金刚石集众多优良性能于一身，具有天然材料中最大的硬度、最高的热导率，宽通光波段和优异的电学特性，在精密加工、电子信息、国防军工和航空航天等领域都具有重要应用。近年来，微波等离子化学气相沉积（MPCVD）技术的持续进步显著拓宽了金刚石材料的应用场景。其终端应用已从最初的磨料磨具逐步向多种高附加值领域拓展：在珠宝行业实现高质量培育钻石合成，在热管理领域为高功率器件提供高效散热方案，在光学窗口应用中展现优异的红外透过与激光耐受性能，在半导体、量子技术等领域呈现突破性潜力。本文系统阐述了MPCVD金刚石制备技术的核心原理与生长调控方法，从技术原理、性能优化、产业应用和瓶颈突破的逻辑主线，深入分析MPCVD金刚石在培育钻石、热管理、光学、半导体四大领域的应用现状、核心技术难点与研究进展，结合技术发展趋势与市场需求，展望其在新一代功率电子、航空航天等前沿领域的应用前景，为MPCVD金刚石的技术升级与产业化落地提供理论参考与方向指引。

为应对电动汽车与便携电子设备对储能系统高能量密度的要求，亟需开发新型锂离子电池负极材料。氧化亚硅（SiO_x，0<x<2）凭借较高的理论比容量和引入氧元素带来的结构稳定性，被视为极具潜力的高容量负极材料。然而，SiO_x实际应用仍受限于体积变化大（160%~200%）、初始库仑效率低及电导率较低等问题。本文系统综述了SiO_x的结构模型、储锂机制及其改性策略，包括纳米结构设计、复合材料设计及预锂化技术等。这些方法有效缓解了氧化亚硅的体积膨胀，提升了其导电性与界面稳定性，并显著提高了其初始库仑效率。未来应致力于开发简单、可扩展、环境友好的制备工艺，追求高容量、高初始库仑效率的同时，综合考虑整体电化学性能，以促进SiO_x作为负极材料在高效储能系统中的应用。

偏硼酸钙（Ca（BO₂）₂， CB₂）晶体因具有较大的双折射率、较短的紫外透过截止边和较高的紫外波段透过率，被认为是一种具有广泛应用前景的深紫外双折射晶体。晶体的热学性能对其生长及应用极为重要，但CB₂晶体的热学性能尚未系统研究。本文对提拉法生长的CB₂晶体的热膨胀系数、比热容、热扩散系数及热导率等热学性能进行了系统研究。结果表明，在323~723 K，CB₂晶体沿a、b、c轴的平均热膨胀系数分别为α₁₁=4.52×10^-6 K^-1，α₂₂=3.44×10^-6 K^-1，α₃₃=2.91×10^-5 K^-1，具有较大热膨胀各向异性，在晶体生长过程中更容易发生开裂。在298~723 K，晶体比热容为0.937~1.242 J/（g·K），热扩散系数为A₁₁=0.734~1.755 mm²/s，A₂₂=2.199~4.361 mm²/s，A₃₃=0.529~1.196 mm²/s。根据热扩散系数、比热容及理论密度，计算得到晶体在相同温度范围（298~723 K）内的热导率分别为κ₁₁=2.366~4.353 W/（m·K），κ₂₂=7.089~10.818 W/（m·K），κ₃₃=1.781~3.088 W/（m·K）。

全无机钙钛矿CsPbBr₃具有优异的光电性能和载流子输运性能，有望成为下一代室温半导体核辐射探测器。本文采用坩埚下降法成功制备了直径40 mm的大尺寸CsPbBr₃单晶。CsPbBr₃晶体的光学性能研究表明，其光学透过率高达80%，禁带宽度约为2.27 eV，光致发光峰为531 nm，对应荧光衰减时间为2.26和38.62 ns。采用非对称的Au/CsPbBr₃/EGaIn平面型器件对晶体的电学性能、γ射线探测性能和载流子输运性能进行研究。CsPbBr₃单晶的电阻率高达6.12×10⁹ Ω·cm，非对称的肖特基型器件有效地抑制器件的暗电流，-100 V下仅为4.4 nA，并在室温下实现了对²⁴¹Am（59.5 keV）、⁵⁷Co（122 keV）和¹³⁷Cs（662 keV）γ射线10.0%、5.5%和1.6%的能量分辨率。在²⁴¹Am γ射线源激发下，拟合得到空穴的迁移率寿命积和迁移率分别为4.17×10^-3 cm²·V^-1和24.41 cm²·V^-1·s^-1。

第四代半导体氧化镓（Ga₂O₃）因独特的物性和易获得大尺寸单晶的优势，在深紫外光电探测和高能效功率电子领域具有重要应用。氧空位作为氧化物半导体常见的本征点缺陷之一，是影响Ga₂O₃材料质量和器件性能的核心因素。实现Ga₂O₃单晶中氧空位的调控具有重要的现实意义。本研究利用光学浮区法无容器、高纯度的生长优势，构建了精确可控的氩/氧混合气氛场，探究了氧分压参数对β-Ga₂O₃单晶氧空位缺陷浓度的作用效果。实验结果表明，随着氩/氧混合气氛中氧含量增大，β-Ga₂O₃单晶的光透过率明显改善，晶格有序度显著提升，PL谱中缺陷相关的发光强度显著降低。通过X射线光电子能谱O 1s阴离子和Ga 3d阳离子分析共同证实，β-Ga₂O₃单晶中的氧空位缺陷浓度随着氧分压的增大而降低。本文开展的光学浮区法氧分压对β-Ga₂O₃单晶氧空位缺陷影响研究，可为高质量氧化物单晶生长提供技术方案参考。

在抗反射垂直腔面发射激光器（VCSEL）结构引入多氧化层后，输出功率和边模抑制比（SMSR）同时增大。尤其是引入n型氧化层后，两者显著增大。根据芯层/包层模型，当芯层和包层的有效折射率差增大时，SMSR减小。但本研究中，引入多氧化层后，虽然有效折射率差增大，但SMSR也同时增大，两者变化趋势相矛盾。其原因如下：1）在抗反射VCSEL中，由于抗反射镜和光存储层的引入，相当于大幅度扩展了腔长，这时，高阶横模的衍射损耗才是决定SMSR的主要因素，芯层/包层模型对SMSR不再起决定作用；2）引入的n型氧化层位于有源区和光存储层之间，光束在有源区和光存储层之间振荡时，一部分高阶横模会被n型氧化孔阻挡，阻碍了这部分高阶横模的模式竞争，有利于SMSR的提高。基于以上机制，能够显著改善VCSEL的单横模特性。考虑到小氧化孔不利于输出功率的提高，本研究将多氧化层引入抗反射VCSEL中，并采用了6 μm的大氧化孔。在80 ℃环境温度、5 mA工作电流下，三氧化层抗反射结构相比单氧化层抗反射结构输出功率提高50.91%，SMSR提高40.32%。

采用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）技术生长金刚石薄膜时，工艺参数与沉积装置是决定薄膜质量的核心因素。本文以公司MPCVD设备为研究对象，基于SolidWorks与COMSOL Multiphysics平台构建谐振腔仿真模型，对比发现二维轴对称模型与三维模型的电场分布特征高度一致。基于轴对称模型，开展不同功率、压强及钼台高度工况下的等离子体仿真，结果表明：功率升高会使等离子体分布趋于扁平，且沉积平台上方激发区域显著扩大；压强升高虽能提升等离子体密度，但会缩小其团簇体积并降低分布均匀性；钼台高度较高时，等离子体的分布均匀性亦能得到有效改善。为提升等离子体激发效率，降低散热压力，首先对谐振腔整体及内部结构进行单因素优化。优化结果显示，沉积台上方中心场强达473 276 V/m，较优化前提升26.4%，同轴段次生电场强度下降11.5%。以单因素优化结果为基准，采用Box-Behnken design（BBD）响应面法对10个参数初步优化，参考方差分析结果，筛选4个关键因素进行进一步优化，最终沉积台上方中心场强较单因素优化进一步提升5.5%，验证了多变量协同优化的有效性。本研究为MPCVD设备的参数调控、结构改进及工艺优化提供了理论支撑。

本文通过高温固相法成功制备了Eu³⁺，Mn⁴⁺单掺和共掺Ba₂SrWO₆的系列荧光粉，通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜和光谱分析仪对荧光粉的晶体结构、样品形貌和光谱特性进行表征与分析。结果表明：Eu³⁺，Mn⁴⁺的掺杂并没有改变Ba₂SrWO₆的晶体结构，为单一纯相。在325 nm激发下，Ba₂SrWO₆∶Eu³⁺/Mn⁴⁺荧光粉表现出显著的红光发射，包含Eu³⁺在594 nm处⁵D₀→⁷F₁特征跃迁和615 nm处的⁵D₀→⁷F₂特征跃迁及Mn⁴⁺在695 nm处的²E_g→⁴A_2g跃迁，双掺体系与其单掺体系的发射峰位置保持一致。发光强度最大组分为Ba₂SrWO₆∶7%Eu³⁺/0.6%Mn⁴⁺。在300~500 K，基于荧光强度比（I_Eu/I_Mn），获得温度传感的最大相对灵敏度为0.87% K^-1（@300 K）和最大绝对灵敏度为0.005 9 K^-1（@510 K）。结果表明Ba₂SrWO₆∶Eu³⁺/Mn⁴⁺荧光粉可以作为高效光学温度传感候选材料。

为适应大尺寸、薄片化光伏硅片对金刚石多线切割技术提出的更高要求，并克服传统切割液因采用单一功能添加剂导致的润滑性、润湿性与抗泡性能难以协同优化的技术瓶颈，该研究突破传统单一添加剂的配方设计思路，提出一种多组分协同复配策略。该策略通过水性聚醚与油性聚醚复配构建复合润滑体系；选用炔二醇类与脂肪醇聚氧乙烯醚类润湿剂进行组合，以优化动态表面张力；同时系统筛选出兼具即时与长效抗泡性能的炔醇聚醚类消泡剂。通过摩擦磨损测试、动态表面张力分析及泡沫特性表征，系统评估了切割液的关键性能，并最终在工业化切割试验中验证其综合表现。实验结果表明，润滑剂以20%（质量分数，下同）水性聚醚与2%油性聚醚的比例复配时，切割液摩擦系数降至0.079，磨痕宽度为536.8 μm，润滑性优于市售同类产品；润湿剂经特定比例复配后，切割液在不同气泡寿命阶段的动态表面张力均低于对比样品。现场应用结果显示，自研切割液（QS-C-101）切割所得硅片的A品率达到96.11%，崩边率、总厚度偏差（TTV）及线痕均值分别为0.26%、7.91 μm与7.69 μm，各项关键指标均优于市售切割液。该研究通过功能性添加剂的协同复配，成功开发出一款综合性能优异的高性能金刚石多线切割液，为解决大尺寸薄片硅锭切割过程中的质量与效率难题提供了可行的技术路径。

钙钛矿材料凭借优异的光电转换效率与可调带隙特性，在新型光伏器件与高性能光电探测器领域展现出广阔前景。然而，钙钛矿在实际工作条件下存在长期稳定性不足的问题，严重制约了其规模化商业应用。针对这一关键瓶颈，本文提出一种基于甲基氘代（—CD₃）的分子工程策略，即利用氘（D）同位素选择性地取代钙钛矿中有机阳离子（CH₃NH₃⁺）甲基端上的氢原子，在不显著改变材料电子结构的前提下，实现对材料稳定性的系统性提升。相较于传统上对铵基（—NH₃）位点进行的氘代处理，甲基氘代策略能够有效规避因N—D键的量子隧穿效应可能引发的逆同位素效应，从而避免潜在稳定性下降的风险。研究发现，通过氘原子的引入可实现对材料硬度的调控，并提升其热稳定性。在载流子动力学层面，氘代有效抑制了晶体的动态无序性，进而使材料的载流子寿命得到明显的提升。

宽带隙钙钛矿太阳能电池的发展受限于其薄膜中较高的缺陷密度和严重的非辐射复合。本研究提出采用4-甲氧苯基磷酸二乙酯（DM）作为多功能添加剂以解决上述问题。DM分子中的P＝O基团可与未配位的Pb²⁺形成稳定的配位键，有效钝化缺陷；同时，其甲氧基通过给电子效应调节局部电荷分布，协同优化结晶过程。此外，DM分子间的苯环π-π堆叠作用有助于增强薄膜疏水性，从而提升环境稳定性。基于DM修饰的宽带隙钙钛矿太阳能电池实现了22.08%的光电转换效率（PCE）。相比之下，未添加DM的对照器件的PCE仅为18.89%。此外，DM的修饰使器件的开路电压（V_oc）从1.082 V提升到1.127 V，短路电流密度（J_sc）从22.33 mA·cm^-2增至23.78 mA·cm^-2，填充因子（FF）从78.17%提高到82.39%。未封装DM修饰器件在25 ℃、10%~40%相对湿度环境中存放30 d后，仍能保持初始效率的91.2%，显著优于对照器件（85.3%）。这些结果有力印证DM作为功能添加剂在制备高质量钙钛矿薄膜和实现高性能器件方面的巨大潜力，为其后续的实用化推进提供了实验与理论基础。

β-Ga₂O₃因超宽禁带和高击穿电场强度，在功率电子器件和日盲紫外光探测器等领域展现出重要应用前景。由于β-Ga₂O₃本征载流子浓度极低，掺杂工程是目前调控其电学与光学性质的主要方式。但在实际晶体生长过程中，各类本征缺陷不可避免地会影响掺杂效果。本文基于第一性原理计算，系统研究了Sn掺杂β-Ga₂O₃及缺陷复合体的结构稳定性、电子结构与光学性质。结果表明，Sn优先占据八面体配位Ga位点（Ga_II），相较于占据四面体配位Ga位点（Ga_Ⅰ），该构型能量更低，结构更为稳定。在富氧生长条件下，Sn掺杂β-Ga₂O₃倾向于形成Sn_GaII-V_GaII缺陷复合体；而在富镓生长条件下，则不易形成此类Sn掺杂-空位复合结构。此外，引入Ga空位（V_Ga）缺陷后，体系在红外至可见光波段出现明显的光吸收带。本研究揭示了Sn掺杂β-Ga₂O₃中缺陷复合体的形成机制及其对光电性能的协同调控作用，为高性能光电子器件与功率器件的设计与优化提供了理论依据。

氧化镓（β-Ga₂O₃）功率器件因具有高耐压、低损耗及低成本的优势，已成为当前研究的热点，但受限其P型有效掺杂困难，基于β-Ga₂O₃的同质结器件研究受阻，而异质结终端器件仍存在导通电阻大、击穿电压低等电学特性不能满足实际应用需求的问题。针对以上问题，本文创新性提出了一种由NiO组成的场限环与浮空场板组成的复合终端增强型横向NiO/β-Ga₂O₃异质结场效应晶体管（HJFET）。通过TCAD软件重点研究了浮空场板长度及场限环长度、厚度对器件击穿特性的影响。结果表明：场限环与浮空场板组合可以有效缓解栅极边缘电场集中效应，同时高介电常数介质HfO₂可将异质结边缘电场调控至β-Ga₂O₃沟道内，最终器件实现了2 537 V的高击穿电压。对于具有浮空场板的器件获得了导通电阻为14.21 mΩ·cm²，击穿电压为2 358 V，PFOM达到391.285 MW·cm^-2的优异性能。本研究的设计为大功率高耐压β-Ga₂O₃功率器件的设计和优化提供了新的思路。

透明导电材料因兼具高可见光透射性和良好电导性，在光电子器件领域具有重要应用价值。然而，高性能 p型透明导电材料的开发仍面临挑战。基于密度泛函理论的第一性原理计算，本研究系统分析了RbYS₂的电子结构、光学性质、力学性质及本征缺陷主导下的p型导电行为。计算结果表明，RbYS₂为间接带隙半导体，禁带宽度为3.30 eV。光学性质计算显示，RbYS₂在可见光能区内吸收较弱，表现出良好的透明特性。力学性质计算表明RbYS₂具有良好的力学稳定性，且表现出明显的力学各向异性。进一步通过本征缺陷与载流子热力学模拟研究发现，在富S生长条件下，Rb空位（V_Rb）为最有利形成的受主型缺陷，形成能大小为1.14 eV，转移能级ε（0/-）位于价带顶（VBM）上方0.225 eV。缺陷在高温生长过程中形成并在1 200 K固定其浓度后快速淬火至室温时，体系的空穴浓度可达5.78×10¹⁸ cm^-3，在室温下呈现稳定的p型导电特征。

高镍层状三元氧化物LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂（NCM811）具有比容量高、倍率性能高、成本低等优点，是非常具有应用前景的锂离子电池正极材料。本文通过第一性原理模拟计算方法深入研究掺杂Mg对NCM811材料结构和脱嵌锂性能的影响，计算结果表明：Mg在NCM811中优先占据Ni位，导致Ni—O键收缩、键能增大，从而增强对氧原子的束缚，有效降低氧气释放，提高NCM811的结构稳定性；Mg掺杂将NCM811中Ni²⁺氧化成Ni³⁺；在脱锂过程中，Ni²⁺和Ni³⁺是氧化还原活性中心，均被氧化成Ni⁴⁺；完全脱锂后，Mg@NCM811体积收缩的幅度比NCM811结构小，表明Mg掺杂会抑制晶格畸变，提高NCM811材料在充放电循环过程中的结构稳定性。

源于独特的带隙特性，超材料因良好的减振能力而受到广泛关注。本文设计了一种新型多稳态粘弹性超材料构型，通过调节外部加载速率控制形变。基于3D打印技术制备了试件，单轴压缩试验表明该超材料单胞具有显著的双稳态形变特性。研究了该多稳态粘弹性超材料可调的带隙特性和有限周期振动传递特性，并与其未变形构型进行了对比分析。计算结果表明，与未变形结构相比，形变可显著拓宽多稳态粘弹性超材料0~300 Hz的多条带隙；在相同压缩量下，多稳态粘弹性超材料的抑振特性还可通过调节外部加载速率进行改变；准静态加载工况下，多稳态粘弹性超材料可对50 Hz以下振动实现有效抑制。本文的超材料对动态加载具有显著的粘滞效应特性，与单稳态超材料相比，具有更多样化的带隙调节能力。

采用溶剂热合成法制备了一种新型二维镍（Ⅱ）配位聚合物［Ni（pbc）₂·（H₂O）］·2.5H₂O （1） ［Hpbc=2-（3-吡啶基）苯并咪唑-5-羧酸］，通过红外光谱、元素分析和单晶X射线衍射等手段对其结构进行了系统表征。晶体结构分析表明：中心Ni²⁺ 为六配位模式｛NiN₂O₄｝，呈现轻微扭曲的八面体几何构型。配体以两种方式参与配位：μ₂-κO∶κN和μ₂-κO，O'∶κN。去质子化的配体通过不同配位模式分别沿a轴和b轴连接镍离子，形成一维直链和一维锯齿链，两者相互连接，在ab平面内扩展为二维网状结构。该二维网络进一步通过分子间氢键（由未配位的氮、氧原子参与）组装成三维超分子框架。拓扑分析表明，该配合物具有（2，4）-连接的网络结构，其Schläfli符号为｛8⁴·12²｝｛8｝₂。此外，变温磁化率测试显示，该单核镍配合物表现出弱的铁磁耦合特征。