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SnTe类拓扑晶体绝缘体发生超导转变后，在其单个磁通涡旋中能够形成受晶体对称性保护的多重Majorana零能模．这种奇特的性质能够降低多个Majorana零能模之间相互作用的难度．最近多重Majorana零能模存在的实验证据已在SnTe/Pb超导异质结单个磁通涡旋中被观测到．SnTe是一种非常p型的半导体材料，如何调控其电子性质，在分辨和操控Majorana零能模方面具有重要研究意义．本文利用分子束外延技术在Si (111)衬底生长的Pb (111)薄膜上制备了Sn1-xPbxTe薄膜，并且通过扫描隧道显微镜研究了薄膜边缘、畴界以及位错对其电子态的影响．扫描隧道显微镜的微分电导谱显示，在薄膜边缘、畴界以及位错附近，Sn1-xPbxTe电子态相对于费米能级的位置能够发生显著改变，载流子类型能从p型转变到n型．在远离这些缺陷的区域，Pb含量对Sn1-xPbxTe的费米能级的影响不显著，但是过多的Pb含量会抑制磁通中零能峰的形成．该研究将为基于SnTe类材料的拓扑超导器件的设计提供新的思路．
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为了明确La0.9Pr0.1Fe12B6合金的变磁相变属性和对应的晶体结构特征，以及伴随的磁热效应，本文研究了该合金在磁场诱导和温度诱导下的变磁相变过程及其对应的X射线衍射图谱（X-ray diffraction spectrum，XRD）变化，并对不同测量模式下磁热性能进行了深入对比。结果表明，La0.9Pr0.1Fe12B6合金主相在低场升温过程中，温度诱导的磁相变顺序为反铁磁态→铁磁态→顺磁态；在等温磁化过程中，在不同温度区间呈现出了三种磁场诱导的变磁相变，即在低温时的两种反铁磁态（Antiferromagnetic，AFM）与铁磁态（ferromagnetic，FM）之间的相变，以及高温的顺磁态（paramagnetic state，PM）与FM态之间的相变，且对应的临界磁场（critical magnetic field，HC）要比LaFe12B6母合金的低得多。零场和加场变温XRD图谱显示La0.9Pr0.1Fe12B6合金的主相在磁无序和有序态间的转变过程中，会伴随磁晶耦合现象，其结果是XRD图谱中除原有主相的衍射峰外，还会出现一些PM态下无法观察到的新衍射峰，并且其强度随着温度的降低或磁场的增加而增强。另外，在基于连续测量模式下的等温磁化数据所计算的磁熵变随温度变化曲线中，可在居里温度附近观察到因磁场诱导PM-FM一级变磁相变而导致的大磁熵变（ΔSM），如在70kOe的磁场下，在50K附近的最大磁熵变可达19J/kg·K，相对制冷量约为589.1J/kg。然而在同样的测量模式下，却没有观察到因AFM-FM变磁相变所期望的大磁熵变。但采用非连续测量模式，则同样观察到AFM-FM变磁相变过程伴随的大磁熵变，如在70kOe的磁场下，8K附近的最大磁熵变可达-12J/kg·K。
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近年来, 纳米技术的发展使得非球形纳米颗粒的工业化应用成为可能, 形貌各向异性的非球形颗粒有利于改善纳米流体的传热性能. 有研究表明, 将Janus 纳米颗粒引入到基液中可进一步增强纳米流体的导热特性. 本文设计了一种具备亲水侧面和疏水底面的锥形Janus纳米颗粒, 并将其引入到基液中形成锥形Janus纳米流体, 采用分子动力学模拟计算了锥形和球形两种Janus纳米流体的热导率, 对其导热机理进行计算分析. 结果表明, 锥形颗粒表面的类固液体层效应更明显, 其在基液中的扩散能力更强, 因此锥形纳米流体具备比球形纳米流体更强的导热性能. 对于Janus纳米流体, Janus颗粒独特的不对称结构使得其在基液中的布朗运动更为强烈, 有效增强了纳米流体内部的传热效率. 因此, 非球形颗粒与Janus颗粒的结合可进一步提高纳米流体的导热性能, 为开发新型传热工质提供了新的思路.
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GaN基肖特基势垒二极管(SBD)器件具有功率密度高、转换效率高以及开关特性好等优点. GaN材料在异质外延过程中不可避免地会引入大量的位错, 而位错会导致器件的可靠性问题. 本文报道了一种在自支撑GaN衬底上生长并制备的超低位错密度N+/N– GaN 准垂直SBD器件. 高分辨X射线衍射仪和原子力显微镜表征结果显示, 在自支撑GaN衬底上实现了总位错密度为1.01 × 108 cm–2, 表面均方根粗糙度为0.149 nm的高质量外延层的生长. 基于高质量外延层制备的器件在不使用任何终端、场板以及等离子体处理的情况下, 在反向电压为–5 V时表现出10–5 A/cm2的极低泄漏电流密度, 与在蓝宝石衬底上同步制备的对照组器件相比, 反向泄漏电流低4个数量级. 实验结果表明, 基于自支撑GaN衬底的准垂直GaN基SBD能够大幅度降低器件的反向漏电, 极大地提升准垂直SBD器件的电学性能. 使用微光显微镜对两组器件进行观察, 确定了准垂直SBD器件的泄漏电流主要集中在阳极边缘, 并解释了漏电机理. 最后对器件进行了变温测试, 在温度为100 ℃时, 仍表现出低于10–3 A/cm3的泄漏电流, 证明了自支撑GaN衬底上准垂直SBD器件具有优良的应用前景.
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采用静电悬浮技术研究了四元Fe75.6Nd10Y9B5.4合金的亚稳和稳定液态热物理性质及快速凝固规律, 其最大过冷度达到221 K (0.14TL). 精确测定了液态合金密度、热膨胀系数和比热与辐射率之比随温度的变化规律. 分子动力学模拟表明, Nd和Y两种稀土元素扩散系数均随温度下降以指数形式减小, 但相同温度下前者扩散速率高于后者. 当过冷度为80—158 K时, 初生(Nd, Y)2Fe17相枝晶生长速度从3.8 mm/s升高至5.7 mm/s, 且晶粒尺寸显著细化. 同时, 包晶转变也被促进, τ1-(Nd, Y)2Fe14B相体积分数增长至75%. 一旦过冷度达到180 K, 初生(Nd, Y)2Fe17相消失, τ1相直接从合金熔体中形核, 且生长速度随过冷度由2.6 mm/s增大至11.0 mm/s. 形成焓计算结果表明, Y元素固溶可以提升初生(Nd, Y)2Fe17和包晶τ1相的热力学稳定性, 所以两相内Y元素含量均显著高于Nd元素. 大过冷条件下, 扩散能力强的Nd元素在τ1相内的含量略微升高, 而Y元素含量下降.
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聚变装置表面涂覆壁处理如锂化、硼化、硅化等形成的涂层在高能氘粒子的轰击下会因为物理化学溅射损失, 从而使壁条件变差, 影响等离子体放电性能. 为了评估不同壁涂层的溅射损失行为, 本文采用两体碰撞近似模型, 对以碳、钨为基材的锂、硼和硅涂层材料在氘粒子轰击下的物理溅射行为进行了模拟分析. 结果表明, 因锂具有低的表面结合能而硅具有高的原子序数, 锂和硅分别在一定入射条件下溅射产额最大. 对于双层靶, 钨基涂层的溅射产额在特定能量出现剧增, 主要是由于钨溅射阈值高, 入射粒子在钨界面被大量反射, 并且具有较高的能量. 最后, 由于靶表面成分会随着入射通量增加而变化, 涂层材料的溅射产额也随之变化. 本研究为聚变装置壁处理涂层寿命的评估提供数据支持, 并为壁处理涂层材料设计及处理策略提供了重要的理论参考.
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非对称润湿性Janus纤维膜凭借其两侧显著的润湿性差异, 在与液体相互作用时展现出诸多独特性能, 因此在微流控和生物医学等领域具有广阔的应用前景. 液滴定向输运作为Janus纤维膜的关键功能之一, 其输运机制与调控规律对于实际应用至关重要. 然而, 目前对于润湿性梯度及孔隙结构如何调控液滴定向输运行为的研究尚不充分. 本文建立了两相流-相场模型, 结合等离子体辅助构筑的Janus纤维膜液滴输运实验, 验证了模型的可靠性; 在此基础上, 系统研究了液滴在膜内的定向输运行为. 研究表明, 液滴从疏水侧向亲水侧的自发输运由表面自由能梯度、Laplace压差及毛细力协同驱动; 疏水层厚度、亲水层厚度、润湿性梯度和孔隙结构是调控输运效率的关键因素. 相较于传统非对称润湿性结构, 具有润湿性梯度的Janus纤维膜可显著提升液滴定向输运速度, 且亲水侧润湿性与输运速度呈显著正相关; 增大孔隙虽能加速液滴输运, 却会导致其在亲水侧的稳态铺展面积减小. 本研究为优化Janus纤维膜结构、实现液滴的高效与精准操控提供了重要理论依据.
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超导量子干涉器件(SQUID)作为一种超灵敏的磁通传感器, 在生物磁探测、低场核磁共振、地球物理探矿等领域得到广泛应用. 本文设计开发了一种用于脑磁(MEG)系统的集成SQUID芯片, 并进行了批量封装测试. 其中, 每个芯片上集成了两个一阶平面梯度计和一个磁强计, 采用亚微米约瑟夫森结制备技术, 实现0.7 μm×0.7 μm的亚微米结尺寸. SQUID与探测线圈采用Nb超导引线连接, 集成到同一芯片上. 对171个SQUID器件的测试结果显示, 这些器件在磁场白噪声、I-V特性、V-Φ特性等方面表现优异. 本文制备的SQUID器件工作电流集中在15—20 μA, 电压摆幅集中在80—120 μV. 此外, 超过80%的SQUID器件的磁场白噪声低于$ 5{\text{ fT/}}\sqrt {{\text{Hz}}} $, 能够满足多通道SQUID脑磁系统的要求.
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高输出功率密度下的热积累问题是氮化镓基功率器件面临的关键瓶颈之一. 纳米晶金刚石钝化层策略在GaN基高功率器件散热方面发挥着重要的作用. 在硅基AlGaN/GaN异质结材料上制备了厚420—440 nm、晶粒尺寸330—380 nm的纳米晶金刚石薄膜, 制备了纳米晶金刚石钝化的GaN基横向肖特基二极管器件, 并对比研究了其与SiNx钝化器件的电学、热学性质. 测试结果显示, 在直流偏置下, 有无纳米晶钝化层的二极管器件正向特性基本一致; 在–20 V偏置电压下, 对两种器件施加2.5 V脉冲电压后, 纳米晶钝化二极管电流密度仅退化2.6%, 而SiNx钝化器件电学特性几乎完全退化, 表明纳米晶金刚石钝化二极管具有对电流崩塌现象优异的抑制能力; 在变直流功率条件下对两种器件的热成像显微观测结果显示, 发生热损毁时, SiNx钝化器件输出功率密度约4 W/mm, 而纳米晶钝化器件则约为7.5 W/mm. 本文是纳米晶金刚石钝化工艺在GaN基功率二极管散热应用的首次报道, 充分证明了该策略在GaN基功率二极管方面的应用潜力.
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超窄线宽π相移光纤布拉格光栅在光纤传感领域发挥着重要的作用, 但是这种超窄线宽π相移光纤布拉格光栅对输入光强度非常敏感, 输入光在光栅内部产生光热效应会引起频率移动, 降低了光栅的测量精度, 同时激光器自身的频率漂移也会增大测量误差. 本文提出使用超窄线宽π相移光纤布拉格光栅进行高精度应变测量的方法, 采用单光子调制技术锁定激光频率到38 MHz超窄线宽π相移光纤布拉格光栅, 同时消除了光栅内部光热效应和激光频率起伏对应变测量的影响, 对于0—30 με范围的外部应变实现了测量精度为0.05 με的高精度测量, 该方法在航空航天工程、土木工程、交通工程、能源工程、机械与装备制造等领域具有重要应用价值.
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多体系统的纠缠判定与分类是当前量子信息领域人们研究的重点课题. 本文利用量子Fisher信息(quantum Fisher information, QFI)可以判定多体纠缠这一特性, 对多量子比特WW态在白噪声环境下的量子纠缠进行了判定与分类研究. 在局域操作下, 结合已知量子态的信息, 我们给出了判定真正多体纠缠和含有量子纠缠的可见度判据.特别地, 对于5比特WW态和6比特WW态, 由于其拆分结构态的QFI最大值大于其本身的QFI, 所以无法严格地给出判定其真正多体纠缠的判据, 但给出了判定其可能是哪种纠缠结构的范围. 另外, 研究还发现随着量子比特数目的增加, 判定WW态真正多体纠缠的条件变得越来越严苛, 而判定其含有纠缠的条件变得相对宽松. 考虑实验上对多体系统进行局域操作时, 紧邻量子比特间容易发生串扰现象, 我们借助Lipkin-Meshkov-Glick模型对不同多量子比特WW态的纠缠分类进行了研究, 发现随着相互作用强度的增加, 即使在白噪声占比较大的情况下,不同量子比特数的WW态也可以区分, 解决了局域操作下区分困难的问题, 且随着相互作用强度的增大, 纠缠分类越容易实现. 这一点也充分展现了非局域操作相较于局域操作在纠缠分类方面的优势.
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随着高速成像、航空航天及光通信等领域的快速发展，对覆盖宽光谱范围且具备高性能的光电探测器需求日益迫切。二维材料因其独特的结构维度、可调的电子结构以及优异的载流子输运特性等，被视为宽谱光电探测的理想候选材料。然而，实现兼具高响应度与高速响应的宽谱探测器仍面临诸多挑战。本文首先介绍了二维材料的光电特性基础，包括带隙调控机制与光谱响应范围、载流子输运及复合过程、光吸收系特性等，为理解其宽谱探测能力奠定理论基础。随后，系统梳理了窄带隙二维材料、二维拓扑材料以及二维钙钛矿材料体系在宽谱探测中的研究进展。接下来重点探讨了异质集成、缺陷调控、光场增强以及应变调控等四类提升二维材料光电探测性能的有效途径。最后，对二维材料宽谱光电探测器在高性能、低功耗、多功能化及规模化应用方面的挑战与发展前景进行了展望，指出多种策略的协同集成有望推动新一代宽谱光电探测器的实用化进程。
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燃烧场温度与气体组分浓度的二维分布对发动机燃烧效率以及性能评估具有重要意义。本文提出一种基于自适应区域权重混合模型的燃烧场温度和气体组分浓度二维重建方法，提高复杂突变燃烧场重建精度。通过区域权重机制将多项式模型与高斯径向基函数模型结合为混合模型，并自适应迭代计算区域权重矩阵。一方面通过区域权重矩阵保证了混合模型在兼顾全局特征的同时，提高混合模型细节特征的描述能力；另一方面，在残差函数中加入区域权重正则化方法，提升算法的精度。数值模拟了三种燃烧场分布，通过对比验证了混合模型的表征能力和重建精度，结果表明混合模型算法重建误差低于单一模型及传统ART算法，其温度、浓度分布重建最大误差为3.31%、7.13%。并在标准McKenna燃烧器上搭建了扫描式TDLAS测量平台及热电偶测量平台对该方法进行实验验证，重建结果与实际分布一致性较好，1800 K下中心温度与热电偶测量结果偏差为10 K，验证了该方法的有效性，可为发动机燃烧场测量分析提供有效的参考。
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HfOX忆阻器因其低操作电压、良好的耐受性及循环特性等优异性能，使其成为下一代非易失性存储器最有前景的候选者之一。然而，由于HfOX薄膜内氧空位导电细丝的形成和断裂的随机性，器件阈值电压分布较为分散，整体稳定性较差，因此，通过调控氧空位来提高HfOX器件的稳定性具有重要的研究意义。本研究采用磁控溅射法制备了不同氩氧比的三组器件，均表现出双极性阻变特性。在三种不同氩氧比的W/HfOX/Pt器件中，氩氧比为45:5的器件展现出最优的综合性能： I-V循环超过200次、开关比~103、在104 s内具有优异的数据保持特性且阈值电压分布集中，表明器件稳定性显著提高。通过构建氧空位调控与导电细丝演变的物理模型，揭示了氧空位浓度对阻变机理的影响机制。本研究明确了氧空位的调控HfOX忆阻器性能的关键作用，为发展高性能、高可靠性的阻变存储器提供了有效途径。
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本文系统探究了刚性毛细管约束下微气泡在超声场中的弹跳行为及其动力学特性。实验采用高速摄像技术捕捉了单泡、双泡及三泡系统在粘弹性介质中的运动轨迹，并结合频谱分析揭示了气泡的振荡频率、迁移规律及多泡相互作用机制。结果表明，气泡的弹跳行为受超声驱动频率、管壁约束、流体粘性及气泡间耦合作用的协同调控；单泡呈现周期性左右迁移，其振荡频率略低于超声基频，频谱表现出非对称边带分布；双泡系统经历抑制、加速迁移、位置交换等五个阶段，两个泡振荡存在相位差；三泡系统则表现出更复杂的三角构型演化与时序性迁移，多泡协同效应增强了非线性频域特征。管径与流体粘度分别通过改变附加质量效应和粘性能量耗散影响气泡弹跳周期。基于改进的耦合Keller-Miksis方程，理论模型引入镜像气泡效应，定量解析了管壁约束下气泡的共振频率偏移及非线性声响应特性。数值分析进一步量化了泡间距、管壁位置及介质粘性对系统非线性共振频率与相位差的调控规律。本研究为受限环境中气泡-声场-流固耦合机制提供了新见解，对微流控器件优化与超声医学应用具有重要指导意义。
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