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半导体是现代最重要的材料, 在很多前沿研究领域中总能看到半导体的身影. 日常生活中, 人们使用的各种电子产品 (如手机、电脑、电视机等)的核心部件都是由半导体制作. 半导体技术也是目前我国“卡脖子”的关键难题之一, 其中最核心的问题是缺陷与掺杂. 众所周知, 本征半导体是无法实际应用的, 只有实现了可控掺杂后半导体才能制作实用器件. 因此, 半导体的缺陷与掺杂一直是科研领域的重要核心问题.

缺陷与掺杂中蕴含着丰富的物理内容. 缺陷与掺杂的类型众多, 包括原子替代、间隙掺杂、螺旋位错、表面/界面缺陷和原子插层等. 这些缺陷与掺杂往往具有不同的物理特性, 并且对半导体的电学性质、光学性质、力学性质、热学性质、磁学性质等方方面面都有广泛的影响. 通过改变缺陷与掺杂可以实现对材料性能的有效调控, 因此, 缺陷与掺杂的研究在光伏、光催化、光电、热电、微电子等领域占据着重要地位. 半导体的缺陷与掺杂虽然是一个传统的研究方向, 但一直活跃在科研前沿.以往相关研究主要集中在其体相的静态性质, 随着研究的深入, 人们也逐渐从静态研究过渡到对其动力学以及非平衡态的研究, 从体相研究扩展到表面、界面、晶粒间界的研究. 近年来, 除了传统半导体材料, 各种新型材料如二维半导体、有机-无机杂化半导体等层出不穷. 在这些新型半导体材料中, 缺陷与掺杂往往表现出与传统半导体中不同的行为, 研究这些新材料中的缺陷与掺杂可能揭示新奇的物理现象和物理机制. 这些研究又进一步促进了人们对功能材料的物性调控, 因此十分有必要向读者介绍该领域中的前沿研究进展.

受《物理学报》编辑部委托, 我邀请了国内若干位活跃于缺陷与掺杂前沿研究的中青年学者撰文, 对近年来半导体中缺陷与掺杂的部分热点进行深入的介绍, 遂合成了本期专题. 这其中既包括对该领域已取得的部分成果以及科研进展的短篇综述, 也包括报道最新研究成果的研究论文. 从研究内容上看, 涵盖了缺陷与掺杂的静态以及动力学研究, 探讨了太阳能电池、界面热传导、光电器件、铁磁矿磁性能、金属容器高压储氢中缺陷与掺杂的物理性质以及调控作用等等. 受水平及时间所限, 本专题所反映的研究现状难免挂一漏万, 错失之处恳请各位同仁不吝指正. 希望本专题能对国内缺陷与掺杂研究的学术交流做一点贡献.

客座编辑：北京理工大学　马杰物理学报. 2023, 72(22) . 过渡金属硫族化合物由于其具有独特的结构和性质, 在光电子学、纳米电子学、储能器件、电催化等领域具有广泛的应用前景, 是一类被持续关注的代表性二维层状材料. 在材料应用过程中, 对材料掺杂特性的调控会极大地改变器件的响应性能. 因而, 对利用掺杂手段调控过渡金属硫族化合物器件响应性能的研究具有重要的意义. 电化学离子插层方法的发展为二维材料的掺杂调控提供了新的手段. 本文以WS ₂ 为例, 采用电化学离子插层方法对厚层WS ₂ 的掺杂特性进行优化, 观察到离子插入后器件电导率的显著增强(约200倍), 以及栅压对器件光电响应性能的有效且可逆的调控. 本文通过栅压控制离子插层的方法实现对WS ₂ 器件光电响应的可逆可循环调节, 为利用离子插层方法调控二维材料光电器件响应性能研究提供了实验基础. 缺陷是半导体领域中最核心的问题. 采用含时密度泛函方法, 模拟了S原子脱离MoS ₂ 晶格形成空位缺陷过程中的电子动力学行为, 发现该过程中存在显著的非绝热效应. 非绝热效应导致S原子需要消耗更多能量以脱离晶格形成空位缺陷. 随着S原子的初始动能增大, 其脱离晶格形成空位的能量势垒也持续增大, 并且在初始动能达到22 eV附近时发生了阶跃式的增长. 这是由朗道-齐纳电子跃迁和能级间库仑作用共同导致的. 非绝热效应还改变了脱离晶格的S原子上电荷的轨道分布, 以及晶格中缺陷附近的电荷分布. 此外, 还发现该过程中自旋轨道耦合十分重要, 必须被考虑. 本文阐明了MoS ₂ 中S原子空位的形成机制, 尤其是电子非绝热动力学的重要作用, 为进一步研究缺陷对材料物理性质的调控提供了理论基础. 锁相放大器可同时在时间与幅度两个维度实现高精度信号测量, 是精密系统测控的关键部件. 本文以锁相放大器的概念、技术与应用的概貌作为导引, 先以模拟、数字以及虚拟锁相放大器的主要关系与区分方法说明锁相放大器的发展演变, 继而按照锁相环的阶与型从数学角度对锁相放大器进行分类. 随后介绍锁相放大器的幅度、频率与相位噪声等主要性能的测试流程与计量标定进展, 讨论相位噪声、时域抖动、阿伦方差等关键指标之间的换算关系以及和幅度噪声之间的耦合关联. 最后, 列举锁相放大器在光谱增强、阻抗分析、磁性测量、显微成像、空间探测领域的应用形式与效果, 通过一些新型应用展望它通过智能计算、精准物联等途径从科学仪器走向工业甚至民品的前景. 固态电池中的锂枝晶生长问题是困扰其进行商业化应用的重要因素, 锂枝晶在锂金属阳极界面的生长不仅会导致电池能量效率降低, 甚至会产生燃烧、爆炸等安全问题. 为了探究抑制锂枝晶生长的因素和方法, 本文针对聚合物固态电解质电池中锂枝晶的生长问题, 利用相场理论进行模拟研究, 建立了耦合机械应力和热力场的锂枝晶生长相场模型, 讨论分析了环境温度、固态电解质杨氏模量以及外应力等关键物理因素对枝晶生长的影响以及作用原理. 结果显示在高温、高固体电解质杨氏模量和外应力条件下锂枝晶生长缓慢, 长枝晶数量少, 电沉积较为均匀. 此外, 对比了常见范围内的固态电解质杨氏模量和环境温度对锂枝晶生长的影响, 发现固态电解质杨氏模量改变对于最大锂枝晶长度的抑制效果相对于改变环境温度要高出19%. 在研究量子态的演化问题时, 量子演化速率往往定义为量子初态与其演化态之间的态距离随时间的变化率. 本文将量子演化的基本理论与线性代数方法相结合, 通过量子态演化的路径距离来研究量子系统的演化. 量子幺正演化系统中, 量子演化算符包含了量子演化的路径信息, 路径距离的大小则决定于演化算符本征值的幅角主值分布. 由量子态演化的路径距离随时间的变化率而得到的量子瞬时演化速率则正比于系统哈密顿量的最大与最小本征值之差. 作为应用之一, 利用量子演化的路径距离及哈密顿量诱导的瞬时演化速率, 可以给出量子演化新的时间下限. 此时间下限只与系统的演化算符及哈密顿量有关, 而与量子初态的具体形式无关, 这与量子系统真实演化时间所具有的性质一致. 严格的理论证明以及两个演化实例的数值结果均表明, 在 $ [0,\ \pi/(2\omega_{\mathrm{H}})]$

时间范围内, 本文给出的演化时间下限与真实演化时间重合, 是真实演化时间的准确预测. 通过量子演化的路径距离及相应演化速率来研究量子系统的演化, 为相关问题的解答提供了新的思路和方法. 量子Fisher信息在参数估计理论和量子精密测量领域扮演着非常重要的角色, 不仅可以用来标定量子系统的测量精度极限, 还可用于有益量子计量的纠缠态判定. 本文从量子测量的角度出发, 对多比特WV态( $\alpha \left\vert W_N \right\rangle + $

$ \sqrt{1-\alpha^2}\left\vert 00...0\right\rangle$

)进行研究, 通过计算其在局域操作下和Lipkin-Meshkov-Glick (LMG)非局域操作模型下的量子Fisher信息, 分析其在精密测量方面的表现. 研究发现: 在局域操作下, 随着参数 α 由0到1的变化, 多比特WV态的量子Fisher信息逐渐变大, 表明其量子纠缠程度在不断增加, 也体现出更强的量子测量能力. 在LMG非局域操作下, 随着相互作用强度 γ 的增大, $N=3$

量子比特WV态的量子Fisher信息值趋于稳定, 几乎不受参数 α 的影响, 而当体系量子比特数 $N>3$

时, 量子Fisher信息值会随参数 α 的变大而变大; 当参数 α 固定时, 多比特WV态的量子Fisher信息会随着相互作用强度 γ 的增强而变大, 呈现出相互作用强度越大, WV态的量子测量能力越强. 半量子密钥分发允许一个全量子用户Alice和一个经典用户Bob共享一对由物理原理保障的安全密钥. 在半量子密钥分发被提出的同时其鲁棒性获得了证明, 随后半量子密钥分发系统的无条件安全性被理论验证. 2021年基于镜像协议的半量子密钥分发系统的可行性被实验验证. 然而, 可行性实验系统仍旧采用强衰减的激光脉冲, 已有文献证明, 半量子密钥分发系统在受到光子数分裂攻击时仍旧面临密钥比特泄露的风险, 因此, 在密钥分发过程中引入诱骗态并且进行有限码长分析, 可以进一步合理评估密钥分发的实际安全性. 本文基于四态协议的半量子密钥分发系统, 针对仅在发送端Alice处加入单诱骗态的模型, 利用Hoeffding不等式进行了有限码长情况的安全密钥长度分析, 进而求得安全密钥率公式, 其数值模拟结果表明, 当选择样本量大小为 $ {10}^{5} $

时, 能够在近距离情况下获得 $ {10}^{-4} $

bit/s安全密钥速率, 与渐近情况下的安全密钥率相近, 这对半量子密钥分发系统的实际应用具有非常重要的意义. 本文提出的二次强度调制测距系统可以实现绝对距离的测量, 其利用马赫曾德尔强度调制器代替二次偏振调制测距中的电光相位调制器, 通过对信号的光强进行二次调制来进行测距. 相比于二次偏振调制测距, 二次强度调制测距无需考虑测距系统中的偏振态问题, 简化了系统结构, 提高了系统的稳定性. 经过相关理论推导以及实验验证: 二次强度调制测距系统的输出光强与调制频率成余弦关系, 并且可以直接测量调制器到目标物体之间的绝对距离, 系统的频率稳定度、相对测距精度皆达到10 ^–7 量级. 本文提出的测距系统量程达到100 m, 相对测距精度稳定在10 ^–7 量级. 采用摇摆法快速测距, 避免了直接扫频寻找光强极小值点对应的频率, 数据刷新率达到2 kHz. 二次强度调制测距系统测距速度快, 同时兼顾了较大的量程与较好的测距精度, 系统结构简单, 易于搭建, 具有广阔的应用前景. 激光探针法是捕捉超快动力学过程的主要方法之一, 在等离子体物理、光化学、生物医学等领域都有着广泛的应用. 本文提出一种时间波长编码的探针光产生方案, 该方案通过级联不同相位匹配角的倍频晶体和独立的延迟线来实现时间波长编码, 具有单次高时空分辨率、高帧率、时间窗口可调范围广、时间分辨率和时间窗口参数独立可调的优点. 在实验中搭建了一套探针光产生装置, 具有247 fs的时间分辨率、4 μm的空间分辨率、4.05 THz的最高帧率、时间窗口从亚皮秒到3 ns可调, 将该装置用于捕捉飞秒激光诱导的光丝的动力学过程, 证明该探针光产生方案用于捕捉超快动力学过程的可行性. 在讨论中, 分析了探针光关键参数能达到的极限帧率为35.7 THz, 极限时间分辨率为28 fs, 时间窗口的范围可以从百飞秒到几十个纳秒进行调节. 探针光的高时空分辨率和参数互相独立可调的优点, 为多时间尺度的超快动力学过程的单次高时空分辨捕捉提供了一种可行方案. 研究单一非周期二进制或 M 进制信号激励下一类非线性系统的非周期共振现象及其度量方法, 重点探讨了系统参数引起的非周期共振. 提出了适用于非周期共振度量的响应幅值增益指标, 并结合互相关系数和误码率展开研究. 结果发现, 互相关系数能够较好地描述系统输出和输入信号之间的同步性及波形相似性但无法刻画信号通过系统后被放大的程度. 响应幅值增益能够较好地描述信号通过系统后幅值被放大的程度, 但无法反映系统输出和输入信号之间的同步性及波形相似性. 非周期共振发生在互相关系数取谷值和响应幅值增益取峰值处, 且两种指标曲线反映的共振点相同. 误码率在合适的阈值下可以描述系统输出和输入信号之间的同步性以及非周期信号通过系统后被放大的程度, 误码率曲线可以直接给出非周期共振的共振区. 单一非周期二进制或 M 进制信号激励下的非线性系统可以发生非周期共振, 其共振效果需要综合互相关系数、响应幅值增益、误码率等指标进行度量. 本文利用多组态Dirac-Hartree-Fock方法计算了类铝等电子序列从Si ⁺ 到Kr ²³⁺ 离子基组态3s ² 3p ² P _{1/2, 3/2} 能级的超精细结构常数和朗德 g 因子. 通过系统评估电子关联效应对Si ⁺ 和Co ¹⁴⁺ 离子中所关心原子参数的影响, 尤其是与内壳层电子相关的关联效应, 构建了可靠精确的计算模型, 除Si ⁺ 离子外, 超精细结构常数和 g 因子的计算误差分别控制在1%左右和10 ^–5 的量级. 此外, 进一步分析了超精细结构常数中电子部分矩阵元和 g 因子随原子序数 Z 的变化规律, 并拟合了这些物理量与 Z 的定量依赖关系, 利用拟合公式可以快速计算类铝离子在14 ≤ Z ≤ 54区间内任意同位素的超精细结构常数和 g 因子. 空间移频超分辨成像技术利用样品表面的微纳结构对照明倏逝波的散射, 使其转换为传播波, 并将倏逝波携带的高频空间信息转换成低频信息, 可被远场的显微物镜所接收, 实现超分辨成像. 其极限分辨率由照明的倏逝波波长决定, 但分辨率仅在倏逝波波矢方向上有提升. 在现有的棱镜全反射倏逝波生成方案中, 倏逝波的最短波长受棱镜折射率的限制, 因此其最高分辨率也受限制; 且生成的倏逝波波矢为单一方向, 因此分辨率存在方向差异性. 为解决上述问题, 建立了完整的空间移频超分辨成像仿真模型, 并提出了一种新型倏逝波生成方案, 可利用微纳结构产生波长更短、具有全方向波矢的倏逝波. 结果显示, 新方案可产生波长更短的倏逝波, 并消除成像分辨率的方向差异性, 从而避免现有方案中的多方位成像和图像后处理. 空间移频超分辨成像技术具有大视场、高分辨、结构简单、操作方便、无需逐点扫描、可与普通光学显微镜兼容等优点, 改进后将具有更广阔的应用空间. 水下激光雷达回波信号中往往含有大量散射噪声. 为了能够有效抑制散射噪声, 提高水下激光雷达测距精度, 提出了基于自适应完备噪声经验模态分解(CEEMDAN)与小波阈值相结合的去噪新方法. 首先通过相关系数法对自适应完备噪声经验模态分解得到的本征模态函数(IMF)进行筛选; 然后对筛选后的本征模态函数进行小波阈值去噪, 进一步去除本征模态函数中的噪声成分; 最后将去噪后的本征模态函数进行信号重构得到去噪后信号. 将该方法应用到不同衰减系数水体的强度调制连续光水下测距实验, 使用白色聚氯乙烯(PVC)反射板为探测目标, 在3.75个衰减长度时, 直接采用相关极值确定延时, 测距误差达到19.2 cm; 应用该方法处理后, 测距误差减小到6.2 cm, 有效提高测距精度. 铅盐量子点的最低量子态的多重简并和胶体量子点与谐振腔耦合难度大, 阻碍了近红外胶体量子点激光器的发展. 本文利用基于Ag ₂ Se量子点的自组装激光器解决了上述问题. 利用最低量子态二重简并的Ag ₂ Se量子点代替铅盐量子点来实现低阈值的近红外光增益. 使用有限元法深入分析了咖啡环微腔的模场分布和振荡机制, 结果表明光场在横截面内沿之字形路径传播振荡, 量子点与腔模式实现了强耦合. 分析了腔长与自由光谱范围和激光发射波长的关系, 基于此关系以及Ag ₂ Se量子点的增益谱特性设计了单模近红外激光器, 分析了该激光器的激光特性. 以仿真结果为指导, 实验制备了阈值低至158 μJ/cm ² , 线宽为0.3 nm的单模近红外激光器. 通过增加激光器腔长, 使发射波长从1300 nm增至1323 nm. 此外, 由于Ag ₂ Se量子点的毒性几乎可以忽略, 所以本文推进了环境友好的近红外激光器向实用型激光器发展. 2.8 μm和1.6 μm激光级联跃迁的工作方式, 可以有效解决低掺铒氟化物光纤中自终止效应导致的2.8 μm激光功率提升难题. 建立基于低掺铒氟化物光纤2.8 μm和1.6 μm激光级联跃迁的中红外光纤激光器数值模型, 系统分析了2.8 μm和1.6 μm激光波长对2.8 μm激光功率和转换效率的影响. 计算结果表明, 选取1610 nm作为级联激光工作波长, 能有效平衡2.8 μm激光下能级 ⁴ I _13/2 粒子向基态 ⁴ I _15/2 和激发态 ⁴ I _9/2 的跃迁过程, 实现2.8 μm波段激光输出功率和效率的提升. 此外, 计算了1.6 μm激光腔反馈对2.8 μm激光功率和效率的影响, 结果表明, 仅通过光纤端面提供的弱反馈即可实现1.6 μm激光振荡, 从而获得高效率2.8 μm激光输出. CO是含碳化合物在燃烧过程中产生的一种重要中间物质, 通过对CO的吸收光谱测量可以实现对燃烧过程的诊断. 针对CO的测量多使用传统的单吸收线和双吸收线技术, 在基于吸收光谱技术的燃烧场二维参数分布测量中, 需设置大量的光束投影以满足空间分辨要求. 宽光谱吸收技术可以在单次扫描内获得整个宽带扫描波段的吸收信息, 与传统的分立谱线窄带吸收技术相比, 具有非常明显的技术优势. 使用宽光谱吸收技术可以大大减少光束投影数量要求, 有效降低系统复杂度, 改善参数反演鲁棒性, 提高测量系统适用性. 但是, 目前针对CO的宽光谱吸收测量则鲜有报道, 亟需开展相关的基础研究工作. 本文利用1.5 μm波段宽带可调谐光源对室温中的CO开展了宽光谱吸收测量实验, 并对不同压强下CO的吸收特性进行了对比, 实验测量结果与HITRAN2016数据库相吻合. 利用1565—1570 nm范围内的实测宽光谱吸收数据, 通过一阶导数法对CO温度和摩尔分数进行了反演; 虽然宽带吸收光谱各吸收峰强度测量值存在一定畸变, 但依然得到了准确的反演结果, 温度和摩尔分数反演误差均在5%以内, 验证了宽光谱吸收测量的可靠性, 为后续基于CO宽光谱吸收测量的燃烧流场二维层析诊断提供了技术支撑. 多色多模荧光材料在信息安全加密领域具有重要的应用价值, 然而目前多色多模荧光材料的设计合成仍然是一个挑战. 本文采用高温固相法制备了一系列Li _{1–

x} K _x NbO ₃ :Pr ³⁺ /Er ³⁺ /Tm ³⁺ 单掺及双掺荧光粉. 通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、荧光光谱仪以及自搭建的加热装置, 对其结构、形貌、光谱学特性以及热释光性能进行表征. 研究了Li _0.9 K _0.1 NbO ₃ 基质中Pr ³⁺ , Er ³⁺ , Tm ³⁺ 单掺及共掺调控的多色多模荧光特性与上/下转换、余辉和光激励荧光机理. 基于优异的光谱特性, 将三基色荧光粉设计成蝴蝶图案, 采用不同波长光选择激发, 展现了图案和色彩的动态变化, 具有高阶多色多模防伪能力. 针对目前亥姆霍兹共振器的低频吸声效果不理想的问题, 提出了一种粗糙颈管亥姆霍兹共振器吸声体, 将粗糙度引入亥姆霍兹共振器的颈管, 改变经典亥姆霍兹共振器颈管形状并构建粗糙颈管亥姆霍兹共振器吸声体结构, 可以在不改变整体尺寸的前提下, 有效地为吸声器提供低频吸声所需的声阻抗, 从而降低共振频率. 利用有限元法对结构进行了仿真并通过阻抗管吸声测试进行验证, 实验与仿真具有较高的一致性. 基于以上验证, 颈管引入粗糙度后可以有效降低亥姆霍兹共振器吸收峰值频率, 设计了8个吸声单元紧凑组合的粗糙颈管低频宽带通风消声器. 相比于光滑颈管的消声器, 吸声效果由500—1100 Hz频段内0.8以上的宽频吸声优化为400—1200 Hz频段内0.8以上的吸声效果, 可为低频宽带通风消声器的设计与优化提供参考. 电子回旋共振(electron cyclotron resonance, ECR)源具有无需内电极、低气压电离、等离子体密度较高和结构紧凑等优点, 适用于小功率电推进. 因此, 研究小功率碘工质ECR等离子体源具有重要意义. 本文首先设计了一套耐腐蚀且可以均衡稳定输出碘蒸汽的储供系统; 然后完成了耐碘腐蚀ECR推力器设计, 利用耐腐蚀的同轴谐振腔结构将微波馈送到推力器, 并将通道磁场变为会切型磁场以产生更多ECR层; 最终联合点火实验成功, 成为国际上首个可以用于电推进的ECR电离碘工质等离子体源. 分析实验和静磁场、微波电场分布发现, 小功率、低流量下的不稳定等离子体羽流闪烁由寻常波电子等离子体共振加热和非寻常波ECR加热模式之间的转化引起. 高流量下电离率下降是由电子损失、壁面损失和碘工质电负性导致. 并依据此原理提出了改进方案. 放电后等离子体源没有明显损伤, 说明具备长寿命潜力. 此项工作初步证实了小功率碘工质ECR电推进方案可行. 利用电磁悬浮无容器处理技术实现了液态五元Zr ₅₇ Cu ₂₀ Al ₁₀ Ni ₈ Ti ₅ 合金的深过冷与快速凝固, 同时通过分子动力学模拟计算揭示了非晶形成的微观机制. 实验发现, 凝固组织具有明显的核-壳结构特征, 核区为非晶相, 壳区主要由ZrCu, Zr ₂ Cu和Zr ₈ Cu ₅ 晶体相组成. 非晶体积分数随合金过冷度的升高逐渐增大, 当达到实验最大过冷度300 K (0.26 T _L )时, 非晶体积分数增至81.3%. 由此导出完全非晶凝固所需临界过冷度为334 K. TEM分析显示, 过冷度增大并接近临界过冷度时, 合金凝固组织中晶体相主要为Zr ₈ Cu ₅ 相, 而ZrCu和Zr ₂ Cu相的生长被抑制. 在达到临界过冷度后, 过冷液相的凝固路径由Zr ₈ Cu ₅ 结晶生长转变为非晶凝固. 此外, 合金的晶体壳中存在少量的晶间非晶相, 而非晶核中亦有微量的非晶间Zr ₈ Cu ₅ 纳米晶团簇. 模拟结果表明, 晶间非晶相的形成主要源于近临界过冷度下偏析行为诱发的成分过冷, 而非晶间纳米晶团簇的出现则主要归因于深过冷液相中的微观热起伏效应. 基于单电子有效质量近似理论和传递矩阵方法, 理论研究了稀磁半导体/半导体超晶格结构中电子的自旋极化输运特性. 主要讨论了光场和磁场联合调制对自旋极化输运的影响, 以及不同自旋电子在该超晶格结构中的隧穿时间. 理论和数值计算结果表明, 由于导带电子与掺杂Mn 离子之间的sp-d 电子相互作用引起巨塞曼劈裂, 因此在磁场调制下, 不同自旋电子在该结构中感受到的势函数不同而呈现出自旋过滤效应, 不同自旋电子的共振透射能带的位置和宽度可以通过磁场进行调制. 同时在该结构中考虑光场时, 自旋依赖的透射谱会因为吸收和发射光子而呈现出对光场的强度和频率响应; 最后, 通过不同自旋电子的高斯波包在该结构中随时间的演化给出了不同自旋电子的隧穿时间. 本文研究结果对研究和设计基于稀磁半导体/半导体超晶格结构的高速量子器件具有一定的指导意义. 利用射频磁控溅射技术在MgO (001)单晶基片上沉积了一系列Ba _0.94 La _0.06 SnO ₃ 薄膜, 并对薄膜的结构和电输运性质进行了系统研究. 所有薄膜均表现出简并半导体 (金属) 导电特性: 在 $T > {T_{\min }}$

的高温区 ( ${T_{\min }}$

为电阻最小值对应的温度), 薄膜的电阻率随温度的升高而升高, 并且与温度的平方呈线性关系. 在 $T < {T_{\min }}$

的低温区域, 薄膜的电阻率随温度降低而上升, 并且电阻率随 $ \ln T $

呈线性变化, 均匀无序系统中的电子-电子相互作用、弱局域效应以及Kondo效应均不能解释这种现象. 经过定量分析, 发现电阻率在低温下 $ \ln T $

的依赖关系源于颗粒间电子的库仑相互作用. 同时, 在Ba _0.94 La _0.06 SnO ₃ 薄膜中也观察到霍尔系数 $ {R_{\text{H}}} $

与 $ \ln T $

呈线性关系, 并且该线性关系也定量的符合金属颗粒体系中库仑相互作用的理论. 薄膜断面高分辨透射电子显微镜结果表明, 虽然薄膜整体呈现外延结构, 但其中存在诸多条状非晶区域, 这使得薄膜整体表现出类似金属颗粒膜的电输运性质. 本文的结果为金属颗粒系统中库仑相互作用对电导率和霍尔系数修正理论的正确性提供了有力的支持. 利用磁控溅射技术, 通过改变氧分压在MgO (001) 单晶基片上外延生长了一系列TiO薄膜, 并对薄膜的结构、价态和电输运性质进行了系统研究. X射线衍射结果表明, 所制备的薄膜具有岩盐结构, 沿[001]晶向外延生长. X射线光电子能谱结果表明, 薄膜中Ti元素主要以二价形式存在. 所有样品均具有负的电阻温度系数, 高氧分压下制备的薄膜表现出绝缘体的导电性质, 低温下电阻与温度的关系遵从变程跳跃导电规律. 低氧分压下制备的薄膜具有金属导电性质, 并具有超导电性, 超导转变温度最高可达3.05 K. 所有样品均具有较高的载流子浓度, 随着氧分压的降低, 薄膜的载流子类型由电子主导转变为空穴主导. 氧含量的降低可能加强了TiO中Ti—Ti键的作用, 从而使低氧分压下制备的样品显现出与金属Ti相似的电输运性质, 薄膜超导转变温度的提升可能与晶体结构或电子结构突变相关联. 随着金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件等比例缩小至纳米级的较小尺寸, 一方面导致的短沟道效应已严重影响热噪声; 另一方面使栅、源、漏区及衬底区的热噪声占有比越来越高, 而传统热噪声模型主要考虑较大尺寸器件的沟道热噪声, 且其模型未考虑到沟道饱和区. 本文针对小尺寸纳米级MOSFET器件, 并根据器件结构特征和热噪声的基本特性, 建立了10 nm器件的热噪声模型, 该模型体现沟道区、衬底区及栅、源、漏区, 同时考虑到沟道饱和区的热噪声. 在模型的基础上, 分析沟道热噪声、总热噪声随偏置参量及器件参数之间的关系, 验证了沟道饱和区热噪声的存在, 并与已有实验结果一致, 所得结论有助于提高纳米级小尺寸MOSFET器件的工作效率、寿命及响应速度等. 由等离激元金属和半导体结合形成的金属/半导体异质结构型有利于光诱导电荷转移(PICT)效率的提高, 在表面增强拉曼散射(SERS)研究中具有明显优势. 本文通过对所制备的杂化底物进行热退火处理进一步提高了其SERS活性. 首先, 在二维六方氮化硼(h-BN)纳米片表面成功负载生长了高密度和单分散的Ag/Ag ₂ O纳米颗粒. 在此基础上, 通过进一步高温退火处理所得复合体系, 构建出高效的电荷转移通道, 从而大幅度提高了PICT效率, 使化学增强得到显著提高. 实验结果表明, 相比于退火前, 经320 ℃高温退火处理所得到的h-BN/Ag/Ag ₂ O复合材料作为基底, 可以使结晶紫分子的SERS信号强度显著增强18倍, 增强因子高达1.63145 × 10 ⁷ . 最后, 基于h-BN/Ag/Ag ₂ O 320 ℃退火复合材料优异的SERS性能, 实现了对食品添加剂专利蓝V的超灵敏SERS检测, 其检测极限低至10 ^–12 M. 本文构建的h-BN/Ag/Ag ₂ O 320 ℃退火复合材料兼具物理增强和化学增强, 在食品添加剂的痕量分析中具有显著优势. 通过求解Bogoliubov-de Gennes方程研究一维S/F _L -F-F _R /S结中Josephson电流的输运特性, 其中S和F分别是超导体和铁磁体, F _L,R 是左右两侧具有非共线磁矩的界面层. 研究发现, F _L 和F _R 界面能够产生自旋混合和自旋翻转效应, 该效应能够将S内一部分自旋单重对转化为F内自旋相同的三重对. 对于短S/F _L -F-F _R /S结, F层内同时存在自旋单重对和自旋相同的三重对. 于是, 随着铁磁交换场和界面磁矩偏转角度差的增加, 临界电流在一个基准面上振荡. 若F转变为半金属, 则F内仅剩自旋相同的三重对, 临界电流的振荡特征消失. 此外, F _L 和F _R 界面还能起到普通势垒的作用. 这将导致临界电流随着铁磁厚度的增加展现出双重振荡行为, 其中长波振荡源于铁磁体内自旋单重对的位相变化, 短波振荡是由自旋单重对和自旋相同的三重对经过两个界面势垒时的共振隧穿效应引起的. 目前, 热电双层膜的电输运性能测量及预测一般采用并联模型理论, 然而并联模型使用条件缺乏理论和实验的支持和验证. 本文借助于COMSOL Multiphysics软件采用有限元理论模拟得到了Cu/Si, Ag/Si双层膜在施加温度差下的塞贝克系数, 并与并联模型进行比较. 研究双层膜两端是否镀金属Pt层、双层膜之间插入高阻/低阻/绝缘界面对双层膜的塞贝克系数测量结果的影响. 研究发现, 当冷热端无Pt时, 高阻和电绝缘界面时Si和Cu两侧电势分别沿温度梯度方向均匀分布, 测得其塞贝克系数分别与材料本身的值相同, 低阻界面时Cu侧热电势随着探针间距 L 均匀变化, Si侧呈现非均匀变化. 有Pt时, Cu和Si侧的热电势沿着温度梯度的方向分布均匀, 无论在绝缘/高阻/低阻界面中, Si和Cu两侧测量值均与Cu塞贝克系数相同. 实验研究了Si/Ag和Bi/Ag双层膜, 无Pt时, Si/Ag双层膜Si侧的塞贝克系数的绝对值随着温度的降低而降低, 但是Ag侧塞贝克系数的绝对值随着温度的降低而升高. 有Pt时, Bi/Ag双层膜两侧的塞贝克系数相同.