激发态动力学是凝聚态物理中至关重要且富有挑战的科学问题, 不仅需要从时间、空间、能量和动量等多个维度来描述, 同时还需要考虑各种准粒子的相互作用以及多体效应. 本文聚焦凝聚态体系激发态动力学的理论和应用研究, 结合含时密度泛函、GW-BSE与面跳跃方法, 发展了激发态动力学第一性原理计算软件Hefei-NAMD, 构建了可以同时从时间、空间、动量、能量、自旋等多个维度研究凝聚态体系激发态动力学的理论和程序框架, 并实现了自旋分辨的GW+ real-time BSE(GW+rtBSE)激子动力学. 利用这套方法, 研究了凝聚态体系激发态动力学的许多问题, 包括界面电荷转移动力学、电子空穴复合动力学以及二维TMD材料的谷激子动力学等. 这些研究从第一性原理计算的角度, 模拟激发态载流子在实空间、能量空间和动量空间的含时演化, 为凝聚态体系的激发态动力学及准粒子耦合过程提供了深刻细致的理解.

近年来, 二维过渡金属硫族化合物(transition metal dichalcogenides, TMDCs)由于其出色的电学和光学特性在光电探测领域被广泛研究. 相比于报道较多的场效应晶体管型以及异质结型器件, 同质结器件在光电探测方面具有独特优势. 本文将聚焦基于TMDCs同质结的光电探测器的研究, 首先介绍同质结光电器件的主要工作原理, 然后以载流子调控方式为分类依据总结TMDCs同质结的几种制备方法及其获得的电学和光电性能. 此外, 本文还对同质结器件中光生载流子的输运过程进行具体分析, 阐述横向p-i-n结构具有超快光电响应速度的原因. 最后对基于TMDCs同质结的光电探测器的研究进行总结与前景展望.

在当今的光伏市场, 晶体硅电池占据超过九成的份额, 并且被认为在未来将依旧占据主导地位. 在高效晶硅电池中, 隧穿氧化物钝化接触太阳电池(tunnel oxide passivated contact solar cell, TOPCon)因其优异的表面钝化效果以及与传统产线兼容性好的优势而受到持续关注. 该电池最显著的特征是其高质量的超薄氧化硅和重掺杂多晶硅的叠层结构, 对全背表面实现了高效钝化, 同时载流子选择性地被收集, 具有制备工艺简单、使用 N 型硅片无光致衰减问题和与传统高温烧结技术相兼容等优点. 本文首先介绍了隧穿氧化物钝化接触太阳电池的基本结构和基本原理, 然后对现有超薄氧化硅层和重掺杂多晶硅层的制备方式进行了对比, 最后在分析研究现状基础上指出了该电池未来的研究方向.

固态锂离子电池因具有高安全、高能量密度等多种优势而备受关注, 但目前固态锂离子电池尚未大规模商业化, 主要原因是固态锂离子电池中存在的关键科学问题和技术问题尚未解决, 特别是界面问题, 例如界面的高电阻与不稳定性. X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)作为重要的表面分析手段, 可以定性和半定量地进行界面的化学分析, 这使得XPS可以广泛应用于固态锂离子电池界面的研究. 本文综述了近年来利用XPS进行固态锂离子电池界面的研究进展, 并对XPS实验原理、实验方法、实验结果及其对界面性能的影响进行了总结与评述. XPS研究固态锂离子电池界面的方法主要为非原位XPS、反映电池界面实时变化的原位XPS、以及基于电池真实工作条件的operando XPS, 所获取信息包括界面反应发生后元素的化学状态、实时界面反应过程中界面元素的变化情况、由元素结合能位移反映的能带结构变化和界面组分的过电位等信息, 从而加深对固态锂离子电池界面成分、结构变化和界面反应动力学及界面离子迁移等方面的认识.

HD分子红外跃迁的精密测量被用以检验量子电动力学、确定质子-电子质量比等. 但HD分子的超精细结构分裂对于测量精度是一个很重要的限制因素, 并可能是实验中测得ν = 2—0谱带跃迁呈特殊线型的原因之一. 本文分别在耦合表象和非耦合表象下计算了HD分子振转跃迁的超精细结构, 并计算了不同外加磁场下HD分子(2–0)带中R(0), P(1), R(1)线的超精细结构, 模拟了10 K低温下对应的光谱结构. 结果表明, HD分子跃迁结构可随磁场发生明显变化. 这可能有助于分析HD分子跃迁特异线型产生的机制, 进一步获得其准确的跃迁中心频率, 用于基础物理学检验.

在相对论重离子碰撞早期, 会产生一个极强的磁场. 初始碰撞产生的粲偶素会受到磁场的影响, 进而携带磁场的信息. 本文利用磁场下的两体薛定谔方程研究磁场对粲偶素的影响. 利用角动量展开的方法, 数值计算了不同磁场强度下粲夸克偶素的能谱. 采取的方案是把三维波函数展开成不同轨道角动量以及自旋态的叠加, 实际计算过程中发现, 当$n\leqslant 2$, $l\leqslant 7$时能很好地满足精确度. 进一步, 哈密顿量可以写成$H=H_0+(qB)^2 H_1+qBP_{{\rm ps},\perp} H_2$形式, 其中$H_{0}$, $H_{1}$, $H_{2}$不依赖于B和$P_{{\rm ps},\perp}$, 因此只要计算出$H_{0}$, $H_{1}$, $H_{2}$就能求出任意B和$P_{{\rm ps},\perp}$下的哈密顿量. 这样的数值方法在保证计算精度的同时显著减少了计算量. 计算结果表明随着磁场和总动量的增加, 粲偶素的质量增大, 在磁场强度为$20m_{\pi}^{2}$, 总动量为$1.8\;{\rm {GeV}}$时, 质量的增加量为20%.

拉曼光产生技术是量子精密测量领域的一个重要研究内容, 是冷原子重力仪、冷原子陀螺仪等量子惯性传感器的关键技术. 对于铷87原子, 需要两束频差6.834 GHz且相位稳定的780 nm激光来产生拉曼光. 基于两台外腔式780 nm激光器, 并利用光学锁相环技术可以产生拉曼光, 但系统复杂、环境适应性不强. 基于内腔式1560 nm激光器, 通过倍频和电光调制技术也可以产生拉曼光, 虽然系统简单、环境适应性强, 但测量性能受边带效应影响. 受限于内腔式激光器的线宽及反馈带宽性能, 一般无法利用光学锁相环方法来产生拉曼光. 鉴于此, 本文基于两台新型外腔式1560 nm激光器和自制锁相电路系统, 实现了一套低相噪的拉曼光系统, 相位噪声功率谱在1—10 kHz频段低至–95 dBc/Hz. 通过与780 nm双激光器及混合双激光器锁相性能进行比较, 发现该方案略具优势. 此外, 通过分段积分的方法分析了该锁相性能对冷原子干涉仪相位噪声的影响. 本文实验结果为研制小型化、外场适用的拉曼光系统提供了一种方案.

超导约瑟夫森结是实现超导量子计算和微波单光子探测的核心器件, 其物理参数很难直接测定. 与之前常用的测量结微波激励效应估计方法不同, 本文通过实验测量低频电流驱动下的约瑟夫森结I-V曲线及其跳变电流统计分布, 并与基于标准电阻电容分路结模型数值模拟进行比对, 推算出了约瑟夫森结的临界电流$I_{\rm c}$、电容C、电阻R及阻尼参数$\beta_{\rm c}$等物理参数. 结果表明, 所推算的参数值与基于微观理论推导所得到的Ambgaokar-Baratoff公式基本符合, 可供约瑟夫森结的器件参数按需设计和制备工艺的参数设置等参考.

簇放电是神经系统复杂的、多时间尺度的非线性现象, 具有多样性, 在兴奋性或抑制性作用下实现生理功能. 近期较多研究发现了与通常概念(抑制性作用引起电活动降低、兴奋性作用引起放电增强)相反的现象, 丰富了非线性科学的内涵. 本文关注于抑制性和兴奋性自突触反馈都会诱发的一类复杂的混合簇放电产生的反常现象及其分岔机制. 利用快慢变量分离, 确认了放电的复杂之处: 簇结束于极限环的鞍结分岔之后要先经过去极化阻滞才到休止期. 进一步, 揭示了该鞍结分岔在反常现象的产生中起到了关键作用. 抑制性自反馈引起了该分岔的左移导致簇的参数范围变宽, 引起簇内峰个数增多和平均放电频率增加; 而兴奋性自突触则引起该分岔右移导致电活动降低. 与其他类簇放电只在抑制性自反馈下产生反常现象和慢突触诱发的反常现象不同, 该结果给出了簇放电的反常现象的新示例及调控机制, 展示了反常现象的多样性, 有助于认识脑神经元簇放电和自反馈调控的潜在功能.

在大脑皮层中, 神经元大范围的同步放电可以引发癫痫, 而癫痫发作期间可以自发出现螺旋波, 大量神经元的同步放电与螺旋波自发产生之间的关系目前仍不清楚. 本文通过增加水平长程连接构造了具有局域长程耦合区的二维神经元网络, 采用Morris-Lecar神经元模型研究了具有多个长方形长程耦合区的神经元网络中波的传播, 数值模拟结果表明: 传播方向与长程耦合朝向平行的平面波和靶波经过长程耦合区会导致长程耦合区内的神经元同步激发, 这种同步激发伴随一部分神经元延迟激发, 而另一部分提前激发; 当长程耦合区宽度超过临界宽度时, 长程耦合区所有神经元延迟激发; 当长程耦合区宽度超过最大导通宽度时, 波将不能通过长程耦合区. 当适当选择长方形长程耦合区的尺寸时, 神经元同步激发可使网络出现波回传效应和具有波传播方向的选择性, 而且这种波传播方向的选择性对神经元是否处于定态和耦合强度变化很敏感, 以致高频平面波列可以部分通过宽度超过最大导通宽度的长程耦合区, 因此可以通过对长程耦合区内的神经元施加微扰来控制低频波是否可以通过一定宽度的长程耦合区. 对于适当选取的神经元网络结构, 当平面波或靶波经过长程耦合区时, 网络可自发出现自维持平面波、螺旋波和靶波等现象. 本文对产生这些现象的物理机制作了分析.

量子照明雷达旨在利用量子光场探测热噪声环境下低反射率目标是否存在. 发射光源的纠缠特性使其较经典雷达具有独到的探测优势. 纠缠相干态(entangled coherent state, ECS)作为一类在噪声环境下纠缠鲁棒性较强的量子态, 近年来在量子科学的多个领域得到广泛的应用. 本文研究了基于三类不同ECS态的量子照明雷达的目标探测性能, 并以双模压缩态(two-mode squeezed vacuum state, TMSV)和相干态作为基准对比和分析了三类ECS态纠缠度大小与其探测性能之间的关系. 研究发现: 在目标为低反射率且发射光子数远小于背景噪声的情形下, 三类ECS态的探测性能优于相干态, 劣于TMSV态; 此外, 三类ECS态的探测性能可由其纠缠度的大小来决定. 在其他照明条件下, 使用量子照明雷达进行目标探测较相干态雷达并无明显的优势, 三类ECS态的探测性能与TMSV态和相干态方案并无明显联系.

相移轮廓术(phase shifting profilometry, PSP)至少需要三帧条纹图提取物体的相位信息. 在动态测量中, 减少条纹数有助于快速测量, 并且可以抑制运动物体存在的相移误差. 为了克服上述问题, 本文提出基于利萨茹椭圆拟合(Lissajous ellipse fitting, LEF)的两步相移轮廓术, 针对条纹背景和调制度分布不均匀导致的LEF相位误差, 给出了误差抑制方法. 实验实现了基于LEF的两步相移动态场景测量, 与多帧PSP相比, 本文所述方法可以减少条纹帧数并且可抑制物体的运动导致的相移误差.

针对电力系统对六氟化硫电气绝缘设备中气体衍生物的在线高精度探测需要, 提出了差分双通道结构的光声池作为光声探测模块, 并使用中心波长为2.3 μm的分布式反馈(distributed feedback laser, DFB)激光器作为激励光源, 搭建了一款工作在高浓度六氟化硫背景气体中的一氧化碳气体传感器. 通过光声共振理论模拟和设计, 在纯六氟化硫气体中光声池的品质因子为84, 相对于在氮气载气中的品质因子提高了约4倍. 经实验验证, 差分结构光声池的最大气体流速较单共振腔光声池提高了6倍, 且具有较强的噪声免疫能力. 在对传感器系统的共振频率、气流速度和工作压强等参数优化后, 在1 s的积分时间下, 获得一氧化碳气体的探测灵敏度为体积分数1.18 × 10–6, 对应的归一化噪声等效浓度(1σ)为3.68 × 10–8 cm–1·W·Hz–1/2. 该传感器的灵敏度高, 选择性好且噪声免疫能力强, 可以为电力系统中潜在性绝缘故障诊断提供一种在线探测技术, 具有重要的应用前景.

硅像素探测器因具有优异的空间分辨率、极高的耐计数能力和较低的功耗等优点, 近年来已被广泛应用于高能对撞机实验的顶点探测器和内径迹探测器. 基于MIMOSA28芯片的硅像素探测器研究是北京谱仪Ⅲ漂移室内室的升级预研方案之一, 该方案计划建造一个漂移室内室1/10规模的模型. 探测模块是该模型的基本探测单元. 为了对探测模块的性能进行研究, 搭建了实验室测试系统. 该系统主要由五层探测模块、读出电子学系统以及数据获取系统组成. 本文围绕带有触发标记的连续数据读出方法的实现、探测模块的噪声水平和放射源响应测试以及击中位置重建算法研究展开. 测试结果验证了探测模块工作性能良好, 触发读出逻辑正确, 而且重建算法准确有效, 为后续探测模块性能的进一步研究奠定了基础.

铅铋(Pb-Bi)合金超导材料被广泛研究, 但对其低温物相的结构和超导物性却知之甚少. 本文采用低温共沉积和低温退火的方法, 在Si(111)-(7 × 7)衬底生长的Bi(111)超薄薄膜上制备了铅铋合金薄膜, 利用扫描隧道显微术对其结构和电子学性质进行表征. 通过结构表征, 确定了薄膜中存在相分离, 同时存在具有三次对称性的纯Bi(111)相和合金相Pb1–xBix, 可归属于部分铋取代的Pb(111)结构. 通过电子学性质测量, 进一步证实了Bi(111)相中特征的电子学结构及合金相中的超导行为. 变温实验表明, 合金相Pb1–xBix的超导转变温度是7.77 K, 属于强耦合超导体. 测量了由Bi(111)-Pb1–xBix组成的正常金属-超导体异质结和超导体-正常金属-超导体异质结中的邻近效应, 指出了超导穿透深度可能受界面接触面积的影响. 考虑到铋可能具有的拓扑属性, Bi(111)-Pb1–xBix面内异质结界面结构可进一步用于研究其新奇物理效应.

磷化铟(InP)具备电子迁移率高、禁带宽度大、耐高温、耐辐射等特性, 是制备空间辐射环境下电子器件的重要材料. 随着电子器件小型化, 单个重离子在器件灵敏体积内产生的位移损伤效应可能会导致其永久失效. 因此, 本文使用蒙特卡罗软件Geant4模拟空间重离子(碳、氮、氧、铁)在InP材料中的输运过程, 计算重离子的非电离能量损失(non-ionizing energy loss, NIEL), 得到重离子入射InP材料的位移损伤规律, 主要结论有: 1) NIEL值与原子序数的平方成正比, 重离子原子序数越大, 在InP材料中产生位移损伤的能力越强; 2)重离子NIEL比次级粒子NIEL大3—4个量级, 而NIEL与核弹性碰撞产生的反冲原子的非电离损伤能成正比, 说明重离子在材料中撞出的初级反冲原子是导致InP材料中产生位移损伤的主要原因; 3)空间辐射环境中重离子数目占比少, 一年中重离子在0.0125 mm3 InP中产生的总非电离损伤能占比为2.52%, 但重离子NIEL值是质子和α粒子的2—30倍, 仍需考虑单个空间重离子入射InP电子器件产生的位移损伤效应. 4)低能重离子在较厚材料中完全沉积导致平均非电离损伤能分布不均匀(前高后低), 使NIEL值随材料厚度的增大而略微减小, 重离子位移损伤严重区域分布在材料前端. 研究结果为InP材料在空间辐射环境中的应用打下基础.

基于微扰理论研究了静电场Stark效应诱导的类氢离子2s1/2-1s1/2跃迁, 给出了Z = 1—92类氢离子的Stark混合系数和2s1/2-1s1/2跃迁几率, 讨论了Stark效应诱导的类氢离子2s1/2-1s1/2跃迁几率随原子序数的变化规律以及相对论效应对Stark混合系数和诱导跃迁几率的影响. 结果表明, 给定电场强度时, 类氢离子的Stark诱导跃迁几率随着原子序数Z的增大单调减小. 另外, 相对论效应使得类氢离子的Stark诱导跃迁几率减小, 甚至在Z = 92时会减小到非相对论近似的55%.

本文发展了一种基于高精度单光子探测器的激光测距方法, 实现了百微米量级精度的非合作目标激光测距. 单光子测距系统引入参考位置, 有效地抑制了系统延时漂移, 使光子飞行时间测量精度达到0.5 ps, 在2 m测距距离处, 单光子测距系统的测距精度达到65 µm@RMS. 这项工作达到了当前脉冲飞行时间测距最高精度水平, 为远距离非合作目标高精度测距和成像提供了一种有效的技术.

本文提出一种具有深度梯度的环形凹槽结构, 可用于调控水中有限长刚性圆柱体散射声场空间指向性. 基于声学相位阵列理论分析了环形凹槽圆柱声散射空间指向性改变的机理, 研究表明: 凹槽深度方向相位延迟和凹槽间Bragg散射的相互作用使得平面声波垂直于圆柱方向入射其正横方向散射声波发生偏转. 采用有限元方法讨论了凹槽结构参数如占空比、梯度等对圆柱散射声场空间分布特征的影响规律. 多个不同深度梯度环形凹槽单元组合圆柱体散射声场数值计算和实验结果显示: 具有环形凹槽结构圆柱体正横方向散射声波均匀偏转到预定的空间范围内, 使得圆柱体声散射场空间指向性均衡化, 改变了圆柱整体的散射特征, 这为水下目标声隐身设计和声波定向传播提供了新的方法.

以变截面含可穿透散射体波导为模型, 理论研究声波在非均匀波导中的最大透射问题. 通过耦合简正波理论构建模态域内透射矩阵和水平波数矩阵, 推导透射波能流的具体表达式, 分析任意入射波的能流透射率随频率的变化, 进而讨论任意给定频率下能够产生最大能流透射率的最佳入射波, 并给出数组全透射声场算例. 最佳入射波仅由可传播模态决定, 与衰逝模态无关. 利用衰逝模态不携带能流的特性, 讨论衰逝模态对产生能流最大透射声场的影响, 并分析最大能流透射的鲁棒性. 在频率满足一定条件时, 全透射声场可能表现出完美鲁棒性. 文中所述方法可延伸至多种非均匀波导以分析其中的能流最大透射问题.

收发设备在海面附近的深海混响实验中, 多途时延使得最先到达水听器的为海面混响信号, 且不受海底散射声场的干扰. 本文利用射线理论描述深海声传播的格林函数, 采用粗糙界面一阶小斜率近似方法描述全角度海面散射, 给出海面混响声场的表达式. 同时考虑了海面表层气泡散射的贡献, 获得了海面混响理论. 通过数值仿真数据和深海实验数据的比较对海面混响模型进行验证, 分析了不同接收深度、频率下的海面混响强度衰减趋势. 结果表明: 低海况条件下, 低频海面混响由粗糙界面散射主导, 气泡散射可以忽略, 随频率升高, 气泡散射对海面混响的贡献逐渐增大, 海面附近收发深度的小幅变化对混响衰减曲线的影响不明显. 基于该模型提出一种反演海面粗糙界面谱参数的方法, 数值计算结果验证了该模型能够在风速已知的前提下, 通过海面混响数据提取海面粗糙界面谱参数.

单光子激光雷达的回波信号具有极低的信噪比, 有效地消除噪声和提取出回波信号特征是提升单光子激光雷达测距精度的关键, 变分模态分解算法需要使用者依据经验确定分解本征模态函数数量, 不具有适用性和通用性. 为此, 本文基于时间相关单光子计数信号特点, 提出了在变分模态分解中让信号按照指定频率进行聚类分解的变分约束条件, 并采用弹性网回归重构不适定问题的求解模型, 提出了弹性变分模态提取算法. 实验结果表明, 在波段850 nm、平均发射功率为25 nW、背景噪声平均功率为19.51 μW的条件下, 利用该方法, 得到了时间相关单光子计数信号重建精度的均方根误差为1.414 ns. 同时在不同的累积时间下, 能够稳定且快速地提取出回波信号特征, 有效地提高了算法的去噪能力和特征提取的性能.

为了提高地声反演算法的计算效率, 探索克服地声反演结果多值性问题, 本文利用宽带、多收发位置的传播损失数据结合传播损失在地声参数先验搜索区间内的随机多项式展开系数矩阵, 反演得到海底纵波声速、吸收率和密度比重. 使用随机多项式展开近似传播损失时, 展开系数的自变量为声波频率、收发位置等参数, 随机多项式的自变量为表示声速、吸收率、比重在各自搜索区间内均匀分布的随机变量. 传播损失的展开系数通过嵌入随机多项式的声学宽角抛物方程结合盖辽金投影、最小角度回归算法计算求得. 在低频、一定声传播水平距离以内和地声参数搜索区间长度适中时, 使用随机多项式展开近似传播损失的相对误差在1%以下. 仿真发现, 在浅海环境中使用低频、一定声传播水平距离以内的传播损失数据, 在接收信号信噪比较高、声源和水听器相对位置误差较小时, 选择合适的随机多项式展开截断幂次可较准确地反演海底声速、吸收率和密度比重, 且计算效率比网格遍历搜索方法提高一个数量级以上.

利用一维光子晶体和二维等离子体光子晶体构建了一种基于束缚态的可调窄带滤波器, 滤波器的工作频率位于两个光子晶体的共同禁带内. 使用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件研究了一维光子晶体的几何参数和等离子体参数对滤波器性能的影响. 研究发现两个禁带的中心频率和深度越接近, 则滤波器的峰值透射率越大, 且中心频率占主导作用. 另一方面, 滤波器的工作频率与等离子体密度成正比, 与碰撞频率成反比. 滤波器品质因子和峰值透射率随等离子体密度的增大先增大后减小, 随碰撞频率的增加而减小. 最后, 随着等离子体碰撞频率的增加, 峰值透射率和品质因子没有发生显著下降, 这表明滤波器对等离子体损耗有一定抵抗力. 我们相信这项工作有助于一些新型等离子体光子晶体滤波器的研究.

基于电磁加载装置CQ-4, 建立了一种同步开展透明材料折射率和高压声速测量的实验方法. 完成了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)窗口材料14 GPa斜波压缩实验, 利用多点双光源外差位移干涉测速仪(dual laser heterodyne velocimetry, DLHV), 获得了PMMA样品后表面的速度历史曲线. 速度曲线表现出明显的双波结构, 表明PMMA样品出现了弹塑性转变. 通过实验数据处理, 一发实验同步获取了PMMA的折射率-粒子速度光学特性和拉氏声速-粒子速度动力学特性.

本文研究InGaN作为AlGaN/GaN插入层引起的电子输运性质的变化, 考虑了AlGaN和InGaN势垒层的自发极化与压电极化对AlxGa1–xN/InyGa1–yN/GaN双异质结高电子迁移率晶体管中极化电荷面密度、二维电子气(2DEG)浓度的影响, 理论分析了不同In摩尔组分下, InGaN厚度与界面粗糙度散射、随机偶极散射和极性光学声子散射之间的关系. 计算结果表明: 界面粗糙度散射和随机偶极散射对双异质结AlxGa1–xN/InyGa1–yN/GaN的电子输运性质有重要影响, 极性光学声子散射对其影响最弱; 2DEG浓度、界面粗糙度散射、随机偶极散射和极性光学声子散射的强弱由InGaN势垒层厚度和In摩尔组分共同决定.

NiCu双金属核壳纳米粒子不仅由于其优异的稳定性、选择性以及磁学和催化性能而受到广泛关注, 而且可以通过改变其纳米粒子的形貌、表面元素分布和粒径大小而具有可调谐性能. 采用分子动力学与蒙特罗方法并结合嵌入原子势对NiCu双金属纳米粒子的表面偏析、结构特征以及Cu吸附原子在Ni基底沉积生长与表面扩散进行了研究, 结果表明Cu原子在Ni基底表面具有强的偏析倾向. 随着Cu原子浓度的增加, Cu原子优先占据纳米粒子的顶点、边、(100) 和 (111) 面, 最终形成完美的Ni核/Cu壳纳米粒子. 在生长温度T = 400 K时, 形成的Ni核/Cu壳结构最稳定. 进一步采用肘弹性波方法模拟计算在Ni基表面Cu吸附原子的扩散势垒, 结果表明, Cu吸附原子无论是交换还是扩散, 都需要克服较大的ES势垒, 从而难以在Ni基底表面进行面间扩散. 与Ni基底相反, 在Cu基底上沉积Ni原子, Ni吸附原子很容易从 (111) 面迁移至 (100) 面, 且在当前模拟温度下, Ni吸附原子无法在 (100) 面进行迁移, 导致生长构型朝正八面体的形状发展, 且其八个顶角几乎被Ni原子所占据. 本文经过深入研究, 从原子的角度出发, 对NiCu纳米催化剂的初步设计提供了一种新的思路和方法.

单离子掺杂体系单一基质白光荧光粉可以有效克服紫外芯片+三基色荧光粉获得白光方案中颗粒分散性和沉降性不均的问题, 克服荧光粉彼此间发光再吸收及三基色配比调控等问题. 本文采用熔融盐法制备了Sm3+离子单掺NaLa(WO4)2:x Sm3+白光荧光粉. 在紫外光激发下, ${\rm{WO}}_{4}^{2-}$自激活发出的蓝绿光, 与Sm3+发射的绿光、黄光、橙光和红光混合得到了白光. 在250 nm激发下, 荧光粉会发出冷白光; 在403 nm激发下会发出暖白光. 随着Sm3+掺杂浓度增加, 相对色温逐渐降低. 所制备的样品均为纯的四方相结构, 晶粒形貌为不规则菱形薄片. 通过分析实验数据确定Sm3+离子间的能量猝灭类型为电偶极-电偶极作用. 得到的NaLa(WO4)2: x Sm3+荧光粉具有较高的稳定性, 能被近紫外LED芯片有效地激发, 可作为单离子掺杂单一基质白光荧光粉潜在候选.

采用第一性原理计算和实验相结合的方法, 研究了金刚石/铝复合材料的界面性质及界面反应. 计算结果表明: 金刚石(100)/铝(111)界面粘附功更大, 相比金刚石(111)/铝(111)的界面粘附功4.14 J/m2提高了41%. 同时, 金刚石(100)/铝(111)界面处形成Al—C键合的趋势更强. Al—C键的引入能够促进金刚石(100)/铝(111)界面处C—C键的形成, 提高界面粘附功. 利用真空气压浸渗法制备金刚石/铝复合材料, 并对金刚石/铝复合材料的界面结构进行多尺度表征. 在金刚石{100}面观察到界面产物Al4C3, 且界面脱粘多发生在金刚石{111}面，实验现象与计算结果相一致. 湿热实验研究了界面反应对金刚石/铝复合材料的影响, 进一步表明抑制Al4C3生成、改善界面选择性结合对于提高金刚石/铝复合材料性能及稳定性具有重要意义. 本文的研究为第一性原理计算金刚石/金属的界面性质提供了新的思路, 也对金刚石/金属复合材料的设计具有重要的指导意义.

近年来, 有源超构表面因其对电磁波的灵活、动态调控而备受关注. 本文设计并分析了一种有源可编程超构表面单元, 并探讨了其在双波束、多波束独立可重构方面的应用. 理论分析了如何实现对称双波束、非对称双波束电磁波辐射以及多波束独立可重构, 并对所设计的编码超构表面进行仿真分析和实验验证. 全波仿真结果表明, 超构表面具有较好的辐射性能, 主瓣辐射方向与理论计算结果一致. 作为实验验证, 我们加工了样品并在标准微波暗室中进行了测试. 实验测试与仿真分析结果吻合良好, 均表明该超构表面在微波频率能够对双波束进行独立的动态调控, 且波束方向性较好. 因而, 这种可编程超构表面有望进一步实现多通道信息传输, 并在无线通信系统中具有良好的应用前景.

硅基电极材料在应用中的一个主要问题是巨大的体积膨胀, 以及由此带来的电极材料破裂、粉化. 本文在有限变形假设前提下, 基于电化学-力学耦合理论, 研究球形Si/C核壳结构在嵌锂过程中的浓度、应力场的演化, 并在此基础上讨论了核壳结构的优化设计. 计算结果显示: 壳层可以很好地保护硅颗粒的膨胀; 然而核内产生的较大的径向压缩应力可能导致核壳界面的脱黏, 而核壳界面处的切向拉伸应力可能会导致壳层的断裂. 进一步为有效提高核壳结构的电化学与力学性能, 从而实现锂离子电池更长的循环寿命, 考虑了两种结构的优化: 1)单层核壳结构; 2)双层核壳结构. 结果表明对于单层核壳结构应使用更软的包覆层材料; 而双层核壳结构中优化的材料布置方案为内软外硬, 对双层核壳结构的硬度分析表明, 内层材料的杨氏模量应低于10 GPa, 而外层材料的应不高于70 GPa. 本文的结论对球形材料颗粒电极的设计及优化具有一定的指导意义.

串联超导量子干涉器件(superconducting quantum interference device, SQUID)阵列通过增加SQUID数量来达到提升信噪比的目的, 即SQUID电压信号随SQUID数目比例增加而总电压噪声正比于SQUID数目的平方根值. 本文介绍了利用自主工艺线进行串联SQUID阵列研究的相关研究进展, 实现了SQUID数量分别为200和800的阵列集成, 测试得到磁通噪声达到0.5 $ \text{μ}\varPhi _{\text{0}}/\sqrt{\text{Hz}} $和输入电流灵敏度35 $ \text{μA/}\varPhi _{\text{0}} $, 等效输入电流噪声达到18 $ \text{pA/}\sqrt{\text{Hz}} $. 另外, 还给出了阵列参数与集成SQUID数量的关系, 验证了设计可靠性和工艺一致性.

利用机械剥离和高温减薄方法制备了厚度约为5 nm的GeSe纳米片, 并通过设计实验装置测试了GeSe纳米片在不同浓度氧气(O2)和丁烷(C4H10)气体中的电导性能. 结果表明, 随着氧气浓度的增加, GeSe纳米片在相同电压下所测得的电流增大, 而在丁烷气体中所测得的电流减小. 通过第一性原理计算发现, O2分子从GeSe获得电子. 气体浓度越大, P型半导体GeSe主要载流子空穴的浓度也越大, 从而电导率增大. 当GeSe吸附丁烷气体时, 随着丁烷气体浓度的增加, 相同电压下电导率减小. 其原因可归结为GeSe薄膜器件在加工过程中从空气中吸附了O2分子, 由于薄膜中存在较高密度的Se空位, 导致O2的高密度吸附. 从而导致在吸附还原性气体时, 丁烷气体易失电子. 即电子从丁烷气体分子中转移到GeSe薄膜表面与空穴中和, 降低了GeSe薄膜中的载流子空穴浓度, 从而降低电导率. 本文的研究有助于GeSe纳米片在氧气和丁烷气中的光电器件应用.

单斜氧化镓(β-Ga2O3)材料因其独特而优异的光电特性在日盲紫外探测领域具有广阔的应用前景, 受到国内外研究者的广泛关注. 本研究工作采用射频磁控溅射技术, 在c面蓝宝石衬底上制备了未掺杂和氮(N)掺杂β-Ga2O3薄膜, 研究了N掺杂对β-Ga2O3薄膜结构及光学特性的影响; 在此基础上, 构筑了未掺杂和N掺杂β-Ga2O3薄膜基金属-半导体-金属(metal-semiconductor-metal, MSM)型日盲紫外探测器, 并讨论了N掺杂影响器件性能的物理机制. 结果表明, N掺杂会导致β-Ga2O3薄膜表面形貌变得相对粗糙, 且会促使β-Ga2O3薄膜由直接带隙向间接带隙转变. 所有器件均表现出较高的稳定性和日盲特性, 相比之下, N掺杂β-Ga2O3薄膜器件能展现出较低的暗电流和更快的光响应速度(响应时间和恢复时间分别为40和8 ms), 与氧空位相关缺陷的抑制密切相关. 本研究对开发新型的高性能日盲紫外探测器具有一定的借鉴意义.

现有计算机体系架构下的神经网络难以对多任务复杂数据进行高效处理, 成为制约人工智能技术发展的瓶颈之一, 而人脑的并行运算方式具有高效率、低功耗和存算一体的特点, 被视为打破传统冯·诺依曼计算体系最具潜力的运算体系. 突触仿生器件是指从硬件层面上实现人脑神经拟态的器件, 它可以模拟脑神经对信息的处理方式, 即“记忆”和“信息处理”过程在同一硬件上实现, 这对于构建新的运算体系具有重要的意义. 近年, 制备仿生突触器件的忆阻材料已获得进展, 但多聚焦于神经突触功能的模拟, 对于时空信息感知和传递的关键研究较为缺乏. 本文通过制备一种双层结构忆阻器, 实现了突触仿生器件的基本功能包括双脉冲易化和抑制、脉冲时间依赖突触可塑性(spiking time dependent plasticity, STDP)和经验式学习等, 还对器件的信息感知、传递特性和稳定性进行了研究, 发现该器件脉冲测试结果满足神经网络处理时空信息的基本要求, 这一结果可以为忆阻器在类脑芯片中的应用提供参考.

忆阻网络是一种基于忆阻器单元的大规模非线性电路, 在下一代人工智能、生物电子、高性能存储器等新兴研究领域发挥着重要作用. 描述忆阻器单元物理和电学特性的模型对忆阻网络的性能仿真具有显著影响. 然而, 现有模型主要为非解析模型, 应用于忆阻网络分析时可能存在收敛性问题. 因此, 提出了一种基于同伦分析法(homotopy analysis method, HAM)的忆阻器单元解析建模策略, 该策略具有解析性和收敛性优化的特点, 可提高忆阻器单元和相应忆阻网络的收敛性. 此外, 还提出了一种面向忆阻器单元模型的验证准则, 以验证模型在大规模忆阻网络中的适用性. 通过忆阻器单元和忆阻矩阵网络的长时演化实验以及与传统非解析(数值)方法的比较, 验证了所提策略的解析性和收敛性优势; 利用不同类型忆阻器单元和输入的实验, 验证了该策略的扩展性. 进一步地, 基于上述实验, 揭示了忆阻网络仿真出现收敛性问题的潜在原因. 该策略可应用于基于忆阻网络的新兴研究.

本文通过在氧化铟锡(indium tin oxide, ITO)透明电极和锗(germanium, Ge)之间引入超薄氧化物介质层以调节其接触势垒高度, 制备出低暗电流、高响应度的锗肖特基光电探测器. 比较研究了采用不同种类介质Al2O3和MoO3, 以及不同掺杂浓度的锗和硅衬底上外延锗材料制作的ITO/Ge肖特基二极管特性. 发现2 nm厚的Al2O3插层可有效提高ITO与n-Ge和i-Ge的接触势垒高度, 而MoO3插层对ITO与不同Ge材料的接触势垒高度影响不明显. ITO/Al2O3/i-Ge探测器由于其增大的势垒高度表现出性能最佳, 暗电流(–4 V)密度低至5.91 mA/cm2, 1310 nm波长处光响应度高达4.11 A/W. 而基于硅基外延锗(500 nm)材料制作的ITO/Al2O3/Ge-epi光电探测器的暗电流(–4 V)密度为226.70 mA/cm2, 1310 nm处光响应度为0.38 A/W. 最后, 使用二维位移平台对ITO/Al2O3/i-Ge光电探测器进行了单点成像实验, 在1310 nm, 1550 nm两个波段得到了清晰可辨的二维成像图.

近年来, 单分子追踪技术的出现和发展为研究细胞膜界面生物学过程提供了一条新的途径, 然而细胞膜内生物分子运动的异质性特征使得从大量分子轨迹中区分和分离不同的分子运动模式变得非常困难, 迫切需要发展简单易行的分析方法. 本文以蜂毒肽和单组分平板支撑脂膜的相互作用体系为例, 发展了一种利用单分子运动位移标准差的频数分布来区分和分离不同运动模式脂分子的数据分析方法, 提供了比传统基于位移或回旋半径频数分布的分析方法更高的准确度和更多的定量信息. 利用该方法成功分离得到了脂分子在平板膜内的快慢两种运动状态, 并发现其分布情况部分相符于脂分子在上下叶的位置分布; 在不同浓度蜂毒肽的表面吸附或跨膜成孔作用的影响下, 这两部分脂分子的运动受到了不同的干扰. 本文针对生物膜体系内分子运动的复杂异质性特征发展了一种实现分子运动模式分离的数据分析方法, 并利用此方法获得了蜂毒肽破膜成孔的不同阶段对脂膜上下叶的不同影响. 该方法的开发将对利用单分子追踪技术研究生物体系动力学过程有重要帮助.

高效率的网络分析方法对于分析、预测和优化现实群体行为具有重要的作用, 而加权机制作为网络重构化的重要方式, 在生物、工程和社会等各个领域都有极高的应用价值. 虽然已经得到越来越多的关注, 但是现有加权方法数量还很少, 而且在不同拓扑类型和结构特性现实网络中的效果和性能有待继续提高. 本文提出了一种新型的双模式加权机制, 该方法充分利用网络的全局和局部的重要拓扑属性(例如节点度、介数中心性和紧密中心性), 并构建了两种新型的运行模式: 一种是在原始模式中通过增加桥边的权重来提高同步能力; 另一种是在逆模式中通过弱化桥边的权重来提高聚类检测. 此外, 该加权机制仅受单一参数$ \alpha $的影响, 非常便于调控. 在人工基准网络和现实世界网络中的实验结果均验证了该模型的有效性, 可以广泛应用于大规模的现实世界网络中.

针对大遮拦比窄环宽薄管激光光束质量提升需求, 提出了一种基于直角锥面变形镜的薄管激光光束质量提升新方法. 采用直角锥面实现薄管激光离轴像差的自校正, 再利用驱动单元控制直角锥面变形镜的形变来进一步校正残余像差, 进而实现对薄管激光光束质量的提升. 以48单元直角锥面变形镜为例, 利用有限元分析方法建立了直角锥面变形镜的物理模型, 分析了直角锥面变形镜对薄管激光畸变波前的校正能力. 结果表明, 基于直角锥面变形镜的薄管激光光束质量提升新方法能够有效校正大遮拦比窄环宽薄管激光的波前畸变, 显著提升薄管激光光束质量.