先进材料和纳米系统:理论和实验-第2部分

纳米技术在二十世纪的最后十年成为人们关注的焦点。它在利用分子、超分子和原子水平物质开发纳米分子和纳米器件方面有着巨大的应用。它在生物医学工程中的作用被证明是至关重要的。纳米粒子如银纳米粒子、金纳米粒子等在生物医学中有着广泛的应用。尽管在副作用、风险因素、从人体中清除等方面存在争议，但定期使用纳米粒子已被证明是解决若干人类健康问题的成本和时间效益的解决方案。由于其体积小，纳米颗粒在人体中的作用范围更广，因此已成为诊断和疾病治疗的有效工具。最重要的是，纳米技术在人类健康方面的应用包括药物和蛋白质输送、治疗心血管疾病、癌症、神经退行性疾病、眼科等。各种各样的纳米系统，如树状大分子、纳米壳、纳米晶体和量子点，被有效地用于检查和治疗癌症和其他患有复杂健康问题的患者。尽管纳米药物在人类健康和疾病方面有着广泛的应用，但每一种新开发的纳米药物都需要对生态系统和人类健康进行毒理学风险评估。因此，跨学科的理解和评价基于纳米技术的溶液工具对于其在人类健康中的司法应用是必要的。

这一创新研究书籍章节的最突出目的是研究先进生物基纳米技术系统中各种渐变折射率纳米层下AlGaAs/GaAs异质型纳米结构的SWIRL(短波红外光)特性的优化探索。在此优化探索的基础上，系统地计算了不同类型GRINSLs的随光子波长的SWIRL增益增强模拟性能。计算了每单位cm2电流密度的SWIRL模态约束增益、每单位cm3载流子的SWIRL差分增益和反制导参数等重要参数。在通过结果进行的创新性研究中，在波长~ 830 nm处获得了最高的SWIRL增益。波长约830nm的SWIR光主要用于优化高穿透能力和细胞类型相互作用的适当组合。因此，该波长的SWIRL源也被用于伤口、疼痛和各种类型的敏感皮肤疾病的治疗，通过使用FONSCs(光纤纳米级电缆)通过TIRPs(全内反射过程)，由于纳米技术生物科学和医学科学中的散射、色散和吸收减少，dB/Km没有任何衰减。此外，在先进的生物基纳米技术系统中，波长约830nm的SWIRL在适当控制炎症，水肿以及各种细菌感染方面提供了最令人难以置信的作用。

利用全势线性化增广平面波(FP-LAPW)对ScAuSn、LuAuSn及其超晶格的能带结构进行了详细的分析。采用广义梯度近似(GGA)、Trans和Blaha修正Becke-Johnson势(tbmbj)和结合GGA的自旋-轨道耦合(SOC)三种方案处理电子之间的交换相关性。GGA方法揭示了LuAuSn的间接无自旋间隙半导体性质，ScAuSn的间接带隙半导体性质和它们的超晶格的直接半导体性质，而在mBJ方案下，带隙值得到了增强。GGA中自旋-轨道耦合效应的存在预示了材料的半金属性质。在ScAuSn和LuAuSn合金中，费米能级附近和导电区内的态密度主要由Sc原子和Lu原子主导，而在超晶格中，态密度主要由Sc原子主导，Sn原子贡献显著。

事实上，纳米技术目前是一个相当广泛的研究领域。物理学家、化学家、生物学家、材料科学家、工程师和计算机科学家都为它的创建做出了贡献。在本文中，我们研究了纳米技术是如何发展和成长的，以及如何利用它来构建更小、更快和更可靠的计算机。在这项工作中，我们专注于自上而下和自下而上的纳米技术制造方法，这对当前的计算机设计和架构有直接的影响。由于计算机在当今世界的广泛使用和广泛使用，研究人员一直在努力改进和生产更小、更快、更可靠的计算机。纳米技术有可能实现这一目标。根据纳米技术的定义，它是通过在纳米尺度上控制原子、分子和大分子尺度上的尺寸和形状来设计、表征、生产和应用结构、设备和系统，从而产生具有至少一种新颖/优越特征或特性的结构、设备和系统。这种结构被称为被动纳米结构。

在这项工作中，非晶氧化硅(a- siox:H)和氮化硅(a- sinx:H)层通过化学气相沉积技术在250℃-300℃的极低衬底温度下沉积。通过对金属-绝缘体-硅结构(CV-MIS)的高频(1 MHz)电容电压测量，估计了界面电荷密度(Dit)和固定电荷密度(Qf)。低界面电荷密度降低了表面复合速度。固定的正电荷(Df)储存在SiOx:H/a-SiNx:H层中，在硅膜上形成负电荷。由于负电荷引起的能带弯曲提供了非常有效的场致表面钝化。在c-Si太阳能电池的前表面使用A - siox:H和A - sinx:H可以显著提高效率和缩短短路电流。由于薄膜的折射率接近于硅，因此它也可以作为抗反射涂层(ARC)来减少硅太阳能电池的光学损耗。

纳米材料是指尺寸在1-100纳米之间的材料。先进材料与纳米系统;合成与表征是一个新兴的研究领域。合成方法的日常修改可能产生新的合成方法。本章报道了合成技术从体合成到纳米合成的逐步发展。我们专注于所有类型的先进纳米材料的合成方法和用于纳米材料表征的技术。对于纳米材料的商业化生产，在过去的二十年里，各种自下而上和自上而下的方法已经发展起来。本文以示意图的形式详细介绍了固相、气相和液相合成技术的基本原理。

采用溶胶-凝胶法在稀土掺杂二氧化硅凝胶(RE3+:SiO2)基体上制备了镉纳米粒子，并对其进行了多方面的研究。采用XRD、SEM、TEM和PL等物理和光学技术对所制备的材料进行了表征。从TEM可以看出，材料的粒径为8 nm，平均粒径为5 nm。这与基于Scherrer方程和有效质量近似(EMA)模型的理论计算结果一致。这些材料的光学性质取决于各种参数，如尺寸和表面特征，掺杂和与周围环境的相互作用。在RE3+:SiO2基体中，CdS NPs的存在增强了稀土(RE)离子的发光。与不含CdS NPs的样品相比，CdS/Eu3+:SiO2基体的Eu3+离子特征峰的主导橙色峰(616 nm)强度增加了20倍。从CdS NPs到RE离子的有效能量转移(ET)是发光强度增强的主要原因。发光光谱的发射强度随CdS NPs浓度的增加而降低。随着RE3+:SiO2基体中CdS NPs浓度的增加，其发射强度降低可能是由于二氧化硅凝胶基体中“氧空位”和“Si悬空”浓度的增加。 Thus, photoluminescence properties of the material are greatly influenced by site symmetry and hence the concentration of dopant ions.

我们利用自预测最大容量线性化增加平面波(FPLAPW)策略提出了Fe, Nd和SmCo5的第一标准估计。利用WIEN2K代码确定了Fe, Nd和Smco5的吸引快照。BCC Fe和HCP Nd的min分别为2.27μB和2.65μB，与试验值高度吻合。对于Smco5，我们有效地研究了考虑Smco5壳层中的扭转圆耦合和库仑连接对其吸引特性、电子结构和扭转厚度图的影响。确定的二阶吸引各向异性和磁晶各向异性与试验结果一致。(001)平面的扭转厚度图表明，扭转圆耦合对Sm颗粒扭转厚度设计的影响比库仑连接更接地气。此外，我们还通过观察电荷方向沿c轴方向或相反方向时能带结构的亮点，研究了极化方向对能团的影响。确定的结果与探索性信息的一致性是可接受的。

采用化学方法制备了不同粒径的硫化物基半导体纳米光催化剂ZnS和CdS。由于具有合适的能隙(Eg)，这些光催化剂在可见光区表现出优异的光催化活性。多壁碳纳米管(MWCNTs)嵌入硫化物基光催化剂，如ZnS/MWCNTs和CdS/MWCNTs复合材料，与ZnS和CdS NCs相比，增强了光催化反应。通过对有机污染物的分解，研究了MWCNTs插层ZnS和CdS复合材料的光催化活性。所得CdS、ZnS、MWNT/CdS和MWCNT/ZnS晶体的粒径分别为32.0 nm、8.48 nm、38.5 nm和13.18 nm。MWCNT/ZnS和MWCNT/CdS复合材料在亚甲基蓝存在下的FTIR特征分别为1637和3313 cm-1波段。1637 cm-1处的强波段为C=O基团的拉伸振动，3313cm-1处的强波段为O- h基团的拉伸振动。观察到MWCNTs/CdS (2.39eV)比CdS (2.44eV)和MWCNT/ZnS (3.77 eV)比ZnS (3.88 eV)的光学带隙减小。通过拟一级化学动力学验证了光催化活性的增强。

新的光伏能源技术有助于提供生态上可接受的可再生能源，同时也降低了化石燃料和生物质的二氧化碳排放。有机光伏(OPV)技术是一种基于共轭聚合物和小分子的新型太阳能技术。近年来，这些太阳能电池因其具有机械柔韧性、重量轻、成本低、环境友好、电学和化学性能可调等优点而备受关注。特别是，由p型共轭聚合物作为供体和n型半导体作为受体的混合物组成的体异质结有机太阳能电池(OSCs)被认为是一种可行的方法。本章讨论了OSCs的基本物理特性、运行机制、使用的新材料和器件结构。柔性晶片的大面积制造技术的发展和稳定性问题的研究将是下一步研究的重点。本章还审查了盐盐生产的现状及其面临的问题，以及稳定和恶化的问题。

在本研究中，采用熔融淬火技术合成了一般体系为30Li2O- (70-x) [1/7SiO2:6/7B2O3]- xnd2o3的掺Nd2O3硼硅锂玻璃。使用阻抗分析仪在423K至673K的2mHz至20MHz频段测试生产样品的电导率。阻抗数据用于标度，表明导电过程是基于成分而不是温度。氧化钕在硼硅锂玻璃中的包合影响了摩尔体积、密度以及离子浓度、离子半径等各种物理性质。利用阻抗分析仪获得的电模量数据来研究样品的弛豫行为。在423 ~ 673 K温度范围内，用阻抗谱法测量了介质损耗(Tan δ)、介电常数(ε′)和交流电导率(σ′)随频率的变化，并进行了详细讨论。

肺癌是影响男性的主要癌症之一。卡马替尼被开发并批准为一种治疗非小细胞肺癌的药物。尽管这种化合物是为治疗癌症而开发的，但它可能有其他几种应用。为了调整分子的性质以适应不同的功能，研究分子的电子结构和其他量子力学性质是非常重要的。文献调查表明，该化合物的详细结构和反应性尚未见报道。我们采用DFT和TD-DFT方法在B3LYP/CAM-B3LYP/aug-cc-pVDZ水平上进行分子建模，研究该化合物的结构、反应性和其他理化性质。将该化合物的光学性能与标准材料进行了比较。分子波函数分析的不同有用指标详细地反映了化合物的反应性和稳定性。本文还报道了非共价相互作用的定性研究以及许多有用的局部信息熵研究，表明该分子具有稳定的电子空间分布的低不确定性。