在提拉法晶体生长过程中,界面翻转是一种频发且隐蔽的破坏性现象,会导致界面失稳和缺陷富集,损害晶体品质。现有的探测技术难以实时获取生长界面状态,界面翻转现象的观测和解析更无从入手。如何在极端高温且敏感的晶体生长环境中捕捉界面翻转过程,是解读生长界面状态、掌握工艺优化策略、提高晶体品质的关键。本文通过界面相本征电动势(GEMF)的时间序列分析,在提拉法晶体炉中成功原位观测到铌酸锂晶体生长的界面翻转过程;并进一步揭示GEMF轨迹的偏移机制,准确解析翻转导致的热质输运起伏。本文提出的GEMF实验方法适用于普遍使用的熔体法晶体生产设备,不仅为规避界面翻转提供了实时判定依据,还归纳了生长界面的稳定控制准则,为生长界面的闭环调控技术提供实时反馈。

掺杂钆镓石榴石(SGGG)晶体是一种用于磁光单晶薄膜液相外延生长的重要衬底材料,结构均一、物性稳定的SGGG晶体是实现磁光单晶薄膜制备的基础。本文采用提拉法生长出4个不同Ca²⁺/Mg²⁺/Zr⁴⁺化学计量比掺杂的钆镓石榴石晶体。X射线摇摆曲线测试表明:上述制备的晶体没有孪晶,结晶度高,半峰全宽(FWHM)分别为2.04′、2.07′、1.85′和1.98′,晶格常数为12.440 4~12.481 8 Å,位错密度为53~161 cm^-2;原子力显微镜(AFM)测试晶体(111)面的表面粗糙度为0.123~0.244 nm;晶体的热膨胀系数为8.27×10^-6~8.64×10^-6;晶体在波长500~2 500 nm具有良好的透过率。通过调节Ca²⁺/Mg²⁺/Zr⁴⁺掺杂量制备的SGGG晶体可以满足磁光单晶薄膜外延生长用衬底材料的性能要求。

本文采用垂直坩埚下降法,生长出一系列直径3英寸(1英寸=2.54 cm)的掺铈氯铯锂钇(Cs₂LiYCl₆：Ce,简称CLYC：Ce)晶体,LiCl摩尔配比为55%~60%。对晶体毛坯的顶端不透明部分进行X射线衍射测试,结果表明,富Li的组分配比能有效抑制Cs₃YCl₆相生成。LiCl摩尔配比为57%时得到的晶体中CLYC相的体占比最大,等径完整长度达80 mm。测试了该组分下获得的76 mm×76 mm CLYC：Ce封装晶体的闪烁性能,其对¹³⁷Cs 662 keV γ射线的能量分辨率达到4.88%,²⁴¹Am-Be中子源的脉冲波形甄别(PSD)品质因子(FOM)值为4.18,表现出优异的中子-伽马甄别性能。

本文利用研磨加工得到不同表面残余应力状态的4H-SiC样品,采用激光拉曼光谱仪测量样品表面的残余应力,通过显微硬度计测量无电场和有电场时的样品表面压痕硬度。结果发现:与无残余应力相比,在-1.6~0 GPa的残余压应力状态下,样品表面压痕硬度最大升高了9.5%;对样品通入一定电流后,无残余应力样品的表面压痕硬度可下降约6%,有残余应力样品的表面压痕硬度可下降约13%。对-1.6~1.6 GPa不同残余应力状态的4H-SiC表面压痕硬度进行了有限元模拟分析,发现在0~1.6 GPa的残余拉应力最多可以使晶片表面压痕硬度下降5.8%。研究获得了4H-SiC表面残余应力、电场等条件与其压痕硬度的映射关系,为通过调控残余应力和施加电场降低工件表面硬度提供了理论依据。

本文结合计算流体力学(CFD)实验与模拟,对垂直热壁晶圆高速旋转CVD设备中SiC的同质外延生长机制进行研究,探讨了晶圆表面C/Si比对外延生长速率及载流子掺杂浓度的影响。结果表明晶圆表面上方碳原子对硅原子的摩尔比(记为有效C/Si比)与气体进口处C/Si比存在偏差。这一差异主要来自于气相传输过程中反应组分的重新分布,以及反应前驱体在气体进口处和/或热壁上的寄生沉积。研究了有效C/Si比对生长速率和掺杂浓度的影响,结果表明,外延生长速率、载流子掺杂浓度及其均匀性主要受到表面C/Si比而非进口处C/Si比的影响。通过优化生长条件,实现了高质量的6英寸(1英寸=2.54 cm)外延片生长,其厚度和掺杂浓度均匀性分别为1.15%和2.68%。在此基础上,获得了同等质量的8英寸SiC外延层,并实现了超过50 μm厚的SiC外延层快速生长。

针对双板结构在质量-空气-质量共振频率处隔声性能不足的问题,设计了一种由内含多孔衬里的穿孔夹层板与均质板组成的双层板型声学超材料,并采用有限元法计算了结构的法向传声损失。结果表明,当多孔衬里穿孔夹层板的谐振频率被调谐到双层板的共振频率时,结构在高频范围保持传统双板结构优异隔声性能的同时,明显改善了由质量-空气-质量共振引起的传声损失下降。通过对比穿孔夹层板与无孔夹层板的吸声系数和传声损失,发现双层板型声学超材料优异的传声损失来源于穿孔夹层板的吸声性能,并通过改变吸声频率、吸声特性对此做了进一步验证。

管道系统广泛应用于工业领域,为有效控制管道中的振动,本文设计了一种安装单自由度谐振器的周期管道结构,研究了弯曲波的传播特性。采用传递矩阵法结合Bloch定理推导出传输常数和频率之间的色散关系,并通过有限元仿真验证了能带结果。结果表明,在0~250 Hz存在3个禁带和3个通带,其中第一通带频率范围非常窄,而第二和第三通带频率范围较宽。为了分析管道参数对振动传递特性的影响,采用控制变量法分别对单胞长度、管厚和内径尺寸等进行了参数分析。结果表明,单胞长度的增加会缩小带隙宽度,而管厚和内径尺寸的增加则会扩大带隙宽度。最后,为实现对通带宽度的控制,引入单自由度谐振器,对特定通带进行有效控制,并通过有限元分析确定谐振器的最佳安装位置。结果表明,谐振器对通带宽度具有显著的缩减效果。研究结果为管道结构振动控制提供了理论支持,并可应用于低频振动隔离设计中。

BGO晶体通常需要通过切割、磨削等粗加工步骤制作磨砂面以提升元件性能,其粗加工过程中划痕缺陷的提取和预检对后续晶体元件的质量评估极为重要。然而,传统工业机器视觉算法难以精细分割晶体粗加工磨砂面上的弱划痕,极大地影响了后续晶体品质的检测效率。针对磨砂面弱划痕难以精确分割的难题,本文采用了一种改进的U-Net 深度学习算法,该算法在U-Net基础结构中嵌入了轻量级CBAM注意力机制,提升网络对浅划痕特征提取和细节恢复能力;同时采用Copy-paste数据增广方法,提升算法模型的泛化性;另外为了缓解样本中前景背景不平衡带来的消极影响,采用Dice Loss、Focal Loss复合损失函数。实验表明,本文算法对于晶体粗加工磨砂面的弱划痕能有效进行精确分割,并且其平均交并比Miou为85.2%,准确率为95.4%,相较于传统工业机器视觉算法有明显提升。此外该算法一定程度上解决了弱划痕的误分割与欠分割现象,能对粗加工过程中的晶体进行划痕缺陷预先检测,减少后续不必要的工艺和质量评估步骤,同时整体提高工业晶体产品的生产效率。

CsPbX₃中的毒性元素Pb限制了其在太阳能电池领域的广泛应用,采用Pd金属元素掺杂替代Pb是降低毒性的一种有效方案,同时还可调控其光电性能。本工作采用第一性原理计算方法,对能带结构、态密度、电子局域函数进行计算,分析了Pd掺杂对CsPbX₃(X=Cl,Br,I) 结构和电子性质的影响。结果表明,Pd掺杂能形成稳定的结构,带隙值随Pd浓度增加而降低,特别是<100>取向的掺杂对带隙值的降低最明显。Pd与Pb和X的d-p杂化增强了电子局域化,形成局部势阱,提升了材料的光吸收和光电转换效率,尤其在600 nm以上可见光区域。本工作对于新型钙钛矿太阳能电池材料的设计与制备,具有一定的理论指导意义。

运用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了Si掺杂锐钛矿相TiO₂(A-TiO₂)的电子结构和光学性质,以及应变对Si掺杂体系光学性质的调控。研究结果表明: Si掺杂形成的两种替位式缺陷中,Si_Ti缺陷不能有效改善TiO₂的光学性能,而Si_O缺陷的引入提高了掺杂体系对可见光区和红外光区光子的吸收,并且其光学吸收谱的吸收边发生了红移;光学性质的改变与掺杂体系的电子结构密切相关,Si_Ti缺陷对TiO₂电子结构的影响较小,而Si_O缺陷引入的杂质能级属于浅受主能级,该杂质能级的出现使掺杂体系的复介电函数在低能区有了很大的提升,促进了Si_O体系对低能区光子的吸收和光电转换效率,使Si_O体系的光催化特性有所增强。此外,光学性质还与Si_O的掺杂浓度有关,在108个原子的TiO₂超晶胞中均匀掺杂4个Si_O,体系的光学性质最好,此时对应的掺杂浓度为3.7%。2%拉伸应变进一步增大了该体系对可见光区和红外光区光子的吸收,因此在2%拉伸应变下,Si_O均匀掺杂浓度为3.7%的体系具有更好的光电转换效率和光催化活性。

具有铁电和铁磁性质的二维多铁材料在下一代存储和自旋电子器件中具有重要应用。单层TiOCl₂具有潜在的铁电性,但因Ti离子具有3d⁰电子结构而表现出较弱的磁性,为了提升铁磁性,本文对V和Cr原子掺杂的单层TiOCl₂进行多铁性能的第一性原理研究。结果表明,V离子双位点掺杂时,更容易形成相距较远的结构分布,电子结构呈现反铁磁耦合,并保持系统的较高铁电极化强度。Cr离子双位点掺杂时,通过对自旋电荷密度和Bader电荷的分析,发现两个Cr离子会形成Cr—O—Cr的最近邻铁磁耦合,单层TiOCl₂实现较强铁磁性和高铁电极化的共存,带隙也因掺杂Cr呈现减小的趋势,这些发现为实现TiOCl₂单层的多铁性行为提供了参考。

本文采用第一性原理计算,系统地研究了Heusler合金Mn₂CoAl块体的磁性及Mn₂CoAl(100)表面的原子弛豫、磁性、电子结构和表面原子极化行为。原子弛豫计算显示,MnAl端面呈现层间差异化位移特征,第一层Mn原子向端面内部弛豫而Al原子向真空层外移,第二层原子均向真空层移动,第三层原子则呈现内缩趋势;其余三种MnCo、MnMn和CoCo端面则表现出相似规律,其三层原子均向真空层外略微移动,四种端面的整体结构均未发生显著形变。在Mn₂CoAl(100)不同原子端面中,MnCo和CoCo端面的半金属带隙被表面态破坏,而MnAl和MnMn端面未受到表面态的明显影响,半金属带隙较大,分别保留了约92%和80%的极化率,预测其在隧道异质结中可能具有较好的应用潜力。

通过高温固相法合成了Li₂Mg₃TiO₆：Eu³⁺红色荧光粉。采用X射线衍射仪(XRD)对物相结构进行分析;扫描电子显微镜(SEM)对微观形貌进行表征;荧光光谱仪(PL)对粉体进行光学性能测试。结果表明:Eu³⁺掺入后Li₂Mg₃TiO₆晶体结构没有发生改变;样品颗粒分布均匀,平均粒径尺寸为2.8 μm;Li₂Mg₃TiO₆：Eu³⁺的最佳激发峰位于398 nm,最强发射峰位于617 nm,最佳掺杂浓度为7%。样品具有良好的热稳定性,在500 K时,发光强度可保持初始强度的60%,与市售荧光粉按照一定比例组合封装得到发光二极管(LED)器件,器件色坐标为(0.327 4,0.338 8),显色指数为80,Li₂Mg₃TiO₆：Eu³⁺红色荧光粉可应用于近紫外激发的白光LED器件中。

通过高温固相法在空气气氛下合成了SrAl₂O₄：x%Tb³⁺(SAO：Tb,x=0.3, 0.5, 1.0, 2.0, 3.0)、SrAl₂O₄：1.0%Tb³⁺, y%Dy³⁺(SAO：Tb/Dy, y=0, 0.5, 1.0, 3.0, 5.0)系列余辉发光材料。XRD图谱和SEM照片显示已经获得纯相系列样品。SAO：Tb的激发光谱、发射光谱及余辉衰减曲线证明当Tb³⁺掺杂浓度为x=1.0时余辉性能最佳。在SrAl₂O₄：1.0%Tb³⁺基础上进行了Dy³⁺共掺杂实验,样品具有更好的余辉性能。SAO：Tb/Dy系列样品的激发和发射光谱强度变化说明在此材料中可能存在能量传递(ET)过程。余辉衰减曲线进一步验证了Dy³⁺共掺杂后,材料的陷阱数目增多。对比共掺杂Dy³⁺的热释发光曲线强度进一步说明了材料中陷阱数目由于Dy³⁺的掺入而增加,同时,共掺Dy³⁺后,陷阱1和陷阱2的能级差缩小,从而更易释放更多电子。通过对灯具表面温度分析,结合热释发光曲线,Dy³⁺掺入后,SAO：Tb荧光粉陷阱2的电子释放温度由117 ℃减小到97 ℃,使其所有被俘获的电子均能依靠吸收灯具热量释放,从而将部分热辐射转换为可见光,因此,SAO：Tb/Dy荧光粉不仅在制备方面可脱离还原气氛,在降低照明能耗、减小灯源热辐射方面也有潜在应用价值。

本文以十六烷基三甲基溴化铵为络合剂,采用水热法合成CaMoO₄基质及CaMoO₄：xDy³⁺(x=0.01~0.05)和CaMoO₄：0.03Dy³⁺/ySm³⁺(y=0.01~0.05)系列荧光粉,研究了Dy³⁺单掺、Dy³⁺/Sm³⁺共掺杂对样品结构、形貌及发光性能的影响。研究结果表明,Dy³⁺单掺、Dy³⁺/Sm³⁺共掺杂均未改变CaMoO₄的四方晶相结构,但晶胞参数均有所下降;所有样品的微观形貌均为椭球形。在353 nm的光激发下,CaMoO₄：xDy³⁺荧光粉的最强发射峰位于575 nm处,属于Dy³⁺的⁴F_9/2→⁶H_13/2电偶极跃迁,且其最佳掺杂摩尔浓度为x=0.03;在298 nm光激发下,CaMoO₄：0.03Dy³⁺/ySm³⁺荧光粉中Sm³⁺荧光猝灭摩尔浓度为y=0.03,通过CaMoO₄基质能量传递得到稀土Dy³⁺和Sm³⁺的本征发射,同时观察到Dy³⁺向Sm³⁺能量传递;在405 nm的光激发下,CaMoO₄：0.03Dy³⁺/ySm³⁺(y=0.01~0.05)的CIE色坐标由青色区变到白光区,且CaMoO₄：0.03Dy³⁺/ySm³⁺(y=0.03~0.05)荧光粉表现出白光发射。因此,Dy³⁺/Sm³⁺共掺杂CaMoO₄荧光粉是一种具有潜在应用价值的单一基质白光LED荧光粉。

采用高温固相法合成了系列Tb³⁺、Sm³⁺单掺及Tb³⁺/Sm³⁺共掺杂的KSrGd(WO₄)₃荧光粉,并通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、激发光谱和发射光谱对合成荧光粉的结构、发光性能及能量传递机理进行了深入研究。在260和405 nm波长激发下,Tb³⁺和Sm³⁺各自发出较强的绿色光和橙红色光,二者的最佳掺杂浓度分别为 0.7和0.08,此后,在浓度猝灭效应的影响下,Tb³⁺和Sm³⁺的发光强度均呈现逐渐下降的趋势。在KSrGd(WO₄)₃：xTb³⁺和KSrGd(WO₄)₃：ySm³⁺样品中,激活剂离子间的能量传递类型分别为电偶极-电四极、电偶极-电偶极作用。在KSrGd(WO₄)₃：Tb³⁺荧光粉中,当掺入Sm³⁺后,在发射光谱图上,既出现了Tb³⁺的特征发射峰,也观察到了Sm³⁺的特征发射峰,而且随着Sm³⁺掺杂浓度的增加,Tb³⁺的发光强度渐渐变弱,Sm³⁺的发光强度却逐渐增强。实验结果表明Tb³⁺/Sm³⁺掺杂的KSrGd(WO₄)₃荧光粉中不仅存在WO^2-₄基团向Tb³⁺、Sm³⁺的能量传递,也存在Tb³⁺向Sm³⁺的能量传递, Tb³⁺荧光寿命实验也证实了Tb³⁺向Sm³⁺的能量传递。通过CIE色坐标计算,随着Sm³⁺共掺杂浓度的增加,荧光粉的发光颜色从绿色逐渐向橙红色方向移动,实现了荧光粉的发光颜色可调,因而,合成的荧光粉在近紫外激发的白光发光二极管中具有潜在的应用价值。

以4-氨基-2,6-二甲氧基嘧啶(amp)、有机多胺N-(2-氨基乙基)-1,3-丙二胺(L1)、(二(3-氨基丙基)胺(L2)和铜盐为原料,采用溶剂法自组装合成两种新型铜(Ⅱ)配合物,即[Cu(amp)Lx](ClO₄)₂(x=1,2)。采用元素分析、红外光谱、紫外光谱、粉末X射线衍射,以及扫描电子显微镜等手段对产物进行结构表征。利用单晶X射线衍射法首次解析了[Cu(amp)L2](ClO₄)₂的晶体结构,结果表明其为单斜晶系,P2₁/c空间群,a=1.207 90(12) nm,b=1.327 91(13) nm, c=1.390 39(14) nm,a=90°,b=90.056(3)°,γ=90°。荧光光谱表明,配体amp发射波长为387 nm,有较强的荧光值;但与有机多胺及铜(Ⅱ)配位后,出现了显著的荧光淬灭现象,说明amp与有机多胺(L1,L2)具有潜在铜离子荧光探针功能。同时,采用琼脂平板扩散法研究了铜(Ⅱ)配合物体外抑菌活性,结果表明它们对受试微生物具有很好的抑菌作用。

本文以3,6-二-2-吡啶基-1,2,4,5-四嗪(DPTZ)和4,4′-氧化二苯甲酸(H₂OBA)作为双配体,分别与Co(II)离子和Cd(II)离子在溶剂热条件下反应,得到配合物[Co(OBA)(DPTZ)]·(DMF)_0.5 (1)、[Cd(OBA)(DPTZ)]·(DMF)_1.5 (2)。通过单晶X射线衍射、X射线粉末衍射、元素分析和热重分析等方法对配合物的结构进行了表征和分析,晶体结构分析表明配合物1和2同构,都属于单斜晶系,空间群为P2₁/c,每个不对称单元由1个金属离子(Co/Cd)、1个3,6-二-2-吡啶基-1,2,4,5-四嗪配体和1个4,4′-氧化二苯甲酸配体组成。每个中心金属离子(Co/Cd)具有扭曲的八面体构型,两个相邻的金属离子(Co/Cd)与羧酸配体连接,形成双核风车次级结构单元。双核风车次级结构单元与OBA配体和DPTZ配体连接构成了具有无限延展的波浪形二维层状结构。由于V型配体OBA作为柔性配体的引入,结构中形成了左手和右手的螺旋链及螺旋孔道。磁性研究结果表明,配合物1中存在反铁磁相互作用。

为了探究无机电解质水溶液的微观结构与析出晶体之间的关系,本文对高浓度氯化钠水溶液进行了分子动力学模拟研究,并结合低浓度氯化钠水溶液及氯化钾水溶液的结果进行了讨论。离子团簇的分析结果表明电解质水溶液析出的晶体在组成和几何关系上都与溶液中的离子团簇是对应的,说明溶液能够析出的晶体的组成方式和几何结构已经存在于母相溶液之中,析出的晶体与溶液的微观结构具有对应关系。径向分布函数、离子间距和瞬态图像的结果显示,高浓度氯化钠水溶液中只存在着直接接触离子对和部分间隔离子对,分别对应于Na⁺-Cl^-径向分布函数上的第一峰和第二峰。与低浓度氯化钠水溶液相比,直接接触离子对的比例显著提高,而部分间隔离子对的比例则大幅下降,完全间隔离子对消失,表明溶液中离子间的结合方式会随浓度发生转变;离子间结合方式的变化是导致溶液微观结构及所析出晶体结构变化的原因。溶液中水分子构成的纯水团簇和Na⁺与Cl^-构成的离子团簇的存在,说明高浓度的氯化钠水溶液中具有自聚集效应。本文的结果将为溶液析晶与结晶过程的理解及溶液微观结构的认知提供启发。

电化学氮气还原反应(ENRR)是替代Haber-Bosch工艺合成氨的可持续发展技术之一,其核心问题是寻找高催化活性和高选择性的稳定电催化剂。过渡金属氮氧化物(TMNO)表面遵循Mars-van Krevelen(MvK)机理路径进行合成氨反应,表现出比传统缔合机理更有利的N₂吸附和活化,其设计双位点活性催化剂成为高效催化研究的热点。本文选用具有最佳ENRR表现的双位点MoTiNO作为基底,通过密度泛函理论(DFT)计算方法负载Ni构建了Ni-MoTiNO 结构作为电化学N₂还原催化剂,进行了结构稳定性、双位点吸附行为、基于原子氢(^*H)迁移辅助MvK机理的ENRR催化活性和电子性质分析四方面的研究。计算结果表明,Ni-MoTiNO表面的双位点(Ni和Nv)协同作用既促进了^*H迁移,又有效打破了ENRR中^*N相关中间体吸附能力和产物脱附能力的线性比例关系。实验证明,合成的Ni-MoTiNO能够有效实现NH₃合成并具有较高的选择性。

本研究结合多孔衬底技术和应力调控策略,成功突破异质外延GaN单晶生长中的位错延伸与应力控制难题,制备出直径4英寸(1英寸=2.54 cm)的高质量GaN单晶。经切割、倒角、研磨及化学机械抛光等加工后,获得厚度500 μm的无损伤、超光滑4英寸自支撑GaN单晶衬底。该衬底兼具优异的结晶质量与出色的力学稳定性,表面无裂纹,应力分布均匀;阴极荧光光谱(CL)表征位错密度为9.6×10⁵ cm^-2,高分辨X射线衍射(HRXRD)(002)面摇摆曲线半峰全宽低至57.91″;原子力显微镜(AFM)测得表面粗糙度Ra<0.2 nm,呈现原子级平整表面。制备的衬底开盒即用,能够满足蓝绿激光器及电力电子器件的需求。