硅基半导体量子点自旋量子比特因具有相干时间长, 可控性好, 以及与现代先进集成电路制造工艺相兼容等特点, 成为有望实现容错量子计算的潜在候选体系之一, 受到科学界的广泛关注. 近年来, 由于在硅基材料性质, 量子点制造工艺和结构以及量子比特操控技术等方面取得的显著进步, 硅基半导体量子计算在自旋量子比特的高保真度态初始化和读取、单比特逻辑门和两比特逻辑门保真度等方面取得了重要研究进展, 实现了单比特以及两比特逻辑门保真度超过99%的重要突破. 本文将简要介绍硅基半导体量子点的基本概念, 着重讨论在提高单比特以及两比特门操控保真度过程中采用的最新技术手段, 最后简要讨论了需要重点关注的研究方向.

作为超快强激光场与原子分子相互作用的基本过程之一, 里德伯态激发被认为是强场隧穿电离诱导的物理过程的一个重要补充, 受到了研究者的广泛关注. 过去几十年来, 不断涌现了出色的理论和实验工作, 对超快强激光场下里德伯态激发的物理机制形成了更加深入的理解和更为系统的全新认识, 使得该研究课题逐步发展成为强场原子分子物理领域的一个重要研究方向. 本文系统地综述了超快强激光场中原子分子的里德伯态激发的研究进展, 着重介绍近年来在原子强场里德伯态激发的物理机制、分子强场里德伯态激发中的结构效应以及基于强场里德伯态激发的中性粒子加速和相干辐射研究等方面的研究工作, 在此基础上, 总结和展望了强场激发研究方向未来的发展趋势. 希望本文能够为强场激发相关研究提供较为详尽的文献综述, 为进一步开展深入的研究工作提供参考.

隧穿电子在外场的牵引下一个光周期以内返回核附近发生再散射现象是理解强场物理的基本物理图像. 再散射电子与直接电离电子波函数发生干涉导致的所谓强场光电子全息在研究强场电离基本原理以及探测超快电子动力学上具有显著的优势. 本文给出了量子轨迹干涉作为光电子全息基本物理背景的图像, 合理地引入库仑势的效应, 发展了一致性glory再散射理论. 将此理论的计算结果与实验以及含时薛定谔方程做对比, 得到了很好的定量符合结果. 同时, 研究了通过库仑glory再散射过程作为时间快门对超短光脉冲进行时间域重构的方法. 对强场光电子全息的研究将加深对原子分子超快物理过程的认知, 为未来利用或者操控这一过程做出重要贡献.

光和物质的相互作用是物理学中一个基本研究领域. 电子是最早被发现组成物质的基本粒子, 因此电子与光场(光子)的相互作用很早就引起人们的研究兴趣. 电子分为束缚电子与自由电子. 束缚电子系统的跃迁会受到能级固定、选择定则等约束, 自由电子则不然. 近十多年来, 随着超快电子显微镜技术的发展, 人们提出并发展了用于描述量子自由电子(电子波包)和光场相互作用的理论—基于光子诱导近场电子显微成像过程, 成功展示了许多新奇量子效应以及新应用. 目前, 人们把光子诱导近场电子显微拓展量子光学中并展示了许多新奇现象, 包括自由电子和腔光子的纠缠、自由电子和自由电子的纠缠、自由电子量子比特、新奇光量子态制备等，从而开启了基于自由电子的“量子光学”时代. 本文首先概述了电子与光子的相互作用研究, 随后综述了光子诱导近场电子显微成像的理论、实验进展, 介绍了其应用场景. 最后，我们对基于自由电子的量子物理研究目前遇到的困难进行了总结, 并对未来发展进行了展望.

空气激光是以空气为增益介质产生的无谐振腔自由空间相干辐射, 具有高准直度、高相干性以及高强度等显著优势. 基于高功率超短激光脉冲非线性传输成丝过程, 可以远程诱导产生空气激光从而为大气遥感探测提供理想光源. 得益于空气激光产生时伴随的原子分子相干激发过程, 空气激光远程探测技术具有高光谱分辨率和高探测灵敏度, 为痕量分子探测、温室气体监测以及工业污染物检测等远程遥感应用提供了有力工具. 本文简单介绍空气激光的物理机制, 着重回顾空气激光远程探测的各种应用并对未来研究做出展望.

基于超快强激光与物质相互作用的高次谐波产生(high-order harmonic generation, HHG)提供了非微扰区光与物质相互作用的研究平台, 同时也是台式化极紫外光源和阿秒脉冲的主要产生途径. 非微扰区固体HHG涉及超快强场物理、凝聚态物理、材料科学和信息科学等领域的核心内容, 自2011年首次在实验中观察到以来, 迅速成为强场物理和阿秒科学的研究前沿. 本综述从一个实验工作者的角度, 总结了固体HHG的研究进展和重要应用. 首先通过对比高次谐波(high-order harmonic, HH)产率和截止能量对驱动激光参数的依赖关系, 展示固体HHG与气体HHG截然不同的特性. 重点介绍固体HHG调控和应用方面的进展, 包括通过设计靶材结构或者激光光场实现对HH产率、偏振、时空分布等精密调控, 以及固体HH谱学技术在材料结构表征和超快电子动力学研究等领域的应用. 最后对固体HHG的未来发展进行了展望.

阿秒钟实验方案是当前研究原子分子体系的价电子在强激光场中隧穿延时问题的有效手段. 基于阿秒钟方案, 本文实验研究了Ar原子在800 nm椭圆偏振激光场中的光电子动量分布随激光光强的演化规律. 理论上采用包含库仑场效应、非绝热效应、Stark效应、多电子屏蔽和极化效应的半经典模型对Ar原子的强场电离动力学进行了模拟. 通过对比实验测量和数值模拟结果发现, 在本文所研究的光强范围内, Ar原子的价电子在800 nm椭圆偏振激光场中隧穿延时上限为10 as. 进一步分析表明, 阿秒钟方案中, 考虑多电子屏蔽效应对得到的隧穿延时影响最小, 而考虑非绝热效应的影响最大.

高次谐波是获得阿秒紫外光源最主要的方法之一, 是强场超快领域研究的热点问题, 具有非常广泛的应用前景. 本文围绕如何产生超连续高次谐波平台及单个超短阿秒脉冲面临的问题, 概述了这方面研究的进展, 并从理论上展示了一种有效可行的方案, 即将强激光场中的含时薛定谔方程与非约束优化算法相结合, 以扩展谐波平台最宽为目标函数, 分别优化双色和三色组合激光场并驱动氦原子产生超连续高次谐波谱. 优化后的双色组合激光场驱动氦原子产生的超连续谐波谱平台达到了100阶, 叠加获得了最短25 as的单个阿秒脉冲; 优化后的三色组合激光场驱动氦原子产生的超连续谐波谱平台宽度达到了170阶, 叠加获得最短17 as的单个阿秒脉冲, 同时谐波转换效率也有所提高. 为了给实验提供切实可行的参考, 本文以优化的双色组合激光场情况为例, 基于同时求解含时薛定谔方程和麦克斯韦方程, 进一步考虑了介质宏观演化效应对单原子层次产生阿秒脉冲的影响, 发现利用远场轴外量子通道的空间选择性可以获得更短的单个阿秒脉冲.

通过数值求解含时薛定谔方程方案, 理论研究了在有质动力能不变条件下, 不同波长超短激光辐照原子产生的高次谐波发射. 发现随着驱动激光波长的增加, 谐波发射的强度降低且发射谱中出现新的峰值结构. 通过谐波发射行为的时间频率分析, 电子密度的含时演化以及本征态布居含时分析发现, 谐波新的峰值产生根源是电子从激发态电离后返回母体离子产生的谐波发射与从基态电离产生的谐波发射之间的干涉.

随着激光技术的快速发展, 通过多色激光的相干合成实现波形的调控已成为可能, 这为实现超短孤立的阿秒脉冲输出创造了条件. 本文基于强场近似方法, 优化双色近红外激光与二次谐波场的相干叠加脉冲驱动氖原子产生孤立阿秒脉冲. 研究结果表明, 在双色近红外基础上加入倍频光后, 通过优化激光参数, 能使单原子高次谐波的发射性质得到很大的改善, 在一定能量范围内接近实现无啁啾发射, 从而获得较短的孤立阿秒脉冲. 在考虑了气体的宏观传播效应后, 选择合适的实验条件, 能够产生脉冲宽度达40 as的孤立脉冲. 最后研究了气体压强对高次谐波性质和阿秒脉冲的影响. 该研究可为实验室利用近红外激光脉冲驱动原子获得超短孤立阿秒脉冲提供参考.

强激光诱导原子阈上电离中的低能结构(low-energy structure, LES)是当前强场领域的研究热点, 其背后的动力学过程引起了广泛讨论. 本文基于半经典模型、SCTS (semi-classical two-step)量子轨道模型和数值求解含时薛定谔方程(time-dependent Schrödinger equation, TDSE)方法, 研究了中红外激光场下Xe原子阈上电离中的LES随激光脉冲宽度的依赖. 发现LES随脉冲宽度的减小向更低能量方向移动. 分析表明: 长脉宽条件下, 能谱中的多峰结构(LESn)与电子前向散射的阶次n及电子初始横向动量密切相关, 而极低能结构(very-low-energy structure, VLES)主要由更高阶次前向散射的电子轨道贡献; 少周期脉冲条件下, LES峰值位置随载波包络相位(carrier-envelope phase, CEP)的移动可归因于激光场矢势和离子实库仑势的共同作用随CEP的变化, 其中库仑势导致的电子聚束效应是LES峰形成的主要原因.

形状共振是分子电离散射过程中的一种重要现象, 其阿秒量级的光电离延时的精密测量, 是深入认识形状共振过程及成因的重要基础. 本文使用基于近红外飞秒激光与极紫外阿秒脉冲串的阿秒符合干涉仪, 利用双光子干涉的阿秒拍频重构的探测方法, 对一氧化氮(NO)分子4σ电子的形状共振过程进行研究, 实验测量了分子内有效电离延时对光子能量的依赖关系, 通过对比双光子跃迁延时与单光子跃迁延时, 发现单光子过程的Wigner延时是双光子跃迁延时随能量变化的主要原因. 基于单中心展开的量子散射理论计算表明, 在分子形状共振位置的电子电离延时, 主要由连续态中高角动量离心势囚禁的电子决定.

极性分子由于其本身的不对称性, 在强激光场的作用下展现出丰富且复杂的电子动力学现象. 本文利用三维含时Hartree-Fock方法研究了极性分子CO的高次谐波产生过程. 通过高次谐波谱和时频分析结果可知,当激光偏振沿分子轴方向时, 来自C和O两侧的电子对高次谐波的产生具有不同的贡献. 对于平台区较低阶的谐波, 仅C侧电离的电子参与谐波的产生. 而对于较高阶的谐波, C和O两侧的电子共同参与谐波的辐射. 并且, 随着激光偏振与分子轴的夹角θ逐渐增大, C和O两侧电子对谐波强度贡献的差异越来越小. 在高次谐波谱中能量28 eV附近发现了明显的形状共振峰, 随后通过强场近似理论解析了其不对称性. 本文的工作有助于推动高次谐波谱在追踪电子超快动力学和研究极性分子结构方面的应用.

电子器件高度薄型化、多功能化和集成化的时代, 不可避免地会导致复合材料内部的热量积累, 严重影响设备的稳定运行和使用寿命, 如何实现电介质材料快速且高效的导热散热已成为影响电子设备发展的关键问题. 传统聚酰亚胺本征导热系数较低, 限制了在电气设备与智能电网等领域中的应用, 发展新型高导热聚酰亚胺电介质薄膜材料成为国内外研究重点. 本文介绍了复合材料的热传导机制, 概述了近年来导热聚酰亚胺薄膜的研究进展与发展现状, 重点讨论了导热填料、界面相容、成型工艺对材料导热系数的影响, 最后结合导热聚酰亚胺复合电介质材料未来发展的需要, 对研究中存在的一些关键科学技术问题进行了总结与展望.

磁性隧道结经过结构优化和性能提升已成功应用于磁存储、磁传感、磁逻辑等多种自旋电子学器件中. 磁传感是利用磁性隧道结的自由层和钉扎层之间特殊的磁结构来实现隧穿磁电阻(TMR)随外加磁场变化而呈现的线性输出. 迄今为止, 人们基于MgO磁性隧道结已经研发出五种TMR线性传感单元, 分别是人工间接双交换耦合型、磁场偏置型、面内/面外垂直型、超顺磁型的TMR线性传感单元. 本文梳理了这五种TMR线性传感单元并对它们的磁传感性能进行了系统比较, 为人们探索和发现磁敏传感器的相关应用提供了帮助.

不同的神经元之间具有异质性, 神经元活动具有很大的差异, 因此研究异质神经元之间的耦合越来越受到关注. 本文将Hindmarsh-Rose神经元模型和Hopfield神经元模型经过忆阻电磁感应耦合, 构成一个新的神经元模型. 利用相图、分岔图、李雅普诺夫指数图和吸引盆, 证明对于耦合强度和其他参数, 新的神经元模型表现出不同吸引子共存现象. 在保持相关参数不变时, 通过改变初始状态, 可以观察到系统的多稳态现象, 包括不同周期的共存, 周期与混沌现象的共存等. 最后基于高级RISC机 (advanced RISC machine, ARM)的微控制单元 (micro control unit, MCU)实现了该神经元模型, 实验结果表明理论分析的有效性.

具有重要、广谱的生理功能的大脑新皮层神经元表现出规则和快速峰放电、内源性和连续型簇放电, 受到两个慢变量 (T型钙和钙激活的钾离子通道) 的调控 (Wilson模型). 若只选取更慢的慢变量进行单慢变量的快慢变量分离, 不能获得Wilson模型的簇放电的动力学机制, 因为此时的快子系统还含有另一个慢变量. 因此, 本文采用双慢变量的快慢变量分离方法进行分析. 首先获得快子系统在参数平面上的分岔及分岔曲线与簇放电相轨线的交点; 基于两个慢变量都不足够慢导致的只有部分交点对应的分岔与簇放电相关, 本文进一步获得三维空间中分岔曲线与相轨迹的位置关系, 识别出与簇放电相关的分岔, 并排除无关的分岔. 结果发现, 内源性簇放电与不变环上的鞍结分岔有关、与鞍结分岔无关, 连续型簇放电与不变环上的鞍结分岔和超临界霍普夫分岔有关、与鞍结分岔无关. 本研究全面深入认识了新脑皮层神经元簇放电的动力学机制, 为调控放电模式奠定了基础.

提出了一种基于V形单元结构阵列的太赫兹波段宽带透射式偏振转换器, 该偏振转换器由光栅-V形超表面-光栅组成, 顶层、底层是一对相互正交的光栅, 中间层为V形超表面, 层与层间被聚酰亚胺隔开. 该结构在0.35—1.11 THz频段内可以实现交叉偏振透射率达到80%以上, 偏振转换率达到99%以上. 对该结构在交叉偏振透射率高和低频率处的表面电流和电场进行仿真, 发现相邻V形结构间会产生偶极振荡, 在透射率高的频率处, 相邻V形结构间电场具有相近的值, 而在透射率低的频率处, 相邻V形结构间电场具有相反的值. 同时, 还分别研究了V形阵列的单层结构和V形阵列后放置光栅的双层结构对于垂直入射x偏振太赫兹波的响应, 并分析了引起高偏振转换率和宽带的物理机理.

时间传递不确定度是光纤时间传递系统的核心指标, 商用通讯激光模块波长的不一致和波长的漂移所引入的光纤色散效应是影响时间传递不确定度的主要因素. 本文提出了一种基于激光波长跟踪的高精度时间传递方法, 在双向同波分时方案基础上, 通过波长测量并利用双层控温保持了双向波长的长期一致性, 进而大幅改善了时间传递不确定度指标, 该方法在长距离光纤时间传递系统中尤其重要. 为了验证该方法的可行性,在0.005, 250, 500, 750 km不同长度的实验室光纤链路上进行了实验验证, 时间同步偏差均优于5 ps, 并在750 km实验室链路上实现了稳定度为4.7 ps@1 s, 0.4 ps@4×104 s和时间传递不确定度8.4 ps的高精度时间传递, 为远距离高精度光纤时间传递工程奠定技术基础.

以光致电离等离子体中的带电粒子输运为主要研究背景, 从理论上分析了位于两平行极板间的等离子体在外加直流电场作用下的带电粒子非平衡输运特性, 给出了不同等离子体初始参数分布条件下电子对外加直流电场的瞬态响应特性, 包括瞬态响应过程中的电子损失量和振荡频率的理论表达式, 以及对离子引出通量和引出时间产生电子温度效应的临界电子数密度的表达式. 粒子模拟结果与理论分析结果吻合良好. 在此基础上进行了外加直流电场叠加射频电场作用下的离子引出过程一维粒子模拟. 计算结果表明: 在有射频电场存在的情况下, 离子引出过程存在明显的共振现象, 且在共振频率处离子引出通量显著提高; 在本文所研究的特定工况下, 发生射频共振时的离子引出时间缩短到了单纯采用外加直流电场时的5.8%. 进一步的分析表明, 外加射频电场一方面加热了电子, 提高了离子稀疏波的传播速度; 另一方面则加剧了电子振荡, 增大了电子损失, 抬高了等离子体电势, 从而最终提高了离子引出通量、缩短了离子引出时间.

为解决基于X光条纹相机技术的时间分辨光谱诊断系统存在测谱范围窄、谱分辨较差的问题, 采用双通道电四极透镜在空间方向聚焦电子和平板电极在时间方向压缩电子的方法, 研制出一种双通道条纹相机扫描变像管, 这种变像管可同时对两条阴极发射电子束进行聚焦扫描偏转, 能大幅度提升变像管有效阴极长度, 从而提升时间分辨光谱诊断系统的测谱范围和谱分辨. 实测结果表明, 研制的变像管有效阴极长度达到44 mm, 空间分辨优于15 lp/mm , 偏转灵敏度优于40 mm/kV. 进一步优化变像管结构和采用高灵敏度图像记录系统以去除像增强器, 可将变像管有效阴极提升到50 mm, 空间分辨提升到25 lp/mm.

蓝宝石谐振体内的电磁场为回音壁模式时具有极低的介质损耗. 本文采用径向-轴向模式匹配法, 理论分析了蓝宝石谐振体内的场模式分布, 分析了谐振频率与谐振体几何尺寸的关系; 其次, 基于有限元分析仿真了蓝宝石圆柱体内场分布情况; 研制了三维转动位移台, 采用磁环/探针耦合的方式激发蓝宝石谐振体内的回音壁电磁场, 测量了谐振体表面的S参数, 由此确定了谐振体内的回音壁模式参数, 得到谐振器的无载Q值为94000. 利用该谐振体可制成低相位噪声的微波振荡器.

激光在大气传输过程中其相干特性受湍流影响而下降, 进一步影响相干探测过程的效率和性能. 本文定义大气相干时间描述激光经大气传输后接收光场的起伏速度, 大气相干时间与相干过程持续时间的相对大小决定了相干探测过程的性能. 本文基于多层动态相位屏技术仿真激光大气传输过程, 并系统研究大气参数、收发参数、波长等对大气相干时间的影响规律. 研究指出大气相干时间与波长、接收口径、大气相干长度呈正相关, 与风速呈反比; 通过改进光学设计、光束整形、激光选频等方法能够有效减少湍流扰动的影响, 提高接收光场的稳定性, 进而改善湍流对相干探测过程的不良影响. 大气相干时间是衡量湍流对相干探测影响的重要参数, 本研究可为评估大气对相干探测过程的影响提供有力参考.

光合作用中能量传输的超效率具有非常重要的生物学意义. 人们对于它的能量传递机制从未停止探索, 量子思想的广泛应用吸引着人们发掘自然现象背后的物理本质. 笔者前期采用激子极化子共振束缚介导的能量传输机制成功解释了超高效的人工光合作用实验, 这为生物体光合作用的机制提供了一种新的可能性. 本文具体研究了高等植物体和绿色硫细菌中进行光合作用的场所, 探索集光色素在光腔共振模型的束缚下, 其激子极化子可作为中间态介导能量传输. 通过充分发挥其双重特性, 以激子态形式接收供体吸收的太阳光, 光子态形式快速传递到受体, 从而实现能量的最大化利用. 基于已构建的理论模型, 结合实测数据进行数值分析, 结果表明该机制能很好地解释光合作用的超高效能量传输过程.

光学法布里-珀罗(F-P)谐振腔、粒子、微纳机械振子三者结合的复合腔光力学系统在基本物理问题、量子信息、精密测量等方面的研究和应用中越来越引起大家的重视. 本文将纳米光纤置于光学F-P谐振腔的腔模中, 探究了纳米光纤对光学F-P谐振腔精细度的影响, 并通过测量纳米光纤引起的光学F-P谐振腔内腔损耗随纳米光纤位置的关系直接获得光学F-P谐振腔的腰斑半径, 从而进一步实现了对光学F-P谐振腔腔内模场分布的无损表征. 此方法可以用于在纳米光纤表面装载的发光粒子与光学F-P谐振腔耦合的精确控制, 也为集合光子、粒子、声子的复合腔光力学研究提供了良好的平台.

基于晶体外延生长技术构建稀土掺杂的微纳米核壳结构, 不仅有利于增强稀土离子的发射强度, 且可通过对离子的空间分离实现其发光颜色的精细调控. 为此, 本工作巧妙地借助外延生长技术构建了一系列掺杂不同离子浓度的NaYF4@NaYF4核壳结构微米晶体. 在980 nm近红外光激发下, 借助共聚焦显微光谱测试系统, 通过改变激发位置, 研究了掺杂离子在单颗粒核壳微米晶体中的能量传递特性. 研究表明, 当改变其激发位置时, 核壳微米盘不同区域掺杂的离子均展现出了不同的光谱特性, 其原因主要是由于在核壳结构中激发能传递方向不同所致. 基于其不同位置发射光谱及功率变化光谱, 证实微米核壳的激发能量主要是由外向内传递. 同时依据相应的光波导模型, 揭示了核壳结构微米盘多彩发射图案的产生. 由此可见, 通过构建不同微米核壳结构, 不仅能实现微米晶体发光特性的可控调节, 而且为进一步拓展微米晶体在光电子器件、光学编码及多色显示等领域中的应用提供重要的实验参考.

研究了非局域非线性熔融耦合器的耦合模式构建新型孤子结构和稳定性的关联性. 对于高斯型耦合模式, 存在多极类亮孤子、平顶孤子和多极灰孤子结构. 一至三极对称峰值的类亮孤子、灰孤子和平顶孤子传播是稳定的, 孤子峰值不同的三极类亮孤子和三极灰孤子均不能稳定. 研究发现灰度将影响灰孤子传播的稳定性. 通过调制耦合函数宽度, 可实现孤子结构的转换.

受限于计算流体力学方法的模型及计算量, 地面风洞模拟试验仍是现阶段开展高超声速过程研究的主要技术手段. 本文针对高焓膨胀管/激波风洞的自由流参数精细调控、安全稳定运行及有效试验时间提升等需求, 利用光子多普勒测速技术实现了对不同驱动段压力情况下, 自由活塞运动全程速度变化情况的连续跟踪测量. 驱动压力为1.3 MPa时, 活塞速度的数值仿真最高速度88.981 m/s, 实测最高运动速度88.810 m/s, 相对偏差为–0.19%; 活塞驱动压力为2.7 MPa时, 活塞数值仿真最高速度125.100 m/s, 实测最高运动速度123.843 m/s, 相对偏差为–1.00%, 为该风洞的性能优化及稳定运行提供了重要数据支撑.

本文对一种纤芯折射率分布呈三角形的四包层结构正常色散平坦高非线性石英光纤进行优化设计, 用于平坦光频率梳产生. 研究了光纤各包层宽度和折射率大小对光纤色散特性、截止波长的影响. 经过优化设计的光纤在波长$ 1400—1700\;{\rm{n}}{\rm{m}} $范围内可实现较为平坦的近零正常色散, 色散范围为$ -3—0\;{\rm{p}}{\rm{s}}/(\rm{k}\rm{m}\cdot {\rm{n}}{\rm{m}}) $. 光纤有效模场面积约为$ 11\;{\text{μm}}^{2} $, 非线性系数可达$12.8\;{\rm{W}}^{-1}{\cdot} {\rm{k}\rm{m}}^{-1}$. 基于电光调制脉冲泵浦正常色散平坦高非线性石英光纤, 进行平坦光频率梳产生仿真. 研究了光纤长度、二阶色散、三阶色散、脉冲峰值功率、脉冲宽度、脉冲初始啁啾、脉冲形状等参数对光频率梳产生的影响. 仿真结果有利于促进正常色散高非线性石英光纤的国产化及其在平坦光频率梳的应用.

近年来, 声学人工结构逐渐成为降噪领域的研究热点, 亥姆霍兹共鸣器是其中的重要结构单元之一. 本研究旨在设计基于内插管式二阶亥姆霍兹共鸣器单元的宽频消声器. 传统亥姆霍兹共鸣器仅具有单一共振峰, 为了减少单元个数、降低消声器长度, 选取了具有两个共振峰的二阶亥姆霍兹共鸣器单元作为基本结构. 通过理论计算、仿真计算和实验测试对二阶共鸣器单元的隔声性能进行分析, 并在此基础上构建了宽频抗性消声器. 针对所设计的宽频消声器, 理论计算、仿真计算和实验测试的数据结果获得了良好的一致性: 在267—929 Hz的频率范围内实现了20 dB以上的传递损失. 该消声器结构简单、实用性高, 在噪声控制工程中具有广泛的应用前景.

飞行器再入过程中会产生一层包裹在其表面的等离子体鞘套, 导致通信质量恶化,甚至中断, 形成“黑障”现象. 多年来“黑障”问题一直困扰着航空航天行业, 其中一个非常重要的原因是, 对等离子体鞘套测量上的局限导致对通信传输环境认知不足. 所以, 实现鞘套参数的在线原位测量是高超声速飞行器“黑障”问题研究中的关键. 本文设计了一种用于再入等离子体鞘套诊断的宽带微波反射方法, 通过理论推导得到宽带微波反射数据与等离子体参数之间的关系, 进行有效诊断频点选择. 再利用所选有效频点的反射数据反推得到等离子体参数, 实现电子密度和碰撞频率的同时诊断测量. 建立仿真模型并搭建实验平台, 对该方法进行了仿真分析和地面实验验证, 验证了该方法的有效性. 该方法能够对再入飞行器或高超声速飞行器的等离子体鞘套实时诊断提供技术支撑.

基于辐射流体力学程序开展了高功率激光与平面靶相互作用的研究, 当激光与钨平面靶相互作用时, 由于热成丝不稳定性等原因引起激光能量沉积不均匀, 等离子体前沿会出现密度涨落, 后期会产生明显的等离子体成丝现象. 研究发现, 辐射冷却对成丝现象至关重要, 在等离子体的辐射流体动力学演化中, 辐射冷却效应会导致等离子体压强分布不均匀, 影响流体横向运动, 进而加强等离子体密度涨落, 在激光结束后密度涨落逐渐演变成为成丝现象. 通过对铝、铜、钨和金4种材料的研究, 发现高Z材料钨和金中, 由于辐射冷却效应较强, 导致明显的成丝现象. 研究结果将对激光聚变、实验室天体物理及强激光驱动的应用等研究具有借鉴意义.

本文通过基于群论和图论的晶体结构随机预测方法(RG2), 搜索发现了3种新型二维SiP2同素异构体结构α-SiP2, β-SiP2, γ-SiP2, 并采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了它们的稳定性和电子性质. 结果表明, 3种新型SiP2结构在热力学、动力学及机械力学方面均具有良好稳定性. 它们的电子结构具有满足光催化要求的带隙值, 且带隙可通过施加应变进行有效调制. 这使得3种新型SiP2异构体有望应用于纳米级光催化剂的设计与制作. 研究还发现, 3种新型二维SiP2同素异构体均具有较好的压电性质, 其中α-SiP2和β-SiP2异构体的压电系数大于h-BN, 且可与MoS2相比拟. 这些新型结构将有望被应用于制备纳米机电设备以实现微纳尺度的机-电转换和电-机传感与控制.

抗辐射嵌入式闪存工艺在航空航天领域应用广泛, 其中高压NMOS器件对总剂量辐射效应最敏感, 对该器件进行加固是提高芯片抗辐射能力的关键之一. 本文采用浅槽隔离（STI）场区离子注入工艺对180 nm嵌入式闪存工艺中的高压NMOS器件进行加固, 实验结果表明该加固器件存在两个主要问题: 1)浅槽刻蚀后进行离子注入, 后续热工艺较多, 存在显著的杂质再分布效应, 导致STI侧壁离子浓度降低, 经过1×105 rad (1 rad = 10–2 Gy)(Si)辐照后, 器件因漏电流增大而无法关断; 2)加固离子注入降低了漏区PN结击穿电压, 不能满足实际应用需求. 为解决上述问题, 本文提出了一种新型部分沟道离子注入加固方案. 该方案调整加固离子注入工艺至热预算较多的栅氧工艺之后, 减弱了离子再分布效应. 另外, 仅在STI边缘的沟道中部进行离子注入, 不影响漏击穿电压. 采用本方案对高压NMOS器件进行总剂量工艺加固, 不改变器件的条形栅设计, 对器件电学参数影响较小, 与通用工艺兼容性好. 测试结果表明, 器件经过1.5×105 rad (Si)总剂量辐照后, 关态漏电流保持在10–12 A左右, 这比传统的STI场区离子注入加固方案降低了5个数量级.

本文利用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算研究了SrVO3/SrTiO3(111)超晶格的电子结构、电学和磁学性质. 研究结果表明, SrVO3/SrTiO3(111)超晶格可通过调节间隔层SrTiO3的厚度实现铁磁半金属-铁磁绝缘体的转变. SrVO3亚层之间可以通过厚度为2个原子层的SrTiO3间隔层发生层间耦合, 超晶格呈现铁磁半金属态; 当间隔层SrTiO3的厚度等于3个原子层时, 超晶格出现小的带隙(约0.28 eV); 当间隔层SrTiO3的厚度大于3个原子层时, 超晶格出现较大带隙, 呈现铁磁绝缘态. 进一步对SrVO3/SrTiO3界面附近由于Ti-V混合导致的缺陷界面进行研究发现, 界面附近的Ti-V混合对金属-绝缘体转变具有重要的影响: 与理想界面相比, Ti-V混合的缺陷界面更能抑制层间耦合, 诱导超晶格实现铁磁半金属-铁磁绝缘体的转变. 本研究结果为SrVO3/SrTiO3(111)超晶格通过调控间隔层SrTiO3层数实现铁磁半金属-铁磁绝缘体的转变提供了理论依据.

SnTe相比于PbTe在热电领域更具有应用潜力, 原因是可以减少Pb对环境的毒性作用. 但SnTe化合物带隙宽度小, 本征Sn空位浓度(nv(Sn))大, 因此, 本征 SnTe具有太大的载流子浓度(~1021 cm–3). 改善SnTe材料的热电性能有多种方法, 但本次工作以熵工程技术为指导分步设计材料成分. 第一步, 与5%的GeTe形成Sn0.95Ge0.05Te合金以增大外加元素或化合物的固溶度; 然后, Sn0.95Ge0.05Te与5% n-型Ag2Se固溶以进一步降低SnTe的p-型载流子浓度; 第三步, 采用Bi/Sn等摩尔置换形成(Sn0.95-xGe0.05BixTe)0.95(Ag2Se)0.05 (x = 0—0.1)合金, 以进一步增大固溶体的构型熵(ΔS ). 经过多组元固溶后, 共增加构型熵ΔS = 5.67 J·mol–1·K–1(x = 0.075), 从而大大降低了载流子浓度和热导率, 使得最大热电优值(ZT )从本征SnTe的约0.22提高到约0.80 (x = 0.075). 证实了熵工程技术是一种能改善SnTe化合物热电性能的有效机制. 但实验结果也说明, 虽然熵增对材料的热电输运机制有较大影响, 但熵增机制需要与其他机制协调才能大幅提高材料的热电优值.

准二维范德瓦耳斯本征铁磁半导体CrGeTe3兼具窄的半导体带隙和铁磁性质, 在自旋电子学和光电子学等领域具有广阔的应用前景, 近年来受到国内外研究人员的广泛关注. 本文利用傅里叶红外光谱得到CrGeTe3间接带隙的大小, 并采用超快太赫兹光谱(太赫兹时域光谱和光泵浦-太赫兹探测光谱)研究了准二维范德瓦耳斯本征铁磁半导体CrGeTe3的相关性质. 结果表明, 准二维CrGeTe3的间接带隙大小为0.38 eV; 在1 THz附近的折射率约为3.2, 吸收系数约为380 cm–1; 780 nm激光泵浦后的光载流子符合双指数弛豫过程, 存在快慢两个寿命, 由电子-空穴对的复合主导, 复光电导率的Drude-Smith模型拟合展示了微观系统的相关参量随时间的演化. 本文主要展示了CrGeTe3在太赫兹波段的光谱及其相关性质, 对光电子学等领域的研究具有借鉴意义.

为提高RE-Ba-Cu-O涂层导体在强磁场下的超导载流能力, 本文采用离子辐照的方式拟在RE-Ba-Cu-O涂层导体产生缺陷以引入磁通钉扎中心. 实验利用320 kV高电荷态离子综合研究平台对RE-Ba-Cu-O第二代高温超导带材进行H+离子辐照, 进一步采用多普勒展宽慢正电子束分析及拉曼光谱技术研究了剂量在5.0×1014—1.0×1016 ions/cm2范围内H+离子辐照后RE-Ba-Cu-O带材的微观结构的变化规律. 研究结果表明, 随H+离子辐照剂量增大, Y0.5Gd0.5Ba2Cu3O7–δ超导层中产生了包括空位或空位团簇型等类型缺陷, 缺陷增多, 缺陷类型复杂性增加; 涂层中氧原子发生重排, Cu-O面间距增加, 涂层正交相结构被破坏. 此类离子辐照产生的缺陷为磁通钉扎中心的引入奠定基础.

Fe基合金性能优异, 是首选的“双绿色”节能材料, 在电力电子信息领域具有重要的应用价值. 本文对单辊快淬制备的Fe64.8Co7.2Nb4Si4.8B19.2非晶薄带实施多场耦合热处理(电流张应力退火), 采用阻抗仪和磁力显微镜观测薄带纵向驱动巨磁阻抗效应及磁畴结构, 结合X射线衍射、随机各向异性模型和数值拟合分析薄带的磁晶各向异性和应力各向异性, 提出磁各向异性竞争因子k, 从磁各向异性角度研究合金带巨磁阻抗效应调控机制. 结果表明, $ k \leqslant 0.147 $的薄带展现出“单峰”和“穹顶”状的巨磁阻抗效应, 且具有较规则的横向磁畴结构; 而$ k \gt 0.147 $的薄带展现出“尖刺+穹顶”状巨磁阻抗效应, 同时在较不规则的横向畴畴壁处观测到新畴的形核和分裂, 这为磁各向异性的竞争抑制作用提供了佐证. 因此, 本研究认为多场耦合热处理Fe64.8Co7.2Nb4Si4.8B19.2合金薄带展现出良好的应力敏感特性可由磁各向异性的竞争抑制作用解释, 它是材料巨磁阻抗效应实现调控的主要原因, 在调制优化材料磁性能方面具有良好的应用前景.

为了使具备光和电注入AlGaAs/GaAs 负电子亲和势(NEA)阵列阴极获得较高的发射电流效率, 基于变带隙发射阵列中电子输运的二维连续性方程, 利用有限体积法进行数值求解和仿真, 得到发射电流和发射电流效率. 通过仿真得到既适合光注入又合适电注入的各层最佳参数范围. 结果表明, 选择占空比为2/3的阵列微纳米柱, 获得光注入阴极的最佳入射光角度范围为10°—30°; 光注入(电注入)情况下P型变带隙AlGaAs层阵列微纳米柱高度范围为0.3—0.6 μm (0.1—0.3 μm), N型变带隙AlGaAs层、N型AlGaAs层以及P型AlGaAs层最佳厚度范围分别为0.5—2.5 μm (2—3 μm), 0.5—1.0 μm (0.8—1.2 μm)和0.2—0.5 μm (0.1—0.3 μm); P型AlGaAs层和N型AlGaAs层最佳掺杂浓度范围分别为5×1018—1×1019 cm–3 (1×1018—5×1018 cm–3)和1×1018—5×1018 cm–3 (5×1017—1×1018 cm–3). 光注入下发射电流效率最大为35.04%, 单位长度最大发射电流为10.3 nA/μm; 电注入下发射电流效率最大为31.23%, 单位长度最大发射电流105.5 μA/μm.

提出一种内嵌横向PNP晶体管的静电放电(ESD)双向防护器件(PNP_DDSCR). 对新结构器件在不同ESD应力模式下的响应过程以及电流输运机制进行研究, 内嵌横向PNP晶体管的引入, 提高了DDSCR系统内部寄生晶体管的注入效率, 促进正反馈系统建立, 同时引入两条新的电流泄放通路, 抑制电导调制效应, 提高了电流泄放能力. 结果表明, 与传统的DDSCR器件相比, PNP_DDSCR器件在传输线脉冲(TLP)测试仿真中触发电压下降了31%, 维持电压提高了16.8%, ESD设计窗口优化44.5%, 具有更低的导通电阻. 快速传输线脉冲(VF-TLP)测试仿真结果表明, 新结构器件对瞬态过冲电压有更好的钳位能力, 同时保持了较大的开启速度, 在VF-TLP应力0.1 A时, PNP_DDSCR器件的过冲电压仅为DDSCR器件的37%.