二维范德瓦尔斯材料(可简称二维材料)已发展成为备受瞩目的材料大家族, 而由其衍生的二维范德瓦尔斯异质结构的集成、性能及应用是现今凝聚态物理和材料科学领域的研究热点之一. 二维范德瓦尔斯异质结构为探索丰富多彩的物理效应和新奇的物理现象, 以及构建新型的自旋电子学器件提供了灵活而广阔的平台. 本文从二维材料的转移技术着手, 介绍二维范德瓦尔斯异质结构的构筑、性能及应用. 首先, 依据湿法转移和干法转移的分类, 详细介绍二维范德瓦尔斯异质结构的制备技术, 内容包括转移技术的通用设备、常用转移方法的具体操作步骤、三维操纵二维材料的方法、异质界面清洁. 随后介绍二维范德瓦尔斯异质结构的性能和应用, 重点介绍二维磁性范德瓦尔斯异质结构, 并列举在二维范德瓦尔斯磁隧道结和摩尔超晶格领域的应用. 因此, 二维材料转移技术的发展和优化将进一步助力二维范德瓦尔斯异质结构在基础科学研究和实际应用上取得突破性的成果.

超临界二氧化碳(S-CO2)因在萃取、沉淀、热力循环及化学反应等方面有着十分广阔的应用前景, 逐渐成为学术界的重要研究课题. 由于在近临界区, 可以观察到随温度或压力变化出现大量的物性异变现象, 使得各国学者对流体临界点附近区域的研究产生了浓厚兴趣. 随着分子动力学模拟技术的快速发展, 该技术可辅助传统实验方法用于研究近临界流体的相关物性. 为确定S-CO2在近临界区Widom线范围及类液-类气区的分子结构特征, 本文通过分子动力学模拟技术结合聚类分析, 研究了温度和压力范围分别在300—350 K和5.5—18.5 MPa下, CO2密度时间序列变异系数及偏度同Widom线和类液-类气区间的关系. 结果表明: S-CO2在近临界区Widom线的确定可通过连接密度时间序列曲线变异系数极大值点来确定, Widom线沿着临界点开始延伸直到350 K时停止; S-CO2类液区和类气区的分子分布结构可以用数密度分布的偏度来区分, 偏度在类气态时为正值, 在类液态时为负值, 而在Widom线上达到最大值.

由于低维材料表面上的单原子和分子具有丰富的物理化学性质, 现已经成为量子器件及催化科学等领域的研究热点. 单层硅烯在不同的衬底制备温度下, 表现出丰富的超结构, 这些超结构为实现有序的单原子或分子吸附提供了可靠的模板. 利用原位硅烯薄膜制备, 分子沉积, 超高真空扫描隧道显微镜以及扫描隧道谱, 本文研究了Ag(111)衬底上3种硅烯超结构((4 × 4), ($ \sqrt {{\text{13}}} $ × $ \sqrt {{\text{13}}} $), ($ 2\sqrt {\text{3}} $ × $ 2\sqrt {\text{3}} $))的电子态结构, 表面功函数随超结构的变化, 以及CoPc分子在这3种超结构硅烯上的吸附行为. 研究结果表明, 这3种超结构的硅烯具有类似的电子能带结构, 且存在电子从Ag(111)衬底转移到硅烯上的可能性, 从而导致硅烯的表面功函数增大, 表面功函数在原子级尺度上的变化对分子的选择性吸附起着重要作用. 此外, 还观察到分子与硅烯的相互作用导致CoPc分子的电子结构发生对称性破缺.

光场相机可以解决辐射测温多相机系统光路复杂、同步触发难等问题, 在辐射成像三维温度重建时有其独特优势. LSQR是求解基于大型稀疏矩阵最小二乘问题的经典算法, 该算法用于重建三维温度场时对温度初值依赖较大, 在信噪比较低的情况下重建精度不理想. 本文提出阻尼LSQR-LMBC重建算法, 通过在LSQR方法中添加阻尼正则化项, 提高火焰三维温度场重建的抗噪性能, 并结合LMBC算法, 实现吸收系数和三维温度场同时求解. 在数值模拟部分, 随着信噪比逐渐降低, 阻尼LSQR的重建效果比LSQR更加稳定, 在信噪比达到13.86 dB时, 重建精度大约提高30%. 阻尼LSQR-LMBC的平均重建误差为6.63%. 用丁烷火焰进行了实验, 重建的丁烷火焰三维温度场分布符合辐射火焰燃烧的特征, 和热电偶的测温数据结果进行对比, 相对误差在6.8%左右.

真空弧放电等离子体含有多种离子成分, 并且各离子在空间上具有不同的分布规律. 本文针对金属氘化物电极真空弧离子源, 搭建了一台紧凑型磁分析装置, 用来研究放电等离子体中氘离子与金属离子的空间分布. 当离子源弧流为100 A左右时, 该装置能有效地传输引出束流, 并且具有较好的二次电子抑制效果, 可准确获得各离子流强. 利用该装置测量并获得了氘化钛含氘电极真空弧放电等离子体内氘离子和钛离子空间分布规律, 结果表明: 径向上, 氘离子和钛离子都呈高斯分布, 但氘离子分布均匀, 而钛离子相对集中在轴线附近, 导致轴线附近氘离子比例最低; 轴向上, 所有离子数量都以自然指数函数减少, 而且相对幅度接近, 所以氘离子比例几乎不变. 本文研究结果不仅有助于理解真空弧放电等离子体膨胀过程, 还可以指导金属氘化物电极真空弧离子源及其引出设计.

采用多参考组态相互作用方法结合全电子基组计算了LiCl- 阴离子5个电子态 (X2Σ+, A2∏, B2Σ+, 32Σ+, 22∏) 的电子结构. 为了得到精确的光谱常数, 计算中考虑了Davidson 修正、芯-价电子关联效应和自旋-轨道耦合效应. 拟合得到各电子态的光谱常数、分子常数、自发辐射速率和自发辐射寿命. 基态的光谱常数与实验值和其他理论值符合较好, 同时报道了LiCl– 阴离子激发态的光谱常数以及其到基态的跃迁性质. 计算结果表明A2∏ $\leftrightarrow $X2Σ+跃迁具有高对角分布的弗兰克-康登因子f00, 第一激发态A2∏有较短的自发辐射寿命. 构造A2∏ (ν′) $\leftrightarrow $ X2Σ+ ($\nu''$)准循环跃迁进行激光冷却LiCl– 阴离子需要一束主激光和两束抽运激光. 以上结果预测了激光冷却LiCl–阴离子是可行的.

高温下蒙脱石的膨胀特性在核废料深部封存、二氧化碳封存及页岩气开发等应用中有着重要影响, 但相关机理尚不明确. 本工作使用分子动力学模拟为技术手段计算5 MPa和298—500 K等条件下, 1.40—4.00 nm晶面间距(d)的一系列饱和钙蒙脱石的膨胀压力. 以模拟所得的数值结果为依据, 基于水化效应、双电层效应和离子关联效应等模型推演膨胀压力随温度与d的变化规律, 并与相应的实验数据进行对比. 模拟结果表明, 当d较小时, 因为高温会弱化水化力的强度, 钙蒙脱石膨胀压力震荡的幅度降低, 同时水化力作用的d的范围减小. 当d较大时, 因为高温强化离子关联效应, 膨胀压力降低, 同时双电层力的作用的d的范围增加. 在较高温度和较大d时, 膨胀压力为收缩力, 阻碍膨胀. 这些膨胀压力的变化规律与前期钠蒙脱石体系的研究类似. 然而, 通过对比两种蒙脱石体系的模拟结果, 发现两种体系存在显著的差异—钙蒙脱石比钠蒙脱石更难膨胀到较大的d.此模拟结果与前人实验观测的结果相符. 我们进一步将此差异归于钙蒙脱石的离子关联效应要远大于钠蒙脱石. 有别于分子模拟中对于离子关联效应的精确描述, 连续化的Poisson-Boltzmann方程因为忽略了离子关联效应, 从而无法表达出与两种体系模拟结果都相吻合的膨胀压力变化规律.

利用三维经典系综模型, 研究了整个系综两电子(Ar原子为例)从激光场吸收的能量对激光参数(波长、激光强度和椭偏率)的依赖关系. 结果显示, 当激光强度固定, 波长增加时, 整个系综两电子从激光场吸收的能量整体呈上升趋势, 但不同强度下趋势略有差异. 在较低强度时整个系综两电子从激光场吸收的能量对波长的依赖关系呈现持续平稳增加的趋势, 在较高强度时呈现先缓慢减小再快速增大的趋势. 对强度的依赖关系在不同波长时呈现两个有趣的交叉点. 对椭偏率的依赖关系在较低强度时呈现先逐渐减小再缓慢增大的趋势; 在中等强度时呈现一个“阶梯型”即先缓慢增大再逐渐减小最后缓慢增大; 在更高强度时呈现先逐渐增大再逐渐减小的趋势. 为了解释整个系综两电子从激光场吸收的能量对激光参数的依赖关系,把整个系综的动力学过程分为双电离、单电离、受挫单电离和受挫双电离4种通道. 然后分析各个通道的特征及其如何主导整个系综两电子从激光场吸收的能量的变化趋势. 分析结果表明, 整个系综两电子从激光场吸收的能量对波长、激光强度和椭偏率的依赖均是由于某种通道主导整个系综两电子从激光场吸收的能量的结果.

主要研究了热原子蒸气池中铯Rydberg原子nS1/2→(n + 1)S1/2微波耦合的双光子光谱. 铯原子基态(6S1/2)、第一激发态(6P3/2)、Rydberg态(69S1/2)形成阶梯型三能级系统, 弱探测光作用于基态到激发态6S1/2→6P3/2的跃迁, 强耦合光则作用于6P3/2→69S1/2的Rydberg跃迁形成电磁感应透明(EIT)效应, 实现对Rydberg原子的光学探测. 频率fMW = 11.735 GHz的微波场耦合69S1/2→70S1/2的Rydberg跃迁, 形成微波双光子光谱. 利用EIT-AT分裂光谱研究微波电场强度对双光子光谱的影响. 研究表明: 在强微波场作用时, EIT-AT分裂与微波场功率成正比, 而弱微波场时的EIT-AT分裂与微波场功率成非线性依赖关系, 理论计算与实验测量结果相一致. 本文的研究对微波电场的精密测量具有一定的指导意义.

基于射线跟踪模型, 提出了一种超材料角反射面结构, 实现了Fabry-Perot天线增益和口径效率的提升. 首先对基于超材料角反射面的Fabry-Perot天线进行了理论推导和分析. 然后, 设计并分析了双圆极化馈源、基于超材料角反射面的Fabry-Perot天线及其性能. 最后, 对所提出的Fabry-Perot天线模型进行了制造和测试. 结果表明, 该天线的左圆极化增益和右圆极化增益分别为21.4 dBi和21.3 dBi. 相比馈源天线, 增益分别提高了16.4 dB和16.3 dB. 与传统Fabry-Perot天线相比, 所提出超材料角反射面同时充当了反射面和相位校正面, 实现了对Fabry-Perot天线边缘电磁波的有效调控. 所设计Fabry-Perot天线工作在2.8 GHz频段, 具有高增益、高口径效率和低旁瓣的优点, 满足了太阳射电望远镜F107指数观测的需求.

本文结合近场扫描结构和纳米线-微光纤耦合技术, 提出了一种基于硫化镉纳米线/锥形微光纤探针结构的被动近场光学扫描成像系统. 该系统采用被动式纳米探针, 保留了纳米探针对样品表面反射光的强约束优势. 其理论收集效率为4.65‰, 相比于传统的金属镀膜近场探针收集效率提高了一个数量级, 可有效地提高扫描探针对样品形貌信息的检测能力; 而后通过硫化镉纳米线与微光纤之间高效的倏逝场耦合, 将检测的光强信号传输到远场进行光电探测, 最终实现对目标样品形貌的分析成像, 其样品宽度测量误差在7.28%以内. 该系统不需要外部激发光路, 利用显微镜自身光源进行远场照明, 被动扫描探针仅作为样品表面反射光的被动收集系统. 本文基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像方案, 可有效地降低探针的制备难度和目标光场的检测难度, 简化扫描成像的结构, 为近场光学扫描显微系统之后的发展提供新的思路.

为实现仅用一幅离轴数字全息图便能直接恢复相位, 提出一种利用空间载波相移技术(spatial carrier phase shift, SCPS)和线性回归相结合的离轴数字全息去载波相位恢复算法. 首先, 利用SCPS将一幅离轴数字全息图分为四幅含有载波相移的全息图, 其中载波相移由沿行、列两个方向的正交载波所引入; 然后, 将四幅载波相移全息图作为输入, 将所求物体相位和两个正交的载波作为未知量, 结合最小二乘法和线性回归同时求出载波和相位信息. 相较于已有的去载波技术, 本算法无需背景全息图作为参考, 便可准确地去除载波, 实现高质量的相位重建. 本文结合数值仿真和具体实验结果验证本算法的有效性和优越性.

铯原子D1 线的非经典光由于其波长接近于量子点的独特优势, 在固态量子信息网络的发展中有着重要的应用前景. 在之前的工作中, 利用两镜连续简并光学参量振荡器中的参量下转换过程, 制备出2.8 dB 正交压缩真空态光场. 然而, 所产生光场的压缩度较低, 对于对压缩光具有实用意义的可调谐性能也未做进一步探究. 理论分析表明, 光学参量振荡器后腔镜对信号光透射率的增加及内腔损耗的减小可以提高压缩度. 因此, 本文在该研究基础上, 通过使用高光洁度腔镜及优化腔镜镀膜参数等方式对光学参量振荡器进行改良, 降低了光学参量腔阈值, 获得压缩度为3.3 dB 的单模正交压缩真空光. 当光学参量腔运转为参量反放大状态时, 在系统稳定运行的情况下, 制备的明亮压缩态光场能够连续调谐80 MHz, 为其在量子信息网络中的应用奠定了良好的基础.

低噪声微波在冷原子光钟、光子雷达、大科学装置远程同步等领域具有重要的应用价值. 本文介绍了一种基于光学-微波相位探测技术的低噪声微波产生方案, 利用光纤环路光学-微波鉴相器, 将超稳激光的频率稳定度相干传递至介质振荡器. 实验采用梳齿相位参考至超稳激光的窄线宽掺铒光纤飞秒光学频率梳, 结合光纤环路光学-微波鉴相器和精密锁相装置, 将7 GHz介质振荡器同步至光频梳重复频率的高次谐波, 同步后的光脉冲序列与微波信号的剩余相位噪声为–100 dBc/Hz@1 Hz, 定时抖动为8.6 fs [1 Hz—1.5 MHz]; 通过搭建两套低噪声微波产生系统, 测得7 GHz微波的剩余相位噪声为–90 dBc/Hz@1 Hz, 对应的频率稳定度为4.8 × 10–15@1 s. 该研究结果对基于光学相干分频的低噪声微波产生提供了一种新思路.

波长调制-直接吸收光谱(WM-DAS)同时具有直接吸收光谱(DAS)可测量吸收率函数和波长调制光谱(WMS)高信噪比的优点, 本文首先采用WM-DAS光谱, 在50 cm光程和室温低压下, CO分子近红外4300.7 cm–1谱线吸收率检测限低至4 × 10–7 (200 s); 然后结合120 m长光程Herriott池, 在室温大气压下, 吸收率函数拟合残差标准差达到5.1 × 10–5 (1 s). 最后利用长光程WM-DAS测量系统, 对不同浓度(体积分数为0.44 × 10–6—9.6 × 10–6)CO进行了动态测量, 并将其与腔衰荡光谱(CRDS)进行比较; 实验结果表明: 本文采用的长光程WM-DAS与CRDS方法测量结果相同, 其中长光程WM-DAS系统CO浓度检测限低至0.9 × 10–9 (200 s), 系统简单且测量速度远快于CRDS. 与此同时, 利用建立的长光程WM-DAS测量系统连续监测1个月时间内大气痕量CO浓度及其变化趋势, 测量结果与中国环境监测总站测量结题高度一致.

本文提出了一种基于非对称三芯光子晶体光纤的宽带模分复用器. 该器件主要是由位于光纤中心的可提供基模和高阶模传输的中心纤芯和分别位于中心纤芯两侧的可提供基模传输的2个旁芯构成. 根据光耦合理论, 在输入端对3个纤芯分别输入LP01模式的光, 在传输过程中左旁芯的LP01模式的光将逐步向中心纤芯耦合并转换为LP21模式传输, 而右旁芯中的LP01模式的光则逐步耦合并转换为中心纤芯中的LP31模式来传输. 通过对光纤结构的优化设计和光纤长度的选择, 使得在输出端同时完成旁芯LP01模向中心纤芯LP21和LP31模的最佳转换, 从而实现LP01、LP21和LP31 3种模式的光在中心纤芯中的复用. 反之, 若将该器件的输出端用作输入端则可以实现中心纤芯中3种模式的光向3个纤芯的解复用. 本文利用有限元法和光束传播法进行了优化设计和仿真, 并将光耦合理论与超模理论相结合进行了分析计算, 结果表明在1.49—1.63 μm的波段下, 该器件插入损耗最高为0.72 dB, 在中心波长1.55 μm处器件插入损耗为最低值0.543 dB, 远低于大家普遍采用的1 dB插入损耗的评价标准. 较低的插入损耗也为级联型多芯光子晶体光纤模分复用器设计提供了可能. 与现有的模分复用方案相比, 该器件的集成性更高, 受外界影响更小, 与多芯空分复用光纤搭配使用, 可以更好地提高模式转换效率和模式纯度, 降低耦合复杂度, 拓展通信容量.

界面态具有巨大的实际应用价值, 因此寻找界面态是一个既有科学意义也有应用前景的课题. 在本文中, 我们通过把二维正方晶格声子晶体的结构单元进行倾斜, 构造出具有线性狄拉克色散的斜方晶格体系. 狄拉克色散引起体能带Zak相位的π跃变, 使得位于狄拉克锥投影能带两边的带隙具有不同符号的表面阻抗, 从而导致由正方晶体体系与由其“倾斜”的斜方晶格体系构成的界面处存在确定性的界面态.

风成噪声是海洋中最广泛存在的环境噪声、是被动声纳处理性能的重要影响因素.它具有一个典型的物理性质是很大程度上只对应中高阶模态. 阵列信噪比计入了阵列采样辐射声强、背景噪声功率和阵处理增益, 是决定声纳阵列处理性能的关键物理量. 本文研究了受风成噪声模态结构影响, 典型夏季浅海环境中垂直阵阵列信噪比随声源深度的变化关系. 在简正波模深函数采样完整的假设条件下, 理论证明了阵列信噪比随声源深度的变化可近似为低阶模态幅度强度(模深函数模值的平方)随深度变化的线性叠加, 且模态阶数越低, 贡献越大; 并且, 在强风成噪声背景、显著负梯度环境下该变化规律可由1阶模态幅度强度随深度的变化近似独立表征. 以上结果表明, 在同一声源距离条件下, 声源置于水体下半部分时的阵列信噪比比置于海面附近更大, 并且在位于1阶模态峰值点所在深度附近时达到最大. 典型负声速梯度浅海环境中的仿真实验结果对理论分析进行了验证, 并表明在一定条件下阵列信噪比随声源深度的变化与声源距离近似无关.

采用介观格子Boltzmann方法模拟界面张力作用下三维流体界面的Rayleigh-Taylor (RT)不稳定性的增长过程, 主要分析表面张力对流体界面动力学行为及尖钉和气泡后期增长的影响机制. 首先发现三维 RT不稳定性的发生存在临界表面张力($\sigma_{\rm{c}}$), 其值随着流体Atwood数的增大而增大, 且数值预测值与理论分析结果${\sigma_{\rm{c}}}= {{({{\rho_{\rm{h}}}-{\rho_{\rm{l}}}})g}}/{{{k^2}}}$一致. 另外, 随着表面张力的增大, 不稳定性演化过程中界面卷吸程度和结构复杂性逐渐减弱, 系统中界面破裂形成离散液滴的数目也显著减少. 相界面的后期动力学行为也从非对称发展转向始终保持关于中轴线对称. 尖钉与气泡振幅在表面张力较小时对其变化不显著, 当表面张力增大到一定值后, 可以有效地抑制尖钉与气泡振幅的增长. 进一步发现, 高雷诺数三维RT不稳定性在不同表面张力下均经历4个不同的发展阶段: 线性阶段、饱和速度阶段、重加速和混沌混合阶段. 尖钉与气泡在饱和速度阶段以近似恒定的速度增长, 其渐进速度的值与修正的势流理论模型结果一致. 受非线性Kelvin-Helmholtz旋涡的剪切作用, 尖钉与气泡随后的增长被加速, 导致在重加速阶段的演化速度超过势流模型的解析解. 重加速阶段不能持续发展下去, 尖钉与气泡在不稳定性后期的增长速度会随时间上下波动, 这表明不稳定性的演化进入了混沌混合阶段. 通过数值分析, 证实了三维RT不稳定性在后期的混沌混合阶段具有二次增长的规律, 并且尖钉与气泡增长率总体上随着表面张力的增大而逐渐减少.

电子回旋共振(ECR)中和器是微型ECR离子推力器的重要组成部分, 其引出的电子用于中和ECR离子源的离子束流, 避免了航天器表面电荷堆积, 并且电子引出性能对推力器的整体性能起着重要作用. 为了分析影响微型ECR中和器电子引出的因素, 本文建立了二维轴对称PIC/MCC计算模型, 通过数值模拟研究不同磁路结构对中和器的电子引出, 及不同腔体长度对壁面电流损失的影响. 计算结果表明, ECR区位置和引出孔附近磁场构型对中和器的电子引出性能至关重要. 当ECR区位于天线上游, 电子在迁移扩散中易损失, 并且电子跨过引出孔前电势阱所需的能量更高. 如果更多磁力线平行通过引出孔, 中和器引出相同电子电流所需电压较小. 当ECR区被天线切割或位于下游时, 电子更易沿磁力线迁移到引出孔附近, 从而降低了收集板电压. 研究了同一磁路结构下不同腔体长度对电子引出的影响, 发现增加腔体长度, 使得更多平行轴线的磁力线通过引出孔从而避免电子损失在引出板表面, 增加了引出电子电流. 研究结果有助于设计合理的中和器磁路和腔体尺寸.

本文基于X射线衍射动力学分析了劳厄晶体的分束特性, 模拟了晶体吸收和入射光角发散对于透射光和衍射光摇摆曲线的影响, 定量给出晶体衍射面内角调节范围和晶体加工厚度对于劳厄衍射分束比的调制. 在实验中, 采用分析晶体和分束晶体的消色散配置限制入射光角发散的影响, 实现300 μm厚Si(220)晶体面内角调节劳厄衍射分束的精确测量, 并得到300 μm, 400 μm和500 μm 厚度Si晶体分束比的调节范围, 实现了透射光和衍射光强度的定量调制.

利用密度泛函理论和非平衡态格林函数相结合的方法, 系统地研究了边修饰Net-Y纳米带的电子结构和器件特性的应变调控效应. 计算表明: 本征纳米带为金属, 但边缘的氢或氧原子端接能使其转变为半导体. 应变能有效地调控纳米带带隙的大小, 适当的应变使能带结构从间接带隙转变为较小的直接带隙, 这有利于光的吸收. 应变也能改变纳米带的功函数, 压缩应变能明显减小功函数, 这有利于纳米带实现场发射功能. 特别是应变能有效地调控纳米带相关器件的I-V特性, 能使其开关比(Ion/Ioff )达到106, 据此, 可设计一个机械开关, 通过拉伸及压缩纳米带使其可逆地工作在“开”和“关”态之间. 这种高开关比器件也许对于制备柔性可穿戴电子设备具有重要意义.

采用固相反应法合成了一种ZrCuSiAs型准二维层状锰基化合物ThMnSbN. 基于X射线粉末衍射的结构精修显示, 该化合物属于P4/nmm空间群. 其晶胞参数为a = 4.1731 Å, c = 9.5160 Å. 电输运测量显示, 该化合物电阻率随温度下降缓慢上升, 且在16 K附近出现电阻率异常. 与此同时, 该材料的磁化率在同一温度附近出现异常, 显示出类似磁性相变的行为. 进一步的比热测量中没有观察到磁相变导致的比热异常. 另外, 低温下的比热分析显示, 该材料的电子比热系数为γ = 19.7 mJ·mol–1·K–2, 远高于其他同类锰基化合物. 该结果与电输运测量中观察到的低电阻率行为相符, 暗示ThMnSbN中费米面附近存在可观的电子态密度. 基于对一系列ZrCuSiAs型化合物晶体结构细节的比较, 分析了含有萤石型Th2N2层的系列化合物中导电层所受化学压力的不同作用形式.

金属氧化物场效应晶体管作为大规模数字电路的基本单元, 其内部的寄生效应一直以来被认为是影响集成电路在脉冲γ射线辐射环境中发生扰动、翻转以及闩锁的重要因素. 为研究脉冲γ射线诱发N型金属氧化物场效应晶体管内部纵向寄生效应的开启机制, 通过TCAD构建了40, 90以及180 nm 3种不同工艺节点的NMOS晶体管进行瞬时电离辐射效应仿真, 得到了纵向寄生三极管电流增益随工艺节点的变化趋势、纵向寄生三极管的开启条件及其对NMOS晶体管工作状态的影响. 结果表明: 1)脉冲γ射线在辐射瞬时诱发NMOS晶体管内部阱电势抬升是导致纵向寄生三极管开启的主要原因; 2)当纵向寄生三极管导通时, NMOS晶体管内部会产生强烈的二次光电流影响晶体管的工作状态; 3) NMOS晶体管内部纵向寄生三极管的电流增益随工艺节点的减小而减小. 研究结果可为电子器件的瞬时电离辐射效应机理研究提供理论依据.

在热电研究领域, GeSe是一种二维层状结构具有较大带隙的半导体, 本征载流子浓度低, 热电性能差. 在本工作中, 采用熔融淬火结合放电等离子活化烧结工艺制备了一系列的GeSe1–xTex (x = 0, 0.05, 0.15, 0.25, 0.35, 0.45)多晶样品, 研究了Te含量对GeSe化合物物相结构和热电输运性能的影响规律. 结果表明: 随着Te含量的增加, GeSe的晶体结构逐渐由正交相向菱方相转变, 使得材料的带隙降低, 载流子浓度和迁移率同步增加; 同时, 晶体对称性的提高增加了化合物的能带简并度, 有效提高了载流子有效质量. 在这些因素的共同作用下, 菱方相GeSe的功率因子比正交相GeSe提高约2—3个数量级. 此外, 菱方相GeSe具有丰富的阳离子空位缺陷以及铁电特性所导致的声子软化现象, 这导致其晶格热导率比正交相GeSe降低近60%. 当Te含量为0.45时, 样品在573 K取得最大热电优值ZT为0.75, 是本征GeSe样品的19倍. 晶体结构工程是提升GeSe化合物热电性能的有效途径.

近年来, 铅卤钙钛矿CsPbX3 (X = Cl, Br或I)因其具有荧光波段可调、荧光量子产率高(Photoluminescence quantum yield, PLQY)以及荧光半峰宽窄等优点而被广泛应用于光电器件领域. 然而, 与PLQY接近于100%的绿光和红光相比, 蓝光卤素钙钛矿的PLQY仍比较低. 在此, 采用过饱和结晶的方法在室温下合成了粒径低于4 nm的超小晶粒锡(Sn)掺杂CsPbBr3量子点, 并对其结构特性和光学特性进行了研究. 结果表明: 随着SnBr2添加量的增大, 量子点晶粒的粒径略微减小, 荧光发射峰发生蓝移, 粒径由3.33 nm (SnBr2为0.03 mmol)减小到2.23 nm(SnBr2为0.06 mmol时), 对应的荧光发射峰由490 nm蓝移至472 nm. 当SnBr2添加量为0.05 mmol时合成的超小晶粒锡掺杂CsPbBr3量子点显示出最优的光学性能, 其粒径约为2.91 nm, 对应的XRD各晶面衍射峰强度最强, 荧光发射峰位于472 nm处, PLQY最高, 达到了53.4%, 在空气中存放15 d后, 其荧光发射峰位置不发生明显改变, 荧光PLQY仍保留最初的80%, 为42.7%. 证明适量添加SnBr2对CsPbBr3进行锡掺杂可有效提高超小晶粒量子点的结晶性能和光学性能.

采用双时格林函数方法研究了自旋为1的双层平方晶格阻挫模型的相变行为. 详细探讨了层间耦合相互作用$ {J_{\text{c}}} $和单离子各向异性参数D对奈尔态(AF1)和共线态(AF2)之间相转换的影响. 结果显示: 只要参数$ {J_{\text{c}}} $和D不同时为零, 奈尔态和共线态在$ {J_2} = {J_1}/2 $(这里$ {J_1} $和$ {J_2} $分别描述的是系统自旋间最近邻和次近邻交换作用)时的相变温度相等, 两个态共存. 在低于相变点的温度范围内, AF1-AF2态之间可以发生相转换, 其相变类型为一阶相变. 当$ {J_2} \ne {J_1}/2 $时, 尽管AF1-AF2态有不同相变温度, 但它们也可以共存. 如果AF1(AF2)态的相变温度大, 在低温, AF1(AF2)态更稳定; 在高温, AF2(AF1)态更稳定; 在中间温度范围内, AF1-AF2态之间也可以发生一阶相转换.

本文在GaN基共振腔发光二极管(RCLED)顶部设计制备了高反膜结构分布式布拉格反射镜(DBR)和滤波器结构DBR, 对比分析了两种反射镜的反射率曲线特征以及对应的RCLED器件的光输出纵模模式、光谱线宽和输出光强等性能差异, 详细研究了顶部反射镜的光反射特性对RCLED器件输出光谱性能的影响机理. 研究结果表明, 顶部反射镜是RCLED的重要组成部分, 其反射率曲线特征决定器件的光输出性能. 常规高反膜结构DBR顶部反射镜的反射率曲线具有较宽的高反射带, 将其作为顶部反射镜可有效压窄RCLED发光纵模线宽, 但是发光光谱仍呈现多纵模光输出特征. 滤波器结构DBR顶部反射镜的反射率曲线在中心波长处具有较窄的透光凹带, 利用透光凹带对输出光的调制作用, 器件可实现单纵模光输出, 在光通信、光纤传感等领域展示了广阔的应用前景. 通过进一步设计RCLED顶部反射镜结构, 可以改变其反射率曲线特性, 进而优化RCLED器件的输出光谱特性, 以满足器件在多个领域的应用需求.

金属纳米颗粒阵列中形成的四偶极晶格共振模式具有低辐射损耗、高品质因子的特性, 因此广泛应用于纳米激光、传感、固态照明等领域. 基于时域有限差分法在均匀环境下研究了银纳米圆柱阵列的光谱与近场特性. 研究结果表明, 在x偏振光直入射下, 通过调节阵列x方向的周期, 共振强度先增加后降低, 当两个方向上的周期相等时, 提出的阵列结构能够产生一个线宽约0.4 nm、品质因子高达1815的四偶极晶格共振模式, 这种共振模式呈现出Fano线型的透射谷; 调控y方向的周期能够实现从Fano线型的透射峰到透射谷的转变. 本文说明了粒子大小、晶格周期对四偶极晶格共振模式的重要性, 同时为银纳米颗粒在可见光波段设计高品质因子共振提供了优化策略.

分别从基体和铝酸盐两方面优化了钡钨阴极. 在基体方面, 首先采用窄粒度钨粉结合放电等离子体烧结获得了孔径分布窄的基体; 再利用射频等离子体球化技术制备了球形钨粉, 采用球形钨粉制备了多孔基体, 获得了孔通道光滑、内孔连通性好、孔径分布更加窄的基体. 与窄粒度钨粉基体相比, 球形钨粉制备的阴极, 空间电荷限制区的斜率由1.25增加至1.37, 发射均匀性得到提高, 拐点电流密度由6.6 A·cm–2增至6.96 A·cm–2. 在此基础上, 采用液相法改善了铝酸盐物相组成, 发现空间电荷限制区的斜率增加至1.44, 拐点电流密度增加至21.2 A·cm–2. 通过理论计算对钡钨阴极发射的物理本质进行了研究, 发现钡钨阴极发射规律遵循偶极子理论.

MoS2是一种具有优异光电性能和奇特物理性质的二维材料,在电子器件领域具有巨大的应用潜力. 高效可控生长出大尺寸单晶MoS2是该材料进入产业应用所必须克服的重大难关, 而化学气相沉积技术被认为是工业化生产二维材料的最有效手段. 本文介绍了一种利用磁控溅射预沉积钼源至熔融玻璃上,通过快速升温的化学气相沉积技术生长出尺寸达1 mm的单晶MoS2的方法, 并通过引入WO3粉末生长出了二硫化钼与二硫化钨的横向异质结(WS2-MoS2). 拉曼和荧光光谱仪测试表明所生长的样品具有较好的晶体质量. 利用转移电极技术制备出了背栅器件样品并对其进行了电学测试, 在室温常压下开关比可达105, 迁移率可达4.53 cm2/(V·s). 这种低成本高质量的大尺寸材料生长方法为二维材料电子器件的大规模应用找到了出路.

电解液中的锂离子浓度表达是锂离子电池电化学模型求解的基本任务之一. 为了平衡单粒子模型的液相动态性能和计算效率, 假设反应仅发生在集电极和电解质界面上, 为此, 提出一种基于液相扩散方程无穷级数解析解的界面浓度求解新方法. 在恒流工况下, 利用数列单调收敛准则将解析解转化为一个收敛和函数. 在动态工况下, 将该解析解简化为输入与和函数的无限离散卷积. 利用和函数随时间单调衰减并收敛至零的特性对其进行截断, 从而得到有限离散卷积求解算法. 对比专业有限元分析软件, 该方法在恒流工况和动态工况下均能以较少的计算时间获得相当好的精度. 而且, 该方法仅有一个配置参数. 因此, 所提方法将有效减小应用于实时电池管理系统上的电化学模型计算负担.

为了进一步提高在α稳定分布噪声背景下非线性自适应滤波算法的收敛速度, 本文提出了一种新的基于p范数的核最小对数绝对差自适应滤波算法(kernel least logarithm absolute difference algorithm based on p-norm, P-KLLAD). 该算法结合核最小对数绝对差算法和p范数, 一方面利用最小对数绝对差准则保证了算法在α稳定分布噪声环境下良好的鲁棒性, 另一方面在误差的绝对值上添加p范数, 通过p范数和一个正常数a来控制算法的陡峭程度, 从而提高该算法的收敛速度. 在非线性系统辨识和Mackey-Glass混沌时间序列预测的仿真结果表明, 本文算法在保证鲁棒性能的同时提高了收敛速度, 并且在收敛速度和鲁棒性方面优于核最小均方误差算法、核分式低次幂算法、核最小对数绝对差算法和核最小平均p范数算法.

本文在室温下利用射频磁控溅射技术在(001)蓝宝石衬底上制备了不同厚度的β-Ga2O3薄膜, 随后将其置于氩气气氛中800 ℃退火1 h. 利用XRD, SEM, UV-Vis分光光度计、PL光致发光光谱仪和Keithley 4200-SCS半导体表征系统等考察薄膜厚度对所得氧化镓薄膜相组成、表面形貌、光学性能以及光电探测性能的影响.结果表明, 随着薄膜厚度的增加, 薄膜结晶质量提高, 840 nm薄膜最佳, 1050 nm薄膜结晶质量略有降低. 不同厚度β-Ga2O3薄膜在波长200—300 nm日盲区域内均具有明显的紫外光吸收, 禁带宽度随着薄膜厚度的增加而增加. PL谱中各发光峰峰强随着薄膜厚度的增加而减小, 表明氧空位及其相关缺陷受到抑制. 在β-Ga2O3薄膜基础上制备出日盲紫外光电探测器的探测性能(光暗电流比, 响应度, 探测率, 外量子效率)也随薄膜厚度的增加呈先增后减的趋势. 厚度约为840 nm的β-Ga2O3紫外光电探测器, 在5V偏压下, 表现出极低的暗电流(4.9 × 10–12 A), 以及在波长254 nm (600 μW/cm2) 紫外光照下, 表现出较高的光暗电流比(3.2 × 105), 较短的响应时间0.09/0.80 s (上升时间), 0.06/0.53 s (下降时间), 其响应度、探测率和外量子效率分别为1.19 mA/W, 1.9 × 1011 Jones和0.58%, 且其光电流随光功率密度和偏置电压的增加几乎呈现线性增加, 可以用于制作日盲紫外探测器.

神经元的大小属于介观尺度范围, 本文考虑神经元的电感特性, 建立了由细胞膜电感、膜电容、钾离子忆阻器和氯离子电阻构成的神经元经典电路模型和介观电路模型. 利用经典电路理论和介观电路的量子理论, 推导了在外部冲击激励下神经元细胞膜电压响应的表达式. 将枪乌贼神经元的电生理参数代入膜电压表达式并计算可知, 两种模型下的膜电压均先增大后减小, 最后达到零值的静息状态, 且其能量主要集中在0—30 Hz的脑电频率范围内. 进一步比较发现, 介观电路模型下膜电压的峰值及达到峰值所需的时间(达峰时间)均低于经典电路模型下的值, 并与枪乌贼轴突受到刺激后的实验结果更接近, 说明介观电路模型更能反应神经元受到刺激后的生理特征. 基于介观电路模型, 随着外部激励强度的增加, 膜电压的峰值增加且达峰时间变短. 膜电压峰值及达峰时间等参数更易受神经元膜电容的影响. 神经元的介观电路模型对于理解神经元受到刺激后的兴奋性, 推动受大脑功能启发的量子神经网络的发展等具有重要意义.

设计了一种基于双芯负曲率光纤的新型低损耗大带宽太赫兹偏振分束器, 该器件以环烯烃共聚物为基底, 沿圆周等间距分布着12个含内嵌管的圆形管, 通过上下对称的两组外切小包层管将纤芯分成双芯. 采用时域有限差分法对其导模特性进行分析, 详细研究了各个参数对其偏振分束特性的影响, 分析了该偏振分束器的消光比、带宽、传输损耗等性能. 仿真结果表明: 当入射光频率为1 THz, 分束器长度为6.224 cm时, x偏振光的消光比达到120.8 dB, 带宽为0.024 THz, y偏振光的消光比达到63.74 dB, 带宽为0.02 THz, 传输总损耗低至0.037 dB/cm. 公差分析表明结构参数在±1%的偏差下, 偏振分束器仍然可以保持较好的性能.

与目前商用的太赫兹源相比, 自旋太赫兹源具有超宽频谱、固态稳定以及成本低廉等优点, 这使其成为下一代太赫兹源的主要研究焦点.但使用自旋太赫兹源时, 通常需要外加磁场使铁磁层的磁化强度饱和, 才能产生太赫兹波, 这制约了其应用前景.基于此, 本文制备了一种基于IrMn/Fe/Pt交换偏置结构的自旋太赫兹波发生器, 通过IrMn/Fe中的交换偏置场和Fe/Pt中的超快自旋流注入与逆自旋霍尔效应相结合, 在无外加磁场下产生了强度可观的太赫兹波. 在IrMn和Fe的界面中插入超薄的Cu, 可以使Fe在厚度很薄时零场下实现饱和磁化, 并且其正向饱和场最高可达–10 mT, 从而进一步提升无场下的太赫兹发射效率. 零场下出射的太赫兹波的动态范围超过60 dB, 达到可实用化的水平.通过旋转样品, 发现产生的太赫兹波的偏振方向也会随之旋转, 并且始终沿着面内垂直于交换偏置场的方向. 此外, 在此交换偏置结构的基础上, 引入了一层自由的铁磁金属层Fe, 设计了一种以IrMn/Fe/Pt/Fe为核心结构的自旋阀太赫兹源, 发现产生的太赫兹强度在两层铁磁层反平行排列时比平行排列以及不引入自由铁磁金属层时均大约提升了40%. 结果表明, 基于IrMn/Fe/Pt结构的自旋太赫兹信号源可在无外场下产生可观的太赫兹信号, 并且其强度可通过引入自由铁磁金属层进一步增强, 偏振方向也可通过旋转样品进行调控, 这些优点使其有望在下一代太赫兹信号发生器中发挥重要的作用.

多焦点结构光照明显微技术(multifocal structured illumination microscopy, MSIM)能在50 μm的成像深度内和1Hz的成像速度下实现两倍于衍射极限分辨率的提升, 相比传统的宽场结构光照明显微技术, 具有较大的成像深度和层析能力, 更适合应用于厚样品的长时程三维超分辨成像. 然而, MSIM存在成像速度慢、图像处理过程复杂等问题. 本文提出了一种基于平场复用多焦点结构光照明的快速超分辨显微成像方法和系统(flat-field multiplexed MSIM, FM-MSIM), 通过在照明光路中插入光束整形器件, 将高斯光束转变为均为分布的平顶光束, 提高激发点阵的强度均匀性和扩大视场; 通过将每个衍射受限的激发点沿y方向延长, 形成新的多路复用多焦点阵照明图案, 提高能量利用率, 减少扫描步数, 进而提高成像速度和信噪比; 结合基于多重测量矢量模型的稀疏贝叶斯学习图像重构算法, 简化图像重构步骤, 在保证空间分辨率的同时实现至少4倍于传统MSIM的成像速度. 在此基础上, 利用搭建的FM-MSIM系统进行了BSC细胞微管样片和小鼠肾切片标准样片的超分辨成像实验, 实验结果证明了该系统的快速三维超分辨成像能力, 对于MSIM的发展具有重要的意义.

诠释耳蜗的主动感音放大机制一直是未解的医学难题. 这种机制与耳蜗中外毛细胞顶端的静纤毛运动密切相关, 静纤毛运动又受到tip-link张力与淋巴液流体力的调节. 因此, 研究静纤毛运动过程中tip-link张力是诠释耳蜗的主动感音放大机制的重要环节. 本文把静纤毛视为变形体, 基于泊肃叶流动理论并结合分布参数模型, 推导了静纤毛运动的解析解. 研究了盖膜剪切荷载作用下静纤毛和淋巴液相互作用的动力响应以及tip-link张力的变化规律. 研究发现: 当静纤毛的杨氏模量减小时, 在小于峰值频率的区域, tip-link张力显著增大, $ {f_2} $的峰值频率减小. 以往的研究将静纤毛作为刚体, 势必导致低频声音信号作用减弱. 当系数c = 0 (无黏性阻力)时, $ {f_2} $频率选择特性存在; 当μ = 0(无压力)时, $ {f_2} $频率选择特性消失, 因此淋巴液可能是通过在静纤毛间产生压强的方式来调节毛束的频率特性的. 另外, 盖膜剪切荷载频率越高, 静纤毛轴弯曲越明显, 发束内外域的压强差也越大.

基于电阻抗成像技术和生物阻抗谱技术, 提出一种面向生物组织检测的生物阻抗谱成像方法. 该方法将目标区域可视化并精准识别目标种类, 可用于肺癌早期检测, 协助临床医生对早期肺癌进行精准检测, 提高早期肺癌的治愈率. 本文通过数值仿真的方法验证生物阻抗谱成像方法在肺癌早期检测中的可行性和有效性, 仿真结果表明: 1) 生物阻抗谱成像方法可以实现早期肺癌区域的可视化, 并精确判别出早期肺癌种类; 2) 生物阻抗谱成像方法中阻抗谱的最佳采集模式是4次循环采集, 最佳分类器是Linear-SVM, 5折交叉验证的平均分类准确率可以达到99.9%. 为了验证仿真结果, 本文选取3种具有不同电学特性的生物组织模拟癌变区域进行了检测. 实验结果表明该方法可以对生物组织区域可视化, 并判别出生物组织的种类. 该方法可以兼顾电阻抗成像和生物阻抗谱方法的优点, 有望用于肺癌早期检测.

绝对重力测量的精度主要受振动噪声的限制. 振动补偿是一种简单可行的振动噪声处理方法, 它通过传感器探测振动噪声来对测量结果进行修正. 现阶段对于不同传感器的振动补偿性能缺乏系统的分析与评估, 仅停留在应用阶段. 本文从理论出发分析了传感器性能对补偿效果的影响, 并通过实验评估了不同振动环境下不同传感器的振动补偿性能. 实验结果显示, 采用低噪声地震计的振动补偿效果主要受带宽和量程的限制, 在安静环境下可实现优于百微伽的单次测量标准差, 但补偿效果随振动噪声高频成分的增强而降低, 在动态环境下地震计则受量程限制而无法工作. 采用加速度计的振动补偿效果主要受分辨率的限制, 在复杂和动态环境下均可实现毫伽量级的单次测量标准差. 本文为振动补偿技术应用于绝对重力测量提供了振动传感器选型的理论和实践依据, 有望为振动补偿技术的进一步发展提供技术支撑.