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[博士论文] 王凯
化学工程 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:超疏水表面具有很低的表面自由能,液滴能在表面上形成完美球状,运动性强。当液滴在超疏水表面上合并时,由于合并过程中表面自由能的释放,合并后的液滴会由于过剩的动能而跳离表面,即发生由于合并诱导的液滴弹跳现象。液滴弹跳现象的一个显著特点是,不需要添加外力(场)就能将液滴从超疏水表面移除,在自清洁、防结冰和过程强化等方面具有很好的应用前景。本文结合实验观测、理论分析和数值模拟,系统地研究了超疏水表面上液滴弹跳现象及其影响因素,揭示了液滴尺寸效应和初始液滴排布对液滴弹跳的影响规律;在上述获得的规律基础上,提出利用改变液桥撞击壁面位置的方法来调控液滴弹跳过程,明晰了液桥撞击壁面位置与液滴弹跳速度之间的内在关联。本文主要研究内容如下:
  利用高速显微技术对超疏水表面上液滴合并诱导弹跳过程进行了可视化研究。根据图片序列分析,可以将液滴弹跳过程分为四个阶段,即液桥生长、液桥撞击、三相线收缩和液滴弹跳。研究发现液桥半径与合并时间的平方根成正比,而由于液桥生长过程液面曲率发生转变,比例系数由1.18减小为0.83。在实验考察的液滴半径范围内,液滴的合并过程为惯性力占主导,三相线的收缩动力学是相似的,液滴的弹跳速度则满足毛细力与惯性力相互作用导致的相似律,即无量纲化液滴弹跳速度近似为0.2。
  利用格子Boltzmann方法研究了不同初始液滴半径下液滴弹跳速度的演化规律,获得了超疏水表面上液滴合并机制转变的临界液滴半径(1.3μm)。当初始液滴半径大于1.3μm时,液滴弹跳速度则满足毛细力与惯性力相互作用导致的相似律,即无量纲化液滴弹跳速度近似为0.2;反之,合并过程中粘性力逐渐占据主导,液滴弹跳速度迅速减小,不再遵循上述相似律。
  结合可视化实验和格子Boltzmann方法,考察了初始液滴半径比(小液滴半径与大液滴半径的比值)对液滴弹跳速度的影响规律,获得了超疏水表面上液滴合并后发生弹跳的临界半径比。当液滴合并过程由惯性力占主导时,该临界半径比为0.56;而随着液滴合并过程中粘性力逐渐占据主导,该临界半径比增大,直到等径液滴合并也不发生弹跳。
  以超疏水表面上三液滴合并诱导弹跳现象为例,利用格子Boltzmann方法研究了初始液滴排布对多液滴合并诱导弹跳现象的影响规律。对多液滴弹跳而言,可以将初始液滴排布大致分成两大类:密集型排布和离散型排布。当液滴合并过程由惯性力占主导时,对于液滴密集型排布构型而言,液滴弹跳速度随着排布角度的增加先减小后增大;随着液滴合并过程中粘性力逐渐占据主导,初始液滴排布对液滴弹跳速度的影响可以忽略。相比于液滴密集型排布,液滴离散型排布不利于液滴弹跳的,因为这种排布构型下液滴弹跳速度被削弱。
  结合模型分析、格子Boltzmann模拟和可视化实验,从界面结构效应入手,考察了液桥撞击壁面位置对液滴弹跳速度的影响规律。当液滴在凸起结构上方合并时,凸起结构能够改变液滴在合并过程中的流体动力学,加速液滴收缩其底部固液接触面积,提高动能转化率,促使液滴合并后更快地跳离壁面;当液滴在凹槽结构上方合并时,由于液桥生长阶段延长,延滞了液桥撞击壁面的时间,降低了动能转化率,减小了液滴弹跳速度。在上述基础上,以三棱柱结构为例,研究了三棱柱结构参数与液滴弹跳速度之间的关联。研究结果表明,通过在表面构造三棱柱结构能够增大液滴弹跳速度,是一种有效的液滴弹跳强化手段。液滴弹跳过程中的初始动能转化率则取决于三棱柱的项角以及高度。当三棱柱的顶角一定时,初始动能转化率随着三棱柱高度的增大而增大;当三棱柱的高度一定时,初始动能转化率随着三棱柱顶角的减小而增大。
[硕士论文] 王利雪
凝聚态物理 华中师范大学 2018(学位年度)
摘要:费米子系统在低温下展现的奇特物理现象是当今物理学界的研究热点问题。近年来,实验技术的不断发展和完善,使实验上实现了分子玻色-爱因斯坦凝聚和费米超流。当费米子系统处在外磁场中时,由于外场会影响粒子的自旋朝向,从而使系统呈现一定的磁性。而为提示量子系统的磁现象及相关机理,对自旋朝向不对称的费米系统的物理进行探讨是一个非常重要的物理问题。
  本文以自旋组份不对称的费米气体为研究对象,考察其自旋磁化率这一物理量在极端条件下的行为。
  论文主体分成两个部分:在第一部分中主要研究自由费米气体的自旋磁化率。利用有限温度场方法以及线性响应理论,求得费米子系统的自旋磁化率。然后对自旋磁化率进行索末菲低温展开,进而研究其在低温下的行为;同时对自旋磁化率在高温玻尔兹曼区间进行了展开,研究其高温区间的物理性质。在自旋组份平衡极限下,所得自旋磁化率与泡利顺磁结果一致。而对自旋组份不平衡的费米子系统,我们详细研究了自旋极化率对自旋磁化率的影响,结果表明自旋磁化率随着自旋极化率的增大而降低,且当自旋极化率趋近1时,自旋磁化率接近零。我们还讨论了温度对自旋磁化率影响,结果显示当温度升高时,自旋磁化率减小。
  在第二部分中,我们研究了相互作用对费米子系统的自旋磁化率的重要影响。对于相互作用量子系统,文献中通常有两种计算自旋磁化率的方法,即计算非完全极化张量和完全极化张量。我们利用线性响应方法进一步比较了利用非完全极化张量与完全极化张量所求出的自旋磁化率的区别。计算结果表明对强作用费米子系统,非完全极化张量给出的结果易出现负值,而利用完全极化张量得到的结果更能反映实际物理。同时该文章的研究对于理解超冷费米气体的自旋磁化率的研究能起到更好的指引作用。
[硕士论文] 张淑慧
物理学 内蒙古大学 2018(学位年度)
摘要:本文采用线性自旋波近似和格林函数方法,研究并讨论了铁磁单层/双层薄膜自旋波共振频率对表面各向异性、层间交换耦合作用、铁磁层厚度和外磁场等因素的依赖关系。首先,我们发现体系的自旋波共振频率会随着上述这些因素不同程度地变化到更高值;具体而言,随着外加磁场的增强,所有模的自旋波共振频率明显线性递增;然而,随着表面各向异性和层间交换耦合作用增加时,自旋波共振频率却非线性地增加。另外,还发现能量最高支模可以通过界面耦合、铁磁层厚度以及膜的对称性等因素来控制;而能量最低的四支模受A/B层的表面各向异性和膜的对称性调控;且模m=1的自旋波共振频率除施加外磁场外变化几乎不明显。最后,值得注意的是,随着层间耦合作用的变化,铁磁异质双层膜的频率曲线出现了明显的跳跃现象。
[硕士论文] 王文辉
动力工程及工程热物理 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:当暴露在空气中的固体表面与液体发生接触时,液体取代了固体表面的空气,被固体吸附在表面的行为叫做润湿,例如清晨树叶上的露珠。接触角作为固体表面固气液三相交界处气液界面的切线,是润湿性的量度。传统对接触角的探索主要是实验研究等方法,这些方法对接触角的规律性进行了阐述,却没有从作用机理上对润湿行为解释。本文采用分子动力学模拟的方法,将接触角作为切入点,在获取分子结构和运动信息的基础上,从微观角度了解接触角的形成过程,对润湿行为的研究延伸到分子层面。
  本文分别建立了氩和水分子组成的气液共存体系、纳米液滴在光滑表面,振动表面以及由方柱组成的粗糙表面润湿的模型,从固液相互作用、水分子模型、固体表面的排列和振动四个方面讨论了光滑表面液滴受到的影响,以及导致粗糙表面接触角形态差异和滞后性的原因。
  首先,液滴在光滑表面润湿的过程中,固体和液体之间的作用强度决定了液体排除固体表面空气的能力,对接触角的形成起到了主导作用;通过对不同水分子模型的模拟结果表明,分子结构和电荷携带量是水分子模型的主要差异所在,库伦势能占据水分子内部势能的主要部分,决定了水分子之间的相互作用力,导致接触角的不同;不同固体表面排列方式,使得表面对水分子的相互作用有所不同,排列更为紧密的(111)表面的接触角更小;对比不同温度液滴的接触角,发现接触角因为气液界面的差异有所区别。
  其次,利用分子动力学模拟的方法研究了微纳米液滴在法向机械振动固体光滑表面的振动特性,认为液滴受迫振动受力与质心运动周期与驱动激励周期相同;振动周期和振幅均对液滴的运动规律产生影响,并且两者作用相反;液滴在有简谐激励的光滑表面,都会收到振动输入的能量,当输入的能量达到临界值,液滴会克服固体表面能量的阈值,最终脱离固体表面。
  最后,对粗糙表面的模拟结果表明,粗糙度和方柱分辨率分别是影响Wenzd形态和Cassie形态表面接触角的主要因素。经过改变粗糙度和方柱分辨率以及将固体表面视为外部振动激励发现,通过增大方柱的高度改变粗糙度和施加固体表面的机械振动是较为有效的将液滴从Wenzel形态转化为Cassie形态的转化的方式。
[硕士论文] 陆淑婷
固体力学 浙江大学 2018(学位年度)
摘要:离子导体内部正负离子在电场驱动下移动产生的电流,通常称为漂移电流,与此同时还有由离子浓度分布不均产生的扩散电流。聚合物离子导体因具有较高透明度、高度兼容性和延展性等优点,在可穿戴/柔性电子技术和生物医学工程等领域有潜在应用前景。理论研究聚合物离子导体内部的离子传输与扩散行为,可为新型离子导体器件的开发与设计提供理论指导。本文理论研究了聚合物离子导体在电场作用下的电学特性,取得了如下研究结果:
  1.基于Poisson-Nernst-Planck(PNP)方程,引入在初始平衡态下离子浓度的小扰动得到线性化的PNP方程。采用Mindlin简化结构理论思想将离子浓度和电势沿厚度方向幂级数展开,建立了离子导体膜扩散和传导的二维方程及零阶、一阶方程。
  2.利用所建立的离子导体二维方程,理论研究了单层离子导体膜在交变电场作用下,其内部离子的传输与扩散行为,并基于理论结果绘制了交流阻抗谱和等效电路图。数值结果表明:单层膜在低频下,其扩散较为显著、阻抗较高;在高频下,离子的传输占主导地位,阻抗接近于0。
  3.针对上下层为离子导体、中间层是介电材料的“三明治”型离子导体薄膜复合结构,利用所建立的二维方程,采用分层处理和层间界面连续条件,分别得到了“三明治”型离子导体复合结构的薄膜和厚膜方程。在此基础上,理论研究了基于此“三明治”结构的离子导线在交交电场作用下的导电行为。若不考虑扩散行为,所建立的理论模型可以退化到已有文献中的简化模型。
[硕士论文] 石以诺
固体力学 浙江大学 2018(学位年度)
摘要:铁磁材料具有优良的多场耦合特性,因此被广泛地应用于传感器、存储器等功能器件。铁磁材料中磁结构的拓扑特性对材料的物理性能具有显著的影响。本文采用实空间下的相场模拟方法,研究了力学载荷对铁磁材料中磁化涡旋和磁性斯格明子两种拓扑磁结构的影响。由于实空间下的相场模型克服了文献中已有模型对周期性边界条件的依赖,可以适用于复杂外形和复杂边界的材料模型,因此能够有效地模拟低维铁磁材料中磁化涡旋和磁性斯格明子等复杂拓扑磁结构在不同外场下的演化。
  首先,本文通过相场模型模拟了外力作用下具有缺陷的铁磁材料中磁化涡旋的演化及其对铁磁材料断裂性能的影响。模拟结果表明,外力作用会使模型中裂纹两边原有的双磁化涡旋结构转化为6个涡旋结构,从而显著地降低了裂纹尖端应力强度因子。其次,我们通过在相场模型中引入DM交互作用和自旋转移矩效应,研究了单轴应变对手性磁体磁序的调控。研究结果表明,铁磁薄膜中的外加应交不仅可以改变手性磁体磁结构的尺寸和形态,更会引起新型的斯格明子拓扑相变。与此同时,通过相场模拟,我们发现手性磁体的拓扑相变过程会显著影响材料的弹性系数。最后,采用铁电/铁磁复合材料相场模型,研究了铁电和铁磁复合薄膜的界面变形对斯格明子的影响。结果表明,铁电和铁磁复合薄膜中铁电斯格明子引起的界面变形,可以成功地在铁磁层中诱导出了自发斯格明子格点,从而得到了电控磁性斯格明子的新途径。本文的研究结果表明,基于铁磁材料的磁弹耦合效应,我们可以采用力学手段对不同形式的拓扑磁结构进行有效的调控,为设计基于拓扑磁结构的新型自旋电子器件提供了一定的理论基础。
[博士论文] 张大地
物理化学 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:本论文专注于消除密度泛函理论中交换相关近似泛函的离域化误差,以提高分子和固体能隙的计算精度。占据与非占据轨道之间的能级(能带)间隙,是分子(固体)的基本物理性质,对分子(固体)体系其他性质的研究和应用至关重要。密度泛函方法在计算精度和计算效率上具有良好的平衡性,已广泛应用于预测体系的各种理化性质。密度泛函理论本身是严格的,但由于密度泛函近似有离域化误差,使得能隙的计算精度往往不高。论文阐述了非经验性标度修正方法的发展,以及如何系统性缓解离域化误差。考虑轨道弛豫后的Kohn-Sham前线轨道能可以大幅提高电离电势、电子亲和势和分子能隙的计算精度。论文也阐述了数值计算的程序实现。该方法对体系的电负性、化学硬度、反应性等研究有重要意义。论文还论述了周期性固体的局域轨道标度修正方法,该方法可以大幅提高各种固体的带隙计算精度,包括金属、半导体、过度金属氧化物、离子晶体、惰性气体晶体和有机聚合物链。除此之外程序的数值计算也十分高效。
  本论文具体内容安排如下.
  第一章首先简要介绍了密度泛函理论基础,本论文的研究内容均基于密度泛函理论。之后介绍了近似泛函的离域化误差,是当前密度泛函理论面临的主要问题之一。最后详细介绍了减轻离域化误差的标度修正方法,是后续章节理论研究的基础。
  第二章论述了非经验全局标度修正方法的发展,探索了密度泛函理论中轨道弛豫对Kohn-Sham前线轨道能的影响。轨道弛豫信息可被用来提高Hartree-Fock、局域密度近似、广义梯度近似方法计算的Kohn-Sham前线轨道能计算精度。数值结果明确展示了考虑轨道弛豫效应的重要性。除此之外,标度修正方法提供了直接计算N电子体系导数能隙和Fukui函数的方法(N是整数),而不需要对相应的(N±1)电子体系进行自洽场计算。
  第三章的结果表明了标度修正后的Kohn-Sham轨道能可以用作分子电子亲和势的精确预测。实际上使用密度泛函理论方法很难精确预测分子的电子亲和势,计算的电子亲和势中大部分的误差源自近似交换相关泛函内在的离域化误差。在这项工作中,电子亲和势由标度修正后的中性分子Kohn-Sham前线轨道能获得,计算精度得到了系统性提高,而且不需要对负离子进行自洽场计算。
  第四章阐述了如何将局域轨道标度修正方法扩展至周期性固体。第一章介绍的局域轨道标度修正方法可以普遍缓解有限体系的离域化误差。通过使用万尼尔函数来表征局域分数电子分布,这项工作扩展了局域轨道标度修正方法使其可应用于周期性固体中。固体版本局域轨道标度修正方法可以提高各种固体系统基础能隙的计算精度,包括零带隙金属至宽带隙绝缘体。该方法在固态材料的理论研究中十分有前景。
[博士论文] 徐欢
凝聚态物理 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:第一章
  固体的光学性质作为材料的重要基本物理性质之一,一直是各个尺度材料性质的研究热点。固体的光学常数,一方面反映了材料对外界宏观电场的响应,联结了外场E和局域电场Eloc的数学关系。另一方面,固体光学常数在不同波段的响应特性包含了固体丰富的微观量子态信息,比如作用于红外区间的光子-声子、电子-电子声子相互作用,可见光波段到真空紫外波段的带内跃迁、带间跃迁、激子激发以及等离激元激发,以及更高的x-ray范围反应原子内壳层结构的电离过程。实验上,不管是宏观上研究材料的极化性质,还是微观上将材料中处于低能级(带)的电子激发到更高能级(带),我们既可以采用光子也可以采用电子作为探针研究材料的光学常数。本章我们从基本的电磁理论出发,介绍了光学常数相关的基本理论并推导了光子和电子入射材料所对应的材料介电函数之间的关系。在此基础上我们介绍了目前基于光子和电子的光学常数测量现状、评价方法。最后我们重点介绍了反射电子能谱法测量光学常数的研究现状,提出了本论文的研究动机。
  第二章
  本章介绍了电子在材料中的散射理论以及常用的电子能谱解谱方法。这主要包括电子的弹性和非弹性散射理论、电子多重散射表述方法以及需要用到的全局优化算法。电子能谱实验中,电子在材料中经历从入射材料到最终被接收器收集的过程包含了非常复杂的相互作用类型。对于快电子而言,这些作用类型包含了(1)对材料原子核以及核外屏蔽电子云构成的离子实的弹性散射,此类作用源于运动电子在离子实库伦作用下的运动方向的偏转。在这部分内容中,我们介绍了弹性散射的常用模型,如著名的屏蔽卢瑟福散射截面和准确的Mort截面。(2)电子与原子核外电子的相互作用,包括两类常见的激发类型,即单电子激发和集体激发过程。对于非弹性散射,我们首先介绍了关于电子能量损失函数的full-Penn方法、单极近似方法以及Ritchie和Howie的介电函数模型。然后,我们给出了无限大材料和半无限大材料的非弹性散射截面公式和推导过程。强调了实际样品中的表面激发贡献。除此以外,本章还介绍了目前主要的几个从反射电子能谱中提取光学常数的模型,包括Tougaard-Chorkendorff方法extended-Landau方法Werner双级数卷积方法Yubero方法。最后我们介绍逆Monte Carlo(Reverse Monte Carlo,RMC)方法中的Monte Carlo方法和全局优化算法。
  第三章
  电子在材料中的非弹性散射过程对于基于表面电子能谱技术的表面分析方法(如x射线光电子谱XPS和俄歇电子能谱AES)具有关键的作用。我们知道,电子和材料的非弹性散射和材料的能量损失函数(Energy Loss Function,ELF)之间有着密切的联系。对于无限大介质,ELF和电子在材料中非弹性散射概率成正比,它决定了电子发生非弹性散射的能量损失分布和非弹性散射角分布。电子的能量损失函数Im[-1/ε(ω,q)]是能量损失(h)ω和动量转移(h)q的双变量函数,它本质上来自于材料能带中各种激发态的概率统计,因而表征了材料对电子的非弹性散射性质。在第一章中我们证明了光学能量损失函数和电子能量损失函数在hq=0情况下的等价性,对于动量转移不为零的情况,需要采用合适的介电函数模型外推光学能量损失函数。在本章中我们根据Ritchie和Howie提出的方法,采用有限个Drude-Lindhard振子拟合了26种材料的实验测量的光学能量损失函数Im[-1/ε(ω)],而后外推到电子能量损失函数Im[-1/ε(ω,q)]。在本章的内容中,我们通过挑选合适的实验测量数据获得了26种材料的能量损失函数,利用求和规则对它们的准确性作出了评价。在此基础上我们拟合了26种材料的Drude-Linhard振子参数数据库,以便于表面电子能谱领域的研究。最后作为一个应用Drude-Linhard振子参数的例子,们给出了Ag的反射电子能量损失谱(Reflection Electron Energy Loss Spectroscopy,REELS)谱的模拟。
  第四章
  本章我们主要介绍了RMC方法的原理并通过对多个过渡金属材料的应用证实了其准确、可靠的应用效果。在对Fe材料的应用中,我们获得了Fe材料在1000 eV,2000 eV和3000 eV的能量损失函数,证实了RMC方法获得的材料能量损失函数是与电子的入射能量无关的,从而满足理论上的自洽性。之后我们通过与文献中结果的对比发现RMC方法得到的能量损失函数在很大范围内和文献中DFT的计算结果、Palik的光学测量数据以及Henke的X射线吸收测量完全吻合。我们还获得了Fe材料在0-3000 eV区间的电子非弹性散射平均自由程,以此修正了著名的Tanuma-Powell-Penn(TPP-2M)公式的错误结果。另外,通过RMC方法对Ni材料的反射电子能谱的应用,我们得到了Ni的能量损失函数、光学常数以及介电函数。通过于Wemer解析方法的系统对比研究,我们指出了Werner方法得到的结果的不准确性。最后,我们基于Cr、Co、Pd三个材料在三个能量下的实验REELS谱,求解了他们的能量损失函数,发现RMC方法具有很好的普适性。通过对每种材料结果的细致分析,我们指出了Palik的能量损失函数不正确的一个重要来源是折射率测量的不准确性。
  第五章
  在本章的内容中,我们回顾了镧系材料广泛的应用场景和与之不相称的甚少的光学常数数据。由于其活泼的化学性质,Sm的光学测量非常困难,需要通过一系列的手段保证Sm样品在测量过程中的纯净性。我们发展的RMC方法正符合这样的测量特性,本章介绍了我们首次测量的Sm的光学常数在0-100 eV完整区间的光学常数。我们采用Sm在1000 eV和2000 eV的实验能谱,通过RMC方法得到了相应能量下的两个能量损失函数。我们发现,这两个能量损失函数在36-60 eV区间表现出了较大的差异性。通过求和规则的计算,我们证实了1000eV REELS谱测量结果的准确性。对于2000 eV能谱测量结果存在较大误差的原因,我们认为可能是能谱中参杂了少量氧原子激发的贡献。最后我们对比了文献中不多的Sm的光学数据,以此佐证了我们所测量的Sm光学数据的合理性。
  第六章
  石墨烯是一种由sp2杂化碳原子构成的单原子厚度的蜂巢结构的大分子。自2004年发现以来,由于它诸多独特的量子性质,石墨烯吸引了世界范围内科学界的广泛关注。本章我们针对单层石墨烯-块状Ir衬底的样品所测量得到的200 eV、500 eV和2000 eV的反射电子能量损失谱,通过能谱分析,发现200 eV和500 eV的能谱中具有更加明显的石墨烯电子激发特征结构。于是我们通过构建真空-单层石墨烯-块状衬底的三相样品的的非弹性散射截面模型,结合Monte Carlo方法模拟了真空-单层石墨烯-块状Ir衬底的反射电子能谱。最后我们对模拟能谱和实验能谱进行了比较,并认识到从当前的模型出发具有获得石墨烯在很宽范围内光学性质和介电响应性质的可能性。
[博士论文] 易庆华
新能源科学与工程 苏州大学 2017(学位年度)
摘要:21世纪以来,能源危机和环境污染成为了严重的全球性问题,而利用可再生能源如太阳能、氢能等是解决这些问题的重要途径。由于金属硫族化合物具有优异的光电化学性能和丰富的理化性质,因此它们在太阳能电池、光催化、透明电极、发光二极管等领域均有广泛的应用。目前设计和生长各种金属硫族化合物已成为了当前科研界最热门的课题之一。然而现有生长薄膜的溶液法,如IBM的David研究团队基于肼的方法,华盛顿大学的 Hillhouse等研究团队基于如二甲亚砜(DMSO)等有机溶剂的方法,溶胶凝胶法等各种化学溶液法在沉积薄膜上做出了一系列成果,基于肼为溶剂和基于二甲亚砜等有机溶剂的溶液法因其具有有毒易燃易爆等危险和溶胶凝胶法在成膜过程中容易形成晶界等因素,在一定程度上限制了金属硫族化合物的应用,因此发展一种绿色环保且通用的生长高质量的金属硫族化合物薄膜的方法将具有重要意义。本文将发展一种以水为溶剂的聚合物辅助沉积法来生长金属硫族化合物薄膜。该方法具有以下特点:第一、该方法使用水溶性的聚合物和金属盐为反应原料,且前驱体溶液的制备过程中不存在有毒/腐蚀/易燃易爆的反应,该方法具有绿色环保的特点;第二、聚合物上的 N原子的孤立电子与金属离子之间可形成共价键使得聚合物几乎能与所有金属离子形成稳定的前驱体溶液,且将多种金属前驱体溶液混合即可得到分子层面上均匀的多元金属前驱体溶液,这种在分子层面上均匀的前驱体溶液能有效的抑制多元金属化合物薄膜生长过程中第二相的出现;第三、聚合物上的氨基有利于前驱体溶液与其他材料表面的基团反应或吸附,从而形成复合功能材料;第四、均匀且稳定的前驱体溶液使得该方法能生长大面积且高质量的薄膜。为此,我们探究该方法在金属硫族化合物生长方面的通用性,并系统的研究了该方法在一元金属氧化物、一元金属硫化物、多元金属硫化物、掺杂金属氧化物、复合功能化合物薄膜等方面的生长及其光电等领域的潜在应用。所取得的主要成果如下:
  1.揭示了聚合物辅助沉积薄膜是结合了气相沉积和原子沉积特点的溶液法过程。在此我们对聚合物辅助沉积过程中的前驱体溶液的形成和热分解情况进行了详细的研究。以聚乙烯亚胺(PEI)作为聚合物辅助沉积法的代表来分析聚合物的热分解温度,为薄膜的热处理做铺垫。经研究发现PEI在不同的气氛中的热分解温度有一定的差异,但在500℃基本完全分解。另外我们对聚合物与金属离子之间的络合方式做了详细的研究且发现通过这种方法几乎能形成所有金属离子的前驱体溶液。更重要的是,我们以Cu2+与PEI形成的Cu2+的前驱体溶液在氩气中的退火的热解产物为例来分析,发现前驱体溶液在热处理的过程中分解成了气体小分子和单质原子,而气体小分子随着载流气流走留下单质。以上这些基础研究可为将来薄膜生长起到铺垫作用。
  2.证实了聚合物辅助过程具有生长薄膜的广泛普适性。挑选的聚合物几乎能与所有金属离子形成前驱体溶液,从而使得该方法在金属硫族化合物薄膜的生长方面具有一定的通用性,通过该方法生长了一系列的金属氧化物和金属硫化物,并系统的研究了旋涂次数和热处理条件对薄膜成膜质量的影响。以氧化锡薄膜生长过程来研究旋涂次数对薄膜厚度的影响,发现随着旋涂次数的增加薄膜的厚度有规律的变化且薄膜质量不受旋涂次数的影响。生长的氧化锡薄膜致密、均匀且在可见光范围内具有很好的透光性(厚度为200 nm的薄膜的透光性>93%)。同时,我们研究了硫化锌薄膜的生长过程中热处理的升温速度和热处理时间对成膜质量的影响,经研究发现以快速升温且热处理时间为10 min的薄膜致密且结晶性好。总之,通过研究热处理的条件对成膜质量的影响将为更多高质量的金属硫族化合物薄膜的生长起指导性的作用。
  3.实验证实聚合物辅助沉积法可以在分子层面上控制多元化合物的生长。通常多元金属化合物薄膜的生长过程中极易形成第二相,而分子化学溶液法能有效的抑制这种现象。在此聚合物辅助沉积法用于生长多元金属硫化物薄膜,并以CZTS薄膜的生长为例进行系统的研究。通过部分的Ge替代Sn,部分Se替代S使得这种绿色的分子溶液法能有效的调控薄膜中的元素组成从而形成CZTS、CZTSSe、CZTSe、CZTGS和CZGS五种薄膜,从而实现了带隙在1.05 eV到1.95eV之间调节。另外我们研究了CZTSSe薄膜的物理性能,发现薄膜呈p型且具有高载流子浓度(4.5×1016 cm-3)和高迁移率(43 cm2/V·S)等特点。同时将CZTSSe薄膜应用于薄膜太阳能电池的转化效率为3.55%。总之,这种环境友好型的分子溶液法为制备高质量的多元金属化合物提供了一种可行的方案。
  4.据报道氧化氮化物是一种常见的氮掺杂金属氧化物的方式,而聚合物辅助沉积法不仅可以生长高质量的金属硫族化合物薄膜,还能生长各种金属氮化物。通过氧化聚合物辅助沉积法生长的氮化物薄膜的方式实现了氮掺杂的金属氧化物薄膜的生长。本文以N掺杂的TiO2薄膜为研究对象来研究掺杂型薄膜的生长及其磁学性能。首先通过聚合物辅助沉积法生长高质量的 TiN薄膜,再将 TiN薄膜置于氧气气氛中在不同的温度下热处理使薄膜氧化得到不同N含量的TiO2薄膜并研究了不同氮含量的薄膜的磁学性能,发现N含量为4.33%的TiO2薄膜的室温铁磁特征最明显。
  5.探索发现聚合物表面的氨基能与其他材料表面的基团反应或静电吸附使得聚合物辅助沉积法能用于构建复合功能化合物薄膜。通过该方法构建了TiO2@CNTs和TiO2-NiO功能化合物薄膜并应用于光催化领域。基于此方法生长了不同CNTs含量的TiO2@CNTs复合薄膜,发现CNTs嵌入TiO2薄膜内部,薄膜具有表面致密、透光性良好、超亲水等特性。由于形成复合薄膜后电子能更加快速的传输使得复合薄膜的光降解有了很大的提升,经过比较不同CNTs含量的TiO2@CNTs复合薄膜的光降解效果发现5%含量的催化效果最好且具有较好的催化循环性,其催化性能约是纯 TiO2薄膜的2倍,因此TiO2@CNTs复合薄膜将是自清洁玻璃的很好选择之一。另外通过该方法在n型TiO2阵列柱表面生长p型NiO形成p-n结,研究了不同浓度的前驱体溶液生长的NiO薄膜在TiO2阵列柱表面的包覆情况及其薄膜的光电化学性能,形成p-n结的薄膜能使电子与空穴有效的分离使得 TiO2-NiO薄膜的光电化学性能有了明显的提升,且浓度为0.5 M的薄膜的光电化学性能约是TiO2薄膜的四倍。总之,这是聚合物辅助沉积法在纳米阵列柱表面形成薄膜的一大突破,这将为未来不规则基底上成膜提供了一种可选择的方法。
[博士论文] 张婧娇
凝聚态物理学 苏州大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,将铁电与半导体材料集成到一个器件中从而实现器件的多功能是当前国际铁电学研究中最活跃的领域。事实上,这些器件均具有异质结结构或是将铁电薄膜制作在特定的具有微电子或光电功能的衬底上,或是将其他功能的薄膜材料制备在铁电薄膜上。因此,透彻了解铁电基异质结的物理性质对开发新集成铁电器件及提高其性能至关重要。本论文基于对铁电、光电、半导体和相变等前沿物理的研究,设计并制备出多尺度铁电基异质结器件,从而实现铁电性能对器件特定性能的调控。主要内容如下:
  (1)结合了铁电材料体光伏效应与经典光电二极管的光电效应,制备ITO/PLZT/电极结构的铁电光伏器件。通过能带设计降低金属/PLZT界面处的肖特基接触势垒高度,使金属中的电子经光激发,入射到PLZT铁电材料中,从而提高铁电材料的光伏特性。通过采用低功函数金属可以降低此势垒高度,在本文中,低功函数Mg/PLZT/ITO结构的短路电流和开路电压分别是高功函数Pt/PLZT/ITO结构的150倍和2倍。PLZT铁电电容器的光响应波段也从紫外波段扩展到可见光波段。
  (2)制备了Au/铁电薄膜/半导体异质结,以P型Si为器件的衬底,在P型Si衬底上制备Au叉指电极,而后将聚偏氟乙烯(PVDF)和聚偏氟乙烯与聚三氟乙烯(Polytrifluoroethylene,TrFE)的共聚物P(VDF-TrFE)旋涂在Si衬底上。利用半导体良好的吸光性,增强光吸收性。利用铁电薄膜的内建电场调控并改善光电流,最终获得了较大且可控的光致电流,电流密度约为63.93 mA/cm2。把铁电光伏器件的吸收光谱从紫外光扩展到可见光。该部分的工作也验证了随着叉指电极间距增大,电压和电流能够进一步增强。尽管器件的开路电压较小,该工作依然可以为开拓新型铁电光伏器件提供一个新的思路。
  (3)制备了SrTiO3/LSMO/PZT/VO2异质结,系统深入地研究了VO2/PZT异质结的晶体结构以及极化电场诱发的电阻调制行为。经分析计算,VO2薄膜电阻的变化是由PZT铁电材料的压电效应引起的面内晶格变化,此变化与VO2薄膜的c轴(a轴)的长度有关。当晶格被压缩时,VO2薄膜的电阻会随着应力的变大而减小;当晶格被拉长时,VO2薄膜的电阻会随着应力的变大而增大。此外,VO2/PZT异质结可以通过在室温下施加较小的脉冲电压来实现稳定且可逆的电阻态,且响应时间较短。这些特性使其在电子开关设备中具有潜在的应用前景。
  (4)制备了LiTaO3/VO2异质结。VO2薄膜在340 K时发生金属绝缘体转变,其电阻值变化了近四个数量级。利用高分辨率同步辐射X射线衍射(XRD)方法对VO2薄膜的晶体结构及与衬底的外延关系进行了系统的研究:利用高分辨率XRD证实了面外(0k0)取向,Φ扫描XRD和RSM结果证实了面内外延匹配关系及3种孪晶的存在。通过沿LiTaO3衬底厚度方向施加偏置电场来研究界面处的面内应变,表明在室温下可以通过施加不同电压来调节VO2晶格应变,继而改变VO2薄膜的电阻性能。同时还对比了不同的界面(PZT/VO2,LiTaO3/VO2,TiO2/VO2,Al2O3/VO2)晶格失配度对VO2表面形貌,晶体结构和电学性质带来的影响。相信该结构在多功能微型器件中有一定的应用前景。
[博士论文] 梁艳
凝聚态物理 苏州大学 2017(学位年度)
摘要:钙钛矿结构的过渡金属氧化物因其丰富的材料体系、简单的晶格结构、新奇的物理性质而受到学者们的广泛关注。这类氧化物的低维结构,如表面、界面等,也表现出了异于体相的演生现象。从原子尺度上理解并调控这些性能是过渡金属氧化物走向实际应用的关键。而极性过渡金属氧化物表/界面的电荷重构、原子重构等作用,为人工调控低维结构提供了更多的机会。在本论文中,我们选取典型的钙钛矿结构材料SrTiO3作为研究对象,来窥探极性过渡金属氧化物材料的新奇特性。工作主要集中在极性表面的应力研究,极性薄膜以及极性超晶格薄膜的生长探究等方面,具体包括:
  1.我们研究了极性SrTiO3(110)的表面应力对表面Sr原子、Co原子、Co颗粒的位置调控作用。对于理想的SrTiO3(110)-(4×1)重构,表面通常会自发地形成 Ti2O3空洞和Sr原子缺陷对来释放剩余的表面应力。如果继续沉积Sr原子,表面上会形成沿[10]方向排列的Sr增原子链,并且Sr链倾向位于相邻Ti2O3空洞的中间位置。根据实验结果以及密度泛函理论,我们发现Ti2O3空洞和Sr增原子对SrTiO3(110)表面TiO4四面体结构具有相反的调制作用,这就使得Ti2O3空洞和Sr增原子之间出现了排斥力,导致Sr增原子紧邻排列形成链状结构。相似地,在SrTiO3(110)-(4×n)表面上沉积Co原子,衬底应力对Co原子有类似的调制作用;当Co原子长大为Co颗粒时,又会对表面本征的Sr增原子位置起到反调制作用。
  2.我们采用分子束外延的方法在 Nb-SrTiO3(111)衬底上制备了高质量的SrTiO3(111)介电层。由于SrTiO3(111)拥有强极性表面,因此在生长过程中保持表面重构是获得高质量薄膜的必要条件。以RHEED强度作为反馈信号精确校准Sr和Ti的沉积速率,所生长出的 SrTiO3(111)薄膜不仅具有原子级平整的单台阶表面,而且具有完美的晶格结构。在温度为5K时,50nm厚的SrTiO3(111)薄膜的相对介电常数可以达到1000,在0.2V偏压下的最大载流子浓度调控值可以达到1.9×1013/cm2。小偏压调控大载流子浓度的能力,使得该 SrTiO3(111)介电层在电荷调控实验上有着广阔的应用前景。
  3.我们利用扫描隧道显微镜和 X射线光电子能谱等方法探究了极性不连续SrTiO3(111)/LaTiO3(111)异质结的生长。由于表面极性强弱不同,LaTiO3(111)-(4×4)和 SrTiO3(111)-(4×4)重构面上会形成不同的微观结构特征。此外,La原子沉积到SrTiO3(111)-(4×4)表面时,可以有效减弱其表面极性,这种极性补偿机制在弱极性LaTiO3(111)表面外延强极性 SrTiO3(111)薄膜过程中,成为了 La原子往 SrTiO3(111)薄膜表面扩散的驱动力。
  4.过渡金属硫族化合物拥有丰富的物理性质,通过选择合适的生长衬底(如SrTiO3等)可以实现对该类材料性能的有效调控。但是由于硫族元素蒸气压较低且易沾染腔体,不能和氧化物薄膜共用生长平台。因此,我们设计了一台MBE-STM联合系统用于过渡金属硫化物的生长及性能表征,并成功在该腔体中生长出了单层和多层FeSe薄膜。
[硕士论文] 邓凤敏
物理学 曲阜师范大学 2017(学位年度)
摘要:铌酸锂(LiNbO3)有大的铁电、压电、电光、声光、非线性光学等性质,可广泛被用于光波导调制器、传感器、偏振器等光波导器件的制备。光学器件是集成光学中非常重要的组成部分,薄膜材料制备的器件在很多方面优于体材料器件,因此在硅基片上沉积LiNbO3(LN)薄膜并对其性质进行研究将会对集成光学器件研究及光通信的发展起到一定的促进作用。氧化锌(ZnO)能带隙大、激子束缚能高是很好的掺杂基质,可用于照明、太阳能电池、导电薄膜等研究领域。稀土离子有丰富的能级结构、发光范围宽,多被应用于制备有源器件。Er离子的跃迁4I13/2→4I15/2发射波长约为1.54μm,该波段对应着平面波导的最低损耗传输窗口。常温下铕离子的跃迁5D0→7I2发射波长为618nm,多被用于信号灯、探针、固体激光材料、医疗等领域。现在利用脉冲激光沉积技术制备出传输损耗低、荧光强度大的有源氧化物薄膜研究还不是很多,灵活控制稀土离子在薄膜中的掺杂浓度并研究稀土离子浓度对薄膜结晶质量影响的也不是很多。因此课题组运用脉冲激光沉积技术通过改变实验沉积条件在SiO2/Si(111)衬底上制备了多组择优取向的氧化物薄膜,并利用X射线衍射仪、台阶仪、棱镜耦合设备、荧光光谱仪、高倍镜、冷场发射扫描电镜对制备的样品进行各种物理性质表征。
  本研究主要内容包括:⑴利用PLD技术在SiO2/Si(111)衬底上沉积了择优取向的LN薄膜,探究了O2/Ar气氛、衬底温度、氧压、脉冲激光重复频率、腔外退火处理对薄膜质量的影响,得出利用此设备制备择优取向LN薄膜的最佳实验参数组合:衬底温度500℃,衬底-靶材距离4cm、激光重复频率3Hz、氧压2.0Pa、800℃腔外退火处理、LN陶瓷靶。测试薄膜光波导性质、表面形貌时发现:沉积时间短的样品表面很光滑、晶粒致密但是厚度(200nm)太薄光很容易进入到衬底中去,很难形成波导;沉积时间长的样品厚度足够形成波导但是薄膜表面出现很多裂纹,目前课题组还没把光耦合进样品中去。⑵利用PLD技术通过改变实验条件在SiO2/Si(111)衬底上制备了多组择优取向的Er:LN薄膜,实验中选择的沉积靶材不是固定比例的Er:LN复合靶,是Er2O3与LN双靶交替与脉冲激光作用沉积Er:LN薄膜,从而可以灵活控制稀土离子的掺杂浓度。探究了衬底温度、氧压、铒靶生长时间对Er:LN薄膜质量的影响,发现衬底温度越高、氧压越大薄膜结晶质量相对越好,当沉积薄膜厚度为800nm时薄膜结晶质量降低为多晶。测试样品的光致荧光性质时选用波长为532nm激光泵浦样品,实验开始前在样品腔进光口处放置840nm滤光片有效排除倍频光的影响,测试结果显示样品在1537nm处有很强的光致发光峰,Er:LN薄膜结晶质量很好。⑶利用PLD技术在SiO2/Si(111)衬底上制备了择优取向的Eu:ZnO薄膜,探究了衬底温度、氧压、脉冲激光重复频率、生长时间对薄膜质量的影响。衬底温度300℃、氧压1.0Pa、脉冲激光重复频率5Hz薄膜结晶质量较好,沉积时间越长样品的(002)衍射峰越强,薄膜厚度对Eu:ZnO薄膜的结晶质量影响不是很明显。用氙灯泵浦样品,泵浦波长为466nm、样品前放置510nm波长的滤光片,在618nm处检测到样品的光致发光峰强度比靶材的还要高,说明沉积的Eu:ZnO薄膜结晶质量比较高。
[硕士论文] 符江涛
材料工程 兰州理工大学 2017(学位年度)
摘要:本文采用溶胶-凝胶法在石英基片上制备了Li-N共掺ZnO薄膜,分别讨论了热处理、掺杂以及其他一些工艺参数对其晶体结构、表面形貌和光学特性等性能的影响,主要取得了以下结果:
  热处理对ZnO薄膜性能有很大的影响。随着热处理温度的提高,薄膜的结晶质量显著提高,薄膜的晶粒尺寸明显变大,表面粗糙度增大,掺杂缺陷浓度增大,薄膜在可见光范围内平均透射率降低。但当温度高于700℃时,薄膜的结晶质量变差。通过研究预热处理温度与时间、热处理温度与时间对ZnO薄膜性能的影响,得到最佳热处理参数为:预热处理温度为150℃,热处理温度为700℃,预热处理和热处理时间为60min。
  掺杂浓度与种类对ZnO薄膜的性能也有很大的影响。结果表明一定量的掺杂能够提高薄膜的结晶性,但当掺杂浓度过高时薄膜的结晶性降低,这可能是因为在低浓度掺杂时掺杂原子会成为形核中心,从而提高结晶速率,而当过量掺杂时,掺杂原子会在间隙位存在从而降低薄膜的晶体质量。当Li源和N源分别为LiCl和NH4NO3时,薄膜的结晶质量最佳,但透射率最低。Li源和N源的最佳浓度均为5%。
  其它工艺参数如过渡层、有无热处理、升温速率也会对ZnO薄膜的性能有很大的影响。结果表明,当没有过渡层时薄膜的结晶质量更好,这主要是因为掺杂能提高薄膜的结晶质量,当无掺杂的过渡层被掺杂层取代时薄膜的结晶质量就会提升。薄膜未经热处理时处于非晶态,在经过热处理后会结晶,但薄膜透射率会下降。适当提高热处理过程中的升温速率能提高薄膜的结晶质量,得出最佳升温速率10℃/min。
[硕士论文] 李雯
材料科学与工程 浙江大学 2017(学位年度)
摘要:透明导电氧化物薄膜(TCOs)应用领域广泛,TiO2薄膜作为一种新型的TCOs材料受到了广泛的关注和深入的研究。TiO2需要通过离子掺杂对光电性能进行改良,才能达到TCOs材料的特殊要求。本文采取溶胶凝胶法以及后续气氛退火制备TiO2:M(M=Nb,Ta)薄膜。探究溶胶-凝胶参数、离子掺杂浓度以及热处理条件对Nb/Ta掺杂TiO2薄膜的结晶性、微观形貌、导电机制及光学参数的影响。实验通过调控掺杂浓度以及引入氧空位缺陷Vo提供额外的n型载流子以提高导电性能,同时对TiO2:M(M=Nb,Ta)薄膜的透光度进行调节。对前驱体成分和溶胶配比进行调节、改善制备工艺从而优化Nb/Ta元素掺入率。通过多元化测试和评估表征了透明导电薄膜的结构、形貌、成分和价态、电学性能和光学性能。
  本研究主要内容包括:⑴退火温度为250℃时TiO2薄膜生成无定形态,300℃-700℃时生成锐钛矿相,超过700℃时生成金红石相。600℃退火时,TiO2薄膜结晶性最好,微观形貌以及电学性能最优。多重退火工艺相比单重退火更易生成锐钛矿相,Nb5+掺杂取代Ti4+的效率更高。随炉冷却相比于快速冷却具有更好的结晶性,持久高温促使薄膜晶粒长大,不易产生裂纹,有利于载流子传输。旋涂速度为1800rpm时结晶性更好,电学性能更优。溶胶浓度过小会劣化多晶薄膜的结晶性,溶胶浓度过大则使薄膜的厚度过大,不利于载流子传输,在溶胶浓度为0.05M时,薄膜具有最佳的结晶性能和电学性能。⑵Nb的最优掺杂浓度为10%,方块电阻Rs=0.50 MΩ/sq,Ta的最优掺杂浓度为8%,方块电阻Rs=0.51 MΩ/sq,二者的导电性能相近。钽原子在TiO2晶格中的溶解度更高,当掺杂浓度超过25%时,Nb元素形成氧化物,同样掺杂浓度下TiO2:Ta薄膜中只存在TiO2物相。TiO2:Ta薄膜的最高载流子迁移率μH=0.09 cm2/V-1s-1,相对于铌掺杂具有优势。Ta更易溶于TiO2晶格,减少杂质散射中心,减弱了电离杂质散射作用,可见光透过性更佳。掺钽 TiO2薄膜在红外光波段具有更高的反射率,半球辐射率低于掺铌TiO2薄膜。⑶H2后续气氛退火可以进一步优化TiO2:Ta薄膜的结晶性能和导电性能,得到电阻率ρ=2.5Ω·cm,可见光透过率Tvis=78.43%的薄膜。对比普通大气、高真空、H2气体、N2气体四种气氛环境, H2气氛环境后续退火的薄膜的结晶性最好,薄膜微观形貌最优,膜厚最大,导电性最佳,可见光透过率最高,薄膜内产生的Ti3+最多。负压下生成氧空位是Ti:O原子比低于1:2的主要原因,气氛环境的还原性是影响薄膜样品导电性以及平均可见光透过率的主要因素。结合全文可知,掺杂Ta5+/Nb5+和还原性气氛是决定薄膜导电性两个的必要条件。
[硕士论文] 王威
材料物理与化学 江苏科技大学 2017(学位年度)
摘要:表面增强拉曼散射作为一种独特的光谱检测技术,自发现以来便在检测极微量小分子方面发挥了极大的作用。因此,被逐渐应用到环境监测、食品安全、医疗健康、光电传感器等诸多领域。众所周知,活性基底的制备是获得 SERS( Surface Enhanced Raman Scattering)信号的前提,为了使SERS技术更好地应用于定量分析,所制备的SERS基底应具有增强能力强且均一性好、易于制备和存储、使用方便等优点。因此,SERS活性基底的制备方法尤为重要。国内外研究者在SERS活性基底的制备及其表面增强拉曼性能的研究方面已开展了大量的工作并取得了较大的进展,但是仍缺乏成本低廉、均匀、稳定、重复性好、增强能力强的通用 SERS活性基底。基于现状,本文以蜂窝状多孔结构薄膜为模板,制备 Au、Au-Ag、Ag纳米颗粒薄膜,并对其SERS性能进行系统研究。
  本论文主要研究结果如下:
  (1)采用静态呼吸图方法,制备聚苯乙烯-嵌段-聚(4-乙烯基)吡啶(PS-b-P4VP)蜂窝状多孔结构薄膜。研究溶剂、聚合物浓度、分子量对蜂窝状多孔结构薄膜形成的影响。结果表明:对于PS(122k)-b-P4VP(22k),以CHCl3为溶剂,当聚合物溶液浓度为30 mg/mL时所形成的蜂窝状多孔薄膜具备规整且孔径均一的有序结构,孔径约为2.87μm。浓度偏高或者偏低都会形成不规整的孔结构。三种不同嵌段比的嵌段共聚物中,当嵌段比为5:1时,获得的多孔结构薄膜的有序性最佳。以 CS2为溶剂时, PS(122k)-b-P4VP(22k)的浓度为10 mg/mL时即可形成规整结构的多孔薄膜,但孔径较大,约为4.27μm,随着浓度的不断增加,孔结构逐渐消失。
  (2)上述蜂窝状多孔结构薄膜经处理后作为模板,结合光化学还原途径制备 Au纳米颗粒薄膜。HAuCl4溶液浓度为0.025 mol/L(V水:V乙醇=1:1),紫外灯光照3 h的条件下所制备的Au纳米颗粒薄膜作为SERS活性基底具备最佳的SERS性能,对R6G(罗丹明6G)分子的增强因子可达6.50×106,其检测极限低达10-8 mol/L,对CV(结晶紫)分子也具有良好的SERS增强效果,增强因子达6.03×104。
  (3)以上述制备的Au纳米颗粒薄膜作为模板,同样采用光化学还原途径制备Au-Ag纳米颗粒薄膜。AgNO3溶液(V水:V乙醇=1:1)浓度为0.05 mol/L,紫外灯光照2 h的条件下所制备的Au-Ag纳米颗粒薄膜作为SERS活性基底具备最佳的SERS性能,对R6G分子的增强因子可达1.05×107,其检测极限低达10-9 mol/L,对CV分子的增强因子达2.41×106。并且该基底具备良好的稳定性,其拉曼信号的RSD(相对标准偏差)低于20%。
  (4)采用类似的方法制备Ag纳米颗粒阵列薄膜。AgNO3溶液浓度为0.05 mol/L(V水:V乙醇=1:1),紫外灯光照3 h的条件下所制备的Ag纳米颗粒阵列薄膜作为SERS活性基底具备最佳的SERS性能,对R6G分子的增强因子可达1.31×109,其检测极限低达10-10 mol/L。对CV分子的增强因子达8.46×105。另外,相比较而言,Ag纳米颗粒阵列薄膜以浸泡方式吸附R6G具有更好的稳定性,其拉曼信号的RSD低于13%。
[硕士论文] 季付翔
材料加工工程 青岛科技大学 2017(学位年度)
摘要:有机铅碘钙钛矿材料(如CH3NH3PbI3,MAPbI3和NH2CH=NH2PbI3,FAPbI3)具有合适的带隙、低廉的成本,且可溶液法制备等优势,引起了人们的广泛关注。被认为是目前最有商业化前景的新一代太阳能电池器件之一。2009年,有机无机杂化钙钛矿的光电转换效率只有3.8%,经过短短几年的发展,其认证的效率已经达到22.1%,基本满足商业化应用的要求。钙钛矿太阳能电池的稳定性是目前限制其进一步发展的瓶颈问题。本文通过优化钙钛矿材料成分、调控钙钛矿薄膜结晶过程两个方面来提高其稳定性。
  MAPbI3材料是研究最为广泛的钙钛矿阳能电池材料,但稳定性相对较差。通过调控钙钛矿的有机组分,如在MAPbI3中引入FA可以明显提高其稳定性。然而FA组分的引入容易生成非钙钛矿相δ-FAPbI3,影响器件的性能。本文通过优化固液离子交换温度,有效避免黄相δ-FAPbI3的生成,原位制备了纯相的FAxMA1-xPbI3,而且实现了对钙钛矿材料有机组分的连续调控。经过优化的FAxMA1-xPbI3钙钛矿太阳能电池的率达到了15.5%,无明显滞后。
  除了钙钛矿材料自身的稳定性外,外界环境中的水分等也是影响其稳定性的重要因素。水分子容易通过薄膜中的晶界进入到钙钛矿薄膜的内部引起薄膜的降解。因此,控制薄膜中晶界的数量是提高钙钛矿材料稳定性的另一重要手段。本文通过引入有机氯化物以形成较为稳定的中间相,中间相在高温逐渐分解而得到钙钛矿薄膜。有机氯化物的引入明显延长钙钛矿薄膜结晶时间,最终使几十纳米的小晶粒经过奥斯瓦尔德熟化生长成几微米的大晶粒。晶界的数量的减少一方面降低了载流子内部复合,提高了光电效率,到达17%;另一方面,钙钛矿电池器件的稳定性也得到了明显改善,空气中放置400h后依然能保持90%的初始效率,而相对比的小晶粒钙钛矿太阳能电池放置350h时就已经不能正常工作。
  通过本文的研究,深入分析了钙钛矿材料成分、结晶性与器件的效率和稳定性之间的内在关系,这为进一步提高钙钛矿太阳能电池器件的稳定性提供了必要的实验基础和理论支持。
[硕士论文] 孙仕凯
计算机技术 西南科技大学 2017(学位年度)
摘要:薄膜厚度是衡量薄膜质量的主要指标。目前薄膜种类越来越多,薄膜产品正朝着高精度方向发展。针对现有薄膜厚度测量方法难以实现大厚度薄膜测量、成本高等问题。本文利用光驱内的DVD激光头,研究开发了基于像散原理的薄膜厚度测量系统,实验结果表明,本系统厚度测量范围为100~800μm,重复测量精度为8μm,测量薄膜尺寸为140mm×50mm。论文主要研究内容如下:
  (1)像散位移传感器的研制。针对像散光学系统中光电探测器输出的微弱电压信号,设计了信号放大电路和基于K60微处理器的聚焦误差信号采集处理系统,实现了像散光学系统输出信号到聚焦误差信号的转换。通过模拟仿真分析得出了像散光学系统参数对像散位移传感器测量精度和量程的影响规律。设计并实现了测量精度和量程可灵活改变的像散位移传感器。
  (2)扫描抖动误差实时校正。扫描式测量系统通常包含直线运动平台,然而直线运动平台一般存在10μm以上的随机抖动误差,将引起系统测量误差扩大。本文针对直线运动平台随机抖动误差,提出了双像散位移传感器扫描抖动误差实时校正方案。实验结果表明,通过该方案误差实时校正后直线运动平台的随机抖动误差由原来的12μm降低到了2μm。
  (3)薄膜厚度测量系统设计与实现。详细对比分析了扫描式和阵列式两种薄膜厚度测量方案优缺点,并结合直线运动平台随机抖动误差实时校正,设计并实现了基于像散原理的双传感器扫描式薄膜厚度测量系统。实验结果表明,系统厚度测量范围为100~800μm,重复测量精度为8μm,测量薄膜尺寸为140mm×50mm。
[硕士论文] 贾晓静
物理学 内蒙古大学 2017(学位年度)
摘要:采用脉冲激光沉积技术(PLD),将SrTiO3(STO)、8 mo1% Y2O3掺杂ZrO2(YSZ)和Ce0.8Sm0.2O2-δ(SDC)依次交迭沉积在MgO单晶片衬底上,在衬底温度分别为600、650、700和750℃下,制备四种(STO/YSZ/SDC)2超晶格电解质薄膜。采用扫描电子显微镜(SEM),X衍射图谱(XRD),X射线能谱仪(EDX),分析(STO/YSZ/SDC)2超晶格电解质薄膜的表面形貌,物相结构,以及成分和元素原子含量;采用Agilent4291B型阻抗分析仪,在不同工作温度下测试其交流阻抗谱,研究(STO/YSZ/SDC)2超晶格电解质薄膜的电学性质。
  SEM表征表明,衬底温度对于薄膜成膜的质量非常重要,衬底温度的提高,有利于原子表面迁移能的增加,薄膜分布更加均匀致密度增加。实验表明,在700℃衬底温度下制备的样品,电解质薄膜与衬底的结合度最高,成膜形貌最为致密,且颗粒大小均匀成圆柱状,因此实验中选择700℃作为最佳的衬底温度。
  基于以上分析采用PLD技术,实验二在MgO单晶片上,选择衬底温度为700℃下溅射沉积薄膜总厚度为400nm,周期数N分别为3,5,10,20的四种多层超晶格电解质薄膜(STO/YSZ/SDC)N,实验三仅改变电解质STO/YSZ/SDC层厚度比由1∶1∶1变为1∶1∶3,又制备了四种薄膜并研究其电学性质。结果表明:多层电解质薄膜表面呈现平滑,致密,颗粒大小均匀,排列紧密,成圆柱状的效果,超晶格结构明显,随着薄膜层数的增加,零级衍射峰两侧出现越多的伴峰,表明样品的结构特性良好,发现SDC厚度的增加使得薄膜衍射伴峰对称且增多,峰强增大。电化学测试则表明:在同一测试温度下,随着调制周期数N的增加,超晶格电解质薄膜(STO/YSZ/SDC)N的界面数增加,活化能逐渐减少,样品电导率逐渐增加。对比实验二三实验结果发现:通过增加超晶格电解质薄膜(STO/YSZ/SDC)N的SDC含量,可有效地降低薄膜活化能,提高超晶格电解质薄膜(STO/YSZ/SDC)N的电导。
[博士论文] 李媛
材料物理与化学 青岛大学 2017(学位年度)
摘要:本研究把磁性基团BiFeO3、YFeO3或BiFe0.5Co0.5O3插入到层状钙钛矿型铁电体 Bi4Ti3O12基质中,以期合成室温单相磁电多铁性材料。用溶胶-凝胶工艺在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上成功制备了单相的层状钙钛矿型Bi4Ti3O12-nBiFeO3(n=0.5、1.0、1.5)、Bi4Ti3O12-YFeO3和Bi4Ti3O12-BiFe0.5Co0.5O3多铁薄膜,研究了室温下薄膜的铁电、介电、磁性和磁介电性能。为获取薄膜中铁电畴结构和极化翻转信息,还研究了Bi4Ti3O12-nBiFeO3(n=0.5、1.0)和Bi4Ti3O12-YFeO3薄膜的回线动力学标度。
  本研究主要内容包括:⑴室温下层状钙钛矿型Bi4Ti3O12-nBiFeO3(n=0.5、1.0、1.5)薄膜具有良好的铁电性,随被插入磁性单元BiFeO3层数增加,薄膜的弱铁磁性如期增强。Bi4Ti3O12-BiFeO3薄膜呈显著的室温磁介电效应,在外磁场0.45 T和测试频率100 kHz时,其磁介电耦合系数MDC值达3.5%。在高频强电场下,Bi4Ti3O12-BiFeO3薄膜的回线动力学标度关系为∝f-0.05Eo1.26,与Bi4Ti3O12-0.5BiFeO3薄膜相比,该薄膜的回线面积对频率和外场幅值的依赖性更弱,其铁电性能更稳定。⑵制备了室温下铁电性和弱铁磁性共存的层状钙钛矿型Bi4Ti3O12-YFeO3薄膜,其剩余极化2Pr与饱和磁化强度Ms分别为53.62C/cm2和0.50emu/cm3。当外加电场幅值在10-30kV/cm范围时,Bi4Ti3O12-YFeO3薄膜依次存在着欧姆导电、空间电荷限制电流和陷阱填充导电三种导电机制。⑶制备了有一定c轴择优取向的层状钙钛矿型Bi4Ti3O12-BiFe0.5Co0.5O3多铁薄膜,其剩余极化2Pr与饱和磁化强度Ms分别为20?C/cm2和4.3 emu/cm3。该Ms值远高于上述 Bi4Ti3O12-BiFeO3薄膜的 Ms值0.45emu/cm3。在0.45T/100kHz下,Bi4Ti3O12-BiFe0.5Co0.5O3薄膜的磁介电MDC绝对值达3.1%。该MDC值略低于上述Bi4Ti3O12-BiFeO3薄膜的MDC值3.5%,这是因为Co离子部分取代Fe离子抑制了Bi4Ti3O12-BiFe0.5Co0.5O3薄膜中Fe2+的生成,Fe2+与Fe3+形成局域偶极子随之减少。
[硕士论文] 郝晨晖
凝聚态物理 太原理工大学 2017(学位年度)
摘要:白光LED相对于传统的白炽灯、荧光灯具有节能、环保、寿命长、发光效率高、无辐射、无汞等有毒物质污染、安全可靠度高等优点,被称为“第四代照明光源”。目前,蓝光LED+钇铝石榴石掺杂Ce3+实现白光的方案,因其成本较低、工艺简单等优势占据了市场主导地位,已经成功的应用于日常生活中,但因为光谱中缺少红光成分导致其显色性一般,而且这种缺失红光成分的白光LED会对少年特别是婴幼儿的视力健康造成不利影响,成年人长时间暴露在这种灯光下也会产生视觉疲劳。正是由于以上这些原因,对单一基质白光LED用荧光粉发光性能的研究日益深入。其中锡酸盐为基质掺杂稀土离子的荧光粉因其相对低廉的成本、较低的化学毒性、较低的放射性、优良的发光效率、良好的化学稳定性和较高的热稳定性而受到广泛关注。
  本论文利用高温固相法,制备了用于紫外/近紫外芯片激发的,掺杂不同稀土离子的SrSnO3荧光粉,并对样品的物相结构、发光性能以及荧光寿命等进行了深入研究。
  1.利用高温固相法合成了 SrSnO3:Eu3+和 SrSnO3:Sm3+、SrSnO3:Tb3+、SrSnO3:Pr3+荧光粉,经过与JCPDS22-1442号标准卡片的比对,证明样品为纯相。
  2.通过对SrSnO3:Eu3+荧光粉激发发射图谱以及热猝灭曲线的研究,得出SrSnO3:0.05Eu3+荧光粉在396 nm的近紫外激发下Eu3+通过5D0→7F2能级跃迁,在614 nm处发出比较强烈的红光,色坐标为(0.608,0.386),通过计算得出温度猝灭的活化能ΔE=0.138 eV。通过J-O参数的计算,证明了Eu3+格位的对称性较低,有利于5D0→7F2能级跃迁。
  3.通过对SrSnO3:Sm3+荧光粉激发发射图谱的研究,得出SrSnO3:0.02Sm3+荧光粉在404 nm的近紫外激发下Sm3+通过4G5/2→6HJ(J=5/2,7/2,9/2,11/2)能级跃迁,发出比较强烈的红光,色坐标为(0.590,0.399)。计算得出SrSnO3:Sm3+荧光粉的荧光寿命τ=5.106 ms。
  4.通过对SrSnO3:Pr3+荧光粉激发发射图谱以及热猝灭曲线的研究,得出SrSnO3:0.005Pr3+荧光粉在266 nm的紫外激发下Pr3+通过3P0→3H4,3P1→3H5,1D2→3H4,3P0→3H6,3P0→3H2,3P0→3F2能级跃迁,发出比较强烈的白光,色坐标为(0.383,0.372),通过计算得出温度猝灭的活化能ΔE=0.308 eV。通过对SrSnO3:Pr3+荧光粉浓度猝灭的研究,得出SrSnO3:Pr3+荧光粉的浓度猝灭主要是由电子能量交换相互作用引起,其最佳掺杂浓度为0.5 mol%。
  5.通过对SrSnO3:Tb3+荧光粉激发发射图谱的研究,得出SrSnO3:0.015Tb3+荧光粉在272 nm的紫外激发下Tb3+通过5D4→7FJ(J=6,5,4,3)能级跃迁,发出比较强烈的绿光,色坐标为(0.355,0.553)。通过对SrSnO3:Tb3+荧光粉浓度猝灭的研究,得出SrSnO3:Tb3+荧光粉的浓度猝灭主要是由电子能量交换相互作用引起,其最佳掺杂浓度为1.5 mol%。
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