硒镓钡（BaGa₄Se₇， BGSe）晶体是一种综合性能优异的新型红外非线性光学晶体。制备大尺寸、高品质BGSe晶体是目前研究的主要目标。本实验室采用双温区合成炉单次实现500 g以上高纯BGSe多晶原料合成；采用改进的布里奇曼法生长出ϕ60 mm BGSe晶体棒；通过定向、切割和抛光等加工，制备出10 mm×10 mm×50 mm以上BGSe激光频率转换器件。制备的晶体与器件尺寸均为目前报道的最大值，可为中长波红外激光输出研究提供晶体及器件支撑。

碲锌镉（CdZnTe， CZT）晶体因优异的物理特性在室温射线探测和HgCdTe红外探测领域占据重要地位。然而，CZT晶体生长过程中产生的点缺陷、沉积相和位错严重影响晶体质量和器件性能。研究表明，精心设计的退火工艺可有效降低沉积相密度，调控点缺陷浓度，提升晶体电阻率和载流子迁移率寿命积。本文深入分析了CZT晶体中缺陷的形成机理，系统评述了恒温退火、梯度退火、分步退火、器件退火、原位退火和溶液退火等技术的研究进展，比较了各种退火技术的优缺点及其对CZT晶体性能的影响，同时提出了未来研究应聚焦于深化退火机理的理解、开发新型退火技术、优化界面工程和实现智能化退火工艺，以进一步提升CZT晶体性能，推动其在高性能辐射探测和红外成像领域的应用。

最近几年，人工智能在材料领域得到广泛应用，机器学习在分子束外延（MBE）技术中的应用引人关注。基于原位反射高能电子衍射（RHEED）及相关物性的智能识别和反馈的MBE技术，能够显著提升生长材料的质量和生长效率，有望实现薄膜的MBE智能外延。本综述聚焦机器学习MBE中的应用研究，首先介绍了MBE中常用的机器学习算法模型，阐述了机器学习在优化MBE生长条件中的应用，着重总结了不同材料体系（半导体薄膜和量子结构材料、氧化物材料和二维材料等）基于RHEED图像机器学习的研究进展，并就存在的问题和未来的发展策略进行了总结展望。

采用微下拉法生长出掺杂浓度（原子数分数）为0.3%、2.0%、3.0%和5.0%的Er∶CNGG晶体。X射线衍射（XRD）测试表明Er∶CNGG晶体属于立方晶系。测试了Er∶CNGG晶体的吸收光谱、荧光光谱和荧光衰减曲线。5.0%Er∶CNGG晶体在968 nm处的吸收系数为1.70 cm^-1，半峰全宽（FWHM）为17.5 nm，可有效匹配商用激光二极管泵浦源。5.0%Er∶CNGG晶体最强发射峰位于2 709 nm，对应的FWHM为17.3 nm。计算得到0.3%、2.0%、3.0%和5.0%的Er∶CNGG晶体⁴I_13/2能级寿命分别为5.97、6.30、6.46和5.73 ms。研究结果表明高浓度Er∶CNGG晶体是一种有潜力的2.7 μm波段激光增益介质。

直拉单晶硅生长技术的发展促进了更大尺寸晶体的生产。目前，在重复拉晶过程中，单炉最后一根晶体的质量通常达到600~800 kg，已超过成熟技术中提拉钢缆的工程载荷上限。本文报道了设备改造中因增加提拉钢缆直径而引发的稳定性问题及其解决方案。研究发现，钢缆增粗后刚性增强，导致籽晶发生倾斜，进而在低负载时引发棱线偏移，在高负载时增加细颈断裂的风险。通过控制变量实验，本研究确认钢缆增粗后晶体生长稳定性的问题主要源于籽晶倾斜。此外，采用数值模拟方法进一步分析了籽晶倾斜所诱发的应力分布机制。最终，通过增加配重的方法，有效恢复了晶体生长的稳定性。

单晶硅是太阳能电池的主要原材料，其生长成本直接影响电池的制造成本。因此，降低单晶硅生长能耗对光伏产业的降本增效至关重要。本文建立了直拉单晶硅生长的全局3D数值模型，考虑了单晶炉中加热器、电极等非旋转对称结构，能够更精确地模拟单晶炉内的流动和传热过程。基于所建立的数值模型，研究了热屏冷、热侧发射率对单晶炉内能耗分配及辐射、对流和导热传热路径的影响规律。结果表明，冷、热侧发射率的降低均可取得明显的降耗效果，且降低冷侧发射率能够更加显著地降低能耗。在辐射传热方面，随着热屏冷、热侧发射率的降低，石墨坩埚和热屏热侧的吸热，以及硅熔体和热屏冷侧的放热均不断减小；随着热侧发射率的降低，顶保温的吸热出现了一定的增加。在对流传热方面，随着热屏冷侧发射率的降低，水冷屏吸热及热屏冷侧放热均不断增大，与冷侧相比，热侧发射率对对流传热的影响则相对较小。在导热传热方面，随着热屏冷热侧发射率的降低，热屏热侧到冷侧、石墨坩埚到石英坩埚，以及石英坩埚到硅熔体的导热均不断减小。本文研究结果可以为工业直拉单晶炉的精细化、深度化降耗提供重要的参考。

生长态的CdZnTe （CZT）晶体中存在大量的本征点缺陷及其相关的复合缺陷，如何获取这些点缺陷信息及其影响至关重要。本文设计CZT晶体高温Cd气氛退火，通过退火时间控制原子扩散程度，进而调控样品点缺陷分布。对于移动加热器法（THM）生长的富碲态CZT，本文运用光生电流瞬态谱（PICTS）、低温光致发光（PL）、I-V测试和α粒子诱导瞬态电荷漂移测试研究了其点缺陷分布与电阻率、载流子迁移率和电荷收集效率等光电特性的关系。点缺陷测试结果表明，生长态样品中Te_Cd缺陷占主导地位，其浓度为4.47×10¹³ cm^-3，捕获截面为9.34×10^-16 cm²。经过24 h的Cd退火后，样品内部的缺陷类型发生变化，Cd_i缺陷逐渐成为主导，其浓度达到4.49×10¹³ cm^-3，捕获截面降至5.82×10^-19 cm²。电学性能结果表明载流子迁移率、电荷收集效率与CZT点缺陷总浓度有关，内部电场由捕获截面最大的Te_Cd决定。Cd退火6 h的样品具有高的收集效率、高迁移率（697 cm²·V^-1·s^-1）和均匀的内部电场分布，但是电阻率较低。Cd原子在扩散过程中优先占据V_Cd和Te_Cd的位置，A中心和Te_Cd浓度呈指数型减少是导致电阻率下降的主要原因。

AlGaN基深紫外Micro-LED在无掩膜光刻、日盲紫外保密通信等领域具有重要应用前景。然而，侧壁效应和电流拥挤效应严重制约高电流密度下的光功率密度。本研究制备了发光波长237 nm，台面半径分别为12.5、25.0、50.0 μm的深紫外Micro-LED，并系统探究了侧壁修复对不同尺寸和不同阵列化Micro-LED的影响规律。研究发现，使用KOH修复侧壁可有效降低AlGaN基深紫外Micro-LED侧壁缺陷密度，减小反向漏电流密度，同时降低由侧壁缺陷导致的肖特基-里德-霍尔（SRH）非辐射复合。对于单台面器件，器件尺寸越小，最大光功率密度越高，但侧壁效应严重制约着小尺寸器件的光功率密度，导致小尺寸器件在低电流密度下光功率密度最低，侧壁修复后，半径12.5 μm的器件峰值光功率密度提升最多，提升了186%，且在不同电流密度下光功率密度均最高；对于相同发光面积的阵列化器件，侧壁修复后，阵列化程度越高，光功率密度越高，4×4阵列12.5 μm的Micro-LED比半径50.0 μm的器件峰值光功率密度提高了116%，其原因是在保持较低侧壁缺陷的情况下，阵列化可以提高电流密度分布均匀性，进而提高光效。该研究有助于提高Micro-LED的光功率密度，并将推动短波深紫外Micro-LED走向实际应用。

本文基于金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，在6英寸Si （111）衬底上外延生长了GaN薄膜，通过椭圆偏振光谱仪、高分辨X射线衍射仪、扫描电子显微镜、原子力显微镜及透射电子显微镜等测试分析手段表征了GaN薄膜的微观结构、表面形貌及晶体质量，研究了GaN薄膜生长时的H₂载气流量变化对GaN生长均匀性及晶体质量的影响。结果表明，随着H₂载气流量的增加，前驱体能够更快地到达衬底表面参与表面反应，从而提高了GaN的生长速率；然而过大的H₂载气流量会导致部分混合气体参与GaN生长的时间过短。在H₂载气流量为39 slm（标准升每分钟）时，GaN生长速率达到了饱和。提高H₂载气流量会导致Ga原子迁移率的增加，然而，当H₂载气流量增加到48 slm时，Ga原子迁移率的增加不再带来更平整的表面。AlGaN缓冲层具有V型坑结构形貌，大多数位错在AlGaN缓冲层弯曲、湮灭，并停止向GaN层延伸，这导致GaN生长经历类似横向外延过生长的过程，在一定程度上提高了GaN的晶体质量。

不同衬底材料会影响多晶金刚石的结晶度和应力。本文采用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）设备，研究三种不同衬底（W、Si和Mo）对沉积多晶金刚石膜应力和结晶度的影响。首先，为降低边缘效应，通过数值模拟、OES光谱分析方式优化并验证了沉积金刚石膜的最佳基台高度是16 mm。在相同工艺条件下生长多晶金刚石薄膜，利用拉曼光谱、SEM比较三种衬底沉积金刚石的结晶度和质量，三种衬底生长的金刚石晶面取向主要是（111），其中W衬底沉积的金刚石薄膜结晶度均匀性较高。XRD应力分析研究结果表明，W衬底沉积的多晶金刚石薄膜中心到边缘的应力分布较均匀且应力最小。最后，本团队利用W衬底沉积了直径为50.8 mm、沉积时间200 h、厚度0.6 mm、杂质缺陷少、无裂纹的多晶金刚石薄膜，并且中心至边缘的半峰全宽（FWHM）是8.156~8.715 cm^-1。TEM表征结果显示，d_（111）晶面间距是0.206 nm。表明W衬底较其他两种衬底更适合沉积多晶金刚石，制备用于光学、热学和电子等方面的多晶金刚石薄膜。本研究对沉积大尺寸、低应力、高结晶度多晶金刚石膜和应用于核聚变托卡马克装置的微波窗口提供了有效的参考。

宽禁带氧化物半导体普遍存在n型掺杂容易，p型掺杂较为困难的现象。LiGa₅O₈是一种理论上能够进行双极性掺杂的新型氧化物半导体材料，本文利用雾化学气相沉积（mist-CVD）法生长非故意掺杂的高质量LiGa₅O₈单晶薄膜，并对薄膜质量、光学、电学等性能进行表征。测试结果发现生长的LiGa₅O₈薄膜结晶质量较好，厚度为484 nm，表面粗糙度较低（Rq=2.48 nm， Ra=1.73 nm），具有5.22 eV的宽光学带隙；Li、Ga、O元素含量比约为1∶5∶8，薄膜具有n型导电特性。当继续增加Li的比例时薄膜导电性变差，但未具有p型导电特性。利用获得的LiGa₅O₈薄膜制备光电探测器，发现其在波长254 nm光照下具有良好的I-V和I-t特性。通过理论计算富氧条件LiGa₅O₈中的本征缺陷Ga_Li和Li_Ga，发现Ga_Li缺陷形成能非常低，引入浅的施主能级，从而导致薄膜的n型导电特性；同时当Li的比例增加时Ga_Li缺陷补偿Li受体，使薄膜几乎不导电。

一水合草酸钙（COM）是肾结石最主要的成分。本文探讨了一种多功能的天然产物——甘草酸（GlA）对COM结晶过程的抑制作用及其作用机理。采用钙离子选择电极研究了COM的结晶动力学，通过光学显微镜和扫描电子显微镜定量分析了GlA对COM晶体的尺寸及形貌的影响。同时借助分子模拟计算了COM各晶面对GlA分子的吸附能。结果表明，GlA是一种高效的COM结晶抑制剂，且对COM结晶的抑制程度与GlA浓度呈正相关。同时，由于GlA在COM｛021｝和｛12$\bar{\mathrm{1}}$｝表面的特异性吸附，在GlA存在下，COM晶体的长宽比显著降低。GlA不仅可以与COM溶液中的Ca²⁺产生络合作用，降低Ca²⁺的有效浓度，还可以通过COO^-_（COM）…Ca²⁺…^-OOC_（GlA）的方式吸附于晶体表面，阻碍晶体的进一步生长。这些发现为肾结石的防治提供了新的思路和潜在的治疗策略。

为了提高难溶性药物茴拉西坦（ANI）的溶解度和溶出度，以P123为模板剂制备了SBA-15介孔氧化硅载体，并加入扩孔剂1，3，5-三甲苯（TMB）得到了扩大孔径的扩孔L-SBA-15载体，将ANI负载于SBA-15和L-SBA-15两种载体上构建了基于SBA-15介孔氧化硅的递药系统。通过SEM、TEM、FTIR、XRD和N₂吸附-脱附测试等表征方法对载药前后载体的结构进行分析，发现SBA-15和L-SBA-15的孔径分别为5.04和11.92 nm，载药量分别为25.49%和15.72%。在pH为1.2和6.8的溶出介质中对药物溶出行为的比较发现，对比ANI原料药，两种载体均能明显提高负载ANI的溶出度，且ANI在L-SBA-15载体上的溶出速度较SBA-15载体略快。这与ANI高度分散于介孔材料中，且以无定形的非晶态物理吸附于介孔孔道内，较大的介孔更有利于药物的扩散及溶出有关。本研究为提高难溶性药物的溶出，以期改善此类药物的生物利用度提供了一定的实验依据。

本文以五氧化二钒（V₂O₅）作为钒源，吡唑-3，5-二羧酸（H₂L）和N-甲基咪唑（Me-Im）为配体，在溶剂热的条件下合成了一例还原型双核V^IV配合物，其化学式为［V^IV₂O₃（L）（Me-Im）₄］（1）。通过单晶X射线衍射、粉末X射线衍射、傅里叶变换红外光谱、热重分析及X射线光电子能谱等对配合物1进行了充分地表征。单晶X射线衍射结果表明：配合物1结晶于单斜晶系，P2₁/c空间群，其结构中包含两个晶体学独立的V^IV离子，完全去质子化的吡唑-3，5-二羧酸（L^2–）作为桥联配体将两个V^IV离子连接，而四个Me-Im作为封端配体与这两个V^IV离子配位，由此构筑了配合物1的零维双核V^IV结构。此外，由于V^IV d轨道中含有单电子，因此研究了配合物1的磁性能，结果表明该配合物存在铁磁相互作用。

本文采用浸渍法制备得到对可见光响应的CuO/BiVO₄异质结催化剂，该催化剂被应用于对溶液中U（Ⅵ）的光催化还原去除过程，并系统研究了不同反应条件对催化剂光催化性能的影响。使用X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射仪（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）对制备得到的样品进行了表征分析。以U（Ⅵ）溶液作为反应物，研究了溶液pH值和样品投加量对所制得样品的光催化还原活性的影响。结果表明，在溶液pH值为5.5、光催化剂用量为0.8 g/L的条件下，CuO/BiVO₄异质结催化剂对溶液中U（Ⅵ）具有较高的催化还原去除率，在120 min后去除率最高可达到94%。本研究旨在探索合成新型异质结催化剂材料以解决单相光催化材料光催化性能较低的问题，从而为光催化反应去除溶液中U（Ⅵ）的研究提供新的思路和方向。

Janus过渡金属二硫族化合物（TMDs）因独特的不对称结构而展现出优异的电子、光学和催化性能，在纳米催化和热电等领域具有广泛的应用前景。本研究采用第一性原理计算方法，系统研究了具有典型空位缺陷的Janus MoSSe单层的稳定性及其析氢反应（HER）性能。研究结果表明，单层Janus MoSSe在HER过程中的吉布斯自由能显著降低至约0.5 eV，明显低于原始MoSSe和传统MoS₂单层。进一步研究表明，外部应变的引入可有效调控缺陷结构Janus MoSSe的HER性能，其性能提升主要归因于缺陷区域悬空键自适应释放集中应变，从而产生显著的可调谐模式。该研究阐明了应变工程提高MoSSe HER性能的潜在机制，为基于缺陷Janus TMDs的高效HER催化剂的优化设计提供了理论依据。

二维金属卤化物近年来成为研究热点，其中三碘化锑（SbI₃）因具有光学各向异性、较高的折射率、二次谐波等特性被用于辐射探测器和光电器件。但SbI₃价格昂贵，限制了其大规模应用。本文以锑粉和碘粉为原料，首次采用声化学方法合成了SbI₃，并研究了超声时间、反应溶剂、Sb物质的量及锑碘摩尔比对产物的影响，并以此粉体为原料制得SbI₃晶体和薄膜。结果表明，当溶剂为甲醇，锑碘摩尔比n（Sb）∶n（I₂）=2∶3.6（碘过量20%），超声时间为100 min时，得到纯相SbI₃粉体。采用升华法在温度为220 ℃，反应时间为3 h时得到（006）高取向的SbI₃晶体。采用气相输运沉积方法制备SbI₃薄膜时，沉积距离对薄膜形貌有较大影响。沉积距离增大使薄膜致密性提高，但沉积区温度降低导致薄膜晶化变差，因此要选择合适的沉积距离。此处，沉积距离为17.5 cm时获得了致密均匀的SbI₃薄膜。该声化学合成SbI₃的方法简单高效，成本低，重现性好，并可拓展应用于AgI、CuI、BiI₃和Cs₃Bi₂I₉等金属碘化物的合成。

本文采用第一性原理计算方法系统研究了C₂H₆和C₆H₆ 两种有机气体在氮化铝（AlN）单层及Pt修饰AlN的吸附特性。研究结果表明：对于C₂H₆，当其吸附在本征AlN单层上时，表现出较小的吸附能和电荷转移量，导致AlN单层对C₂H₆的敏感性较差；在Pt修饰后，AlN单层对C₂H₆的吸附性能没有明显提高。相比之下，Pt修饰提高了AlN单层对C₆H₆的吸附能力，Pt修饰AlN对C₆H₆的吸附能为-0.564 eV，通过带隙和功函数的变化，Pt修饰AlN单层对C₆H₆表现出更高的灵敏度。此外，适中的吸附能量和在室温下较短的恢复时间（3.45×10^-4 s）表明，Pt修饰的AlN单层在检测C₆H₆分子时还具有良好的可重复性。研究为C₂H₆和C₆H₆在Pt修饰AlN单层上的吸附行为提供了详细的微观解析，可促进AlN基材料在气敏领域的应用。

使用传统固相反应法制备了Na_0.5Bi_4.5Ti_4-x Co _x O₁₅（x=0、0.025、0.050、0.075）铋层状无铅压电陶瓷。采用XRD、SEM、EDS、XPS及相关电学参数测试系统表征了样品的晶体结构、断面形貌、氧空位情况及介电、压电、铁电等性能，探究不同Co掺杂含量对陶瓷性能的影响。结果表明：当掺杂含量x=0.050时，样品的物相组成单一均匀，晶粒呈现片层状，相对密度较高，压电常数可达34.7 pC/N，介电损耗仅为0.30%，居里温度为672 ℃，500 ℃时高温电阻率为1.62×10⁷ Ω·cm，并且具有很好的温度稳定性，说明掺杂改性后的Na_0.5Bi_4.5Ti_3.95Co_0.05O₁₅陶瓷在高温高频领域具有潜在的市场应用价值。

ZnMn₂O₄是一种潜在的高比容量锂离子电池负极材料，但仍需提高其大电流充放电性能和循环寿命。本文通过简便的室温微乳液法和后续煅烧制备了边长约200 nm的ZnMn₂O₄空心立方体，由粒径30~50 nm的纳米颗粒相互紧密连接形成。为了提高材料的导电性，将ZnMn₂O₄与氧化石墨烯（GO）混合并热处理后得到ZnMn₂O₄/rGO复合材料。系统研究了复合材料的相组成、微结构、储锂性能和机理。作为锂离子电池负极材料，ZnMn₂O₄/rGO在0.1和4 A·g^-1电流密度下的放电比容量分别达到1 193和620 mAh·g^-1，在1 A·g^-1电流密度下循环700次放电比容量保持806 mAh·g^-1。其优异的倍率性能和循环稳定性源于ZnMn₂O₄和还原氧化石墨烯（rGO）的协同作用，较小的二次立方体/一次纳米颗粒尺寸利于Li⁺的短距离扩散，空心结构提供了材料锂化时体积膨胀的空间而使立方体保持结构完整；rGO不仅构建了材料的三维电子传输网络加快电子传输速度，而且也能缓冲嵌/脱锂时的体积变化而维持材料结构稳定。本研究为高性能金属氧化物类负极材料的制备提供了可行的策略。

为了优化光学薄膜的防护性能，延长使用寿命，本文创新性地采用液态防护膜以保护光学薄膜，制备了三种不同的液态防护膜，包括纯物质防护膜、混合液态防护膜和胶体防护膜。探究三种液态防护膜的透过率、激光损伤阈值（LIDT）和自修复性能，并对液态防护膜的防护效果进行研究。结果表明，三种液态防护膜中胶体防护膜性能最为优异，其中SiO₂胶体透过率达91.8%，LIDT达34.2 J/cm²。基于液体可流动的特性，三种液态防护膜都具有一定的自修复性能，能够重复多次地抵御高能激光辐照。在激光辐照下，SiO₂胶体防护膜的损伤面积小，自修复时间最短。经过激光损伤阈值测试后发现，装配液态防护膜后的光学薄膜具有更优异的防护效果。