对蛋白质机器的完整描述应包括其微观结构、热力学和动力学性质与工作机制. 最近兴起的冷冻电镜技术为蛋白质热力学与动力学的研究提供了全新的机遇. 目前已经有一些工作不仅利用冷冻电镜技术解析蛋白质的高分辨率结构, 还结合数据处理方法来分析蛋白质的构象分布并进一步推测其热力学性质. 然而, 利用冷冻电镜技术直接对蛋白质的动力学过程作观测与定量分析的方法还在发展的初级阶段. 本文选取了一个理想的蛋白质系统, 即蓝藻生物钟蛋白对冷冻电镜分析蛋白质非平衡过程的可能性进行探索. 基于已有的实验数据, 将蓝藻生物钟蛋白KaiC的平衡态统计物理模型推广至非平衡态, 对KaiC蛋白处于非平衡态时的动力学特征进行预测. 基于动力学预测结果, 本文揭示了冷冻电镜技术具有分析蓝藻生物钟蛋白的非平衡过程的可能, 为进一步的冷冻电镜实验提供了理论依据.

前置电流放大器是扫描隧道显微镜的重要部件之一, 其性能对于扫描隧道显微镜系统的基本操作及新功能开发至关重要. 本文详细分析了影响前置电流放大器性能的因素, 通过筛选噪声极低的运放芯片和电路结构优化, 设计了一款针对扫描隧道显微镜系统的前置电流放大器. 该放大器最灵敏档位(1 GΩ)的噪声低至4 $ {\mathrm{f}}{\mathrm{A}}/\sqrt{{\mathrm{H}}{\mathrm{z}}} $, 带宽为2.3 kHz, 具有10 MΩ, 100 MΩ和1 GΩ三个测量量程并且可以通过控制信号实现自动切换, 测量范围覆盖pA—μA量级的隧穿电流. 利用该前置电流放大器展示了扫描隧道显微镜系统的主要功能, 包括表面形貌表征、扫描隧道谱测量以及原子搬运, 并探索了隧穿电流中散粒噪声的测量. 通过散粒噪声随隧穿电流的变化关系, 得到隧穿结中散粒噪声的法诺因子约等于1, 验证了简单金属隧穿结中电子隧穿满足泊松过程, 为表面电子关联体系的高精度表征提供了基础.

离子辐照技术具有离子束能量密度高、实验条件可精确控制, 且不受化学剂量比影响的特点, 利用离子束辐照材料, 可实现定向掺杂, 或精确引入和调控现缺陷位和密度等优势, 因此在多个领域, 如材料改性、芯片制造、生物医学、能源及化工领域都得到了广泛应用. 尤其在磁性材料改性领域, 该技术能够通过细致控制离子束的能量、剂量和辐照方向, 实现对磁性材料的定制化性能优化. 为进一步提升磁性材料的性能并探索新的磁性器件, 本文深入地探讨了离子辐照如何精确调制各种磁相互作用, 并分析其对自旋霍尔效应和磁结构动力学的影响. 首先着重介绍了离子辐照在调控垂直磁各向异性、交换偏置及RKKY相互作用等磁性特征方面的最新研究成果. 这些调控手段对于理解和优化磁性材料的微观结构和性质至关重要. 接着, 本文详细地探讨了离子辐照在调控自旋轨道力矩器件中的重要作用. 这些应用展示了离子辐照技术在设计高性能磁性存储和处理器件方面的潜力. 最后, 还讨论了辐照离子种类、能量、剂量、辐照面积等参数对磁斯格明子成核位置、密度、尺寸、稳定性以及磁斯格明子霍尔效应的调控作用, 阐明了离子辐照改变磁斯格明子生成、湮灭、运动规律等方面的内在机理, 为制备基于磁斯格明子运动的低功耗存储器件提供新的途径. 此外, 本文还就离子辐照技术在未来多功能磁性传感器及信息存储磁介质制备方面的可能应用进行了前瞻性分析. 离子辐照技术为磁性材料的性能调控和应用扩展提供了新的可能性. 随着研究的深入, 这项技术有望在未来的材料科学、电子器件以及信息技术等多个领域发挥更大的作用.

为了避免传统一体化驱动结构在运行过程中容易出现骨架断裂失效等不稳定现象. 本文根据典型一体化驱动结构在运行过程中的应力应变, 结合加速实验后出现内壁裂痕的一体化驱动结构的耐压放电测试, 分析确定一体化驱动结构存在的不稳定因素, 初步设计了一种轴径双向分离式模块化的新型驱动结构, 对新结构在运行过程中的电磁及结构响应等展开有限元仿真分析. 在相同激励条件下, 新型驱动结构内壁上的应力应变远小于一体化结构, 同时一体化驱动结构的内壁上的最大形变约为10–2 m量级, 而新型驱动结构在运行过程中内壁上的最大形变降低至10–5—10–6 m量级. 结果表明新结构能够在保证推进性能的前提下, 降低内壁和相间隔板的应力应变及变形程度, 提高了结构的可靠性, 能够为电磁线圈驱动结构的设计优化提供一定参考和借鉴.

由忆阻耦合的神经网络模型, 因其能更真实地反映生物神经系统的复杂动力学特性而被广泛研究. 目前用于耦合神经网络的忆阻器数学模型主要集中在一次函数、绝对值函数、双曲正切函数等, 为进一步丰富忆阻耦合神经网络模型, 且考虑到一些掺杂半导体中粒子的运动规律, 设计了一种新的复合指数型局部有源忆阻器, 并将其作为耦合突触用于Hopfield神经网络, 利用基本的动力学分析方法, 研究了系统在不同参数下的动力学行为, 以及在不同初始值下多种分岔模式共存的现象. 实验结果表明, 忆阻突触内部参数对系统具有调控作用, 且该系统拥有丰富的动力学行为, 包括对称吸引子共存、非对称吸引子共存、大范围的混沌状态和簇发振荡等. 最后, 用STM32单片机对系统进行了硬件实现.

本文研究了外部量子点耦合作用下, 量子点耦合两个手性Majorana费米子体系的共振交换. 为了观察两个手性Majorana费米子的共振交换, 提出了一种基于量子反常霍尔绝缘体(QAHI)近邻耦合s波超导体的电路. 数值计算的结果表明, 通过外部量子点耦合强度可以调节手性Majorana费米子的共振透射. 如果经历了共振隧穿的一个手性Majorana费米子与另一个量子点或Majorana零能模发生共振耦合, 则可以实现与超导相位无关的非阿贝尔编织操作. 因此所设计方案为Majorana费米子的非阿贝尔编织操作提供一种新的方式, 这些发现可能在拓扑量子计算的实现中具有潜在的应用价值.

光晶格中的冷原子系统是实现量子模拟和量子计算的有效平台之一, 其相变特性的研究有助于系统中新奇量子态物理机制的探索和实验观测. 本文利用朗道相变理论和非均匀平均场方法, 研究了人工磁场下光晶格中各向异性偶极玻色气体的相变, 得到了系统不可压缩相(Mott绝缘相、棋盘或条纹密度波相)-可压缩相(超流、棋盘或条纹超固相)的解析相变条件, 给出了系统的完整相图. 有趣的是, 各向异性偶极相互作用会使得系统中的棋盘密度波相和棋盘超固相变为条纹密度波相和条纹超固相, 人工磁场会稳定绝缘相和超固相, 使得绝缘相和超固相在相图中的存在区域变大. 此外, 引入外加谐振势后发现系统中的不同量子相可以共存.

原子极化率反映其对外场的响应特性, 动态极化率等于零的外场波长称为零极化或幻零(tune-out)波长. 里德伯原子的tune-out波长计算较为困难, 本文设计室温气室里德伯原子测量装置, 基于调幅电磁感应透明(amplitude modulation electromagnetically induced transparency, AM-EIT)光谱技术实现tune-out波长测量. 实验采用双光子级联激发制备铯原子里德伯态, 利用阶梯型电磁感应透明(electromagnetically induced transparency, EIT)光谱实现里德伯原子量子态检测; 通过微波频率连续扫描测量里德伯原子AM-EIT信号; 在tune-out波长处, 邻近耦合能级对目标里德伯态的动态极化为零, 原子动态Stark效应相消, AM-EIT信号极弱. 我们建立简化三能级模型计算tune-out波长, 理论与实验结果基本符合.

基于有效拉氏量方法, 本文研究了自旋宇称为$J^P={{1}/{2}}^{-}$的单粲味五夸克态的产生. 本文根据强子可能的分子态图像, 分别以$ND_{\mathrm{s}}$或$ND^*_{\mathrm{s}}$不同的分子态构型, 讨论了$B_{\mathrm{s}}$介子产生单粲味五夸克态${c\bar suud}$和十重态重子$\bar \varDelta$, 以及该五夸克态的两体强衰变过程. 通过复合粒子判据, 计算出与单粲味五夸克态${c\bar suud}$相关的强耦合常数. 借助于强子的有效拉氏量方法, 最终得到了单粲味五夸克态的产生分支比. 结果表明, 在单粲味五夸克态${c\bar suud}$为$ND_{\mathrm{s}}$的构型下, 具有Cabibbo允许的产生过程: $\bar B_{\mathrm{s}} \rightarrow P_{{\mathrm{c }}\bar{{\mathrm{s}}}} \bar \varDelta$的分支比可以达到$10^{-5}$量级, 而在$ND^*_{\mathrm{s}}$的构型下, 该过程的分支比仅为$10^{-8}$量级. 本文的研究结果可以为单粲味五夸克态的实验搜寻和深入研究提供参考, 并期望在将来的实验探测诸如LHCb, Belle II, BaBar等B工厂中得到验证.

当特定能量的自由电子被原子核外电子轨道俘获时, 有可能导致原子核被共振激发, 这就是电子俘获致核激发. 该机制的一个应用愿景是通过操纵电子使同核异能态所储存的核能按照人们的需求释放出来. 如果能够实现这种技术, 有望为核能的储存和利用带来巨大变革. 本文对比了近年来基于加速器装置, 在高电荷态离子阻停过程中测量电子俘获致核激发几率的两次实验研究工作. 对于两次测量结果的不一致, 从误差水平评估这一个新的角度分析了可能的原因. 此外, 通过评估四种可能的熔合蒸发反应道, 发现94Zr束流和氦气靶可能是利用次级束开展下一步实验工作的理想弹靶组合.

单层过渡金属硫化物具有原子级厚度、直接带隙、强自旋轨道耦合等优异性能, 使其在自旋电子学、光电子学等领域具有重要的研究价值和广泛的应用前景. 通常材料中包含多种结构缺陷, 这可能是在样品制备和生长过程中形成的, 也可以经过后期处理产生, 这些缺陷会显著改变其物理化学性质. 因此, 控制和理解缺陷是调控材料性质的重要途径. 本文利用氩等离子体对机械剥离的单层WS2进行轰击处理, 通过控制轰击时间引入不同密度的缺陷. 光致发光和拉曼测试结果表明, 在未改变晶格结构的前提下, 引入了两种缺陷态的束缚激子, 两种激子的动力学过程与中性激子相比明显变慢. 对比真空和大气环境下的光致发光光谱(photoluminescence spectroscopy, PL), 两种激子的强度变化呈现相反的行为. 本文的研究结果可为二维材料缺陷的引入和调控以及特征光谱的研究提供依据.

二维二硫化钨(WS2)作为一种具有层依赖的电子和光电特性的半导体材料, 在光电器件领域展现出极具潜力的应用前景. 当前, 晶圆级单层WS2薄膜的制备是推动其在先进晶体管和集成电路中应用的关键挑战. 化学气相沉积(CVD)能够实现大尺寸、高质量的单层WS2薄膜合成, 但其生长过程的复杂性导致了WS2生长效率低, 质量参差不齐. 为指导实验上减少WS2晶界, 提高薄膜质量以增强其电子性能和机械稳定性, 本文基于第一性原理的理论计算, 深入探讨了WS2在CVD生长过程中的成核机制. 通过引入化学势这一变量, 分析了不同实验条件下WS2的生长能量曲线, 发现调整前驱体钨源和硫源的温度或压强能有效控制WS2的成核速率. 特别是当钨源温度为1250 K时, 成核速率达到最大, 而提高硫源温度或降低硫源压强则能降低成核速率, 从而提高单层WS2的结晶度和均匀性. 这些理论计算结果为实验中根据需求精确调整成核速率提供了坚实的理论依据, 并为如何通过优化实验参数来提高单层WS2薄膜的结晶度和均匀性提供了理论指导, 有望推动WS2材料在各类高性能电子器件中的应用发展, 对未来材料科学和工业应用具有重要意义.

电磁波在运动物体表面的折射反射和内部的传播研究中, 运动界面的电磁场相位匹配作为一个重要问题, 只有用Galileo变换的讨论, 但运动边界对电磁波传播的相对论效应是不应被忽略的. 本文从空间曲面方程的定义和相对性原理出发导出了运动曲面单位法向量的变换式, 基于该变换式导出了运动边界的电磁场边界条件. 同时基于单位法向量的变换式导出考虑相对论效应时电磁波在运动边界的相位匹配. 虽然该工作不涉及量子效应的影响, 但可以为电磁波通讯和电磁遥感遥测的理论分析提供一些参考.

本文提出了一种基于像素不扩展视觉密码的光学彩色脆弱水印系统. 一方面, 使用像素不扩展视觉密码对水印图像进行编码, 避免了因视觉密码引起的像素扩展问题, 使得后续可以选择与水印图像具有相同像素大小的彩色宿主图像, 大大减少了传输过程中所占用的网络带宽以及存储空间. 另一方面, 使用相位恢复算法对编码后水印图像进行处理得到用于嵌入宿主图像的相位信息, 以光学的方式进一步提高水印图像的安全性. 使用计算机模拟验证所提光学彩色脆弱水印的可行性、不可感知性, 并通过一系列仿真攻击实验验证所提水印具有良好的脆弱性, 在面对噪声污染以及旋转、运动模糊处理、滤波等常见的攻击下均可灵敏地检测出图像发生了篡改.

基于原子四波混频的光参量放大器是实现强度差压缩态光场的最有效手段之一. 然而, 受限于原子蒸气对光场的吸收损耗, 其输出的压缩度仍有待提升. 光参量放大器输出的非经典光场部分反馈回输入端口, 可实现其输出光场量子特性的增强. 本文对相干反馈的相敏放大器开展理论分析, 研究了其输出光场的强度差压缩与反馈强度、强度增益和损耗的依赖关系. 研究结果表明, 在无损耗的理想情况下, 通过调控反馈强度和位相可实现无穷大的压缩输出. 在考虑实际的实验参数条件下, 此方案也可在一定的反馈强度范围内和特定的位相条件下, 实现显著的压缩增强. 本研究结果可为实验实现高质量非经典光场提供有益的参考.

掺镱超快光纤激光器因光束质量好、输出功率高而被广泛应用于科学研究、工业加工、医疗诊断等领域. 大模场面积的棒状光纤可以提供平均功率在百瓦量级的高能量飞秒脉冲输出, 本文基于掺镱棒状光纤搭建了啁啾脉冲放大系统, 详细研究脉冲输入功率对脉冲放大及压缩的影响. 实验结果表明, 在低放大功率下(< 160 W)增大输入功率可提升放大效率且脉冲压缩质量基本不受影响; 当放大功率进一步增大时, 需选择合适的输入功率避免积累过量非线性相位. 该啁啾脉冲放大系统可将20 W圆偏光输入放大至305 W, 压缩后产生平均功率为273 W、能量为273 μJ的264 fs脉冲, 脉冲平均功率和峰值功率比Pedersen课题组(Pedersen M E, Johansen M M, Olesen A S, Michieletto M, Gaponenko M, Maack M D 2022 Opt. Lett. 47 5172)结果约提升了一倍.

本文基于带有不同变系数和势的分数薛定谔方程, 研究了二次相位调制(QPM)下厄米-高斯光束的演化特性. 在自由空间中, 光束聚焦位置随着正QPM系数的增加或莱维指数的减小而变大. QPM为负时, 光束聚焦消失. 在余弦调制和QPM共同作用下, 光束的传输不再遵循余弦规律振荡, 而是表现出一大一小的呼吸结构, 其演化周期会随调制频率的增加而降低. 引入线性调制时, 分裂光束的运动轨迹呈现抛物线状. 在线性调制和QPM共同影响下, 光束呈现出聚焦或聚焦消失的特性. 当考虑幂函数调制和正QPM共同影响时, 在莱维指数较小时, 光束在一定传输距离内保持不失真的直线传输. 当线性势作用时, 光束的分裂随着线性系数的增加而逐渐消失, 最终呈现周期性演化. 在加入QPM后, 光束会得到明显放大. 另外, 光束演化周期与线性系数成反比, 横向振幅随着莱维指数的增加而变大. 当抛物势和QPM共同作用时, 光束会呈现出自动聚焦, 散焦效应, 聚焦频率会随着莱维指数和抛物系数的增加而变大. 这些特性在光学操纵, 光学聚焦等领域具有潜在的应用价值.

为了探索空气中强吸收纳米粒子团簇在激光作用下的悬浮以及迁移行为, 提出采用反向传输的双贝塞尔光束对纳米粒子团簇进行捕获及悬浮, 而后释放团簇, 观察和计算分析团簇的迁移行为. 两束贝塞尔光束由锥透镜和偏振分光方式产生, 进行反向水平布置, 形成三维光阱, 光阱刚度可通过调节两束贝塞尔光束的功率比进行控制. 悬浮室内的粒子通过微弱气流进行流化, 而后被光阱捕获和悬浮. 采用高速摄像仪对团簇的悬浮及迁移过程进行记录, 然后通过图像分析来获取粒子运动参数. 以强吸收性超细煤粉粒子团簇为对象, 首先对其进行悬浮和释放迁移的实验研究, 而后对团簇所受的光泳力、重力、浮力、曳力以及热泳力进行计算和分析. 实验和计算的结果表明: 强吸收性纳米粒子团簇在激光作用下产生的光泳力占主导作用; 团簇能够被稳定地悬浮在反向传输的双贝塞尔光束形成的三维势阱中, 通过调整悬浮的位置而达到与重力、浮力、曳力等的动态平衡; 利用悬浮的相对不稳定度分析评价强吸收性粒子团簇的稳定性, 超细煤粉粒子团簇的最小相对不稳定度可达0.075; 通过对团簇释放后的高速图像进行分析, 可获得团簇的迁移运动参数, 从而测量出团簇所受的热泳力; 对于等效粒径为13—21 μm的超细煤粉粒子团簇, 其热泳力量级为10–11—10–10 N, 随着团簇粒径的增大, 热泳力线性增大, 与理论计算结果趋势一致. 通过利用激光对粒子进行悬浮和释放的方式为热泳力的测量和研究提供了一种新的研究思路, 也为气体介质中粒子的控制和输运展现了一种新的操控手段.

浅海环境中目标辐射线谱的起伏特征可用于水面、水下目标深度属性判别. 已有研究未给出表征水面、水下线谱起伏差异的物理量性质, 导致利用不同物理量进行目标深度属性判别时性能不佳. 针对这一问题, 本文从声源深度起伏所导致的线谱起伏出发, 采用微分方法与统计方法对线谱起伏规律进行分析, 研究了线谱起伏产生的物理机理, 得到了适合用于水面、水下目标深度属性判别的物理量. 首先, 分别推导了复声压实部、声功率与声压幅值关于声源深度的导数关系式, 得到了以上三种物理量在声源深度起伏时的起伏大小; 其次, 利用仿真实验数据从接收深度、声源水平距离、线谱频率等层面对理论推导进行验证, 并对线谱的归一化起伏特征进行了分析. 最后, 利用海试数据验证了相关结论. 结果表明, 当声源的深度起伏时, 水面、水下线谱的起伏差异源自各阶模态的相互作用. 声源频率、声源水平距离、接收深度三种因素决定了模态间相互作用的性质. 声压幅值适用于构建目标深度属性判别特征量, 可用于表征低频线谱的强度起伏差异. 数值仿真和海试数据处理结果表明, 相较于声压实部和声功率, 利用声压幅值构建的归一化水面、水下目标深度属性判别特征量具有更优性能.

采用不可压非牛顿气液两相流格子Boltzmann方法研究了剪切增稠流体中气泡上升的动力学行为, 重点分析了流变指数n、Eöυös数(Eo)和Galilei数(Ga)对气泡形变、终端速度和剪切速率的影响. 数值结果表明: 气泡形变程度随Eo的增大而增大, n对气泡形状的影响与Ga相关. 另一方面, 随着Ga增大, 气泡终端速度随n呈非线性单调增大, 且n对终端速度的影响随Ga的增大逐渐明显; 当Ga固定且值较小时, 气泡终端速度在较小Eo下随n的增大先增大后减小, 而当Eo较大时终端速度随n的增大呈增大趋势; 当Ga固定且较大时, 气泡终端速度在Eo较大时较为统一地随n增大而增大. 此外, 气泡左右两端存在剪切速率较高的区域, 该区域尺寸随Eo, Ga的增大而增大, 随n的增大先增大后缩小. 最后利用正交试验法得到上述三变量对剪切速率和终端速度的影响程度. 对于剪切速率, 参数影响程度由大到小的顺序依次为n, Ga和Eo; 对于终端速度, Ga对其影响最大, n次之, Eo影响程度最小.

为了探究蝠鲼“前上后下”交错排布集群游动时的水动力性能, 首先根据生物观测建立了蝠鲼形态学及运动学模型, 然后基于浸入边界法和球函数气体动理学格式(IB-SGKS)建立了鱼类集群游动数值计算方法. 系统研究了垂直间距固定为0.1倍体厚, 流向间距0—1.5倍体长(BL)下的双蝠鲼集群游动过程, 并结合全局三维涡结构和特征截面二维涡结构对集群系统以及集群中各单体的平均推力/效率进行分析. 数值结果表明: 当单体间流向间距较小时, 相比于单独游动, 推进性能急剧下降; 随着流向间距增加, 领航蝠鲼推进性能基本同单体游动保持一致; 但当Dx = 0.4BL时由于领航蝠鲼尾涡恰好越过跟随蝠鲼前缘直接作用在跟随蝠鲼初始脱落鳍尖涡处, 大幅提升其旋涡能量, 因此此时系统平均推力和效率提升均最大, 分别为29.69%和6.77%.

本文采用流体力学模型对不同腔室材质下的感性耦合Ar/O2等离子体放电特性进行研究. 结果表明, 由于中性粒子在不同材质表面的黏附系数不同, 因而腔室材质对各活性粒子的密度和空间分布产生了显著的影响. 依次采用不锈钢、阳极Al2O3和Cu腔室进行放电, 发现电子、O+、Ar+、O、O(1D)和Arm的密度逐渐增大, $ {\text{O}}_2^ + $, O–, O2和$ {{{\mathrm{O}}} _2}\left( {{{\mathrm{a}}^1}{\Delta _{\mathrm{g}}}} \right) $的密度变化趋势相反, 各粒子的空间分布特点也有明显差异. 在不同腔室中, 电子在腔室中心区域的分布是均匀的; O和$ {{{\mathrm{O}}} _2}\left( {{{\mathrm{a}}^1}{\Delta _{\mathrm{g}}}} \right) $的密度最大值位于腔室中心, 并沿径向逐渐降低; 而Ar+和Arm的密度峰值出现在线圈下方; O+, $ {\text{O}}_2^ + $和O(1D)的密度最大值却随着腔室的变化从线圈下方逐渐向腔室中心方向移动; O–离子则被局域在线圈和极板之间一个非常小的区域. 最后, 讨论了表面反应O → 1/2O2的黏附系数对O和O2的影响, 发现随着黏附系数的增大, O密度逐渐降低, O2密度变化趋势相反, 而且当黏附系数增大到0.5以上时, 二者的密度几乎不再受黏附系数的影响.

电子回旋辐射成像(ECEI)系统可以对托卡马克等离子体芯部极向方向上二维的电子温度剖面的相对扰动进行高时空分辨率的测量. 对ECEI系统进行绝对标定之后, 可以提供二维绝对电子温度剖面及其扰动, 为芯部不稳定性的研究提供实验数据支持. 本文通过衡量锯齿崩塌前后的温度变化来确定锯齿反转面空间位置, 并基于反转面拟合芯部的磁面位置及形状. 根据等离子体平衡时同一磁面对映同一温度的假设, 对ECEI所有通道进行标定, 结果表明ECEI与一维电子回旋辐射仪(ECE)在测量同一位置的等离子体温度时, 其不同时间信号的平均值的相对误差为6%, 并可以有效用于锯齿不稳定性的研究.

设计二维半导体范德瓦耳斯异质结是一种实现多功能微电子器件的有效策略. 本文构筑了二维钙钛矿Cs3X2I9 (X = Bi, Sb)和铟锡InSe的范德瓦耳斯异质结Cs3X2I9/InSe. 基于密度泛函理论的第一性原理方法, 计算了其几何、电子结构、光学性质. 研究表明, 二维Cs3Bi2I9/InSe和Cs3Sb2I9/InSe异质结为II型能带排列, 且带隙分别为1.61 eV和1.19 eV, 可见光和紫外光范围内具有较高的吸收系数. 基于形变势理论和类氢原子模型的计算, 二维Cs3X2I9/InSe异质结显示了较高的电子迁移速率和激子结合能. 基于II型排列的能带结构和肖克利-奎伊瑟极限(Shockley-Queisser limit), 对比研究了光电转换效率. 此外, 进一步探究了双轴应变对二维异质结Cs3X2I9/InSe光电特性的调控及其规律. 上述研究为未来设计高效的二维范德瓦耳斯光电子器件提供了理论依据.

金属-半导体异质结 (MSJ) 是研发新型器件的基础. 本文考虑利用不同相的金属H-和T-NbS2与半导体GeS2组成不同的二维范德瓦耳斯MSJ, 并对它们的结构稳定性、电子特性以及电接触性质进行深入研究, 重点在探索MSJ电接触性质对不同相金属的依赖关系. 计算的结合能、声子谱、AIMD模拟以及力学性质研究表明, 两异质结高度稳定, 可实验制备, 且用于电子器件设计可行. 本征态H-NbS2/GeS2和T-NbS2/GeS2异质结分别形成了p型肖特基接触和准n型欧姆接触. 同时发现它们的肖特基势垒高度 (SBH) 和电接触类型可以通过外加电场和双轴应变来有效调控. 例如, 对于H-NbS2/GeS2异质结, 无论施加正/负电场或平面双轴压缩, 均能实现欧姆接触, 而T-NbS2/GeS2异质结, 仅在施加负电场时, 才能实现欧姆接触, 但需要的负电场很低, 平面双轴拉伸能导致其实现准欧姆接触. 也就是说, 当以半导体GeS2单层为场效应晶体管沟道材料, 与不同相的金属NbS2接触形成MSJ时, 其界面肖特基势垒有明显区别, 且在不同情形 (本征或物理调控) 中各有优势. 所以, 本研究对于理解H(T)-NbS2/GeS2异质结电接触的物理机制具有重要意义, 特别是为如何选择合适金属电极以研发高性能电子器件提供了理论参考.

基于第一性原理计算方法研究了GaS/Mg(OH)2异质结的稳定性、电子和光学性质. 结果表明, GaS/Mg(OH)2异质结具有较小的晶格失配率, 负的结合能和热力学稳定性而容易构建. 异质结的带隙有效降低至2.021 eV, 而且具有Type-II型能带结构, 有利于光生电子-空穴对的空间分离. 层间电荷转移诱导的内建电场进一步促进载流子的分离, 同时有助于抑制层间电荷的复合. 在双轴应变下, 异质结的导带最小值和价带最大值的位置分别产生了不同程度的平移, 导致带隙发生显著的变化, 变化量达到了0.5 eV. 而且在拉伸应变下, 异质结由间接转变为直接带隙半导体, 同时异质结仍保持Type-II型能带结构. 此外, 应变还可以有效地调控异质结的带边位置与水分解的氧化还原电位相匹配(pH = 0—7). 光吸收谱显示异质结具有较强的光吸收性能, 尤其在拉伸应变为3%时, 光吸收发生了明显的红移. 这些结果表明, GaS/Mg(OH)2异质结具有可调的电子性能而在光电领域有着广阔的应用前景.

本文研究了在具有平带的一维非厄米十字晶格中引入准周期调制所诱导的退局域-局域的转变. 通过解析推导和数值分析分形维度和能谱的实复转变, 发现在非厄米单平带十字晶格中引入对称的准周期调制会引起扩展相到局域相的转变, 而反对称准周期调制能够诱导出精确的迁移率边. 在非厄米全平带十字晶格中, 对称的准周期调制情况下, 系统一直处于局域相, 当引入反对称的准周期调制时, 系统具有从多重分形相到局域相的转变. 该研究结果为非厄米平带的局域化性质研究提供了参考.

作为一种新型的二维材料, 蓝磷因其具有较高的载流子迁移率和较大的禁带宽度引起了研究者们极大的研究兴趣. 近年来已有研究讨论了蓝磷中的结构缺陷, 但是关于其缺陷带电性质的研究尚未见报道. 本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算, 讨论了蓝磷SW (Stone Wales)缺陷、单空位(SV)缺陷、两种双空位缺陷(DV-1和DV-2)以及两种替位缺陷(OP和CP)的带电性质. 利用带电缺陷体系能量依赖于晶胞尺寸的渐进表达式进行外推的方法, 修正了蓝磷带电缺陷体系的形成能. 研究结果表明, 在所讨论的缺陷中, 富O条件下OP具有最低的形成能, 最稳定; 而SV的离化能最小, 最容易电离. 引入的缺陷态会对蓝磷的禁带宽度产生影响. 缺陷带电过程中, 缺陷态位置变化导致绝大部分缺陷转变为深能级缺陷. 本研究结果对缺陷工程在二维材料上的应用提供了一定的理论指导.

磁隧道结是研究磁性材料自旋结构、输运特性、磁相变和磁各向异性的重要实验平台. 本研究基于干法转移技术制备了以机械剥离的少层范德瓦耳斯反铁磁绝缘体三氯化铬(CrCl3)为势垒层、少层石墨烯为电极的磁隧道结原型器件结构, 并进行了低温电磁输运测量, 除观测到自旋过滤效应引起的隧穿磁阻外, 还发现多种由非传统效应引起的磁阻变化. 基于对隧道结自旋结构和能带结构的分析, 本文将之归因于由磁近邻效应引起的隧穿机制改变, 以及石墨烯电极态密度在高磁场下出现的量子振荡行为. 本文报道了在二维磁隧道结中与隧穿磁阻相关且此前未被广泛关注的物理现象, 加深了对此类二维异质结构中载流子输运特性的理解, 为二维磁性材料的物理性质研究及其自旋电子学应用拓展了新的途径.

层状磁性拓扑材料是最小二维单元下同时具有磁序和拓扑性的材料体系, 研究这一体系可能会观察到新物性和新现象的出现, 因此引起了研究者们的广泛关注. 本文运用线性自旋波理论, 主要研究了层间铁磁耦合的双层蜂窝状海森伯铁磁体中层间交换耦合相互作用对系统拓扑相的影响. 通过计算不同层间交换耦合相互作用强度下的磁子色散关系能得出, 当系统达到两个强度临界值时, 能量较高的两条能带和能量较低的两条能带的带隙在狄拉克点处会依次出现闭合-重新打开现象. 计算能带对应的贝里曲率和陈数后, 发现贝里曲率符号在相应临界值前后会发生反转, 同时陈数也会发生改变, 这证明系统发生了拓扑相变. 此外, 本文研究发现当双层蜂窝状铁磁体发生拓扑相变时, 磁子热霍尔系数变化曲线会相应发生突变. 本研究成果可以为利用双层蜂窝状铁磁材料制作具有更高信息传输能力的自旋电子器件提供理论支撑, 也可以为其他双层铁磁系统的相关研究提供一定的理论参考.

本文提出了一种由8个磁性隧道结(magnetic tunnel junction, MTJ)构成的3位磁弹模数转换器(magneto-elastic analog-to-digital converter, MEADC), 该转换器中MTJ自由层为双组分多铁纳磁体. 通过对多铁纳磁体实施应变介导的电压调控, 可以实现零场条件下的确定性磁化翻转. 研究发现: 对于给定尺寸, 给定材料的双组分多铁纳磁体, 压电层厚度与双组分多铁纳磁体的临界翻转电压线性相关. 基于该原理, 通过调整压电层的厚度使得MEADC具有8个不同的电压切换阈值, 将模拟信号转换为8个多铁MTJ不同磁化状态组合. 同时, 设计了锁存比较器和独立的读取电路来检测MTJ的阻态, 以此实现了数字信号的输出. Monte Carlo功能模拟表明: 该MEADC在室温下写入成功率可达100%; 此外, 读写电路相互分离, 使得压电层厚度与MTJ的输出参考电压无关, 因此每个MTJ可设置相同的参考电压, 从而具有更高的读取可靠性. 微磁仿真和数值模拟分析发现: 该MEADC的工作频率可达250 MHz, 单次转换能耗仅为20 aJ; 与基于Racetrack技术的磁模数转换器相比, 能耗降低了1000倍, 采样速率提高了10倍. 本文提出的MEADC可为基于自旋电子器件的存算一体电路架构提供重要的技术支撑.

为深入地了解纯NaCl本身及其Al和Ca掺杂变体的热释光峰值温度偏移特性, 通过第一性原理计算与热释光实验的结合方法, 探讨了掺杂如何影响晶体的电子结构, 并进一步分析热释光峰值温度的偏移机制. 计算结果显示掺杂Al后NaCl的带隙略有增加至5.20 eV, 掺杂Ca则导致带隙显著减小至0 eV, 这些掺杂不仅改变了带隙宽度, 还引入了不同的缺陷形成能, 这可能导致热释光峰值温度在较低温度出现, 且会随实验条件的变化而偏移. 通过热释光实验对理论预测结果进行了验证, 结果显示在加热速率增加时, 所有样品的热释光峰值温度均有所增加, 且NaCl:Al的变化最为显著, 从276 K增至340 K; 而在1—25 mGy剂量范围内随着辐照剂量的增加, 热释光峰值温度的增长变化较小, 尤其是NaCl:Ca仅从195 K增至202 K. 基于第一性原理的计算及热释光峰值温度偏移特性的实验研究对于不同掺杂材料的应用具有重要参考意义.

黑磷烯具有各向异性且独特的光电性能被广泛研究. 应变、电压等常用来调制能带结构, 进而调制其光电特性. 本文采用紧束缚近似哈密顿量, 考虑施加垂直磁场、电场、面内面外应变条件下的黑磷烯能带结构, 进一步利用Kubo公式研究了黑磷烯光电导率在多个调制因子下的特征, 并从能带结构进行了机理分析. 垂直磁场使能带劈裂, 产生多通道带间跃迁, 光电导率表现出多个峰. 随着面内拉伸应变增加能隙增加, 光电导峰位依赖于能隙. 而面外拉伸应变对能隙的调制区别于面内应变, 能隙表现出非单调变化. 电场通过带隙的变化, 调制光电导率峰值位置. 综合不同的调制因子, 能带和光电导表现出丰富的调制效果, 为研究基于黑磷烯光电器件的应用提供理论支持.

异质结构界面热输运的性能决定微纳米器件工作的可靠性. 本文采用分子动力学方法, 研究石墨烯/GaN三明治结构异质界面的热输运特性, 分析温度、缺陷以及尺寸对异质结构界面热导的影响. 研究发现, 随着温度的升高, 界面热导增大; 当温度为1100 K时, 3层石墨烯异质结构的界面热导增大61%, 分析认为这主要是温度升高导致晶格振动增加, 进而激发更多的平面外声子. GaN中的少量空位缺陷导致界面热导增大, 当缺陷率为20%时, 界面热导达到最大值0.0357 GW/(m2·K), 分析认为缺陷会增加额外的热输运通道; 随后界面热导开始降低, 分析认为缺陷率增大导致界面耦合强度降低. 随着GaN层数从8层增加到24层, 界面热导下降, 计算声子模态发现参与界面热输运声子数量减少; 而石墨烯从2层到6层时, 界面热导先上升后下降, 分析认为这是与声子匹配和耦合强度的初期提高和后期声子散射及局部化增加有关. 该研究结果为调控微电子器件界面热输运提供理论依据.

纳米红外光谱 (nano-infrared spectroscopy, nano-IR) 技术能够突破光的衍射极限, 实现约10 nm空间分辨率的红外光谱检测, 是研究纳米尺度物质化学成分和结构的重要技术手段. 然而, 由于纳米物质的尺寸与红外光的波长存在较大失配, 导致其红外吸收信号微弱. 本文理论提出了一种基于纳米腔室的声学型石墨烯等离激元 (nanocavity-acoustic graphene plasmon, n-AGP) 可调谐增强nano-IR检测平台. 该平台可实现超高光场压缩 (模式体积Vn-AGP $ \approx $10–7$ {\lambda }_{0}^{3} $, λ0 = 6.25 μm)和约50倍电场增强的n-AGP激发. 通过调控金纳米腔室结构和石墨烯费米能级, 我们实现了n-AGP的宽频段动态调控(1290—2124 cm–1). 此外, 由于n-AGP的电磁场高度局域在纳米腔室内, 具有高的探测灵敏度, 可实现单个蛋白质颗粒酰胺I带和酰胺II带振动指纹特征的探测 (灵敏度提高约9倍). 这一基于n-AGP的增强结构拓展了nano-IR技术在单分子尺度的表征能力, 可广泛应用于生物、催化等领域.

碳纳米管作为新一代热界面材料, 在天然材料中具有最高的热导率, 有望解决金刚石半导体超高热流密度的散热问题. 因此, 本文提出将金刚石和碳纳米管结合, 可大幅度提高器件性能及稳定性, 减小封装尺寸, 实现器件小型化设计. 采用非平衡分子动力学方法从微观层面探究了金刚石/碳纳米管异质结构界面热特性及影响因素. 研究发现碳纳米管层数增加使声子态密度峰值增大并向低频波段移动, 低频声子增多更有利于界面传热, 同时声子重叠能提高, 声子耦合振动增强提升了界面传热效率; 同时, 一定范围内体系温度的升高及碳纳米管长径比的增大可以提高近界面处金刚石和碳纳米管的态密度截止频率, 提升低频波段的峰值, 进一步增强两侧声子的耦合振动, 提高了界面热导. 最后, 采用正交试验模拟获得了金刚石/碳纳米管界面热导的最优值, 结果远优于目前一般半导体/金属的界面热导. 该工作为优化金刚石/碳纳米管异质界面的热输运提供了思路, 并将有利于器件热管理和芯片材料设计.

Li1+xAlxTi2–x(PO4)3 (LATP)是一种颇具前景的NASICON型锂离子固态电解质. 本文通过第一性原理计算研究了不同Al掺杂浓度(x = 0.00, 0.16, 0.33, 0.50)对LATP的结构特性、电学特性以及Li+迁移特性的影响. 结果表明, Al能够稳定掺杂进入LiTi2(PO4)3(LTP)的晶体结构当中. 当Al掺杂浓度x = 0.16时, Li—O键的平均键长最长, 成键强度最弱, 而Ti—O键强度随Al掺杂浓度变化不大. Al掺杂浓度对LATP带隙的影响不大, 但Al附近的O原子聚集了更多的负电荷, 形成AlO6极化中心. Li+不同的迁移方式(空位迁移、间隙位迁移和协同迁移)在Al掺杂浓度不同时展现出复杂的能垒变化, Li+在空位迁移中迁移势垒随Al掺杂浓度的增大而升高, 而在间隙位迁移中Li+的迁移势垒变化相反, 由于协同迁移中涉及空位和间隙位两种位点, Li+的迁移势垒表现为随Al掺杂浓度的升高先降低后升高的复杂变化. 当x = 0.50时, LATP具有最低的Li+迁移势垒0.342 eV, 这个势垒值是间隙位迁移的结果. 因此, 通过改变Al掺杂浓度, 可改变间隙Li+浓度及迁移通道结构, 进而调节Li+的迁移性能, 提高LATP中的Li+导电性能 .

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)具有高计数率、高探测效率和低暗计数等优点, 在光量子通信、光量子计算、激光测距与成像等领域发挥着重要作用. SNSPD的最大计数率(探测速度)会受前级读出电路的影响, 为了提升最大计数率, 通常需要使用一个宽带宽的低温直流耦合读出电路. 本文报道了基于商用高速运算放大芯片OPA855搭建的SNSPD低温直流耦合放大读出电路, 系统表征了该电路从室温300 K到低温4.2 K下的性能参数. 通过提升OPA855的工作电压, 解决了电路在低温下带宽损失的问题. 进一步, 将OPA855放大电路安装在40 K温区, 使用其实现了SNSPD探测性能的实验评估. 相对于常规室温交流耦合电路, SNSPD的最大计数率约提升了1.3倍. 本研究可为OPA855芯片在高速SNSPD等低温领域提供相关参考信息.

利用中国散裂中子源大气中子辐照谱仪, 对某款16 nm FinFET工艺制造的近存计算架构人工智能AI芯片进行了大气中子单粒子效应辐照测试研究. 辐照测试中, 在累积中子注量为1.51×1010 n/cm2 (1 MeV以上)情况下, 共探测到5类共计35个软错误, 尤其是探测到不同于传统冯诺伊曼架构芯片单粒子效应的计算与存储单元同时发生单粒子效应新现象. 基于所探测到的两类功能单元同时单粒子效应新现象, 结合蒙特卡罗仿真模拟, 初步给出了近存计算架构AI芯片内物理布局上, 核心功能单元间可降低同时发生单粒子效应的安全间距建议. 该研究为进一步探究非传统冯诺伊曼架构芯片单粒子效应提供了参考与借鉴.