人工晶体学报

陈根强, 赵浠翔, 于众成, 李政, 魏强, 林芳, 王宏兴

2023, 52(6): 931-944.

摘要 ( 473 )

PDF (13130KB) ( 565 )

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相较于传统的硅材料,宽禁带半导体材料更适合制作高压、高频、高功率的半导体器件,被认为是后摩尔时代材料创新的关键角色。单晶金刚石拥有大禁带宽度、高热导率、高迁移率等优异特性,更是下一代大功率、高频电子器件的理想半导体材料。然而由于可获得单晶金刚石的尺寸较小,且价格昂贵,极大地阻碍了金刚石的发展。历经长时间的探索,异质外延生长技术成为了获得高质量、大面积单晶金刚石的有效手段。本综述从金刚石异质外延的衬底选择、生长机理以及质量改善等方面对近些年来异质外延单晶金刚石的发展进行详细介绍。进一步地,对基于异质外延单晶金刚石的场效应晶体管和二极管的研究进行了总结,说明了异质外延单晶金刚石在电子器件领域的巨大潜力。最后总结了异质外延单晶金刚石仍需面对的挑战,展望了其在未来的应用与发展前景。

终端金刚石能带结构与物理性能的研究进展

乔鹏飞, 刘康, 代兵, 刘本建, 张森, 张晓晖, 朱嘉琦

2023, 52(6): 945-959.

摘要 ( 170 )

PDF (11697KB) ( 190 )

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5G 通信、能源互联网、新能源汽车、量子技术等高精尖领域对半导体的性能提出了新的更高的要求。第四代半导体金刚石因具有优异的物理化学性能被誉为“终极半导体”,被认为是制备下一代高功率、高频、高温及低功率损耗电子器件最理想的材料。而浅n型掺杂的技术瓶颈一定程度阻碍了金刚石半导体应用的发展。表面终端研究为金刚石功能化的发展提供了新的策略,金刚石通过表面终端实现了场效应晶体管、肖特基二极管、日盲紫外探测器、电子发射器件和近表面色心调控等重要应用,而表面终端发挥作用的机理与其能带结构特点密不可分。本文综述了几种常见终端的能带研究方法,分析其能带的结构特点,结合特点介绍其发挥作用的机理,并进行了总结和展望。

确定性固态量子光源基础材料与器件

赵军一, 刘润泽, 楼逸扬, 霍永恒

2023, 52(6): 960-981.

摘要 ( 125 )

PDF (7337KB) ( 103 )

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量子光源是量子通信和光量子计算的基础模块。光子的单光子性保证了通信的无条件安全,光子的高不可分辨性保证了计算方案的复杂度。在各类固态材料候选体系中,基于半导体量子点体系的单光子源和纠缠光子源保持着量子光源品质的最高纪录,展现了巨大的潜力。分子束外延是目前最适合制备固态半导体量子点的生长方法,超高真空、超纯材料、原位监测和生长过程中参数的高度可控等特点使其优势明显。为了实现同时具备高效率、高单光子纯度、高不可分辨性和高纠缠保真度的量子光源,量子点的材料生长、外部调控、钝化技术和测量技术等都需要系统优化提升。本文将综述基于分子束外延生长实现固态量子点体系量子光源的基础材料与器件的研究进展,讨论两种常见量子点的制备原理以及外延生长中各类参数对量子点品质的影响,包括背景真空、源料纯度、衬底温度、生长速率和束流比等。本文随后简介了外部调控、表面钝化、测量技术等手段优化量子光源器件性能的技术细节和实验进展,最后对量子光源在基础科学研究和量子网络构建中取得的进展进行总结,并对其实际应用与发展前景进行展望。

半导体单量子点的分子束外延生长及调控

宋长坤, 黄晓莹, 陈英鑫, 喻颖, 余思远

2023, 52(6): 982-996.

摘要 ( 103 )

PDF (14300KB) ( 78 )

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Ⅲ-Ⅴ化合物半导体外延单量子点具有类原子的分立能级结构,能够按需产生单光子和纠缠多光子态,而且可以直接与成熟的集成光子技术结合,因此被认为是制备高品质固态量子光源、构建可扩展性量子网络最有潜力的固态量子体系之一。本综述的重点是介绍高品质单量子点的分子束外延生长及精确调控的方法。首先介绍了晶圆级均匀单量子点的分子束外延生长,并探讨了调控浸润层态和量子点对称性的生长方法;接下来概述了利用应变层调控量子点发射波长的方法,总结了几种常见的电调控单个量子点器件的设计原理;最后讨论了最近为实现优异量子点光源而开发的液滴外延生长技术。

太阳能电池的电势诱导衰减研究进展

徐晓华, 杨金利, 周春兰, 周肃, 王文静

2023, 52(6): 997-1006.

摘要 ( 88 )

PDF (6902KB) ( 98 )

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在户外长期运行中,不论是晶体硅太阳能电池还是薄膜太阳能电池,都会受到电势诱导衰减(PID)的影响,从而导致太阳能电池组件输出功率下降。尽管前人已经开展了许多研究,但对PID现象的理解及解决方案仍旧不完整。本文主要介绍了晶体硅太阳能电池、薄膜太阳能电池的PID现象成因及相关解决办法,以促进人们对太阳能电池PID现象的深入理解,以期对太阳能电池的稳定性研究提供指导性意见。

切割角蓝宝石基氧化镓薄膜MOCVD外延及日盲紫外光电探测器制备

汪正鹏, 张崇德, 孙新雨, 胡天澄, 崔梅, 张贻俊, 巩贺贺, 任芳芳, 顾书林, 张荣, 叶建东

2023, 52(6): 1007-1015.

摘要 ( 139 )

PDF (7054KB) ( 142 )

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本文使用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)法在不同切割角的c面蓝宝石衬底上外延氧化镓(β-Ga₂O₃)单晶薄膜,揭示了衬底切割角对外延薄膜晶体质量的影响规律。研究表明,当衬底切割角为6°时,β-Ga₂O₃外延膜具有较小的X射线摇摆曲线半峰全宽(1.10°)和最小的表面粗糙度(7.7 nm)。在此基础上,采用光刻、显影、电子束蒸发及剥离工艺制备了金属-半导体-金属结构的日盲紫外光电探测器,器件的光暗电流比为6.2×10⁶,248 nm处的峰值响应度为87.12 A/W,比探测率为3.5×10¹⁵ Jones,带外抑制比为2.36×10⁴,响应时间为226.2 μs。

台阶聚束AlN高温热退火形貌演化研究

聂子凯, 贲建伟, 张恩韬, 马晓宝, 张山丽, 石芝铭, 吕顺鹏, 蒋科, 孙晓娟, 黎大兵

2023, 52(6): 1016-1024.

摘要 ( 97 )

PDF (11260KB) ( 103 )

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本文在具有0.2°至1.0°斜切角的c面蓝宝石衬底上通过金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)生长了台阶聚束表面形貌AlN外延层,并系统研究了高温退火过程中其表面形貌演化规律,且基于第一性原理计算揭示了表面形貌演化背后的物理机制。研究发现,随退火温度逐步升高,AlN外延层台阶边缘首先出现具有六方结构特征的热刻蚀凹坑,随后在台面上形成边缘规则的多边形凹坑,其主要原因是AlN表面台阶边缘处Al-N原子对脱附能量(10.72 eV)小于台面处Al-N原子对脱附能量(12.12 eV)。此外,由于台阶宽度随斜切角增大而变窄,台面处凹坑在扩张过程中易与台阶边缘处凹坑发生合并形成V形边缘,斜切角越大台面上凹坑数量越少。本文阐明了不同斜切角蓝宝石衬底上生长的AlN在高温热退火过程中台阶聚束形貌演变机制,为面内组分调制的AlGaN基高效深紫外LED提供基础。

单晶α-Sn薄膜的外延生长及输运性质研究进展

李秉欣, 丁元丰, 芦红

2023, 52(6): 1025-1035.

摘要 ( 109 )

PDF (16345KB) ( 72 )

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α-Sn(灰锡)是一种重要的拓扑材料,据理论预测,打破α-Sn的对称性可以得到拓扑绝缘体、拓扑半金属等多种拓扑相。目前α-Sn的研究以理论计算和角分辨光电子能谱研究能带结构为主,受限于衬底条件,高质量的α-Sn外延生长及其电输运性质的研究较少。本文结合课题组近几年在α-Sn薄膜外延生长和拓扑输运性质方面的研究进展,系统地综述了高质量单晶α-Sn薄膜的分子束外延生长、电输运的测试方法及拓扑性质的验证。通过对输运性质的研究证实了α-Sn的狄拉克半金属相和自旋极化拓扑表面态,进一步通过改变薄膜厚度和外加应力的方式来实现α-Sn拓扑性质的调控。以上工作不仅为进一步研究α-Sn的拓扑性质提供了重要依据,也为基于α-Sn的新型量子器件研究提供了重要的材料基础。

脉冲激光沉积技术制备超导薄膜的研究进展

林泽丰, 孙伟轩, 刘天想, 涂思佳, 倪壮, 柏欣博, 赵展艺, 张济全, 陈赋聪, 胡卫, 冯中沛, 袁洁, 金魁

2023, 52(6): 1036-1051.

摘要 ( 134 )

PDF (10368KB) ( 153 )

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超导薄膜不仅在超导应用方面扮演着举足轻重的角色,而且是超导机理研究的良好载体,是连接超导应用和机理的桥梁。脉冲激光沉积(PLD)是最常用的超导薄膜制备技术之一。本文综述了PLD技术制备铜氧化物、铁基、氮化物、钛氧化物等超导薄膜的研究进展,并介绍了与高温超导薄膜应用相关的两种PLD新技术:超导带材和大面积薄膜制备。最后,本文介绍了基于材料基因工程的高通量组合薄膜技术在高温超导研究上的典型成功案例。继续发展和使用该实验技术,构建与高温超导相关的高维相图和定量规律,有望实现机理研究实验上从量变到质变的全面突破。

原子层沉积及其在透明导电薄膜领域的研究与应用

段超, 李坤, 高岗, 杨磊, 徐梁格, 浩钢, 朱嘉琦

2023, 52(6): 1052-1066.

摘要 ( 109 )

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集成电路行业器件尺寸不断缩小,表面更复杂,对镀膜提出了更高的要求,而原子层沉积因其保形性和自限制生长的优势而获得了广泛的关注和研究。本文在简要介绍一些常用的镀膜方式基础上,对原子层沉积原理及自限制生长进行了重点介绍。以氧化铟为代表,通过对比分析说明原子层沉积制备薄膜在形貌、成分等方面的优越性,对不同方式制备的常见透明导电薄膜的光电性能进行了总结。详细讨论了原子层沉积的应用范围,包括在大尺寸基底,如大平面和大曲率基底上可以制备高质量薄膜,在小尺寸基底,如粉体、沟槽、微纳结构上仍然有着超高的保形性。最后对原子层沉积制备薄膜的优势进行了总结,对其独特的发展潜力进行了展望。

数值模拟顶部籽晶溶液生长法制备单晶碳化硅的研究进展

隋占仁, 徐凌波, 崔灿, 王蓉, 杨德仁, 皮孝东, 韩学峰

2023, 52(6): 1067-1085.

摘要 ( 317 )

PDF (27931KB) ( 444 )

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宽禁带半导体材料碳化硅(SiC)凭借着其高击穿场强、高热导率、耐高温、高化学稳定性和抗辐射等优异性能,在电力电子器件领域尤其是高温、高频、高功率等应用场景下有着巨大潜力。大尺寸、高质量、低成本的单晶SiC的制备是SiC相关半导体产品规模化应用的前提。顶部籽晶溶液生长(TSSG)法生长的单晶SiC有着晶体质量高、易扩径、易p型掺杂等优势,有望成为制备单晶SiC的主流方法。但目前由于该方法涉及的生长机理复杂,研究者对其内部机理的理解还不够充分,难以对TSSG生长设备和方法进行有效的改进与优化。利用计算机对TSSG法生长单晶SiC生长过程进行数值模拟被认为是对其内部机理探究的有效途径之一。本文首先回顾了TSSG法生长单晶SiC和相关数值模拟分析的发展历程,介绍了TSSG法生长单晶SiC和数值模拟的基本原理,然后介绍了数值模拟方法计算分析TSSG法生长单晶SiC模型涉及的主要模块、影响单晶生长的主要因素(如马兰戈尼力、浮力、电磁力等),以及对数值模型的优化方法。最后,指出了数值模拟方法计算分析TSSG法生长单晶SiC在未来的重点研究方向。

3D集流体在锂金属电池中的应用研究进展

余雷, 王瑞娟, 田俐, 阳立

2023, 52(6): 1086-1099.

摘要 ( 301 )

PDF (24240KB) ( 260 )

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锂金属凭借其质量比容量高、电极电位低,有望成为新一代高能电池体系最有潜力的负极材料之一。然而,在循环过程中不可控的锂枝晶生长、死锂的形成,以及体积膨胀等问题,不仅会降低电池循环过程中的稳定性,甚至引发安全隐患,严重限制了锂金属负极的实际应用。3D集流体在缓解/抑制锂金属负极在循环过程中的体积变化、延缓锂枝晶生长、降低局部电流密度,以及提高库仑效率等方面起着重要作用。然而,在实际过程中,单纯的3D集流体使用性能并不理想,需要对其进一步改性。本文从表面改性(表面包覆、表面掺杂、表面化学处理)和梯度化设计出发,综述了3D集流体在锂金属电池中的应用研究进展,并详细分析了其对锂金属电池的性能影响,最后进行了总结和展望。

二维局域共振周期格栅结构的低频振动带隙特性研究

李文博, 章桥新

2023, 52(6): 1100-1109.

摘要 ( 81 )

PDF (8720KB) ( 18 )

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为了解决周期格栅结构在低频领域的振动问题,基于局域共振机理,本文设计了一种新型复合二维周期格栅结构,结合有限元方法对结构的带隙机理及低频共振带隙特性进行了分析和研究,并在此基础上对结构进行优化设计。分析发现,仅对包覆层结构进行优化,便可大幅降低带隙的起始频率。带隙的位置由对应局域共振模态的固有频率决定,通过改变结构的材料和尺寸参数可以将带隙调节到满足实际工程应用的范围。数值仿真结果与试验测试结果一致,该结构可在40~90 Hz的低频范围打开宽度50 Hz的完全带隙,最大振动衰减达到36 dB。这种结构设计为周期格栅结构获得低频、超低频带隙提供了一种有效的方法,具有潜在的应用前景。

热屏结构对200 mm半导体级提拉单晶硅中氧含量分布的影响

芮阳, 王忠保, 盛旺, 倪浩然, 熊欢, 邹啟鹏, 陈炜南, 黄柳青, 罗学涛

2023, 52(6): 1110-1119.

摘要 ( 137 )

PDF (13228KB) ( 112 )

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半导体级单晶硅是芯片的基础核心材料,其晶体的氧含量分布对晶圆品质有重要影响。通过优化提拉单晶炉的热屏结构可有效控制晶体生长过程中的氧含量分布,但难以通过实验探究其内在影响机制。本文采用ANSYS有限元分析,研究了热屏结构对200 mm半导体级直拉单晶硅氧含量分布的影响。针对一段式、二段式两种典型的商用单晶炉热屏结构,模拟了拉晶初期(300 mm)、中期(800 mm)、末期(1 000 mm)三个等径阶段的温度场、流场分布,固液界面温度梯度及径向氧含量分布。计算结果表明,与二段式热屏相比,一段式热屏的熔体温度场均一性较好,固液界面的温度梯度较小。此外,一段式热屏的氩气流场有利于熔体自由表面上方SiO气体挥发和减弱熔体的剪切对流,使固液界面前端向晶体扩散的氧减少。因此,一段式热屏的固液界面径向氧含量分布均匀性较好且晶体中的氧含量较低。

硫硒元素掺杂金刚石表面的生长位点研究

简小刚, 张毅, 梁晓伟, 姚文山

2023, 52(6): 1120-1127.

摘要 ( 107 )

PDF (5099KB) ( 66 )

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采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了硫(S)掺杂、硒(Se)掺杂以及硫硒共掺杂金刚石基底对化学气相沉积金刚石涂层时的不同活性基团的吸附生长过程,计算分析了三种不同基底对沉积气氛中不同碳氢基团(C、CH、CH₂、CH₃)的吸附能、Mulliken电荷分布和化学键重叠布居数等性质。计算结果表明:硫掺杂模型与C、CH和CH₂之间,硒掺杂模型与C、CH基团之间,硫硒共掺杂模型与C、CH和CH₂之间都通过电荷转移形成了共价键,硫掺杂模型与CH基团以及硫硒共掺杂模型与C基团之间的成键很接近理想金刚石的C—C键,添加硫元素和硒元素可以在原有的金刚石颗粒同质外延生长的基础上增加更多生长活性位点。

蓝宝石晶体湿法刻蚀各向异性研究与机理分析

张辉, 钱珺, 洪莉莉

2023, 52(6): 1128-1135.

摘要 ( 77 )

PDF (18511KB) ( 57 )

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当前蓝宝石各向异性刻蚀规律还没有获得完整揭示,其刻蚀微结构演化过程和形貌结构很难实现准确预测和控制,给蓝宝石衬底图案化结构加工成型和质量控制带来很大的挑战。本研究基于蓝宝石全晶面刻蚀速率实验数据,详细分析了其微结构刻蚀成型过程和刻蚀机理,并对比分析了刻蚀条件对蓝宝石刻蚀微结构和表面形貌的影响规律,实验结果表明:适当提高刻蚀温度可以提高刻蚀效率,但会引起表面质量的下降;以磷酸为代表的弱电解质类作为刻蚀缓冲剂能够有效提高刻蚀结构面质量;(275±10) ℃,98%H₂SO₄∶85%H₃PO₄(体积配比)=3∶1刻蚀溶液可以获得最优的刻蚀速率和表面质量。

AlGaN/GaN纳米异质结构中的二维电子气密度研究

杨帆, 许并社, 董海亮, 张爱琴, 梁建, 贾志刚

2023, 52(6): 1136-1144.

摘要 ( 74 )

PDF (4651KB) ( 52 )

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本文设计了纳米线核壳AlGaN/GaN异质结构,研究了势垒层厚度、Al组分、掺杂浓度对平面和纳米线异质结构中二维电子气(2DEG)浓度的影响规律。结果表明,随着势垒层厚度的逐渐增大,两种结构中2DEG浓度增速逐渐减缓,当达到40 nm后,由于表面态电子完全发射,2DEG浓度逐渐稳定不变。随着Al组分的增加,极化效应逐渐增强,使得两种结构在异质界面处的2DEG浓度都逐渐增加。当掺杂浓度逐渐提高时,两者在异质界面处电势差增大,势阱加深,束缚电子能力加强,最终导致2DEG浓度逐渐增加,当掺杂浓度增加到2.0×10¹⁸ cm^-3后,2DEG面密度达到最大值。与平面结构相比,纳米线结构可以实现更高的Al组分,在高Al组分之下,2DEG面密度最高可达5.13×10¹³ cm^-2,相比于平面结构有较大的提高。

配体引导铜基配合物的合成、表征及催化性能

张银, 于卫东

2023, 52(6): 1145-1153.

摘要 ( 80 )

PDF (7389KB) ( 21 )

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以酰胺类化合物和偶氮化合物为配体制备了五种不同的含Cu/Zn配合物。通过单晶XRD、核磁氢谱等表征确定了配合物的具体结构,结果发现改变合成条件使配合物的构型以及中心金属的价态发生变化。此外,电喷雾质谱测试也证实了不同化合物中金属铜的不同价态。为了探究不同结构对配合物性质的影响,选取硫醚氧化成砜的催化反应作为研究对象,探索出了最优的催化反应条件,同时发现中心金属为Zn的配合物催化效果最佳,在60 ℃条件下反应1.75 h苯甲基硫醚可完全转化为砜,Cu²⁺配合物的催化效率高于Cu⁺的配合物。由此,提出了一个可能的催化反应机理,即氧化剂先与中心金属结合形成过氧配合物,然后再氧化底物形成对应的亚砜或砜。

锂离子电池柔性负极材料CoO纳米线@C/碳布复合材料

望军, 赵雨, 郑毅, 张均, 刘晓燕

2023, 52(6): 1154-1160.

摘要 ( 75 )

PDF (9244KB) ( 15 )

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本文提出了一种简便、可规模化制备CoO纳米线@C/碳布(CC)复合材料的方法,该复合材料可用作无粘结剂锂离子电池负极。首先通过简单的水热和煅烧法制备了CoO纳米线@碳布复合材料,再通过葡萄糖溶液浸渍和煅烧获得具有三维立体结构的CoO纳米线@C/CC复合电极材料。碳包覆的CoO纳米线均匀地分散在碳布上,形成导电的碳网络。在碳布上原位生长的CoO纳米线可以有效缩短锂离子的转移路径,降低接触电阻。碳涂层厚度约为1 nm,显著抑制了锂离子嵌入/嵌出过程中活性材料的粉碎,以及CoO在电解液中的直接暴露。结果表明CoO纳米线@C/CC复合材料用作锂离子电池的无粘结剂负极时,具有良好的充放电性能和循环稳定性。电流密度为1 A·cm^-2时,200次循环后的比容量为863 mAh·cm^-2(容量保持率75.83%)。本研究为柔性锂离子电池负极材料的制备提供了一种可行的新选择。

Gd₂O₃掺杂BiFeO₃陶瓷的漏电流特性及磁性能研究

刘璇, 郭菲菲, 龙伟, 惠增哲, 何爱国, 徐瑰宇

2023, 52(6): 1161-1167.

摘要 ( 54 )

PDF (8819KB) ( 18 )

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本文采用快速液相烧结法制备了Gd₂O₃掺杂BiFeO₃陶瓷,并对陶瓷样品进行了物相、形貌、漏电流特性和磁性能研究。XRD分析结果表明,Gd₂O₃的加入促进了富铋相(Bi₂₅FeO₄₀)的形成且使晶胞体积减小,同时陶瓷的物相由三方相向正交相转变;SEM分析结果表明,Gd₂O₃掺杂能起到细化陶瓷晶粒的作用;电学性能分析表明,陶瓷样品漏电流较大,但Gd₂O₃的掺杂可显著降低陶瓷的漏电流;漏电流特性分析结果表明,陶瓷在低电场下的漏电流特性是欧姆传导机制,在高电场下纯BiFeO₃陶瓷的漏电流特性为肖特基发射机制,但随着Gd₂O₃掺杂量的增加而逐渐变为空间电荷限制电流传导(SCLC)机制;磁性研究结果表明,掺杂引入的磁性Gd₂O₃颗粒均匀分布在陶瓷的晶界处从而显著提高陶瓷磁性能。

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2023, 52(6): 1168-1168.

摘要 ( 38 )

PDF (3283KB) ( 46 )

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