近年来,光通信技术与集成电子器件飞速发展,以稀土铁石榴石(RIG)为代表的磁光薄膜被视为应用于近红外通信窗口最具潜力的磁光材料。为了尽量减小磁光薄膜在制备过程中相关性能受到的影响,衬底材料的选择成为关键。制备RIG磁光薄膜通常采用Si类及石榴石氧化物类作为衬底材料。RIG磁光薄膜的晶格常数一般在12.4 Å左右,含镓类石榴石氧化物单晶衬底基片与其晶格常数相近,具有大晶格常数特性,是其合适的衬底材料之一。但是,由于原料氧化镓高温易挥发,使含镓类石榴石单晶制备成为一直以来关注和讨论的热点。深入研究含镓类石榴石衬底单晶有望促进新一代磁光器件的发展。本文综述了在含镓类石榴石系列单晶中,氧化物磁光衬底单晶的研究进展,总结了本团队在该类晶体生长、晶体结构、关键参数等方面的研究工作,展望了该类晶体的研究发展趋势。

本文通过坩埚下降法生长了直径2英寸(1英寸=2.54 cm)的4.2%镱离子掺杂钙铌镓石榴石(Yb∶Ca₃ (NbGa)₅O₁₂)晶体,获得的晶体外观完整,无明显瑕疵。通过XRD测试分析了晶体的结构,该晶体为立方晶系,晶胞参数a=b=c=12.493 Å。将该晶体定向切割获得了10 mm×10 mm×1 mm的(420)面薄片,对薄片进行两面研磨抛光得到最终样品。通过X射线衍射、紫外可见光分光光度计、荧光光谱仪等对该样品进行性能表征,结果表明获得的晶体摇摆曲线半峰全宽为43″,在近红外波长范围内透过率达到了80%,在935 nm处吸收峰半峰全宽为47.15 nm,吸收截面达到了1.53×10^-20 cm²,用980 nm激光器对该样品进行激发,在1 031 nm 处得到发射峰,对应Yb³⁺由²F_5/2激发态到²F_7/2基态的跃迁。

金刚石以优异的性能在力学、光学、热学和电子学(如半导体)等领域发挥着重要作用。然而,金刚石表面质量会影响其在这些领域的应用效果,因此通过高效抛光技术获得高质量表面一直是金刚石研究的重点内容。金刚石抛光技术主要有机械抛光、热化学抛光、激光抛光和化学机械抛光等,其中化学机械抛光(CMP)具有设备运行成本低、工艺简单、抛光后表面损伤小等优点。本文在对上述几种抛光方法进行分析对比的基础上,聚焦于CMP领域,对其发展历程进行了较详尽的对比与分析。早期CMP技术虽在工艺和抛光效率上存在一定局限,但为后续技术的创新与优化奠定了基础;H₂O₂及其混合物的应用,不仅增强了CMP过程中的化学反应活性,提高了材料去除率,还有效降低了表面粗糙度,改善了金刚石表面质量;光催化辅助化学机械抛光可使金刚石达到高表面质量,但设备相对复杂,无法满足大规模生产的需求,需要进一步研究和优化。此外,本文还对化学机械抛光的未来发展进行了预测,为相关领域研究人员提供参考。

本文采用水平定向结晶(HDC)法成功生长出180 mm×81 mm×16 mm的浓度渐变Yb∶YAG激光晶体,从放肩部位和尾部分别获取了尺寸为40 mm×40 mm×7 mm、70 mm×70 mm×7 mm的Yb∶YAG激光晶体板条各两件。采用632 nm激光、偏光应力仪对晶体板条的光学性质进行检测,实验结果发现靠近晶坯自由表面的板条内部通透,无散射光路,应力较小且分布均匀,表明该晶体板条具有优异的光学质量。进一步测试分析了晶体板条不同位置处的吸收光谱,根据935 nm波长处的吸收系数计算出Yb³⁺的掺杂浓度,发现40 mm×40 mm×7 mm的激光晶体板条中Yb³⁺掺杂浓度沿晶体生长方向逐步增加,浓度梯度约为0.42%/cm;而70 mm×70 mm×7 mm的激光晶体板条中Yb³⁺掺杂浓度几乎保持不变,约为4.50%。

本文利用光学浮区法生长出了直径为7 mm的铁电单晶Mg_xGa_1-xFeO₃(x=0.02、0.05、0.07和0.10),研究了Mg²⁺对GaFeO₃(GFO)晶体饱和磁化强度和磁性转变温度的作用。通过XRD测试了晶体的结构和物相,结果显示,所有制备的晶体样品对应标准晶体卡库GFO(PDF#76-1005)的衍射特征,无其他杂相出现。XRD精修结果表明,该晶体结构为正交结构,空间群为Pna2₁,晶格常数和晶胞体积随着Mg²⁺掺杂量的增加,呈现先增加后减小的趋势。通过综合物性测量系统研究了晶体的磁性能,结果表明,磁性转变温度和饱和磁化强度随着Mg²⁺掺杂量的增加,同样呈现先增加后减小的趋势。当Mg²⁺掺杂量x=0.07时,磁性转变温度和饱和磁化强度达到最大,分别为187.82 K、8.75 emu/g,达到了掺杂改性的目的。

衬底的表面质量对生长膜层的质量有重要影响,衬底表面的粗糙度、均匀性、附着物残留及氧化层均是其表面质量的评价标准。本文报道了一种热处理方法,通过近距离升华设备原位去除GaSb(001)衬底上的氧化层后用于制备CdZnTe外延膜。通过控制热处理的温度和时间,获得洁净且平整的较优衬底状态。利用原子力显微镜和X射线光电子能谱表征了热处理对GaSb衬底形貌和成分的影响,采用双晶X射线摇摆曲线对经过热处理后的GaSb衬底上生长的CdZnTe外延膜的结晶质量进行了评价。为了深入研究这种异质界面附近微观缺陷的性质和外延形成机制,还对CdZnTe/GaSb截面进行了TEM分析研究。GaSb衬底在600 ℃经过180 s热处理后,可以去除衬底表面大部分氧化物且相对平整,提高了CdZnTe外延膜的结晶质量,在双晶X射线摇摆曲线中的半峰全宽为94″,接近已报道的块体CdZnTe晶体的结晶质量。

碳化硅(SiC)是制作高温、高频、大功率电子器件的理想电子材料之一,近20年来随着SiC材料加工技术的不断提升,其应用领域不断扩大。目前SiC芯片的制备仍然以6英寸(1英寸=25.4 mm)晶圆为主,但是行业龙头企业已经开始研发基于8英寸SiC晶圆的下一代器件和芯片。本研究联合国内SiC产业链上、下游龙头企业,推进8英寸SiC芯片国产研发,尤其是关键的晶圆制备和外延应用环节。本文采用扩径生长法制备了8英寸导电型4H-SiC衬底晶圆,其平均基平面位错(BPD)密度低至251 cm^-2,平均螺位错(TSD)密度小于1 cm^-2,实现了近“零TSD”和低BPD密度的8英寸导电型4H-SiC衬底晶圆的制备,可以满足生产需要。采用国产8英寸外延设备和开发工艺包,实现了速率为68.66 μm/h的快速外延生长,厚度不均匀性为0.89%,掺杂不均匀性为2.05%,这两个指标已经达到了优良6英寸外延膜的水平,完全可以满足生产需要。与国外已发布的8英寸外延结果对比,厚度和掺杂均匀性均优于国外数据,而缺陷密度只有国外数据的1/4。本文设计和实施了多片重复性试验,验证了8英寸外延的稳定性。

声子晶体具有周期性人工复合结构,以其带隙特性在波传播控制上的应用潜力而广受关注,为工程减振降噪提供了新的解决思路,这类材料的设计问题是当下研究的焦点。本研究以二维层状声子晶体结构为例,提出了一种利用LightGBM和改进遗传算法设计的创新方法。首先在声子晶体的带隙预测上选用LightGBM算法,对结构的排列向量进行类别特征处理,并结合模拟退火算法进行超参数调优,在传统有限元法计算时间的1/3134内,达到了整体误差不超过2%的预测精度;其次在设计方法上集成了一种基于精英保留策略的遗传算法,以地铁运行造成的环境振动问题为例,确定以带隙宽度为优化的适应度函数,得到了对应结构带隙覆盖30~40 Hz频段的种群;最后,对优化结构进行有限元分析,其带隙特征与预期基本吻合。本研究为声子晶体结构高效优化设计提供了一种新的解决方案。

本文以FTO导电玻璃作为基底,通过水热法成功制备出了形貌可控的Co₃O₄薄膜样品,利用制备出的Co₃O₄薄膜样品作为基底,控制旋涂BiVO₄的次数,在其表面成功制得不同BiVO₄量的Co₃O₄@BiVO₄复合薄膜样品。利用X射线衍射仪(XRD)和场发射扫描电子显微镜(FESEM)等对复合薄膜的物相和微观形貌进行分析,并采用UV-3600紫外-可见分光光度计和电化学工作站对其光吸收性能和光电性能进行了测定。结果表明:所制备的Co₃O₄@BiVO₄复合薄膜表面连续、均匀、致密;相较于纯Co₃O₄薄膜,Co₃O₄@BiVO₄复合薄膜的光吸收能力增强;光照下Co₃O₄@BiVO₄复合薄膜的光电性能优于纯Co₃O₄薄膜;经旋涂三次的Co₃O₄@BiVO₄-3复合薄膜光电性能最佳,其最大光电流约为纯Co₃O₄薄膜最大光电流的18.4倍,该器件响应度为105.5 μA/W,探测率可达1.988×10¹¹ Jones。

本文采用溶胶-凝胶法制备了VO₂和VO₂-SiO₂复合薄膜,并用X射线衍射仪(XRD)和紫外-可见分光光度计对薄膜的相结构和透过率进行了表征。结果表明,制备的VO₂为单斜相(B),VO₂-SiO₂复合薄膜的XRD图谱和VO₂类似,薄膜在450~800 nm的光学透过率达到了90%以上。激光诱导损伤阈值(LIDT)测试结果显示,VO₂-SiO₂复合薄膜的LIDT为3.9 J/cm²,相比VO₂薄膜提高了77.3%。通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)和台阶仪研究了VO₂薄膜和VO₂-SiO₂复合薄膜的损伤形貌差异,VO₂薄膜呈现出熔融型损伤,VO₂-SiO₂薄膜则呈现出熔融型损伤和应力型损伤的共同特征。此外,构建了不同薄膜的激光诱导损伤模型,揭示了相关损伤特性和内在机制。

4H-SiC晶圆表面的微划痕会使外延层中产生大量缺陷,但其线宽低于光学表征技术的极限,无法以无损光学检测的方法获得微划痕在晶圆上的分布规律。本研究基于经典成核理论,利用微划痕上的高指数晶面,通过溶液干燥析晶的方法,使KCl晶体优先成核于高表面能的高指数晶面。实验结果表明:当KCl溶液的浓度为0.013 mol/L时,溶液蒸发后的KCl晶体嵌于微划痕的沟壑内,使微划痕可以间接地被光学方法检测。当KCl溶液的浓度大于0.013 mol/L时,KCl晶体会结晶于没有微划痕的区域,干扰对微划痕的表征。本方法制备的KCl晶体仅吸附成核于4H-SiC表面,不与4H-SiC发生化学反应,通过RCA清洗工艺即可完全去除表面的KCl晶体,不影响晶圆的后续加工工艺。

本文基于密度泛函理论(DFT)方法,提出了一种基于钴和铜原子的二维金属有机框架(MOF)。通过声子谱的计算发现没有出现虚频率,验证了MOF晶体结构的稳定性。基于电子能带结构的计算,通过施加外电场,可以发现Cu基MOF始终保持金属的特性。然而,Co基MOF在外电场作用下会发生从金属到半导体的转变。当电场强度达到0.5 eV/Å时,Co基MOF的带隙约为0.1 eV,而Cu基MOF则不会出现这种情况。此外,还研究了Co基MOF对N₂的吸附和氮还原反应(NRR),结果表明Co基MOF的NRR表现良好,电场可以增强NRR的效果。在0.5 eV/Å的外电场下,自由能比没加外电场的时候低0.51 eV。本文的理论计算有助于实验上MOF的NRR过程设计。

采用传统高温固相法制备了一系列La₂Mg_4/3Sb_2/3-xO₆∶xMn⁴⁺红色荧光粉,并对其结构、形貌和光谱特性进行了研究。研究结果表明:La₂Mg_4/3Sb_2/3O₆与La₂Mg_4/3Nb_2/3O₆具有相同的双钙钛矿结构,Mn⁴⁺掺杂对荧光粉的结构没有影响。La₂Mg_4/3Sb_2/3-xO₆∶xMn⁴⁺荧光粉在360与510 nm处有两个较宽的激发峰,分别对应Mn⁴⁺的⁴A_2g→²T_2g与⁴A_2g→⁴T_2g跃迁。在360 nm激发下,La₂Mg_4/3Sb_2/3-xO₆∶xMn⁴⁺荧光粉在710 nm处呈现出较强的红光发射峰,对应Mn⁴⁺的²E_g→⁴A_2g跃迁发射。Mn⁴⁺在La₂Mg_4/3Sb_2/3O₆基质中的最佳掺杂浓度为0.004,此时的量子效率高达89.6%,色纯度为99%。根据激发光谱和发射光谱分析了Mn⁴⁺在La₂Mg_4/3Sb_2/3O₆基质中的晶体场强,并计算了晶体场参数D_q、B和C。结合Mn⁴⁺的位型坐标图分析了La₂Mg_4/3Sb_2/3-xO₆∶xMn⁴⁺荧光粉的温度猝灭过程,计算得到其激活能为0.355 eV。最后,对比了La₂Mg_4/3Sb_2/3-xO₆∶xMn⁴⁺荧光粉的发射光谱与植物光敏色素红外吸收型(P_R)、远红外吸收型(P_FR)的吸收光谱,并初步评估了其在LED植物照明领域的应用前景。

本文通过5-(4-吡啶基)苯基修饰的氮氧双自由基与铽/钬离子、锰离子反应,构建了两例同构的氮氧双自由基-稀土-过渡异自旋簇[Ln₂Mn₂(hfac)₁₀(NITPhPybis)₂] [Ln=Tb 1,Ho 2]。在该体系中,两个双自由基配体NITPhPybis凭借两个吡啶环上的氮原子和两个氮氧基团同两个Mn(II)离子结合。与此同时,每个双自由基配体NITPhPybis凭借两个相邻的N-O基团封装一个Ln(III)离子,最终构成了一个中心对称的类环形异金属四核簇。此外,本文还对配合物的直流、交流磁性和荧光性质进行了分析研究。磁动力学研究结果显示多核簇1-TbMn展现慢磁弛豫行为;荧光性能测试结果表明多核簇1-TbMn和2-HoMn表现出铽或钬离子的特征荧光。

在溶剂热条件下,以2-萘甲酸(HL)与1,10-菲啰啉(phen)为配体、碳酸锰为金属源合成了一例双核锰配合物[Mn₂(L)₄(phen)₂(H₂O)₂](1)。通过单晶X射线衍射、元素分析、傅里叶变换红外光谱、粉末X射线衍射和热重分析等对配合物1进行结构表征。单晶衍射分析表明配合物1属于三斜晶系,P1空间群,晶胞参数为a=0.769 89(5) nm,b=1.175 86(5) nm,c=1.668 30(9) nm,α=107.074(5)°,β=96.167(5)°,γ=106.901(5)°。不对称单元由一个锰离子、两个2-萘甲酸根、一个1,10-菲啰啉和一个水分子组成,Mn(II)呈扭曲的八面体构型。两个不对称单元之间通过羧基氧原子桥接形成双核分子,双核结构之间通过π…π堆积作用形成2D超分子结构。荧光光谱分析结果表明:配合物1具有良好的荧光性能,最大发射波长为416 nm(λ_ex=302 nm)。热重分析表明配合物1能够稳定到117 ℃,之后开始失水(失水量为3.18%),脱水之后的结构能稳定到223 ℃,之后有机骨架开始坍塌。Hirshfeld表面分析研究了分子间的相互作用。

本文以5-((4-羧基苯氧基)-甲基)间苯二甲酸(H₃L)为含氧主配体,通过含N辅配体1,4-二(1H-咪唑-1-基)苯(1,4-bib)的配位,与Ni(II)离子在水热条件下反应合成了一例具有三维框架结构的配合物[Ni₃(L^3-)₂(1,4-bib)₄(H₂O)₂]·5H₂O (1)。通过单晶X射线衍射、粉末X射线衍射和元素分析对配合物1的结构进行了表征。配合物1结晶于三斜晶系P-1空间群,其晶体学参数:a=1.260 5(7) nm,b=1.349 1(7) nm,c=1.364 8(7) nm,α=111.913(8)°,β=117.251(7)°,γ=90.732(8)°,V=1.866 2(18) nm³,Z=1,M_r=1 769.66,F(000)=916,μ=0.84 mm^-1,D_c=1.575 mg·m^-3,S=1.06,R₁=0.056,wR₂=0.159。半刚性三羧酸配体L^3-和刚性1,4-bib的共同贡献构筑了可预测的高维结构,Ni离子通过N、O原子的配位及配体的结构延伸促使配合物1形成三维网络。此外,研究了含单d电子中心Ni(II)配合物的磁性能:配合物1中羧基仅与一个阳离子结合,导致固体中的磁性由金属单离子行为决定。配合物1的变温磁化率χ_mT可以通过零场分裂来描述。

本文以半刚性的双吡啶双酰胺配体(E)-4,4′-(乙烯-1,2-二基)双-(3-吡啶基)苯甲酰胺(EDPB)作为有机连接体,在溶剂热条件下使其与CoCl₂进行自组装,合成了一例新的钴配合物[Co(EDPB)Cl₂]。通过单晶X射线衍射、粉末X射线衍射、红外光谱、热重分析、固体紫外可见漫反射光谱等技术对该配合物进行了结构和性能测试。结果表明,在该配合物中,中心Co(II)原子呈现四配位模式,并通过EDPB配体连接成一维链状结构。该配合物展现出优异的可见光吸收性能,对Cr(VI)还原反应展现出优异的非均相催化活性,反应60 min时Cr(VI)的还原率达到97.9%。探究了[Co(EDPB)Cl₂]配合物对光催化Cr(VI)还原反应的循环使用性,其至少可循环使用5次而不发生活性降低,证明其优异的循环稳定性。

以柠檬酸作螯合剂,通过超声波结合溶胶-凝胶法合成了A位单掺La、B位单掺Mn及La/Mn共掺BiFeO₃纳米粉体。利用X射线衍射(XRD)、紫外-可见漫反射测试(UV-DRS)、X射线光电子能谱(XPS)、比表面及孔径分析(BET)、光致发光光谱(PL)表征技术分析Bi_1-xLa_xFe_1-yMn_yO₃晶体的形貌、结构和元素组成等。结果表明,掺杂La、Mn元素可明显改变BiFeO₃晶体结构、形貌,抑制其电荷载流子的复合。以Bi_1-xLaxFe_1-yMn_yO₃为光催化剂,探究了pH值、光源对光催化降解模拟污染物的影响,并进一步进行了光催化机理探究实验。研究发现,La、Mn共掺样品对刚果红(CR)和亚甲基蓝(MB)的降解率差别显著,这与染料分子的电负性有关。同时,掺杂增强了样品的磁性,有利于回收并提高其使用效率。

金属有机框架(MOF)材料由于具有结构可调、孔隙率高、比表面积大等特点受到广泛关注。将官能团修饰的MOF引入到能够提供质子传导的离子型聚合物中,能够制备具有较高质子传导率的质子交换膜。本文将UiO-66-NH₂引入到磺化聚磷腈(SPFPP)中制备了复合质子交换膜,并表征了复合膜的热稳定性能、溶胀度、吸水率和质子传导率。复合膜具有较优异的热稳定性能,复合膜的溶胀度小于纯的SPFPP膜。UiO-66-NH₂能够提高复合膜的保水能力,因而复合膜的吸水率高于纯的SPFPP膜。这种高的保水能力可以提高膜在高湿度条件下的质子传导率,复合膜SP/UiO-66-NH₂-0.6的质子传导率在80 ℃、100%湿度条件下可达到0.179 S/cm,而在相同条件下纯的SPFPP膜的质子传导率为0.120 S/cm。

通过简单的溶液法用TiO(Acac)₂原位包覆CsPbBr₃全无机钙钛矿材料,在400 ℃加热后直接制成了CsPbBr₃@TiO₂核壳结构微晶,使用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、高倍透射电子显微镜(HRTEM)及X射线光电子能谱(XPS)对CsPbBr₃@TiO₂微晶的晶体结构、微观形貌、化学组成进行表征。结果表明,原位金属氧化物包覆钙钛矿形成分散良好、大小为4~8 μm的球壳结构。用旋涂法在掺氟氧化锡(FTO)电极上构筑了CsPbBr₃@TiO₂薄膜气体传感器,在室温下测试其对H₂S气体的检测灵敏度,结果发现,该传感器对H₂S气体的检测下限达25 ppb(1 ppb=10^-9),对100 ppb H₂S响应/恢复时间为24/21 s,灵敏度为0.59,响应曲线具有良好的循环稳定性。另外,传感器暴露在空气中30 d内的稳定性高于90%,且具有优异的气体选择性和抗湿度干扰性。通过光致发光(PL)光谱、时间分辨光致发光(TRPL)光谱、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis)及紫外光电子能谱(UPS)测试分析了其能带位置、电荷动力学和配位机理,并用氧吸附原理对其传感机理进行了解释。该工作为室温下低浓度H₂S气体的稳定监测提供了一种新的思路。