极化激元作为光与物质的混合激发可以实现纳米光场的精确调控, 为未来纳米光电器件的小型化和集成化提供了有效的途径. 近年来, 借助散射型扫描近场光学显微镜对多类型极化激元的观测, 多种光学现象背后的物理机制被揭示, 进一步加深了对极化激元物理和相互作用的理解, 也极大地推动了极化激元调控及其应用的研究. 基于此, 本文总结了最新的极化激元近场研究进展. 不同于前期关于二维材料极化激元的综述, 本文不仅涵盖了三维至一维的极化激元材料体系, 还在极化激元纳米光学特性方面增添了各向异性极化激元的最新研究工作, 并且系统总结了极化激元调控的最新进展以及在亚衍射成像和聚焦、纳米结构识别、光调制器和分子检测等方面的相关应用. 最后, 对极化激元未来的研究方向进行了展望.

近年来, 实验技术和理论计算在实现超快时间尺度的分辨以及对于原子尺度微观细节的解析上都有了突破性进展, 对于水体系的超快微观动力学也带来了更多新的认识. 本文将视角集中于水分子、水团簇以及液态水在不同强度的光激发下产生的电离、解离甚至等离子体化的过程, 总结了人们在前沿工作中获得的有关水体系原子尺度超快动力学的知识. 特别地, 围绕光电离实验探讨了阿秒尺度的电离延迟以及水分子Feshbach共振理论分析; 围绕液态水的解离过程探讨了水合电子产生、空穴的定域化等重要过程, 补足了液态水解离完整过程的微观图像; 围绕水的等离子体化介绍了通过含时密度泛函等方法计算得到的水在强激光脉冲作用下转变为等离子体状态的过程与机制, 总结了在极高电子温度下水的特殊电子结构的相关知识. 这些讨论将给出当前人们看待水的激发态的相对全面的视角.

高效且稳定的钙钛矿/异质结叠层太阳能电池是学术界与工业界共同探索的方向, 目前小面积叠层太阳能电池效率优势已然非常明显, 但在商业化推进过程中, 叠层路线在电池结构设计与界面调控、钙钛矿材料选型与优化、器件尺寸放大以及稳定性等方面仍存在许多挑战. 本文通过收集相关文献资料, 包括实验数据和理论模拟结果, 对钙钛矿/异质结叠层太阳能电池的研究现状进行分析, 认为未来的研究方向可能涉及叠层顶电池的界面调控及组件互联结构设计等关键问题. 因此, 文章重点阐述钙钛矿/异质结叠层太阳能电池各关键材料层的优化选型、钙钛矿带隙优化与离子迁移抑制、层间界面传输调控、底电池连接层优化及组件互联与封装方式优化. 基于现有研究成果对叠层太阳能电池技术进行了总结和探索展望, 旨在为后续叠层太阳能电池结构设计的各关键问题提供方向性解决建议.

目前国内外关于SI模型空间格局的研究大多数局限在自扩散以及系统参数对斑图模式的影响, 而关于交叉扩散对空间格局的演化机理研究成果较少. 本文建立了一个具有自扩散和交叉扩散的空间流行病模型, 研究了在有无自扩散驱动系统不稳定的情况下, 交叉扩散对SI模型的稳定性、稳定速度以及斑图结构的影响. 研究发现, 在无自扩散驱动系统不稳定的情况下, 引入交叉扩散能够激发Turing斑图的产生; 在自扩散驱动系统不稳定的情况下, 交叉扩散可以实现斑图结构的改变; 对于SI 模型的稳定速度, 不论有无自扩散驱动系统不稳定, 交叉扩散都影响了其到达稳定所需时间, 且在不同的交叉扩散系数下, 所需时间也不同. 因此, 交叉扩散对于SI模型的稳定性、稳定速度、斑图结构都有重要的影响.

时域有限差分(finite-difference time-domain, FDTD)方法由于稳定性条件的限制, 在处理含精细结构的电磁问题时效率不高. 显式无条件稳定(explicit unconditionally stable, EUS) FDTD方法通过滤除系统矩阵的不稳定模式, 能够消除稳定性条件的限制, 提高精细结构的仿真效率. 然而, EUS-FDTD方法需要求解数值系统矩阵的特征值, 在采用亚网格方案对含精细结构目标离散时需要保证数值系统矩阵的对称性. 现有的EUS-FDTD亚网格方法存在着构造复杂、精度不足等问题. 针对以上问题, 本文将悬挂变量亚网格(hanging variables subgridding, HVS)算法应用于EUS-FDTD算法中, 从系统矩阵的对称性出发证明了悬挂变量亚网格算法的稳定性, 给出了高精度、稳定、容易实施的HVS-EUS-FDTD方案. 通过线磁流在自由空间的辐射、多个介质目标以及三维含介质腔体的数值算例证明了所提方法的稳定性、高精度以及高效性. 数值实验表明, HVS-EUS-FDTD算法的计算效率相比于均匀细网格FDTD算法可提升数百倍, 相比于HVS-FDTD算法最高可提升Ratio (粗细网格尺寸比)倍.

最近研究发现, AB(N,O)3型钙钛矿氧氮化物具有优异的介电、铁电、光催化等性能, 在光电子、能源存储和通信等领域展现出广阔的应用前景. 但是, 目前该类型材料的制备工艺耗时较长且产物纯度较低. 本文以氧化物为前驱体、以氨基钠为氮源, 利用六面顶压机设备所提供的高温高压环境成功制备了高纯度的钙钛矿型氧氮化物CeTaN2O块体材料, 并将制备时间缩短至1 h, 实现了快速合成. 并对其晶体结构以及物理性质进行了系统的研究. X射线粉末衍射实验和Rietveld精修结果表明, 所制备的样品属于正交晶系, 空间群为Pnma. X射线吸收谱测试确定了样品的电荷组态以及阴离子组合为Ce3+Ta5+N2O. 磁性和比热测试表明, 样品属于反铁磁物质, 磁相变温度低于2 K. 电学输运性能测试表明, 样品的电阻率呈现出典型的半导体行为, 且符合三维变程跳跃模型.

锡烯具有超高载流子密度、无质量狄拉克费米子和高导热性等优良性质, 并且存在能带反转现象, 被认为是拓扑绝缘体, 拓扑绝缘体在一定条件下可以获得无耗散电流, 具有极高的应用潜力. 由于锡烯在布里渊区高对称点K处的能带存在狄拉克锥, 带隙为零, 大大限制了锡烯在半导体领域的应用. 本文采用在锡烯中掺杂B/N元素和在垂直于锡烯平面方向施加电场的方法来打开锡烯在K点处的带隙, 并研究掺杂和施加电场强度对锡烯结构和电子性质的变化. 研究发现施加掺杂B元素和垂直电场都能在保留锡烯拓扑性质的同时打开K点处的带隙, 并且施加的垂直电场强度与K点处带隙呈正相关. 在掺杂B元素的同时施加垂直电场可以增大K点处的带隙, 当电场强度为0.5 V/Å时, 带隙达到0.092 eV. 掺杂N元素后, 锡烯变为间接带隙半导体, 带隙为0.183 eV. 施加垂直电场不能改变N元素掺杂锡烯的结构, 施加的垂直电场强度与K点处带隙则呈负相关, 当电场强度为0.5 V/Å时, K点处带隙减小到0.153 eV.

本文在偶极近似下计算了Debye等离子体环境中C5+, Al12+ 和W73+ 离子的光电离截面, 重点研究了相对论效应对势形共振、Cooper极小和虚态效应的影响. 研究结果表明, 相对论效应随核电荷数的增大而增大, 使得精细结构劈裂越来越显著, 在光电离截面中出现了双共振结构的现象, 并且共振峰的大小、宽度和位置的差异都随着核电荷数的增加而越来越大; 分截面出现Cooper极小位置的差异也越来越大, 在总截面中叠加的极小值越来越浅; 出现虚态效应的等离子体屏蔽长度以及低能区光电离截面虚态增强的截面值也存在明显差异.

基于半导体变形微腔的定向激射效应, 在各向同性薄膜中制备变形微腔, 将为多功能、高集成光子有源芯片提供新的解决方案. 利用二维波动光学理论, 以Z切向掺饵铌酸锂薄膜蚶线形微盘中的TE20,1模式为例, 分析了不同变形因子$\varepsilon $微盘的模式分布、品质因子Q、定向激射效果D以及庞加莱截面图. 理论模拟结果显示, 微盘变形过程中微盘周长与谐振波长的比值近似为一定值. 当$\varepsilon $大于0.24时, 微盘具有较好的单向激射性, Q值大于105; 当$\varepsilon $变形因子大于0.4时, 庞加莱截面图几乎被混沌海区域占据, Q值低于103. 因此, 薄膜蚶线形微盘变形因子$\varepsilon $在0.24—0.4之间时, 微盘不仅具有高的品质因子(Q值为103—105), 激射方向性也较高(D值为6.45—8.32).

紫外激光器具有频率高、波长短、单光子能量大以及空间分辨率高等特点, 在精细加工、生命科学、光谱学等许多方面应用前景广阔. 本文报道了一种基于外腔面发射激光器腔内三倍频的可调谐紫外激光器. 该激光器采用了W型谐振腔, 并插入双折射滤波片作为偏振和波长调谐元件, 通过I类相位匹配的LBO晶体对980 nm基频光进行倍频产生490 nm蓝光, 再通过I类相位匹配的BBO晶体对980 nm基频光和490 nm倍频光进行和频获得327 nm紫外输出. 当LBO和BBO晶体的长度都为5 mm时, 在环境温度为15 ℃, 泵浦功率为47 W的条件下, 实验输出的327 nm紫外激光功率达到538 mW. 选择厚度为2 mm的双折射滤波片作为调谐元件, 可获得的紫外激光器输出波长的连续调谐范围为8.6 nm. 该紫外激光器同时显示了良好的光束质量和较好的功率稳定性.

本文结合片上Si3N4超高Q微环的混沌光频梳和高速现场可编程门阵列, 提出并实验验证了一种超高速的并行实时物理随机数方案. 结果表明, Si3N4超高Q微环实验得到的光频梳齿包含数百个信道, 通过调节Si3N4微环的工作状态使其处于光学混沌态, 从而成为性能优良的物理熵源. 采用现场可编程门阵列(FPGA) 板载的多位模数转换器, 对滤波后频梳的光混沌信号进行离散采样量化, 生成8位二进制比特流. 对该比特流进行实时的自延迟异或处理, 并保留4位最低有效位, 实验最终实现了单信道实时速率达5 Gbits/s的合格物理随机比特流. 结合实验中数目达294的混沌光频梳齿, 本方案的并行实时随机数的吞吐量可望达到1.74 Tbits/s. 这些结果可为实时物理随机数源提供集成、超高速的新可选方案.

光学压力传感器在微小形变检测、环境监测以及医学领域等方面具有非常重要的作用. 然而, 外加压力与谐振腔形变前后的光学响应之间的定量关系很难获得. 本文提出了一种基于金属-介质-金属波导的耦合谐振腔系统用于实现光学压力传感器. 利用有限元方法对该系统的力学特性以及受力前后的光学传输特性进行详细分析. 仿真结果显示谐振腔的最大形变量与所施压力呈简单的线性关系. 给出了光学压力传感器灵敏度的直接定义, 并基于条形腔与槽形腔耦合产生的Fano共振现象, 获得了灵敏度为6.75 nm/MPa的光学压力传感器件. 除此之外, 添加了stub谐振腔, 获得了双Fano共振现象, 且随着外部压力的变化, 两个Fano线型表现出不同的变化规律; 特别地, 合适的压力数值可使得双Fano共振变成单Fano共振. 该结构的特点适用于不同压力下的光学性质变化检测、化学高压实验测量和化学反应动力学过程的研究.

光纤点衍射环形器是激光相干多普勒测振系统中光纤光路和空间光光路耦合的关键器件, 其耦合效率等性能参数对测振系统测量准确度和测量距离的提升具有重要意义. 常规环形器重合度检测采用能量监测法和远场重合度监测法, 不能对光纤失配因素进行定量分析, 环形器耦合效率的一致性无法保障. 针对上述问题, 提出了一种基于低频外差干涉的相位检测技术, 利用干涉相位信息进行光纤相对姿态解算, 可有效解决光纤环形器重合度定量检测的问题. 对不同光纤相对姿态形成的干涉波前进行了仿真分析和实验验证, 给出了光纤相对横向位移、纵向位移和光轴偏离角度与干涉相位PV(peak-to-valley)值、Zernike系数和环形器耦合效率间的规律, 实现了干涉相位到光纤失配因素的分离解算, 解算结果可指导光纤相对姿态的调整. 最后通过实验验证了该技术的可行性, 结果表明该技术对于光纤横向位移的检测精度优于1 μm, 为提升光纤环形器重合度提供了新的检测途径.

利用高速摄影和图像分析技术研究频率为40 kHz超声清洗槽中产生的环状空化泡聚集结构的演化过程. 环状结构通常出现在波节附近, 其半径小于1/8波长; 在一个包络波周期内, 结构经历建立、稳定、消失3个阶段, 结构形貌具有稳定性. 环状空化结构存在气泡的输运现象, 且在气泡主聚集区内有小泡团形成后向环内溢出, 随后消失成离散的空化泡或泡核再次进入气泡输运循环. 环状结构大小和气泡聚集区随时间小幅振荡变化, 且存在结构整体旋转现象, 主要取决于主声场和气泡间次级辐射场的共同作用. 基于双气泡模型分析环状结构形成的物理机制, 发现主声场是导致气泡形成环状聚集的控制因素. 基于环链状模型分析了结构稳定性, 通过数值计算得到了类环形结构等效势分布, 且声压越高的地方等效势越高, 此处气泡越易聚集. 驱动声场越强, 环链结构可能越完整, 但是, 声压过高导致高数密度的气泡聚集也可能破坏气泡的环状聚集稳定性进而演化成其他类型泡群结构. 理论分析结果与实验现象具有很好的一致性.

基于弯曲波在声黑洞(acoustic black hole, ABH)结构中振幅不断增大的特性, 提出了一种新型径向夹心式径-弯复合换能器, 该换能器由径向夹心式圆环换能器与外围的环形ABH结构组成. ABH结构的存在实现了换能器径向振动与弯曲振动之间的转换, 提高了换能器的声辐射性能. 利用几何声学的方法建立了ABH结构弯曲振动的解析模型, 给出了其弯曲振动的本征频率, 并结合有限元方法讨论了换能器机电转换性能随尺寸变化的关系. 通过有限元方法给出了该换能器在空气中的辐射声压场、辐射声强以及辐射指向性, 仿真结果表明, ABH结构的存在能够改善换能器弯曲振动的机电转换性能, 提高换能器的声辐射性能, 使换能器呈现出一定的辐射指向性. 最后通过实验对换能器样机的电阻抗特性以及振动模态进行测量, 实验结果与仿真相符合.

利用高速摄影机对驱动频率分别为28 kHz和40 kHz的超声空化场中距离水面约1/4波长范围内的球状气泡团的上浮生长和演化过程进行实验观察, 分析了声软界面附近驻波场声压幅值变化对泡团结构变化的影响, 以及泡团从球状向伞状和层状结构演化的行为特征. 为分析空化场中球状泡团生长演化机理, 利用镜像原理构建了一个考虑边界(水-空气)影响的球状泡团模型, 得到了修正的球状泡团内气泡动力学方程. 利用等效势数值分析了两个频率下驱动声压幅值、气泡数密度、距离水面深度以及气泡平衡半径对球状泡团最佳稳定半径的影响. 结果表明, 球状泡团的最佳稳定半径在1—2 mm的范围, 且随着驱动声压幅值和气泡数密度的增大, 球状泡团最佳稳定半径有减小的趋势, 但差异不显著; 驱动频率为40 kHz条件下的球状泡团稳定尺寸略小于驱动频率为28 kHz情形; 在弱声场中若能形成气泡聚集, 仍可观察到较小尺寸的球状泡团, 但当声压低于某临界值, 泡团将不能存在. 理论分析与实验观察结果具有很好的一致性. 球状泡团的生长和结构稳定特性分析有助于理解声场和边界对气泡的行为调控.

对大尺寸三维超声换能器系统的耦合振动进行有效控制, 优化系统的性能, 一直都是功率超声领域亟待解决的难题. 研究发现, 一些声子晶体槽、孔结构可以对大尺寸换能器系统的横向振动进行抑制, 提高系统振幅分布均匀度, 且可以通过改变声子晶体结构的配置参数人为地实现对大尺寸三维超声振动系统性能的调控. 但过多的设计参数必然会增加系统设计的复杂度, 且目前大尺寸三维超声换能器系统的优化设计依赖于经验试错法, 设计效率和成功率较低, 性能也无法保证. 研究引入同质位错、点缺陷结构对大尺寸三维超声振动系统进行优化设计, 并利用数据分析技术评价了同质位错、点缺陷结构的配置对系统辐射面的纵向位移振幅、振幅分布均匀度、辐射声功率、工作带宽等的影响规律, 建立了同质位错结构、近周期缺陷结构的结构参数——大尺寸超声换能器系统性能的预测模型, 实现了对大尺寸功率超声换能器系统的智能设计, 提高了设计效率和成功率, 降低了设计成本.

本文采用CTU (corner transport upwind)+CT (constrained transport)算法求解理想可压缩磁流体动力学(magneto-hydro-dynamic, MHD)方程, 仿真研究了不同方向磁场控制下高斯分布轻质气柱界面受平面冲击波扰动后的演化过程, 揭示了磁场方向对界面不稳定性的影响机理. 仿真结果探讨了有/无磁场作用下流场特性与波系结构的发展, 对比分析了磁场方向对气柱的长度、高度、射流宽度和体积压缩率的影响, 并结合流场上半区环量、能量分量、速度和磁场力分布, 多角度分析了磁场方向对界面不稳定性的影响机理. 结果表明, 磁压力推动涡量远离界面, 降低了涡量在密度界面上的沉积而附着在分裂后的涡层上, 从而有效抑制Richtmyer-Meshkov不稳定性对界面的影响; 由于磁张力附着在被分离的涡层上, 且其作用方向与界面因速度剪切而卷起涡的方向相反, 因此抑制了界面因Kelvin-Helmholtz不稳定性而形成涡串. 另外, 纵向磁场控制下的磁张力反作用于中轴射流方向, 同样抑制了Rayleigh-Taylor 不稳定性的发展.

大气压等离子体射流(APPJ)能产生富含活性粒子的等离子体羽, 在众多领域具有广泛的应用前景. 从应用角度考虑, 如何产生大尺度弥散等离子体羽是APPJ研究的热点之一. 目前, 利用惰性气体APPJ已经能产生令人满意的大尺度等离子体羽, 但从经济性上考虑, 如何产生大尺度空气等离子体羽更具有应用价值. 针对于此, 本工作设计了一个具有辅助放电的APPJ, 产生了大尺度刷形空气等离子体羽. 结果表明, 刷状空气等离子体羽可以在一定电压峰值(Vp)内产生, 并且随着Vp增大等离子体羽的长度和发光强度都增大. 电压和发光信号波形表明, 每半个电压周期最多会有一次放电. 每半个电压周期的放电概率和光脉冲的强度都随着Vp增大而增大, 但放电起始时刻的电压值会随着Vp增大而降低. 高速影像研究表明弥散刷形空气等离子体羽和小尺度空气等离子体羽的产生机制类似, 均源于分叉正流光的时间叠加. 此外, 采集了刷形空气等离子体羽的发射光谱, 并利用其对放电的电子温度、电子密度、分子振动温度和气体温度进行了研究. 结果表明, 等离子体羽的气体温度较低, 且基本不随Vp变化. 然而电子密度、电子温度和分子振动温度均随着Vp增大而升高. 利用激光诱导荧光光谱技术研究了等离子体羽的OH浓度, 发现OH分布较为均匀, 且其浓度随着Vp增大而增大. 最后, 对这些变化规律进行定性分析.

基于三维流体力学模型, 研究了微重力条件下复杂等离子体中不同耦合参数形式、屏蔽参数、尘埃粒子表面带电量以及等离子体密度对激光诱导尘埃扰动密度形成马赫锥的影响情况. 模拟发现, 当屏蔽参数较大时, 不同的耦合参数形式对尘埃颗粒扰动密度产生较大影响. 此外, 激光辐射力平行或者垂直激光移动速度时, 马赫锥在三维空间中呈对称或反对称形貌. 并且, 增大屏蔽参数、减小尘埃粒子表面带电量、减小等离子体密度, 都会增强尘埃粒子之间的库仑屏蔽作用, 进而使尘埃扰动密度形成的马赫锥更加局域在激光斑点附近, 表现为扰动范围缩小, 而扰动密度值增大.

石墨烯具有优异的电学、热学和力学特性以及丰富的电子隧穿边缘, 是场发射阴极的良好材料. 本文通过调控化学气相沉积法制备石墨烯的生长参数, 分别制备了单层石墨烯薄膜、石墨烯岛、有缓冲层石墨烯等3种形貌石墨烯, 探究了石墨烯的形貌特征对其场发射性能的影响, 并结合COMSOL多物理场仿真分析了石墨烯的形貌特征对其场发射性能的影响机制. 实验结果表明, 相比于单层石墨烯薄膜, 石墨烯岛和有缓冲层石墨烯的开启场强分别降低至5.55 V/μm和5.83 V/μm, 最大场发射电流密度也分别提升至40.3 μA/cm2和26.4 μA/cm2. 另一方面, 在基底上连续分布的单层石墨烯薄膜和有缓冲层石墨烯场发射电流更稳定, 在5 h的测试中, 电流密度分别仅下降2%和4%. 结合仿真结果可知, 石墨烯的形貌特征对其场发射过程中的电场分布特性和散热能力具有重要的影响. 石墨烯岛和有缓冲层石墨烯存在边界结构, 使得场发射过程中局部电场集中, 进而提升了场发射性能. 石墨烯岛在基底上离散分布, 未形成连续石墨烯薄膜, 缺乏焦耳热横向散热通道, 热量的积累将导致石墨烯岛发射体受到损伤, 并影响其场发射电流稳定性. 本文探究了石墨烯的形貌特征对其场发射性能的影响, 并分析了相关影响机制, 对石墨烯材料场发射性能的提高具有重要的意义.

聚合氮被认为是一种极具潜力的新型高能量密度材料, 但是高温高压条件下合成的聚合氮结构往往具有较低热力学稳定性. 限域策略有助于聚合氮高压结构的稳定, 为氮聚合提供了新的调控途径. 本文在氮化硼纳米管中限域分子氮, 利用高压原位拉曼散射光谱表征技术研究不同含氮量限域体系的高压诱导氮聚合及聚合氮结构的卸压稳定性. 研究表明, 在高含氮量的体系中, 限域到氮化硼纳米管内的N2与非限域的N2的拉曼特征振动峰表现出不同的拉曼光谱压力响应行为. 在123 GPa压力下, 利用激光加热诱导氮分子间聚合, 生成cg-N聚合氮结构. 卸压过程中, 未被限域的cg-N在40 GPa左右发生爆炸性分解, 分解产生的能量影响了限域cg-N的稳定性, 使其同样发生分解. 环境压力下限域N2可能以液态形式稳定存在. 在低含氮量限域体系中, 高温高压下限域N2结晶生成了含有N=N双键的晶体结构, 其中的N=N双键有两种长度, 分别接近${\mathrm{N}}_3^- $阴离子及${\mathrm{N}}_4^+ $团簇中N=N双键的键长. 在卸压过程中这种结构可以稳定至25 GPa.

采用激光氧浓度实验方法, 研究激光功率和氧浓度对近α型高温钛合金(TA19合金)燃烧状态的影响, 发现合金的起燃温度随激光功率和氧浓度的增加而降低, 在200—325 W的激光功率以及21%—60%的氧体积浓度条件下, TA19合金的起燃温度为1527—1595 ℃, 低于合金熔点. 通过组织表征揭示保护性氧化层的失效形式, 并结合氧化层应力失效模型分析起燃机理: 1520 ℃以上TiO的高蒸气压特性导致表层TiO2下方形成孔隙缺陷, 加速TiO2层的热应力失效; 且起燃时需要同时满足临界温度条件和瞬时温度变化率条件. 在此基础上, 将保护性氧化层失效机理与能量方程结合以构建起燃模型; 根据实验数据拟合计算得到TA19合金在起燃阶段的反应激活能约为280 kJ/mol, 并得出起燃温度随激光功率和氧浓度变化的函数关系为$ 1.2 \times {10^{10}}{{\mathrm{exp}}\Big({\dfrac{{ - 280000}}{{R{T_{{\text{ig}}}}}}}}\Big) {c^{\frac{1}{2}}} + 0.52{P_{\text{L}}} - 315 = 0 $. 该结果对航空发动机复杂气流条件下的阻燃性能研究及其他类型钛合金的起燃温度预测提供理论参考.

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法并结合准谐德拜模型, 对Co基高温合金中γ'-Co3(V, M) (M = Ti, Ta)相的结构稳定性、热力学性质以及有限温度下的力学性质进行了系统的研究和讨论. 结果表明, γ'-Co3(V, M)相能以L12结构稳定存在, 其具有良好的抵抗变形的能力. γ'-Co3(V, Ti)相的热力学性能对温度的敏感性要大于γ'-Co3(V, Ta)相, 且γ'-Co3(V, M)相具有高温稳定性. 在有限温度下, 随着温度的升高, γ'-Co3(V, M)相由塑性材料向脆性材料过渡转变, 而且, 除了硬度性能有所提升外, γ'-Co3(V, M) (M = Ti, Ta)相的力学性能均呈下降趋势.

铁电材料广泛应用于功能器件中, 对铁电体进行方便、准确的理论建模, 是一个长期被关注的问题. 本文提出了一种基于图卷积神经网络的铁电相变模拟方法, 利用图卷积神经网络对铁电材料的势能面进行原子层面的建模, 并将得到的神经网络势函数作为计算器, 以驱动大体系的分子动力学模拟. 给定原子位置, 训练好的图卷积神经网络能够给出势能的高精度预测, 达到每原子1 meV级别, 与从头算(ab inito)精度基本相当, 同时在计算速度上相比从头算方法有数个数量级的提升. 得益于神经网络的高精度和快速预测能力, 结合分子动力学模拟, 本文对两种不同类型的铁电材料——GeTe和CsSnI3进行研究, 成功模拟了它们随温度发生的结构相变, 模拟结果和实验相符合. 这些结果说明了图卷积神经网络在铁电体建模和相变模拟应用中的准确性和可靠性, 为铁电体的理论探索提供了一个通用建模方法.

采用静电悬浮实验技术测定了液态Zr60Ni25Al15合金的热物理性质, 并研究了其深过冷快速凝固过程. 实验发现, 液态合金所获得的最大过冷度可达316 K (0.25TL), 其密度和表面张力与温度呈线性关系, 而黏度则随温度呈指数变化. 当过冷度小于259 K时, 凝固过程中发生两次再辉现象, 分别对应着二相(Zr6Al2Ni + Zr5Ni4Al)共晶和三元(Zr6Al2Ni + Zr5Ni4Al + Zr2Ni)共晶的快速生长. 若过冷度超过259 K, 凝固过程只发生一次再辉, 3个化合物相均可从合金熔体中独立形核, 形成三元不规则共晶组织. 理论计算和实验表明, 小过冷时Zr6Al2Ni相优先形核, 而当过冷度足够大时, 三相能够同时形核.

新兴二维材料MoSi2N4因其卓越的半导体性能, 包括出色的环境稳定性和高载流子迁移率而受到相当多的关注. 然而, 半导体中的本征缺陷往往不可避免并且会显著影响器件性能. 本文使用密度泛函理论计算并分析了MoSi2N4中本征点缺陷的性质及其产生的影响. 首先确认了该材料物理性质与目前实验数据的一致性, 之后通过计算12种本征缺陷的形成能, 发现钼替硅型反位缺陷(MoSi)在所有本征缺陷中占主导地位. 在整体电荷保持中性的约束条件下, 通过自洽费米能级计算, 本文发现仅仅引入本征缺陷的MoSi2N4会表现出本征特征, 这体现了其作为半导体器件材料的潜力, 然而该本征性质与在生长过程中观察到的二维 MoSi2N4的p型特征相矛盾. 而在后来的缺陷浓度计算中, 发现对于MoSi2N4用适当的杂质进行掺杂, 可以实现n型和p型半导体特征, 且本征缺陷的补偿效应很弱. 这表明在生长过程中MoSi2N4的p型特征可能是由于非平衡生长条件下引入的杂质或硅空位缺陷造成的. 本工作不仅展示了MoSi2N4在半导体器件应用上的潜力, 还为未来该材料缺陷机理的研究提供了数据支撑.

为探究稀土钡铜氧化物(REBCO)第二代高温超导带材中掺杂相对离子辐照缺陷演化及超导电性的影响机理, 本文采用能量为1.4 MeV的He+离子对国产化未掺杂和掺杂摩尔分数3.5% BaHfO3(BHO)的EuBa2Cu3O7–δ带材进行三种不同剂量的室温辐照实验并退火. 电学性能测试表明, 随着辐照剂量的增加, 掺杂带材的临界电流密度仍均高于未掺杂带材并且下降程度更小. 透射电镜表征结果证明, 超导层中通过掺杂BHO纳米相引入局域应变改变了辐照He缺陷的迁移行为, 在一定范围内修复了损伤的超导结构, 提高了带材载流能力的辐照耐受性. 同时BHO纳米柱作为强钉扎中心使得掺杂带材临界电流密度的磁场依赖性和温度依赖性受辐照影响更小. 不同于中子或重离子辐照后, 通过退火可以恢复材料一定程度的超导电性, 本文中大剂量He +离子辐照的两种带材经氧气氛退火后, 其电学性能继续恶化. 相比于未掺杂带材, 掺杂带材中BHO产生的局域应变在高温下抑制了辐照He缺陷在三维方向上的尺寸增长, 改变了磁通钉扎特性, 延缓了因氦泡长大而造成的超导层结构无序和非晶化. 本研究为评估REBCO超导带材在辐照环境下的工况服役行为提供了参考依据.

磁性半导体中磁矩受载流子调控形成有序态, 但其机制尚存在着争议. 本文利用高温固相反应法, 通过(Zn2+, In3+)替换, 即In3+占据Zn2+的晶格位置, 在p型块状磁性半导体Li1.05(Zn0.925, Mn0.075)As中引入n型载流子, 成功合成了一系列Li1.05(Zn0.925–y, Mn0.075, Iny)As (y = 0, 0.05, 0.075, 0.1)新材料. 在保持Mn掺杂浓度为7.5%不变时, 仍可在所有In掺杂的样品中观察到铁磁转变. 随着In掺杂浓度的增大, 其居里温度被不断压制. 样品的电阻率随着In掺杂浓度的增大而逐渐增大. 实验结果表明, 随着In的掺杂, Li1.05(Zn0.925, Mn0.075)As中原有的p型载流子被部分抵消, 导致总载流子浓度降低, 反映了n型载流子对Li1.05(Zn0.925, Mn0.075)As中铁磁序的压制作用, 同时也验证了载流子对磁性半导体中铁磁序的重要影响.

氢终端金刚石的导电性问题是目前限制其在器件领域应用的关键因素. 传统的氢终端金刚石制备工艺由于金刚石中含有杂质元素以及表面的加工损伤的存在, 限制了氢终端金刚石的电特性. 在金刚石衬底上直接外延一层高纯、表面平整的氢终端金刚石薄膜成为一种可行方案, 但该方案仍存在薄膜质量表征困难, 表面粗糙度较大等问题. 本文采用微波等离子体化学气相沉积(CVD)技术, 在含氮CVD金刚石衬底上外延一层亚微米级厚度金刚石薄膜, 并研究分析了不同甲烷浓度对金刚石薄膜生长以及导电性能的影响. 测试结果显示: 金刚石薄膜生长厚度为230—810 nm, 且外延层氮浓度含量低于1×1016 atom/cm3, 不同的甲烷浓度生长时, 金刚石外延层表面出现了三种生长模式, 这主要与金刚石的生长和刻蚀作用相关. 经过短时间生长后的金刚石薄膜表面为氢终端(2×1: H)结构, 而氧、氮元素在其中的占比极低, 这使得生长后的金刚石薄膜具有P型导电特性. 霍尔测试结果显示, 甲烷浓度为4%条件下生长的氢终端金刚石薄膜导电性最好, 其方块电阻为4981 Ω/square, 空穴迁移率为207 cm2/(V·s), 有效地提升了氢终端金刚石电特性, 为推进大功率金刚石器件发展应用起到支撑作用.

超导转子磁悬浮装置可制作角速度传感器, 超导转子的高速驱动是实现超导转子磁悬浮装置高精度的基础. 超导转子的热损耗和径向质量偏心会使超导转子在驱动过程中热失超和共振, 所以在超导转子的驱动过程中, 超导球腔中需要保持定量的氦气, 以此传递超导转子的产热和抑制超导转子的共振. 但氦气同时会对超导转子产生阻力, 影响超导转子的驱动过程. 基于此开展了超导转子在氦气中的阻力矩研究, 首先引入范德瓦耳斯方程分析了低温氦气的性质, 提出了一种低温氦气对超导转子阻力矩的研究方法, 并进行实验验证. 然后基于有限元方法分析了超导转子旋转驱动的电磁结构和电磁力矩, 并研究了氦气对超导转子加速过程的影响, 包括临界驱动速度、超导转子的加速时间和氦气对超导转子的摩擦热等. 研究结果提供了一种低温气体对旋转超导体阻力矩的研究方法, 为进一步优化超导转子的驱动过程提供参考.

Na2KSb光电阴极在光电倍增管、图像增强器、真空电子源等领域具有重要应用. 为指导高灵敏度Na2KSb光电阴极的制备, 采用第一性原理计算方法, 研究不同表面取向和原子终止面的Na2KSb表面模型, 获得稳定且最有利于电子发射的表面结构. 基于该表面进一步研究了不同覆盖度下的Cs原子沉积和Cs/O原子共沉积对Na2KSb表面电子结构和光学性质的影响. 对比表面能、吸附能和吸附前后的功函数结果表明, Na2KSb (111) K表面具有优越的电子发射能力以及良好的稳定性. 当Na2KSb (111) K表面吸附2/4单层的Cs原子和1/4单层O原子时, 获得最大功函数下降量0.16 eV. 表面吸附Cs/O原子有利于电荷往表面上方转移, 并产生电荷累积, 能形成有效表面偶极矩. 通过分析能带结构和态密度, 发现吸附Cs原子对导带底存在额外的能带贡献, 且引入O原子吸附后价带发生上移. 此外, 吸附Cs/O原子有利于增强表面近红外光吸收, 但是会导致表面紫外和可见光吸收变差.

偶氮苯分子因存在顺反两种异构体而表现出不同的电输运性质. 为了揭示电极的机械作用对偶氮苯分子的几何结构以及电输运性质的影响, 基于第一性原理计算研究了偶氮苯分子在电极挤压和拉伸作用下的结构变化规律, 并利用非平衡格林函数方法计算了偶氮苯分子结在拉伸和压缩过程中以及分子在不同形状电极之间的电输运性质. 结果表明, 顺式和反式偶氮苯分子在电极作用下都具有较稳定的几何结构. 其中顺式偶氮苯分子在电极拉至超过反式偶氮苯分子结平衡电极距离0.1 nm时仍保持为顺式结构. 而反式偶氮苯分子在电极挤压下虽然发生了弯曲, 但当电极距离压缩至短于顺式偶氮苯分子结0.2 nm时, 中间的C—N—N—C二面角仍然保持反式结构. 在低偏压下, 两电极若为平面电极, 则反式偶氮苯分子的电导高于顺式偶氮苯分子; 若分子连接于两锥形电极尖端, 则顺式偶氮苯分子结的电导更高. 特别值得关注的是两种偶氮苯分子的导电能力随电极距离的变化正好相反, 顺式偶氮苯分子结的电导随电极距离拉伸而增大, 反式偶氮苯分子结的电导则随电极距离的压缩而增大. 偶氮苯分子结的电导在电极距离变化时最大变化幅度可达10倍以上.

心肌细胞的机械行为对生命健康起至关重要的作用, 通常认为电信号和化学信号对心肌细胞的行为起调控作用. 近年来发现细胞微环境的物理因素能够调控细胞的增殖、铺展、迁移和分化等行为, 但其对心肌细胞机械行为的调控研究仍然缺乏. 本文制备具有不同杨氏模量的水凝胶以模拟心肌细胞力学微环境, 并通过加载力学刺激来探究细胞外基质中不同配体对心肌细胞的力学调控. 研究表明机械力信号可以通过基质-配体-细胞的信号通路来调控心肌细胞的跳动, 进而引起细胞间的耦合振荡实现心肌细胞的节律控制. 这种力信号调控受细胞微环境的杨氏模量、细胞黏附配体种类和密度、以及力信号的强弱和节律三者共同影响, 这为理解心率失调和心肌梗死后心力衰竭等疾病提供基础.

偏滤器脱靶为降低托卡马克靶板热负荷提供了一种有效的解决方案, 但脱靶可能引起边界等离子体状态发生变化, 影响整体约束性能. 本文报道了在中国环流器二号A托卡马克上开展的L模放电偏滤器脱靶时边界等离子体极向旋转和湍流动量输运的实验研究. 采用在偏滤器室注入混合气体(60%氮气+40%氘气)的方式实现了偏滤器脱靶. 研究发现, 在未脱靶-预脱靶-脱靶过程中, 实验测得的近刮削层区域$ \boldsymbol{E}\times \boldsymbol{B} $极向流速与湍流动量对极向旋转的驱动作用(雷诺应力)的演化一致; 相较于未脱靶状态, 脱靶时等离子体边缘极向速度剪切明显降低, 导致湍流水平增强. 在湍流输运和辐射都增强的共同作用下, 等离子体整体约束性能下降. 研究表明, 边缘湍流输运和等离子体旋转动力学在偏滤器脱靶影响整体约束的芯-边耦合机制中发挥作用.