彩色人工金刚石因绚丽多变的颜色、卓越的物理化学性能、优异的光学特性及可控的制备成本，在高端饰品、精密光学器件、量子科技和超宽禁带半导体等领域展现出巨大应用潜力。通过先进的制备技术，彩色人工金刚石被赋予丰富色彩，其呈色原理与天然钻石有本质区别，核心在于对晶体中缺陷的精准设计与调控。这种缺陷调控不仅实现了金刚石颜色的多样呈现，更将彩色金刚石的应用从传统的珠宝首饰领域，拓展至一系列前沿高科技领域。本文系统综述了彩色人工金刚石的致色原理、制备技术及应用研究现状，分析了特定颜色金刚石制备的技术路径和掺杂机制，探讨了其在珠宝市场的发展态势，同时深入研究了彩色金刚石在量子传感、超宽禁带半导体、电化学等前沿领域的应用现状与未来发展前景。

在“双碳”背景下，直接乙醇燃料电池（DEFCs）因高效、低污染而被广泛关注。DEFCs在能量转换过程中严重依赖催化剂的效能，其阳极催化剂易因中间产物累积、吸附而失活，合理的结构设计可大幅度提高催化材料的催化活性，实现催化材料的高效利用。基于此，本文从Pd基阳极催化剂构建策略出发，明确将当前DEFCs 中的阳极催化剂设计理念归为3类，即基于材料结构的形貌调控设计、基于活性位点的电子态调变设计与基于载体与界面工程的协同优化设计，并系统对比了酸性与碱性介质中Pd基催化剂的性能差异与设计策略。同时，结合其在乙醇氧化中展现出的优异催化性能，进一步剖析了中毒中间体的控制，并将其可归纳为3个阶段：1）C—C键断裂路径调控——中毒前体消除；2）d带中心调控——中毒物种吸附弱化；3）OH_ads供应强化——氧化去除加速。此外，本文将催化剂稳定性作为核心科学问题，系统梳理了Pd基催化剂的主要失活机制（Pd溶解、Ostwald熟化、载体腐蚀、中间体强吸附等）及相应的设计对策。针对当前Pd基阳极催化剂的研究，应在重点解决催化剂稳定性瓶颈的基础上，加快机器学习辅助设计步伐，结合原位表征技术来进行催化机制探索与解析，进一步从组分、结构、载体等多个维度进行协同优化，逐步攻克高效稳定Pd基催化剂的宏量和可控构筑。

BPO₄晶体具备极短的紫外（UV）截止边和较强的粉末倍频（SHG）效应，并且物化性质稳定，在非线性光学（NLO）材料领域具有重要的研究价值。本研究采用Li₂O-B₂O₃助熔剂，通过顶部籽晶（TSSG）法生长了BPO₄单晶，并对晶体结晶质量、光学和力学性能进行了系统研究。该助熔剂体系挥发度小，高温下溶液澄清透明，有助于实时观察晶体的生长过程。生长出的晶体的摇摆曲线半峰全宽（FWHM）为0.008°，说明在该助熔剂体系下生长出了质量良好的BPO₄晶体。对BPO₄晶体的拉曼及红外光谱进行了详细分析，透过光谱显示晶体的紫外及红外截止边分别为133和4 270 nm。采用纳米压痕技术研究了晶体的力学性能，测得BPO₄晶体硬度约为12.75 GPa，折合模量约为153.37 GPa，表明BPO₄晶体具有较好的力学稳定性。综上所述，Li₂O-B₂O₃助熔剂挥发度小，溶液透明度高，适用于BPO₄晶体生长；BPO₄晶体具有极短的紫外截止边、较宽的光谱透过范围及较好的力学性能，是一种有潜力的深紫外非线性光学材料。

氟化钙（CaF₂）晶体，因具有低折射率、高抗激光损伤等性能，被广泛应用于消色差透镜和高功率激光系统，特别是在深紫外波段的高透光性，使其成为深紫外（DUV）光刻机不可替代的透镜材料。本研究采用坩埚下降法制备了?320 mm的大尺寸CaF₂晶体，并对晶体的力学性能、热学性能及光学质量进行了表征与分析。结果表明，生长的CaF₂晶体（111）晶面的剪切断裂强度为9.2 MPa、弯曲断裂强度为60 MPa，（110）晶面的维氏硬度比（111）晶面的维氏硬度实验结果要高7.69%，晶体内部应力条纹分布相对均匀；148 mm×148 mm×60 mm规格的CaF₂晶体应力双折射均值为0.8 nm/cm，?150 mm CaF₂晶体的光学均匀性PV值为0.579×10^-6，室温下190~800 nm波段透过率在90%以上。

InSb晶体作为一种重要的III-V族窄带隙化合物半导体材料，在红外探测与成像、磁阻传感及高速电子器件等领域具有广泛应用。为进一步探索InSb晶体物理性能的多样性，本文致力于研究该晶体在热电转换领域的应用潜力。本工作采用坩埚下降法分别生长了InSb、In_0.99Cd_0.01Sb、In_0.9Cd_0.1Sb三种晶体。拉曼光谱分析表明，随着Cd掺杂浓度的增加，InSb晶体的本征峰发生了红移。Cd掺杂导致晶体导电类型由N型转变为P型，这主要归因于Cd取代In位引入了更多空穴载流子。通过Cd元素掺杂，InSb样品在最高温723 K时的热电功率因子从8.8 μW·cm^-1·K^-2提升至12.7 μW·cm^-1·K^-2。此外，由于Cd元素引入缺陷散射，样品热导率随Cd掺杂浓度升高出现显著下降，In_0.9Cd_0.1Sb晶体的室温热导率降低至8.8 W·m^-1·K^-1，在723 K时低至3.4 W·m^-1·K^-1。In_0.9Cd_0.1Sb晶体在723 K时热电优值zT取得最大值0.19。力学测试表明，Cd掺杂浓度升高会导致晶体最大压痕深度减小，硬度从2.95 GPa提高到3.15 GPa，弹性模量从56.36 GPa提高到73.54 GPa。本工作说明Cd掺杂InSb晶体在中温区具有潜在的热电应用价值。

本文采用物理气相传输法生长AlN单晶，对其进行高温退火处理，通过调节高温退火时间、温度等条件，获得在深紫外波段具有高透过性能的AlN单晶，同步开展表面形貌、结晶质量及光学性质的表征。结果表明，高温退火工艺可有效降低AlN晶体的缺陷密度，进一步提升AlN晶体的结晶质量，（0002）面摇摆曲线的半峰全宽可由91.2″降低至28.5″。然而，退火温度过高（1 900 ℃）会导致晶片表面出现热腐蚀形貌，深紫外及可见光区域均无光学透过性能。高温退火工艺对AlN晶片中心无色区域的光学性质无明显影响，对边缘有色区域光学透过性能提升显著。与未处理的AlN晶片相较，7 h、1 800 ℃退火工艺对光学性质的提升效果最为显著，在265 nm处的透过率由23.59%提升至48.61%，吸收系数由45.26 cm^-1降低至22.59 cm^-1。本研究对AlN基光电器件的性能提升具有一定的理论指导。

本文围绕2英寸（1英寸=2.54 cm）氮化铝（AlN）单晶的应力调控、热键合工艺及高质量厚晶生长开展计算仿真和单晶生长研究。精准揭示了不同衬底材料对AlN单晶施加的降温热应力机理，阐明金属衬底特性与晶体残余应力的内在关联，为AlN单晶生长的衬底筛选提供理论支撑；在此基础上基于仿真模拟技术，创新实现了2英寸AlN低应力热键合工艺，解决了AlN籽晶高温热键合面临的应力开裂难题；同时，结合仿真与结构优化设计成功突破厚晶生长技术，制备出厚度达10.8 mm的2英寸高质量AlN单晶，晶片（002）高分辨X射线衍射（HRXRD）摇摆曲线半峰全宽低至51.67″。

基平面位错是影响4H-碳化硅（SiC）晶体质量及其器件性能的重要缺陷。为探究籽晶离轴角度对顶部籽晶溶液法4H-SiC晶体生长中基平面位错分布的影响，本文通过构建全局传热、三维热弹性应力分析与Alexander-Haasen位错演化的多物理场耦合模型，系统地研究了不同离轴角度（0°、4°、60°、90°）下晶体中剪切应力及基平面位错的分布规律。结果表明，正轴（0°）生长时晶体剪切应力与基平面位错最低且呈现六重对称分布；随着离轴角度的增大，剪切应力逐渐转变为四重对称分布，高应力区域集中在晶体边缘。同时，基平面位错密度随离轴角度的增加而显著上升，离轴角度较大（60°、90°）的基平面位错密度比离轴角度较小（≤4°）的情况提高了两个数量级，说明采用小离轴角度籽晶生长4H-SiC晶体可以有效抑制基平面位错的产生。本研究揭示了籽晶离轴角度-应力场-基平面位错的关联机制，为制备低缺陷密度的4H-SiC单晶提供了理论依据与工艺指导。

在全球“碳达峰”和“碳中和”目标的推动下，光伏产业已成为能源转型的关键领域，其中晶硅电池占据光伏市场95%以上的份额。然而，市面上的晶硅切削液存在硅粉分散排泄不足、润滑性欠佳、循环利用性弱等缺点，严重影响了晶硅的表面精度，阻碍了光伏行业的发展。本文旨在克服上述不足，探究离子液体改性切削液对晶硅表面质量的影响。实验结果表明，向市售切削液中添加1%（质量分数）1-甲基-3-辛基咪唑氯盐（［OMIM］Cl）离子液体的改性切削液性能最好，其pH值为6.26，黏度降至64.39 mPa·s，表面张力低至24.07 mN/m，表面接触角最小，润湿渗透能力最强，与市售切削液相比，摩擦系数降低约60%，磨损量减少26.1%，在降低摩擦与提升晶硅表面质量方面表现良好，具有广泛应用前景。

针对传统Mn⁴⁺掺杂多晶氧化物荧光粉体面临的严重热猝灭瓶颈，本研究采用提拉法生长了新型Mn⁴⁺∶K₂Ge₄O₉（Mn∶KGO）单晶。结合密度泛函理论（DFT）计算，揭示了该体系中格位依赖的双重热猝灭机制：占据Ge1位点的Mn⁴⁺受宇称选律制约，触发了载流子自电离过程；而占据主发光中心Ge2位点的Mn⁴⁺与价带发生强烈共价杂化，迫使电荷迁移态能量显著下移。研究表明，相较于多晶粉体，单晶的连续晶格结构有效阻断了非辐射跃迁通道，将热猝灭温度提升了6.2 ℃，内量子效率实现了44%的大幅跃升，达到48.3%。器件应用评估显示，将该单晶集成于白光发光二极管（LED）封装后，系统的显色指数提升7.5，相关色温降低逾2 000 K，成功驱动了冷白光向暖白光的转变；同时，该系统的664 nm的深红光发射光谱与植物光敏色素的特征吸收带高度契合。本研究开发了低熔点Mn⁴⁺掺杂氧化物晶体，为大功率固态照明及植物生长照明应用提供了极具潜力的单晶红光材料。

氧化钇（Y₂O₃）透明陶瓷的高熔点使其通常需要依赖高活性粉体工程或先进烧结技术实现低温致密化。本研究提出一种简便、低成本的草酸液相前处理策略，用于高效活化商业Y₂O₃粉体，并结合真空无压烧结，在低温条件下制备高性能Y₂O₃透明陶瓷。草酸处理不仅能有效去除粉体表面吸附杂质，显著细化粉体并改善其分散性，还可通过络合-分解过程在原粉中引入大量30~50 nm的纳米Y₂O₃颗粒，从而大幅提升烧结活性。在真空无压烧结中，经草酸处理的2%（原子数分数）ZrO₂掺杂Y₂O₃陶瓷致密化温度降低约100 ℃，在1 700 ℃保温5 h即可实现接近完全致密，且显微结构均匀。最终该陶瓷在1 750 ℃烧结后，样品厚度为1 mm时，于600 nm波长处直线透过率最高达75.8%，表现出优异的光学性能。本研究为基于商业粉体，通过简单化学处理实现高熔点氧化物陶瓷的低温、低成本致密化提供了一条有效途径。

针对β-Ga₂O₃在光催化中因载流子复合率高及宽带隙引起的响应光谱窄的问题，本研究通过第一性原理计算探究了金属Zn、Cd、Hg掺杂对β-Ga₂O₃电子结构、光学性质及催化稳定性的影响机制。结果表明，三种金属掺杂体系均满足光催化水解的能级匹配条件，其中Zn掺杂体系的电子-空穴相对有效质量比（m_{\mathrm{e}}^{\mathrm{*}}/m_{\mathrm{h}}^{\mathrm{*}}）高于Cd、Hg掺杂体系，更利于光生载流子的空间分离与迁移。形成能计算显示，在富氧环境下Zn掺杂优先占据Ga（1）晶格位点，其形成能远低于Cd与Hg掺杂体系，表明Zn掺杂β-Ga₂O₃具有最优的结构稳定性。光吸收谱分析表明，材料光吸收能力呈现各向异性，其中在［001］晶向上光吸收系数明显高于［100］和［010］晶向。Zn、Cd、Hg掺杂大幅提高了β-Ga₂O₃在红外区的光吸收能力。综上，三种金属掺杂中，Zn掺杂可作为首选杂质，该结果为高效光催化剂设计提供了理论参考。

针对M₂SnC（M=Ti、V、Hf、Zr）中Sn空位形成及其对力学性能影响规律尚不明确的问题，本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，对Sn空位的形成能、结构稳定性及其对力学性能的影响进行了系统研究。结果表明，M₂SnC中Sn空位的形成能均低于M空位与C空位，表明Sn空位更易形成。其中，V₂SnC中Sn空位形成能最低，Zr₂SnC中Sn空位形成能最高。形成焓计算及弹性常数分析表明，引入Sn空位后结构仍保持热力学稳定性与力学稳定性。力学性能分析发现，Sn空位对不同M₂SnC相的影响呈现明显的差异，引入Sn空位后Ti₂SnC、Hf₂SnC和Zr₂SnC的体积模量、剪切模量及弹性模量均有所下降，而V₂SnC的剪切模量与弹性模量则均有所提高，这可能与空位诱导的局域键合重构有关。MAX相是一类三元层状碳化物/氮化物陶瓷材料，研究结果对MAX相中A空位的构筑与调控提供了理论依据。

本文采用固相烧结法制备了0.95（Bi_0.5Na_0.5）_0.94Ba_0.06TiO₃-0.05Sr_0.7M_0.2TiO₃（M=Bi、Sm、La、Gd，BNBT-SMT）陶瓷储能材料，针对其晶体结构、介电温谱、铁电性能及储能性能展开研究。XRD结果表明，所有陶瓷样品在经过1 125 ℃烧结后均呈现单一的钙钛矿结构。介电温谱结果表明，所有陶瓷样品均呈现出弛豫铁电体的典型特征。掺杂Sr_0.7M_0.2TiO₃后，样品的电滞回线曲线形态呈明显的演变趋势，其形状逐渐由较为宽阔且饱和极化值较大的“宽胖型”特征，向更为细窄、剩余极化强度较小且矫顽场强相对较低的“细长型”转变。同时最大极化强度（P_max）得到明显的提高，进而改善了材料的储能性能。当M=Bi且外加电场为4 kV/mm时，有效储能密度达到最佳值W_rec=0.29 J·cm^-3，其对应的储能效率η=51.4%。

为改善TiO₂光阳极的光吸收范围窄、光生载流子复合率高等问题，本研究采用水热法与连续离子层吸附反应法相结合的工艺，成功制备了TiO₂/CdS/α-Fe₂O₃三元异质结薄膜。利用X射线衍射、扫描电子显微镜、紫外-可见光吸收光谱和三电极光电测试系统对所制备光阳极的晶相、微观形貌、光学特性和光电化学性质进行了系统的表征和分析。测试结果显示，TiO₂纳米片表面均匀负载CdS纳米颗粒，α-Fe₂O₃以规整纳米刺形态致密生长于复合体系表面；TiO₂/CdS/α-Fe₂O₃三元异质结薄膜的光吸收边红移至595 nm，较纯TiO₂和TiO₂/CdS二元复合薄膜有显著拓宽，其最大光电流密度达2.37 mA/cm²，分别为纯TiO₂和TiO₂/CdS的24倍和1.9倍。研究表明，TiO₂/CdS/α-Fe₂O₃光阳极的性能提升归因于CdS和α-Fe₂O₃拓宽了TiO₂的光响应范围，以及三者形成了阶梯式能级结构，有效促进光生电子-空穴对的分离与输运，降低载流子复合率。本研究为TiO₂基光阳极的结构优化与性能提升提供了可行方案和实验依据。

本研究采用水热法，通过调控镍钴盐等原料的比例，制备出具有自支撑结构的镍钴硫化物/石墨烯气凝胶（NiCo₂S₄/GA）复合材料。运用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）等表征技术及电化学工作站对复合材料的结构、微观形貌和电化学性能展开研究。结果表明，在反应物摩尔浓度比为1∶1的样品（NiCo₂S₄/GA-1∶1）中，NiCo₂S₄纳米颗粒呈现高密度均匀负载状态且无团聚现象，面积比电阻为1.99 Ω·cm²；在2 A·g^-1的电流密度下循环1 500次后，电容保持率为70.1%。电化学动力学分析表明，NiCo₂S₄/GA-1∶1复合电极表现为由扩散效应主导的赝电容行为，这主要得益于石墨烯气凝胶的多孔结构，以及石墨烯片层在储能过程中对NiCo₂S₄电容效应的优化作用，使二者之间产生了协同效应。因此，NiCo₂S₄/GA-1∶1复合材料作为超级电容器电极材料具有较大的应用潜力。