提供了基础, 具有重要的研究意义。

利用高光谱成像技术无损鉴别菠菜叶片农药残留种类。采用高光谱成像仪采集900～1 700 nm 波段内的光谱数据, 采用多元散射校正对光谱数据进行预处理。利用主成分分析对不同种类菠菜样品的光谱数据进行分析, 结果表明主成分分析能在可视化层面对不同种类的农药残留菠菜样品进行有效判别。另外, 将卡方检验特征选择算法分别与支持向量机、朴素贝叶斯、决策树和线性判别分析算法结合, 并采用10-fold交叉验证评价方法, 筛选出最佳波段和最优判别模型(线性判别模型)。筛选出的8个特征波长为1 439.3, 1 442.5, 1 445.8, 1 449, 1 452.3, 1 455.5, 1 458.7, 1 462 nm, 模型的预测准确率达到0.993且10次交叉验证的标准差为0.009。结果表明, 基于高光谱成像技术能准确地识别菠菜叶片上的农药残留种类。

利用可见/近红外光谱分析仪得到复合肥的原始光谱, 经过MSC和一阶导数预处理后, 建立了复合肥中总氮含量的PLS模型, 实现了复合肥中总氮含量的快速准确无损测量。通过选取不同范围波长建模, 取得了预测决定系数(R2)、预测标准差(SRMSEP)、相对分析误差(KRPD)最好的基础波段。在基础波段的基础上, 采用优选波长算法, 获得了加入波长后的模型的预测决定系数和预测标准差图。通过分析, 最终确定加入42个优选波长。实验结果表明, 加入优选波长后的模型的预测决定系数由不加优选波长模型的0.760 4提高到了0.991 1, SRMSEP降低为原来的1/5, KRPD提高到原来的5倍。

以同步荧光法研究了298, 310, 318 K下硝苯地平(NDP)与胃蛋白酶(PEP)的荧光基团酪氨酸残基(P-Tyr)、色氨酸残基(P-Trp)之间的相互作用。表明药物以动态猝灭的方式猝灭P-Tyr、P-Trp的荧光, 结合位点数n为1, 主要作用力是疏水作用。310 K时NDP与PEP氨基酸残基反应的荧光猝灭比率份数P-Trp 53.43%>P-Tyr 46.57%, 结合位置更靠近P-Trp, NDP与蛋白结合率P-Tyr: 69.43%~87.15%, P-Trp: 73.64%~90.60%, 分别建立了结合模型。且Hill系数nH约为1, 该结合与后继配体无协同作用。结合距离r都小于7 nm, 则NDP与P-Tyr、P-Trp之间都存在非辐射能量转移。

通过溶剂热、溶胶-凝胶和共嫁接技术开发制备了一种基于芘功能化的核壳型磁性二氧化硅纳米微球的可回收汞离子光学传感器。相对于其他竞争金属离子, 获得的多功能纳米微球对Hg2+具有良好的荧光传感性能和选择性。多功能微球的荧光强度与Hg2+浓度之间显示出良好的Stern-Volmer线性关系(R2＝0.998 3), 其检测限为2.3×10-8 mol·L-1。该材料对汞离子的荧光响应具有可逆性, 利用EDTA溶液处理可实现多次重复使用。此外, 芘功能化的磁性二氧化硅纳米微球可以有效地除去水溶液中的Hg2+, 并且通过施加外部磁场可实现简单快速的分离。上述结果表明, 这种功能化核壳型磁性二氧化硅微球在同时检测和去除环境污染物方面具有良好的发展前景与应用潜力。

为了分析材料在低温下的陷阱能级, 获得更多有关缺陷结构的信息, 研制了一套由STM32微控制器为核心的低温热释光发光谱测量系统。 设计了低温样品室,采用液氮冷却样品; STM32通过控制加热电流, 实现样品以恒定速率升温, 从而获得低温热释光发光曲线或三维热释光谱。温度测量范围为85~400 K, 升温速率范围为0.1~10 K/s。设计了由STM32控制X射线及紫外光源的驱动电路, 用于样品的激发。采用高灵敏度CCD实现对三维热释光谱的测量, 采用单光子计数器获取二维热释光发光曲线。利用该系统测试了(Lu,Y)2SiO5∶Ce3+(LYSO∶Ce3+)单晶闪烁体与SrSO4∶Dy3+粉末样品的热释光谱及辐射发光光谱。观察到LYSO∶Ce3+在108, 200, 380 K左右的热释光峰, 发光波长位于390~450 nm之间, 是明显的宽带峰。在低温下由于基质的自陷激子(STE)发射所形成的发射峰在166 K时发生猝灭。在309 K时, Ce3+发射峰展宽为单一发射峰; SrSO4∶Dy3+发光峰温度为178, 385 K, 发光波长由Dy3+离子的能级跃迁决定, 在480, 575, 660, 750 nm处呈现窄带发光峰。结果表明, 系统人机交互界面友好, 实验数据可靠, 智能化程度高, 操作简单。