设计并制备了一种基于忆阻器结构且具有可编程特性的Ge基光控晶体管，它由两个结构为Ni/Ge/GeOx/Al2O3∶HfO2/Pd的忆阻器背对背组成，共用阻变层GeOx/Al2O3∶HfO2、衬底Ge和底电极Ni，阻变层的设计是实现光控晶体管功能的关键。两个顶电极Pd作为光控晶体管源漏极，中间区域作为栅极接受外加光源的栅控。探究了Ge基忆阻器光电响应特性，并实现光控晶体管基于光源栅控的输出与转移特性。进一步地，探究了器件的物理机制并验证设计的科学性和可行性。该光控晶体管具有非易失性与标准CMOS工艺兼容性等优势，能有效简化器件制备工艺、降低制造成本，可为下一代光电芯片研发提供参考。

5G 通信、能源互联网、新能源汽车、量子技术等高精尖领域对半导体的性能提出了新的更高的要求。第四代半导体金刚石因具有优异的物理化学性能被誉为“终极半导体”, 被认为是制备下一代高功率、高频、高温及低功率损耗电子器件最理想的材料。而浅n型掺杂的技术瓶颈一定程度阻碍了金刚石半导体应用的发展。表面终端研究为金刚石功能化的发展提供了新的策略, 金刚石通过表面终端实现了场效应晶体管、肖特基二极管、日盲紫外探测器、电子发射器件和近表面色心调控等重要应用, 而表面终端发挥作用的机理与其能带结构特点密不可分。本文综述了几种常见终端的能带研究方法, 分析其能带的结构特点, 结合特点介绍其发挥作用的机理, 并进行了总结和展望。

缺陷态光子晶体可以用于制作良好的谐振器、偏振器、滤光器等光学器件,具有重要的应用价值。本文发展了光子晶体缺陷态问题的PG有限元界面问题计算方法,有效地处理了各种不同组元体系、几何结构、界面形状、材料属性以及模态的光子晶体缺陷态问题。数值结果表明,二组元结构单点缺陷对带隙的影响较小,只是使局部范围内的波继续传播而产生一条缺陷带,多点缺陷使一些特定范围内的波可以传播而产生多条缺陷带,线缺陷产生的影响较大,可以使整个禁带消失。结合线缺陷与点缺陷,波导结构中的侧点缺陷可以有效地应用于光子晶体阻带内诱导窄通带或在波导的通带内诱导非常窄的阻带。三组元结构引入了不均匀介质、复杂介质形状以及不同几何结构的缺陷态。通过计算与分析发现Ω3区域的介质形状对结果影响比较有限,表面层越不光滑禁带越窄,n型缺陷态在TM模中的高频区域更容易产生禁带。对于TE模来说,n型与v型的缺陷态更容易产生禁带。

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算了不同浓度Nb掺杂ZnO的能带结构及性能，并对本征ZnO、Al掺杂ZnO(AZO)和Nb掺杂ZnO(NZO)的模拟结果进行对比分析。结果表明：(1)NZO和AZO的带隙值均低于本征ZnO的带隙值，掺杂浓度(原子数分数)同为6.25%的NZO的带隙值低于AZO的带隙值。随着Nb掺杂浓度增高，NZO的导带底明显降低，态密度峰值降低，且Nb-4d态电子占据了费米能级的主要量子态。(2)随着掺杂浓度的增加，NZO和AZO吸收峰和介电函数峰均降低，且向低能区移动，其中，NZO吸收峰向低能区移动更明显，且介电函数虚部分别在0.42 eV和34.29 eV出现新的峰，主要是价带中Nb-4d和Nb-5p电子能级跃迁所致。掺杂浓度同为6.25%的NZO的静介电常数大于AZO的静介电常数，表明NZO极化能力更强，NZO可以更有效改善ZnO的光电性能。随着Nb掺杂浓度增加，NZO的吸收系数和介电函数虚部强度增加且向高能区移动。NZO的模拟结果为高价态元素Nb掺杂ZnO的实验研究工作及实际应用提供了理论参考。

求解分析了有损耗情况下二维金属光子晶体的能带结构。在无损耗自由电子模型下，利用界面算子法得到了横磁模式和能带结构。考虑有损耗的Drude模型，并引入同伦法对本征频带进行修正，得到其相应的虚部。结果表明，损耗在表面等离子体频率处存在一个极大值；当频率改变时，损耗急剧减小，并随着倒格矢量值的变化而改变。即使考虑金属损耗，实部频率变化不明显。界面算子法与同伦法的结合为金属光子晶体的研究提供了较好的技术支持。

单层或少数层MoS2是一种具有类石墨烯结构的新型二维层状化合物, 拥有超薄的厚度、适宜的禁带宽度及独特的电学和光学性质, 在场效应管、气体传感器、光探测器、锂电池和超电容等领域有广泛的应用价值。凭借其边缘悬挂键析氢催化活性高、比表面积大、抗光腐蚀性强等优点, 二维MoS2在光催化应用上展现了良好的潜力。介绍了二维MoS2多样的晶体结构, 分析了其能带可调、可见光吸收及催化析氢等特性, 综述了二维MoS2从电催化析氢到光催化析氢的研究进展, 并结合自身研究展望了单层MoS2作为直接光催化剂的潜在优势及其挑战。

为了分析研究1维光子晶体的结构参量对其能带结构的影响, 并把这种影响作用应用到滤波器的设计中, 采用传输矩阵法、利用MATLAB仿真软件, 对不同结构参量的1维光子晶体的能带结构进行了计算仿真, 分别得到了不同周期数、不同介质层厚度、不同介质折射率的1维光子晶体的能带分布图, 进一步分析比较, 得出了1维光子晶体的结构参量对其能带结构的影响。结果表明, 较大的周期数可以使1维光子晶体的禁带边缘更加陡峭, 通带透射性增强, 能带分布更加分明; 介质层厚度可以调节光子晶体的能带分布情况及能带宽度; 介质折射率比值可以改变禁带宽度, 禁带宽度随介质折射率比值的增大而增大。这些结果对宽带带阻滤波器的设计是有帮助的。

采用第一性原理贋势平面波方法对(111)应变下立方相Ca2P0.25Si0.75的能带结构及光学性质进行模拟计算，全面分析了应变对其能带结构、光学性质的影响。计算结果表明：在-8%~0%压应变范围内，随着应变的逐渐增大导带向低能方向移动，价带向高能方向移动，带隙逐渐减小，但始终为直接带隙；在0%~2%张应变范围内，随着应变的增加，带隙逐渐增大，应变为2%时直接带隙达到最大Eg=0.60441eV；当张应变为4%时，Ca2P0.25Si0.75变为间接带隙半导体。Ca2P0.25Si0.75的介电常数和折射率随着张应变的增加而增加；施加-2%~0%压应变时，介电常数和折射率逐渐减小，到达-2%时达到最小值，此后随着压应变的增加介电常数和折射率逐渐增大。施加压应变时吸收谱和反射谱随着应变的增大而减小，施加张应变时吸收谱和反射谱随着应变的增大而增大。应变可以改变立方相Ca2P0.25Si0.75的电子结构和光学常数，是调节其光电传输性能的有效手段。

通过电化学方法在FTO导电玻璃上沉积了不同还原程度(C/O)的还原氧化石墨烯薄膜(rGO)，其中rGO薄膜由未经处理的GO电解液制备，A-rGO由碱处理后的电解液制备，B-rGO由NaBH4处理后的电解液制备。利用XRD、XPS、SEM、UV-Vis对薄膜的化学结构和微观形貌进行了表征，并研究了薄膜在可见光照射下的光电性能。结果表明：在1.8 V下沉积的不同C/O比的rGO薄膜中，B-rGO薄膜的C/O比最高(8.1)，带隙最小(0.54 eV)，导带最靠近FTO的导带位置。在可见光照射下，几种薄膜均产生了阴极电流，电流密度随C/O比的增大而增大，其中B-rGO最大达1 μA·cm-2。本文提供了一种通过控制C/O比来控制rGO薄膜光电性能的方法。