钇铁石榴石（Y₃Fe₅O₁₂， YIG）凭借在近中红外波段优异的光学透明性、高法拉第旋转效应、低光吸收损耗及高居里温度，成为新一代光隔离器、磁光开关及集成光子学中极具潜力的功能材料。随着5G/6G光通信、光纤陀螺及量子计算等领域的快速发展，对高性能、低功耗磁光器件的需求日益迫切，这要求YIG单晶同时具备大磁光效应、低插入损耗及良好的温度稳定性。然而，YIG具有非一致熔融特性，难以通过传统的提拉法生长高质量单晶，助熔剂法成为制备YIG单晶的关键技术途径。本文系统梳理了助熔剂法生长YIG单晶工艺发展历程，重点分析了Bi³⁺和以Tb³⁺、Ce³⁺、Gd³⁺、Dy³⁺为代表的稀土离子在十二面体c位的选择性占位机制与电荷补偿原理。从磁光效应的微观机制来看，掺杂离子主要通过增强自旋-轨道耦合作用、引入新的4f-5d跃迁通道或改变Fe³⁺子晶格上的超交换作用，从而显著提升法拉第旋转效应。在此基础上，本文进一步探讨了离子掺杂对近中红外波段磁光性能的调控规律及温度稳定性优化策略，并指出当前在掺杂均匀性、晶体缺陷控制及宽波段磁光响应等方面面临的技术挑战，展望了未来面向集成光子学的磁光单晶发展趋势。

磁光晶体能保证激光单向传输，广泛应用于非互易光学器件、光隔离器、光开关等器件，在光通信、高功率激光等领域发挥着不可替代作用。目前，以TGG、CeF₃、YIG等为代表的传统磁光材料，在紫外、可见光至近红外波段已得到广泛应用。然而，对于日益增长的中红外甚至太赫兹波段的潜在应用需求，目前缺乏综合性能优异的磁光材料。近年来，六方非共线反铁磁Mn₃Sn具有独特kagome晶格和拓扑能带结构，被Nature等期刊连续报道。Mn₃Sn具有极小的净磁矩，能够产生巨大的磁光克尔效应与反常霍尔效应，在中红外、太赫兹波段等具有应用前景。本文系统梳理了以Mn₃Sn晶体为代表的新型拓扑磁光材料的最新研究进展，包括磁光性能、相关调控机理与晶体生长等，为新型磁光材料设计提供有价值的参考。

铽钪铝石榴石（Tb₃Sc₂Al₃O₁₂， TSAG）晶体是具有优异磁光性能的新型磁光晶体，在高功率激光中有望获得广泛应用。但TSAG晶体的应力大、易开裂问题限制了光学元件的加工及实际应用。为提高晶体品质，本文针对TSAG晶体应力大的问题，系统研究了晶体生长方向和径向的组分分布规律，通过优化生长工艺提升TSAG晶体的组分均匀性，成功制备出Φ45 mm×100 mm的低应力TSAG晶体。加工出的TSAG晶体元件的吸收损耗系数为0.19%/cm，测得3 mm口径隔离器的最小隔离度达到36.19 dB。进一步详细研究TSAG晶体不同方向的磁光性能，其中［100］方向的维尔德常数最大，为51.38 rad·m^-1·T^-1，有利于实现隔离器的小型化。本研究结果表明，低应力TSAG晶体的成功研制，有望实现TSAG晶体在高功率激光系统中的应用。

本文采用顶部籽晶溶液生长（TSSG）法成功生长了尺寸为40 mm×40 mm×15 mm的KDy（WO₄）₂（KDW）晶体，并系统研究了其晶体结构、光学质量、热学性能、激光诱导损伤阈值和磁光性能。摇摆曲线显示KDW（020）晶片的半峰全宽为0.071 2°，表明晶体具有较好结晶质量。透过率曲线表明，KDW（020）晶片在可见-近红外波段具有较高透过率。单晶X射线衍射（SCXRD）精修结果表明，KDW晶体属于单斜I2/a空间群，［DyO₈］、［WO₆］和［KO₁₀］基团共同构成晶体骨架。拉曼光谱中［WO₆］相关振动模式与单斜KRe（WO₄）₂体系相匹配。热学测试表明，KDW晶体在298 K下的热导率、热扩散系数和比热容分别为3.792 W/（m·K）、1.692 mm²/s和0.307 J/（g·K）。在1 064 nm、10 ns条件下，KDW（020）晶片的激光诱导损伤阈值为745.1 MW/cm²。基于消光法测得KDW晶体在405、532和635 nm下的Verdet常数分别为-208.30、-82.17和-54.01 rad/（m·T），对应磁光品质因子（FOM）分别为768.21、615.77和412.52 （°）/T。本研究表明，KDW晶体兼具良好热学/抗损伤性能及可见光法拉第旋转能力，是一种具有潜力的可见-近红外磁光晶体。

钇铁石榴石（Y₃Fe₅O₁₂， YIG）晶体因优异的磁光性能，在光学通信与光子集成领域具有重要的应用价值。本文采用光学浮区法生长了YIG单晶，系统研究了生长气氛对YIG单晶光学质量的影响。结果表明，在空气和不同氧分压气氛下均可获得纯相石榴石结构，在纯O₂气氛下所生长晶体在红外波段表现出更优的透过性能，透过率接近理论值（~75%）。这主要归因于生长过程中较高的氧分压有效抑制了Fe³⁺的变价现象。Fe 2p X射线光电子能谱分析进一步表明，空气气氛下生长的晶体中Fe²⁺相对含量高达62%（摩尔分数），而纯O₂气氛下生长的晶体中Fe²⁺相对含量降至9%（摩尔分数），从化学态层面直接证实了氧分压对Fe³⁺变价的有效抑制，从而有利于高质量磁光晶体的制备。1 386 nm的磁光性能测试进一步证实，所制备YIG晶体具有良好的磁光调制性能，其法拉第旋转角可达225 （°）/cm。本研究为高质量铁基石榴石晶体的制备提供了一种可行路径，对推动相应磁光晶体功能器件的发展具有重要意义。

中红外波段包含两个重要的大气窗口，同时是众多气体分子的吸收指纹区，因而在气体检测、环境监测、工业控制、医疗诊断、红外对抗等领域具有重要的应用价值。中红外带间级联激光器（ICLs）是一类工作在中红外波段的半导体激光器，有着低功耗、高效率等优点，适用于便携式气体检测等多种应用场景，逐渐成为具备竞争力的中红外光源。全球ICLs市场目前主要由国外企业主导，国内处于产业发展初期，因此，明确市场应用前景、产业发展道路、技术应用方向等对于我国推动ICLs的发展具有重要意义。本文列举了ICLs的主要应用场景，回顾了ICLs的发展历程，详细综述了近几年GaSb、InAs基ICLs和ICLs异质集成的研究进展，在此基础上分析了其市场前景及面临的挑战，并对国内ICLs的发展进行了展望。

本文梳理了氧化镓（β-Ga₂O₃）单晶生长的多种方法，包括助熔法、焰熔法、气相法、提拉法、浮区法、导模法、下降法、铸造法、冷埚法和液滴法等，并总结了掺杂、长晶工艺及热处理工艺等关键参数对晶体质量的影响。通过详细阐述各工艺环节的核心技术参数，明确不同长晶方法的工艺窗口；从可实现晶体尺寸上限、晶体质量、掺杂适配性、坩埚依赖性、气氛控制难度及产业化兼容性等维度对比了各类工艺的特点，指出了当前氧化镓单晶技术面临的主要挑战，并提出了其工艺发展的主要方向。同时，结合国内外产业现状，给出了优化氧化镓长晶工艺流程、提升半导体材料性能的具体建议，旨在推动氧化镓半导体材料的规模化生产与应用，助力高功率电力电子器件、深紫外探测器件等核心产品实现性能突破。

作为低压开关核心支撑材料，Ag基电触头性能直接决定电力系统运行的安全与可靠性。传统Ag/CdO材料应用因Cd毒受限，而现有无毒材料在组织和性能方面存在严重缺陷，兼具金属与陶瓷双重优势的MAX相及其二维衍生MXene在加工、导电、导热及抗电弧方面各具特色，有望作为环保新型Ag基增强相的候选材料。本文在归纳传统Ag基电触头材料种类、发展及优缺点基础上，综述了近年来Ag/MAX和Ag/MXene复合材料的制备工艺、成分筛选、组织调控、性能优化等方面的研究进展，并重点阐述了Ag/MAX和Ag/MXene复合材料的抗电弧侵蚀性能及机制。最后，在评估该体系复合材料电接触应用潜力的基础上，探讨了当下面临的主要挑战及未来发展方向。

稀土正铁氧体因同时具有电、磁等多种序参量及其耦合效应，在基于电荷和电子自旋的新型电子器件中展现出广阔的应用前景，已成为凝聚态物理与材料科学领域的热点研究方向。DyFeO₃强关联体系具有正交钙钛矿晶体结构，其内部自旋存在复杂的相互作用、多重磁相变行为及显著的磁电耦合效应，因而在自旋电子学和磁电功能器件中受到广泛关注。本文系统总结了近年来国内外文献中出现的多种DyFeO₃的制备方法，以及不同制备工艺对DyFeO₃的晶体结构、晶粒尺度、表面形貌和宏观磁性行为的影响，以期为DyFeO₃体系及相关稀土正铁氧体的进一步研究与应用提供参考。

单晶硅部件是半导体设备核心构件，氧含量决定其性能与寿命，不同应用控制标准差异显著，精准控氧是产业发展关键。本文研究了热屏位置变化对氩气流场、熔体流场和温场的影响规律，并深入揭示了熔体流场与温场二者协同作用对氧杂质溶解量、迁移通量及迁移路径的内在影响机制。结果表明，缩短热屏与晶体间距，可提升三相点附近氩气流速，提升氧杂质去除效率；同时均化熔体温场，抑制石英坩埚溶解，并改善熔体湍流黏度以削弱氧杂质在熔体内的输运迁移，此外，还可以促使熔体表层形成紧凑小涡流，改变氧杂质迁移路径。在熔体流场与温场共同作用下，晶体径向氧含量最大值下降0.275×10¹⁷ atoms/cm³，均值下降0.206×10¹⁷ atoms/cm³。

BaTiO₃铁电纳米薄膜由于受不同基底约束而呈现复杂的畴结构形式及独特的非线性电力学行为。本文采用连续介质热力学框架下的相场模型，研究不同拉压应变下的极化快速翻转过程给铁电多晶纳米薄膜系统带来的新特性。与现有单晶外延薄膜研究相比，本文充分考虑晶界效应及晶粒取向等因素，分别模拟了两种晶粒尺寸（60和10 nm）下，面内应变对铁电多晶纳米薄膜微观畴结构和电力学特性的影响规律。结果表明，晶粒尺寸为60 nm时，矫顽场和剩余极化均单调减小，即较大的压应变可以有效提高纳米薄膜铁电性能；然而当晶粒尺寸为10 nm时，过大的压应变却会导致剩余极化和矫顽场突然减小。此外，与单晶薄膜相比，由于多晶薄膜存在晶界，不同拉压应变下薄膜的畴结构（90°畴、180°畴和涡旋畴结构，）呈现多样性，使多晶薄膜产生了多样复杂的电力学特性。本文从铁电材料内部微结构入手，探究铁电纳米薄膜的微观机理，以实现铁电材料宏观性能的应用和调控，为设计高性能的铁电纳米薄膜微电子器件提供理论指导。

本文采用高温固相法制备了Na₂Ca_1-x SiO₄∶xTb³⁺（x=0~0.08）和Na₂Ca_0.95SiO₄∶0.05Tb³⁺/yK⁺（y=0.03~0.07）系列绿色荧光粉，系统研究了Tb³⁺单掺、Tb³⁺/K⁺共掺杂对样品物相结构、微观形貌、光学吸收、发光性能、色坐标与热稳定性的影响。结果表明，掺杂均未改变Na₂CaSiO₄基质的立方晶相结构，相结晶度高，且Tb³⁺有效取代了Ca²⁺的晶格位置并降低基质带隙。样品的微观形貌不规则且存在明显团聚，在376 nm激发下，Na₂Ca_1-x SiO₄∶xTb³⁺荧光粉在544 nm处出现Tb³⁺的⁵D₄→⁷F₅最强特征发射，最佳掺杂物质的量浓度x=0.05；在Na₂Ca_0.95SiO₄∶0.05Tb³⁺/yK⁺（y=0.03~0.07）荧光粉中，K⁺的最佳掺杂物质的量浓度y=0.05。最优组分Na₂Ca_0.95SiO₄∶0.05Tb³⁺/0.05K⁺的荧光发光强度约为Na₂Ca_0.95SiO₄∶0.05Tb³⁺的2.3倍，荧光寿命为3.006 ms，带隙为5.03 eV，CIE色坐标为（0.255， 0.551），473 K时发光强度仍保留室温（298 K）的92.4%，热稳定性优异。该荧光粉是一种在白光发光二极管中有着潜在应用价值的绿色荧光粉。

针对近紫外激发型白光发光二极管（WLED）对高显色性、低色温单基质荧光粉的迫切需求，本研究提出一种基于MgY₂Si₃O₁₀基质、Bi³⁺与Eu³⁺共掺杂的新型颜色可调荧光粉体系。采用高温固相法成功合成了系列MgY₂Si₃O₁₀∶0.02Bi³⁺，mEu³⁺（m=0~0.22）样品，系统表征了其物相结构与发光特性。结果表明，Bi³⁺在基质中占据两种晶格格位，在344 nm激发下呈现双峰宽带发射，Eu³⁺则呈现典型的红光发射。通过光谱重叠分析与荧光寿命测试，证实了Bi³⁺向Eu³⁺存在高效的能量传递，其传递效率随Eu³⁺掺杂浓度增加最高可达约65%。基于浓度猝灭模型计算得到临界能量传递距离R_C≈13.2 ?，确定能量传递机制主要为电偶极-电四极（d-q）相互作用。通过调节Eu³⁺掺杂浓度，成功实现了发光颜色从蓝光经白光到红光的连续可调，其中白光发射色度坐标为（0.333，0.306），相关色温为5 419 K，显色指数约为85.6，且该体系表现出良好的热稳定性。本研究为开发高性能、颜色可调的WLED荧光材料提供了系统的实验与理论依据。

为突破LaTiO₃光响应范围窄、光催化分解水热力学受限的瓶颈，采用第一性原理计算对比了Co、Fe、Ni单掺杂对LaTiO₃性能的调控机制。结果表明：三种掺杂体系形成能均为负，其中Ni掺杂最低（-1.14 eV）；声子谱无虚频，所有体系均动力学稳定。纯相LaTiO₃带隙为2.299 eV，Co、Fe、Ni掺杂后分别降至1.674（间接带隙）、1.405和0.928 eV。其中Fe、Ni掺杂的带隙过窄，难以满足全解水热力学要求（≥1.23 eV）。-COHP与Bader电荷分析证实，M—O净成键强度从高到低依次为Co—O、Fe—O、Ni—O，电荷转移强度从高到低依次为Ni掺杂、Co掺杂、Fe掺杂，其中Ni掺杂电荷转移量最大（失1.15 e），Co掺杂使吸收边红移至520 nm，可见光吸收系数峰值达2.0×10⁵ cm^-1；Co掺杂使功函数升至3.05 eV，归因于费米能级附近电子态密度重构。综合带隙、光吸收与载流子分离性能，Co掺杂是改性LaTiO₃用于光催化分解水的最优方案。本研究为钙钛矿基光催化材料的掺杂设计优化提供理论支撑。