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[硕士论文] 李易臻
材料学 山东大学 2018(学位年度)
摘要:惯性约束核聚变(Inertial confinement fusion,简称ICF)是一种可控制的热核反应,是未来获取核能环保能源最有前景的手段之一。从长远看,ICF在解决未来人类能源短缺问题上具有实际应用前景,受到了世界各国的广泛关注。ICF中高功率激光器的重要光学元件是强激光频率转换晶体,对于频率转换晶体的要求是大尺寸且具有高的激光损伤阈值。尽管目前出现了各种新型的非线性光学材料,但是现在只有磷酸二氢钾(KH2PO4,简称KDP)和磷酸二氘钾(K(H1-xDx)2PO4,简称DKDP)类晶体能符合ICF的要求。
  12%-DKDP晶体的折返波长经过计算大致位于1.05μm,可用作带宽大于20nm的1.05μm激光的二倍频频率转换晶体。国内外对KDP和DKDP类晶体的生长性能进行了普遍的研究,但是关于低含氘量的K(H1-xDx)2PO4晶体的研究很少。本文系统的研究了低含氘量K(H1-xDx)2PO4晶体的结构,光谱,光学性质和高温相变。本论文的主要内容如下:
  1.利用垂直入射法测量了低含氘量K(H1-xDx)2PO4晶体的折射率,结果显示,随着氘含量的增加,晶体的折射率随之减小。针对K(H1-xDx)2PO4晶体的折射率与氘含量和波长间的关系,分别利用一次线性方程和Sellmeier方程进行拟合,拟合值与测量值之间的偏差非常小。通过求得的拟合公式可以计算出10%-18%氘化程度的K(H1-xDx)2PO4晶体在365nm-768.1nm波长的折射率,这提供了一种计算低含氘量的K(H1-xDx)2PO4晶体的非线性光学系数(例如相位匹配角和折返波长)的方法。
  2.通过透过,红外和拉曼光谱研究了氘含量对K(H1-xDx)2PO4光谱的影响。K(H1-xDx)2PO4晶体的红外波段的透过率受氘含量影响较小;K(H1-xDx)2PO4晶体在532nm处吸收低于设备测量极限;在355nm时,快速生长法获得的晶体会发生紫外吸收。根据红外光谱结果,K(H1-xDx)2PO4晶体中,O-H键与O-D键共存,O-H与O-D相互独立,彼此共存,没有相互作用。晶体的υ1振动模式的吸收峰和O-H/D键的β振动模式的吸收峰都随着晶体氘含量的增加逐渐向高波段移动,并通过线性拟合得到了晶体氘含量与振动峰位移之间的关系式。在200-1200cm-1内可以观察到K(H1-xDx)2PO4晶体存在2个拉曼峰,这主要是由于PO4团簇的内振动引起的。在低含氘量DKDP中,随着氘含量的增加,拉曼峰出现红移,拉曼峰的位移与晶体的氘含量成近似线性相关。
  3.对K(H1-xDx)2PO4晶体进行了激光损伤阈值的测试。测试结果表明,K(H1-xDx)2PO4的光学质量在10%-20%的范围内随着含氘量的增加而降低。晶体经过退火处理后,损伤阈值是未进行退火处理晶体的损伤阈值的1.3~1.4倍,退火处理对损伤阈值提升效果明显,退火后激光损伤阈值的增幅程度受氘含量影响较小。在532nm测试波长下的激光损伤阈值要高于1064nm测试波长下的激光损伤阈值。
  4.通过直接加热,热重差热分析,介电常数,红外光谱研究了氘含量对K(H1-xDx)2PO4的高温相变的影响。热重结果显示低氘化程度的K(H1-xDx)2PO4晶体在482K-487K之间开始分解。差热结果显示晶体的吸热现象起始温度比热分解点温度要低3~5℃。将晶体进行加热,发现氘含量为10%,12%,14%,16%,18%的K(H1-xDx)2PO4分别在469K,464K,451K,446K,441K的温度点附近由无色透明转变为无色不透明,推测晶体在此温度点发生了由四方相向单斜相的转变。测量了K(H1-xDx)2PO4从室温至483K之间的介温曲线,结果发现:K(H1-xDx)2PO4晶体存在两类高温相变,第一类相变Tp,相变温度随着晶体氘含量升高逐渐降低,第二类相变T1对氘含量的变化不敏感。通过测量晶体的红外光谱,发现10%-DKDP晶体在经过469K加热后的红外光谱与常温下的红外光谱特征峰基本相同,而在经过487K加热处理后晶体的红外光谱出现了两个新的特征峰。
[硕士论文] 廖涛
声学 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:声子晶体是具有弹性波带隙特性的周期性弹性介质,其具有滤波、隔振(声)、波导等功能。压电声子晶体是在纯弹性声子晶体的基础上引入压电材料,构造出具有机电耦合效应的复合材料结构。压电声子晶体具有一些不同于纯弹性声子晶体的特性。由于其特有的物理性质及潜在的应用价值,对于压电声子晶体的研究越来越受到重视。
  本学位论文设计了一种具有低频完全带隙的新型二维三组元声子晶体板结构,利用有限元方法结合布洛赫定理计算了色散关系、传输损失谱和位移场等,研究了由纯弹性材料构成的二维声子晶体板的低频带隙特性;此外,针对被动结构减振技术的不足,在所设计的模型结构中引入了压电材料构成智能声子晶体板结构,并研究了带隙及声波导的主动控制。
  论文首先从理论上设计了一种由涂有硅橡胶涂层的铅柱周期性连接在环氧树脂连接板上构成的新型二维声子晶体板,并研究了该结构的低频带隙特性。结果表明:与没有连接板结构的传统二维局域共振声子晶体板相比,新设计的结构在极低频率范围内具有更宽的带隙,并在高频获得多条完全带隙;第一完全带隙的影响因素少,带隙边界频率仅受相应振子质量和弹簧等效刚度影响,铅柱和连接板在带隙边界频率处的无振动耦合;能带结构中既有局域共振带隙也存在布拉格散射带隙,局域共振带隙出现在低频区域,布拉格带隙出现在高频范围内,局域共振机理和布拉格散射机理的共存可以赋予声子晶体更好的带隙特性;研究表明通过调整声子晶体板的几何参数,例如铅柱的半径和高度,可以有效地调控带隙的位置和宽度,带隙的控制可通过引入有效质量和应变能来解释。
  为了实现声子晶体带隙的主动调控,论文接下来将压电材料引入到新设计的周期结构中构成一种新型智能声子晶体板。结果表明:与二组元的传统压电声子晶体板相比,这种新型周期结构可以在较低频率范围内获得更宽的完全带隙,带隙宽度扩大了5倍;通过改变施加在压电散射体上下表面的电边界条件,可以同时对多条完全带隙进行调控,实现了对完全带隙的主动控制;压电散射体的几何参数对能带结构有很大的影响,通过调整散射体的半径和高度可以扩大第一完全带隙;压电效应对能带结构也有很大的影响,通过比较分析,发现压电效应有利于完全带隙的扩大和形成;此外,对电边界缺陷构成的二维声子晶体板波导进行了研究,研究表明,电边界缺陷可能导致完全带隙中存在多条缺陷频带,利用电边界条件的转换可以实现对不同频率弹性波传播的主动控制。
  本学位论文所研究内容能够为低频宽带隙的声子晶体研究提供可靠依据,研究结果亦可为主动控制传输、引导、切换和发射弹性波的声子晶体结构设计提供模型参考。
[硕士论文] 李金
物理学 山东大学 2018(学位年度)
摘要:1987年光子晶体的概念被首次提出,一经面世就受到各界广泛的关注。光子晶体能够控制电磁波的特性,使其表现出重要的研究价值。周期性的光子晶体会像半导体一样产生能带结构,可以有选择性的控制电磁波的传播。如果在其中插入缺陷层,则会在光子禁带中出现缺陷模。缺陷模频率的电磁波可以百分百的透射。在光子晶体的缺陷内,电磁场因被两边势垒局域而叠加增强,光吸收率因而增加。非线性光学效应也是依赖场强的一种光学现象,增强电磁场会使原本不能激发某种非线性光学效应或者需要很大光强才能激发的非线性光学效应的阂值极大地降低。
  光学Tamm态(Optical Tamm States,OTSs)是一种电磁表面态,一般出现在金属和光子晶体或者不同光子晶体之间的交界面附近。当出现光学Tamm态时,特定频率的电磁场会在交界面附近达到最高值,随着与界面越来越远,电磁场强度呈指数衰减。但金属薄膜由于在一般环境中极易被氧化而使器件的性能改变或失效,这会使金属的介电常数发生改变,因而选取可以替代金属的非金属材料实现光学Tamm态具有重要的意义。透明导电氧化物(TCO)薄膜在红外波段是金属的一种非常理想的替代品。比如铟锡氧化物(ITO)、铝锌氧化物(AZO)、镓锌氧化物(GZO)等。TCO的介电常数曲线和金属的类似,并由于本身就是氧化物,所以不怕暴露在环境中。另外,TCO薄膜的材料参数可以通过改变掺杂比例和实验条件来调节,在红外波段的损耗可以比金属的小很多,因此在红外波段是激发光学Tamm态的一种很好的材料。
  论文第二章在理论和实验上研究了缺陷中心含石墨烯的一维光子晶体的光学特性。特定频率的光波在光子晶体的缺陷内会有很强的电磁场局域,缺陷内电场强度的大小会随着光子晶体结构的改变而发生变化。我们设计了含缺陷的对称和非对称光子晶体两种结构,将石墨烯插入缺陷内,石墨烯对缺陷频率的光波的吸收率将大大增加。其中,我们可以通过增加或减少光子晶体周期数的方法来调节缺陷频率光波的局域电场强度的大小,得到局域电场强度和吸收率的关系。
  论文第三章主要研究石墨烯在光子晶体中的增强非线性光学效应。针对第二章中缺陷内含石墨烯的两种不同光子晶体结构,并根据缺陷频率光波的局域电场强度与吸收率的关系,研究了光学双稳态的阈值与局域电场强度的关系,在理论上得到了含石墨烯的光子晶体结构中实现最小阈值的条件,这对利用高非线性光学系数的石墨烯研制新型的增强非线性光学器件具有重要的科学意义。
  论文第四章主要在实验上研究了含透明导电氧化物的光子异质结构中的光学Tamm态。本章主要利用透明导电氧化物薄膜在红外波段具有类金属的光学参数,将厚的透明导电氧化物薄膜与全介质光子晶体组成光子异质结构,在红外波段验证了这种电磁表面态。本章中,我们分别使用三种透明导电氧化物(ITO、AZO、GZO)代替金属,在实验上证明含这三类材料的光子异质结构中都可以激发光学Tamm态。
[博士论文] 王林伟
力学 北京交通大学 2017(学位年度)
摘要:胶体悬浮液是一种典型的软物质体系,广泛应用于材料、化工、医药、环境等多个领域,而胶体晶体则在光子通信和光子计算机等领域有着广阔的应用前景。此外,胶体晶体还作为研究凝聚态物质的重要的模型体系,其理论价值一直受到国际上的广泛关注。这是因为胶体晶体在时间尺度和空间尺度上与相应的原子分子体系相比都有多个数量级的放大,于是人们可以使用更丰富的测量手段得到物质结构的微观信息。
  本论文主要针对胶体晶体的力学性质开展研究。由于宏观上的胶体晶体力学性质与微观上的胶体颗粒的带电性质紧密相关,因此本文先使用理论和实验的方法分析了胶体颗粒的带电性质与电动行为,并在此基础之上研究了胶体晶体的弹性性质(包括拉伸/压缩、剪切)以及孔隙的影响。本文的主要研究内容和成果如下:
  1、针对胶体颗粒表面有效电荷数使用较为混乱的问题,系统地对比分析了由不同方法得到的胶体颗粒表面有效电荷数,包括平均场归—电荷数、滴定有效电荷数、迁移有效电荷数、弹性有效电荷数,并讨论了由这些方法得到的有效电荷数之间差异产生的物理机制,从而明确了它们的适用场合。
  2、在已有的有盐悬浮液中胶体颗粒电泳的电动模型基础之上,运用流体力学和电化学的基本理论建立了胶体晶体所处的无盐悬浮液中胶体颗粒电泳的电动模型。根据新建立的无盐悬浮液中胶体颗粒电泳的模型,由颗粒表面有效电荷数计算得到的电泳迁移率的理论结果与实验测量值相符。此外还进一步讨论了迁移率随颗粒体积分数及表面有效电荷数的变化关系。由于新模型考虑了颗粒电离到悬浮液中的反离子以及水电离出的离子的影响,因而还可以考虑有盐悬浮液中的电解质盐离子的影响,与现有模型相比具有更广泛的适用性。
  3、在本文建立的无盐悬浮液中胶体颗粒电泳的电动模型基础之上,使用数量级分析法推导出了无盐悬浮液中颗粒电泳的迁移率解析表达式,不仅使得求解颗粒迁移率的过程更加简捷,而且也进一步理解了颗粒电泳的流体动力学机制。
  4、根据无盐悬浮液中胶体颗粒电泳的流体动力学机制,提出了通过对胶体晶体施加静电场作用来快速测量胶体晶体杨氏模量的方法。该方法利用静电场驱动胶体晶体的内部变形,并通过测量实际场强得到胶体晶体各部分的应力,以及通过测量最近相邻颗粒间距得到胶体晶体各部分的应变,最后获得胶体晶体拉伸和压缩变形的应力应变曲线,为了解胶体晶体的材料力学性能提供了一个非常实用的途径。这一利用静电场测量杨氏模量的方法比已有的利用重力沉降的方法在测量效率和适用范围上都有非常大的改进。
  5、将孔隙的影响引入到胶体晶体的剪切模量—相互作用势关系模型中,从而可以基于胶体颗粒的表面有效电荷数较为准确地得到胶体晶体的剪切模量,解决了过去的胶体晶体剪切模量的理论值与实验测量值差别较大的问题。该工作不仅改进了胶体晶体剪切模量的理论计算模型,还进一步完善了对胶体晶体的材料力学性能的认识。
  本论文的工作将胶体颗粒的电动特性与胶体晶体的弹性性质相结合,不仅改进了相关的理论模型,创建了新的实验研究方法,还进一步认识了胶体晶体弹性性质的微观机理。相关结果对胶体颗粒电动特性的利用以及深入理解和控制胶体晶体的力学性能都有重要的价值。
[博士论文] 刘昭明
物理化学 浙江大学 2017(学位年度)
摘要:近年来有关生物矿化的研究表明晶体的形成有时并不遵循传统晶体生长机制,即离子-离子键合的生长模式。相对地,以离子团簇、液滴、无定形相、纳米颗粒为前驱相的非传统晶体生长机制正在被逐步认识。本文研究了仿生矿化体系中晶体生长的机理,并通过对机理的理解实现相关的应用。研究涉及纳米颗粒的聚集生长及有序化;相变通路的调控;通过电离度调控获得晶体生长与溶解的开关,用于二氧化碳捕获与释放;利用封端机制提出聚离子团簇的通用制备方法,并实现大块连续材料的制备及牙釉质的结构性修复;生物矿物的溶解特性对生物体的影响。
  本研究主要内容包括:⑴通过建立纳米球霰石颗粒聚集生长体系,发现纳米球霰石晶体起先以无序聚集的形式在晶体表面形成无序的生长前沿。无序的外层进而对晶体内部产生的压力会诱导无序层通过晶界迁移机制有序化,并最终实现单晶的生长。通过对有序化速率和外部压力关系的拟合与预测,加深对这种有序化机制的理解。这种现象的发现可以为生物矿化中单晶矿物的形成机制提供参考,加强了基于纳米颗粒聚集生长形式的理解,为单晶材料的制备提供新思路。⑵通过原位透射电镜研究无定形碳酸钙向方解石相转变的过程,并揭示无定形相相变通路的调控机制。在不同添加剂的存在下,无定形碳酸钙物相会得到稳定,但是机制并不相同。其中镁离子更能调控无定形碳酸钙以溶解-再结晶或固态相变形成方解石这两种相变途径。通过对调节机制的深入研究,发现镁离子会影响无定形碳酸钙物相中的含水量,从而影响方解石的成核位点,进而调节相变通路。通过固态相变形成的晶体能保持原有无定形相时的形貌。以此机理,可以制备具有非常规形貌的方解石单晶颗粒。这种机制的发现有助于对生物矿化机制有深入的理解。同时可以为制备形貌复杂的材料及功能材料的合成提供指导。⑶通过利用电离度可调的电解质混合溶液体系,实现常温二氧化碳捕获与释放体系的建立,为解决温室气体的回收问题提供指导。具体通过选用乙酸钙-乙醇-水体系,在高乙醇含量时,乙酸钙与二氧化碳反应生成碳酸钙和乙酸,实现二氧化碳捕获。之后提高体系中水含量,可以诱导生成的乙酸溶解碳酸钙,从而释放二氧化碳。体系的循环可以通过重新添加乙醇开启。通过对溶剂中乙醇-水比例的调节,实现电解质电离度的调控及二氧化碳循环的调节。⑷通过结合电离度控制机制及聚合物中封端的理论,可以实现生物矿化中碳酸钙和磷酸钙前驱体团簇的稳定,并成功制备大量稳定的,具有液体性质的聚离子团簇。通过表征证明聚离子团簇是一种部分支化、带正电荷且分布不均的线状离子聚合物。NMR证明选用的三乙胺在低介电常数的溶剂中可以对聚离子团簇有效封端,在移除封端的三乙胺后,聚离子团簇会发生聚合反应并形成连续的材料。通过这种方法,可以快速制备大块连续的离子化合物材料。为块体、膜类材料及3D打印材料的合成提供指导。⑸通过使用磷酸钙聚离子团簇,可以实现牙釉质的结构性修复。通过制备磷酸钙聚离子团簇,可以酸蚀的釉质表面快速得到大面积的无定形磷酸钙修复层。由于通过聚离子团簇得到的磷酸钙修复层与酸蚀的釉质表面紧密结合,使无定形相的相变通过固态相变机制实现转化,并最终在釉质的外延实现相同取向的羟基磷灰石的生长,实现快速,大面积及高厚度的结构性修复。通过力学性能表征证明这种结构性的修复可以使酸蚀的釉质获得与天然釉质相似的力学性能。这项应用为牙釉质的结构性修复提供有力的方法,为临床医学中龋齿的治疗提供参考。
[硕士论文] 涂超
凝聚态物理 四川师范大学 2017(学位年度)
摘要:3d1离子是重要的过渡金属离子,比如掺杂V4+离子的晶体是一类具有激光特性和非线性光学特性的晶体,因而对于掺杂材料性质的研究就显得非常有意义。前人研究发现掺杂材料的性质与杂质中心的缺陷结构密切相关,并且光谱和电子顺磁共振谱对杂质缺陷畸变有灵敏的依赖关系,因此,可以通过光谱和电子顺磁共振谱研究杂质离子在晶体中的光学和磁学性质与缺陷的关系。近年来,人们主要考虑晶体场(CF)机制并基于分子轨道理论和自旋哈密顿理论的方法,在处理掺杂金属离子的EPR参量和光谱性能方面取得了很大的进展。对于本文中研究的掺杂V4+离子价态比较高,电荷转移(CT)跃迁能相对较小,我们需要考虑CT机制对EPR参量的定量贡献。本文创新工作如下:
  (1)本文突破CF机制的限制,我们考虑了CT机制对EPR参量的贡献,推导出了3d1离子的高阶微扰公式。我们进一步完善了理论公式,并且还建立了对应参量之间的定量关系。
  (2)根据理论公式,解释了KZnClSO4·3H2O∶VO2+晶体中掺V4+离子的g因子和超精细结构常数A,并获得了V4+中心缺陷结构的信息。
  (3)结合光谱数据研究了V4+杂质在ZnKPO4.6H2O∶VO2+晶体六配位八面体中的EPR参量,理论研究和实验结果一致,并且发现CT机制对g因子和A值的贡献与CF机制的三阶微扰项也有相同数量级的贡献。
  (4)通过数据分析说明CT机制对EPR参量的影响不能被忽略,这在理论上,对g因子和A值的理解有指导意义。
[硕士论文] 刘辉阳
光电子材料与器件 太原理工大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,随着通信技术的发展,人们对通信的要求越来越高,在光通信系统中,光信号的顺利传输已经成为了研究的焦点。光在从一端向另一端传输的过程中,如果发生散射或反射,影响输入端的信号,就会对整个传输效果产生影响,因此有必要研究光在光路中的单向传输问题。
  目前实现光波单向传输的方式有很多种,研究中采用较多的主要有利用法拉第磁光效应、在光子晶体结构中添加非线性材料、引入缺陷打破结构的空间或时间反演对称性等方法。但是这些方法在实际应用过程中都存在一定的缺陷,利用法拉第磁光效应时需要在结构外添加磁场以实现旋光;结构中添加非线性材料时,对入射光功率的要求较高,很难实现;打破结构空间或时间反演对称性的方法实现的光波正向透射率较低,单向传输效果不够好。在后来的研究中,研究人员又通过具有不同能带特性(一侧禁带,另一侧导带)的异质结构之间的能带失配来实现光波的单向传输。但是这种方法不仅对结构中光子晶体的能带有要求,还必须调整界面处的晶格排布,才可能实现单向传输。而通常情况下准确的晶格排布较难寻找,因此该方法的使用受到限制。
  本文设计了具有全反射倾斜界面的异质结构,只要结构的材料合适、界面的倾斜角度合适,就可以实现光波在TE模式、TM模式下的单向传输。在此异质结构基础上分别添加光子晶体波导,使光波沿着光子晶体波导进行传输,从而减少光在均匀介质中的反射和散射,提高光波单向传输效率。
  主要研究内容和结果如下:
  1.用二氧化硅(SiO2)和锗(Ge)设计了一种可以实现光波单向传输的基础异质结构,该结构实现全反射的入射角临界角为20.47°,在满足全反射条件下选择界面与水平方向的夹角为60°。该基础异质结构在双偏振模式光在波长1000~2000nm波长范围内透射对比度接近于1,TE偏振模式光正向透射率达到0.66,TM偏振模式光正向透射率达到0.74。
  2. TE模式下,在基础结构左侧SiO2背景中添加光子晶体波导,其中光子晶体具有完全禁带,介质柱为 Ge,得到异质结构一。该结构实现了在1000~2000nm波长范围内正向透射率基本高于0.7,透射对比度接近于1的单向传输。在异质结构一右侧Ge背景中也添加光子晶体波导,其中光子晶体具有完全光子禁带,介质柱为 SiO2,得到异质结构二。该结构正向透射率在完全禁带的波长范围内进一步提高,但是反向透射率也相应有所增加,导致透射对比度降低。分别改变TE模式下异质结构二左、右两侧背景下光子晶体波导的宽度d1E和d2E,对单向传输特性进行分析。当d1E增大时,反向透射率会逐渐升高,影响单向传输效果。当d2E增大时,正向透射率逐渐增大,反向透射率降低明显,透射对比度逐渐升高并趋于平稳。
  3. TM模式下,在基础结构左侧SiO2背景中添加光子晶体波导一,其中光子晶体具有方向带隙,介质柱为Ge,得到异质结构零;将其中的光子晶体替换为具有完全禁带的光子晶体,即添加光子晶体波导二,得到异质结构一;在异质结构一右侧Ge背景中也添加光子晶体波导二,其中光子晶体具有完全带隙,介质柱为 SiO2,得到异质结构二。分别分析这三种结构的光波单向传输特性,正向透射率逐渐升高,异质结构二中正向透射率在1480~1680nm波长范围内基本高于0.9。分别改变TM模式下异质结构二左、右两侧光子晶体波导宽度d1M和d2M,对单向传输特性进行分析。当d1M逐渐增加时,正向透射率会逐渐下降;当 d2M逐渐增大时,正向透射率增大并更加平稳。
  4.在 TE、 TM模式下分别选用新材料组成可以实现全反射的结构,并添加光子晶体波导,对其单向传输特性进行研究。TE模式下,利用空气(Air)和二氧化硅(SiO2)作为背景,在两个背景中分别放置不同参数的Ge介质柱,形成光子晶体波导。调整左侧接收波导的位置,实现了在波长1392~1723nm范围内正向透射率接近于0.98,透射对比度高于0.9的单向传输。TM模式下,利用砷化镓(GaAs)和锗(Ge)作为背景,在两侧背景材料上打空气孔形成三角晶格光子晶体波导,通过调整左侧接收波导的位置,实现了1000~2000nm波长范围内正向透射率基本高于0.95,透射对比度高于0.82的光波单向传输。
[硕士论文] 杨瑞琳
凝聚态物理 广西大学 2017(学位年度)
摘要:由于晶界的预熔化可以改变多晶材料的宏观性能,所以引起了科学家的重视。然而晶界却是只有几个原子层厚的,从而使得在现有的实验条件下,很难观察到这些较微观的现象,所以研究者们决定使用功能强大的计算机模拟软件技术,以此弥补这种由于样品尺寸而引起的实验缺点。对于性能提高的材料,为了开发预测该材料的功能特性,以及为了该材料的预熔和熔解的现象,很有必要建立一种从微观尺度出发的数值模拟技术。本文采用三维晶体相场方法,研究温度在固-液共存区域下小角度对称倾侧晶界,预熔及熔解状态下应力作用的位错运动过程以及现象,探索位错运动的机理,研究位错熔解半径与温度的关系,主要成果如下:
  1.制备样品到达一定温度时,△B=0.0250,位错出现明显熔解现象,并且随着温度△B的升高,位错向外熔解的区域不断扩大,熔解半径不断增大,说明体系在接近熔点温度时晶界处的位错首先诱发晶界出现预熔化现象,当熔解趋于稳定后在应力作用下,同一水平直线上的一组位错对相互靠近,最终湮灭变为一个完整晶界;当温度△B更高时,△B>0.0250,位错出现更加明显的熔解,并且随着温度△B的升高,位错向外熔解的区域也不断扩大,熔解半径也不断增大,由此可以得到,体系的温度决定了位错的熔解程度,体系温度越高,就越容易发生熔解现象。但是,熔解现象不仅是在熔点处发生的,而是在低于熔点时就在晶体的缺陷处产生了预熔,当熔解趋于稳定后在应力作用下,同一水平直线上的一组位错对相互靠近,最终连通。
  2、对样品施加X轴单向应力时,位错对彼此靠近,相互吸引,最终连通,位错对由升温稳定后的圆形逐渐被X轴压缩变为扁圆形;相反对样品施加Y轴单向应力时,位错对由升温稳定后的圆形逐渐被Y轴拉伸变为扁圆形,但位错对并不相互吸引。但是这两种作用方式的自由能曲线趋势相同,证明其运动机理相同。
  3、对样品施加剪切应力后,位错对在X轴方向做滑移运动,在Y轴方向攀移做攀移运动,对错对依旧是相互吸引彼此靠近。由模拟结果可以得出越靠近原子层中心截面图中位错对越多,其熔解区域也越小,熔解半径也越小,熔解发生的越剧烈,对错位最终连通;越远离原子层中心位错对越少,位错对相互吸引靠近,其熔解区域也越大,熔解半径也越大。
  本研究采用了三维晶体相场法模拟研究了位错在应力作用下的预熔及熔解行为,得到的理论研究结构与实验相符合,对改变多晶材料的宏观性能等有重要指导意义。
[硕士论文] 胡金文
化学工程 大连理工大学 2017(学位年度)
摘要:近年,钙钛矿材料以其优异的光电性能如高载流子寿命、高吸收系数、高电荷迁移率(扩散系数)等,成为光伏电池以及其他光电器件领域的新星,尤其是有机金属卤化物钙钛矿CH3NH3PbX3(X=Cl-、Br-、I-)材料,引起了研究者们的广泛关注。作为一类潜力巨大的材料,纯无机金属卤化钙钛矿(CsPbX3, X=Cl-, Br-, I-)在光伏电池、光电探测器以及发光二极管 LED等方面除了具有能够与有机金属卤化物钙钛矿相比拟的光电性能外,这类材料在热和湿度方面具有更强的稳定性,对空气中的水分、氧气等没有有机无机金属卤化钙钛矿那么敏感。
  本研究通过简单易得的溶液法,在大气环境下设计制备出了 CsPbI3、CsPbBr3微晶(10微米以上)以及大尺寸的CsPbBr3晶体(平均尺寸4毫米),对制备的晶体进行了XRD、SEM、EDX、PL以及光学成像等一系列测试,表征确实制备出了高质量的单晶,同时还通过荧光扫描时间分辨荧光成像系统,完成了对晶体的载流子传输动力学研究,得到以下实验结果:载流子在CsPbI3微晶的载流子扩散系数为0.6~1.2 cm2 s-1,寿命为200~1300 ns,迁移率为22~46 cm2 V-1 s-1,迁移距离4~10μm,结果表明该类无机金属钙钛矿性能能够与有机金属钙钛矿接近。载流子在CsPbBr3微晶的载流子扩散系数1.27 cm2 s-1,寿命约为40.46 ns,迁移率49 cm2 V-1 s-1,同时发现,在CsPbBr3微晶制备过程中,随着PbCl2添加量的增加,制备出单晶的困难度在增加,而载流子寿命却是先增加后减小,但以纯PbCl2为原料制备晶体时,载流子寿命却又是最大的,表明Cl-对单晶的制备以及制备出的单晶材料是有很大影响的;通过实验数据比较,钙钛矿材料CsPbI3对光伏应用更加合适。此外,我们以飞秒激光器做光源对大尺寸CsPbBr3晶体激发,使其进行双光子吸收,探测了其载流子寿命等问题,发现大尺寸 CsPbBr3晶体载流子寿命达到微秒级别以上,性能相比于该类材料的微晶大大增加,该类大尺寸单晶在激光器等器件方面有巨大潜力。
[硕士论文] 牛宏伟
固体力学 哈尔滨工业大学 2017(学位年度)
摘要:采用聚焦电子束照射(AgI)x(AgPO3)1?x玻璃,可以在其表面析出银,并产生具有很高解析度的不同形状的银微粒图案。这项技术在存储介质和产品认证方面有潜在的应用。目前,人们还不了解这种奇异性质的内在机制,相关研究亟待开展。本文拟合了碘化银离子间势函数,计算了碘化银的多种性能以验证和应用拟合的势函数,为人们认识(AgI)x(AgPO3)1?x玻璃独特性质的内在机制提供了理论依据。论文的主要研究内容如下:
  首先,采用晶格反演法求取了碘化银离子间势函数的形式和初始值。针对不同的碘化银物质结构,计算了晶格反演所需的反演参数,基于第一性原理计算了晶格常数-结合能曲线作为晶格反演法程序的输入数据。经过反演过程,得到了离子之间的相互作用势,进而确定了势函数形式以及势函数参数初始值。
  然后,采用优化算法对势函数参数进行优化。对于碘化银体系,由晶格反演法直接得到的初始势函数参数有一定的误差,需要利用优化算法进行优化。在势函数优化中,全局优化算法采用遗传算法,局部优化算法采用局部搜索算法,优化目标采用第一性原理计算出的一系列结构的晶格常数-结合能曲线等。优化过程结束后,确定了碘化银离子间势函数形式和参数。
  最后,基于得到的势函数,计算了碘化银的多种性质,包括静态性能、弹性常数、稳定性、扩散性能和相变性能,作为势函数的检验和应用。本文得到的碘化银离子间势函数很好地描述了碘化银的多种性质。和RPV势函数相比,其在计算静态性质、弹性常数和稳定性上更有优势、且其形式更简单、计算效率更高,更容易移植到不同分子动力学计算软件中进行应用。本文的工作为进一步研究(AgI)x(AgPO3)1?x玻璃显色现象的机理打下了一定的基础。
[硕士论文] 毛晨阳
光学 哈尔滨工业大学 2017(学位年度)
摘要:钽铌酸钾晶体KTa1-xNbxO3(KTN)由于其在居里温度附近具有很优异的二次电光效应而被广泛地研究和应用,被认为是一种制备光学器件的优异电光材料。对于KTN晶体在相界附近优异电光性能的起源,目前广泛认为是由于相变过程中晶体内部铁电畴的影响。但对于KTN晶体中铁电畴的观察和其影响电光效应的机理却鲜有研究。本文主要研究了KTN晶体的电光性能对温度与电场强度的动态响应特性,分析铁电畴在相变温度附近的演化过程,及其影响电光效应的机理。
  研究了KTN晶体的基本物理性质。采用电桥法测量了KTN晶体相对介电常数的温度特性曲线,由介电反常现象确定其居里温度,从而得到了晶体的组分。由介电常数偏离居里外斯定律出发,计算KTN晶体的弛豫因子,发现其在居里温度附近具有一定的弛豫性,从侧面验证在此特征温度范围内铁电畴的存在。测量了晶体的电滞回线,得到了矫顽场、自发极化强度等特征参量值,为极化处理和电光实验过程中外加电压的范围提供理论依据。
  研究了KTN晶体铁电畴对温度的动态响应。搭建Senamont单光束补偿系统对极化完整的KTN晶体在升温过程中的线性、二次电光系数进行测量。将时域输出电压信号波进行傅里叶变换,得到频域信号波,分析居里温度附近的电光效应。利用偏光显微镜对钽铌酸钾晶体的铁电畴进行了直接观测。对比晶体极化处理前后、温度升高和降低过程中晶体的偏光性,分析铁电畴随温度的演化过程。
  研究了相界附近KTN晶体的铁电畴对外加电场的动态响应。采用单光束补偿法测量了相变附近晶体的电光系数随电场强度的变化规律。设计实验并测量了在变化的交流电场下、变化的直流电场下的线性、二次电光系数,并将极化前后的结果、不同温度条件下的结果分别进行对比。由唯象的朗道理论分析解释了极化处理对铁电畴的诱导取向和束缚效应,外加直流电场的场强和方向对晶体铁电畴重取向模式影响,揭示电光效应的动态响应机制。
[硕士论文] 丁周顺
光学 哈尔滨工业大学 2017(学位年度)
摘要:二维MoS2具有优异的光学及电学性能而成为近年来的研究热点。高质量、大尺寸单层MoS2的制备仍然是一项具有挑战性的课题,同时关于MoS2的形状演化机制及表面缺陷分布也没有清晰的认知。本文采用CVD(化学气相沉积)制备二维MoS2,探究单层MoS2的生长过程及形状演化机制,采用荧光及拉曼光谱来研究MoS2表面缺陷分布,同时,通过探究BPO(过氧化苯甲酰)处理MoS2样品前后荧光及拉曼光谱mapping图的变化,研究BPO对单层MoS2光学性能的调控作用。
  在有氧体系中成功制备了高质量、大尺寸MoS2样品,并对其进行扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、拉曼光谱(Raman)、荧光光谱(PL)表征。在CVD体系中引入氧气可以调控制备实验中S:Mo的比值,同时减少反应中的成核位点。采集MoS2的拉曼光谱,发现随着MoS2层数的增多,E2g峰逐渐红移,A1g峰逐渐蓝移,单层 MoS2具有较强的荧光,且随着MoS2层数的增加,A激子峰强度逐渐减弱。
  以S:Mo比值为分类依据,建立MoS2形状演化模型,阐述不同形状MoS2的演化过程。同三角形、四角形和五角形MoS2荧光光谱相比,六角形MoS2的荧光强度急剧增高,同时荧光特征峰蓝移;采集MoS2表面的荧光光谱,发现六角形MoS2的缺陷集中分布在中心区域,而三角形MoS2缺陷集中分布在顶角及边界。
  采集BPO处理MoS2样品前后的荧光及拉曼光谱 mapping图,发现MoS2样品被BPO处理后,三角形MoS2的边缘区域的荧光强度增加,同时拉曼峰A1g峰蓝移,且随着激光功率的增加,B激子峰和A激子峰强度逐渐增大,且A激子峰强度增加的幅度比B激子峰增加的幅度更大。我们认为导致荧光增强,拉曼峰A1g峰蓝移的原因可能是BPO成功的修饰了MoS2,或者是一种化学吸附机制。
[硕士论文] 马立辉
光学工程 北京交通大学 2017(学位年度)
摘要:光子晶体因可以实现对入射电磁波有效的操控而被广泛的应用于生物化学传感等方面,但由于光子晶体本身的局限性,并不能实现对微弱信号的精准操控,而金属等离子激元是一种表面波,可以实现对特定入射频率的电磁波强度的放大,利用金属等离子激元的这种效应,制备了一种新型的纳米微结构,这种微结构即具有光子晶体的特性又能激发金属等离子激元,可以实现对微弱信号精准的操控,称这种特殊的纳米微结构为金属等离子激元晶体。相比于一维和二维的金属等离子激元晶体,三维的结构有着更加优异的光学性能,金属银可以在300-1200nm的波长下都可激发强烈的等离子激元效应,因此研究中以采用水凝胶辅助解离三维连续银纳米结构去制备三维非连续银等离子激元晶体,并采用电磁仿真与实验光谱测试去分析其光学性能。具体如下:
  (1)三维银等离子激元晶体的制备。以胶体晶体为模板,水凝胶为基,采用恒压电化学抛光,设置抛光参数为6V,0.02s,抛光30-80圈后将三维连续的银纳米微结构解离,通过扫描电子显微镜表征的表面与截面图,确定得到了三维非连续银等离子激元晶体;研究表明抛光电流与银等离子激元晶体被解离的程度存在内在的联系,因此可以通过抛光电流的变化去判断解离的进程,实现了抛光解离过程的可控。
  (2)三维银等离子激元晶体光学性能的研究。对于晶体光学性能的研究,采用电磁模拟仿真和实验光谱仪测试去得到银等离子激元晶体的透射、反射光谱,并研究了各个参数改变对晶体的光谱的影响,为之后的应用做好理论基础。研究结果显示:当模板粒径从220nm变化至380nm时,反射光谱中由纳米银颗粒阵列衍射共振形成的波峰从500nm红移至900nm,且呈现线性规律性的变化;仿真了模板粒径为394nm的晶体在不同抛光度下的光谱,当抛光度为从0%变化至21.8%时,反射光谱从没有明显的反射峰到有突出的反射峰,透射率从0%变化至80%以上,因此非连续结构的三维结构呈现出更加优异的光学性能;同一模板粒径,同一抛光度下,当晶体内部填充水凝胶的折劓率每增加0.1,晶体光谱的反射峰位红移60nm,晶体对内部填充物的折射率响应非常灵敏;仿真了不同模板层数的银等离子激元晶体的光谱响应情况,结果显示当模板层数由4层变化至6层时,因法布里珀罗干涉形成的峰呈现规律的移动;通过电磁仿真得到的能带图与场强分布图以及光谱随不同模板粒径和抛光度的变化情况,确定了布拉格晶体衍射和法布里珀罗干涉等效应在光谱上表现。
  (3)pH响应传感器的研究。首先在银等离子激元晶体中填充pH敏感型水凝胶,这种水凝胶在不同pH值下会呈现出不同的溶胀程度,水凝胶的溶胀会改变晶体原有的结构,在其光谱上也会有响应。实验中当滴加的pH值由8变化至12时,晶体的反射峰位由490nm移动到了590nm。
[硕士论文] 徐婷
凝聚态物理 太原理工大学 2017(学位年度)
摘要:在光学光路中,光波经过光学器件时由于器件表面的反射作用而发生部分光反向传播,干扰了有源器件的性能,因此为了降低反向传输光造成的影响,在光学器件中构建全光二极管必不可少。由于光子晶体中光子的快速运动可以被有效地控制,而利用光子代替电子传输大容量信息已成为科技发展的现实要求,因此可以用光子晶体来设计微纳尺度下的全光二极管,使得光波可以单向高效传输。
  基于磁光子晶体的全光二极管虽然满足了光波传输高透射对比度的要求,但需要引入外加磁场来产生旋光效应,不利于全光集成。而利用非线性材料构建光子晶体光二极管,能实现较高的正向透射率和透射比,但是这种方法需要很高的光强以产生足够大的光学非线性效应。利用光子晶体的方向能带失配也能实现光波的单向传输,但是由于光子晶体的散射效应,正向透射率和对比度都还太低,不能满足光通信和光信息处理的需求。以上这三种方法都不利于集成光路的应用。
  我们发现将全反射界面应用到光子晶体异质结构中,可以使得反向入射光在界面发生全反射,从而降低反向透射率,因此在本文中,基于全反射异质界面,通过构建光子晶体异质结构来拓宽光波的单向传输范围,提高其透射对比度,并对其能带结构和等频图展开分析,研究内容和成果如下:
  1)选用全反射异质界面,观察了光波传输的透射谱及电场图,发现正向入射光波在界面处存在反射,且透射光由于折射会偏离原入射方向输出;而反向入射时光波在界面处由于全反射效应几乎零透射,但此结构正向透射率很低。为提高正向透射率,在界面左侧构建二维介质柱型光子晶体PC1以减少界面反射,提高了界面透射;在界面右侧构建二维介质柱型光子晶体 PC2,利用其准直效应将光波准直到与原入射光方向平行,从而提高光波的正向透射率,得到了单向传输性能较好的光子晶体异质结构。
  2)在二维光子晶体结构中,偏振态不同的光波传输效果也不同。由于高折射率柱子周期排列在低折射率介质中便于 TM偏振态光波控制;低折射率柱子周期排列在高折射率介质中便于TE偏振态光波控制。为了得到性能较好的偏振无关光波单向传输,我们将两种四角晶格光子晶体PC1和PC2结合组成新的光子晶体异质结构,基于全反射界面和光子晶体自准直效应,通过对其结构周期和光波输出波导宽度进行优化,得到了 TM模式下,在1423.81nm-1920nm波段范围内近500nm宽的高性能光波单向传输,最高正向透射率可达0.87,光通信波段中心1550nm处正向透射率可达0.834,透射对比度近乎为1。TE模式下,在1447.94nm-2000nm波长范围内近550nm宽的光波单向传输,最高正向透射率可达0.754,光通信波段中心1550nm处正向透射率可达0.678,透射对比度近乎为1。实现了偏振无关的光通信1550nm波段透射对比度近乎为1的高性能光波单向传输,但 TE模式下1550nm的正向透射率还不够高,其单向性能还有待提高。
  3)而在光子晶体结构中,介质中打空气孔便于TE偏振态光波控制,因此为了提高TE模式的传输性能,我们设计了基于全反射界面和自准直效应的二维空气孔型四角晶格光子晶体异质结构,并对空气孔半径、异质界面与相邻空气孔之间距离和输出波导宽度对光波单向传输性能的影响进行了分析,优化后得到的光子晶体异质结构可实现0.75的正向透射率,透射对比度近乎为1,正向透射带宽约260nm,单向传输带宽为600nm,使得TE模式下光通信波段1550nm附近的光波单向传输效果得到了极大地提升。
[硕士论文] 徐青松
电磁场与微波技术 江苏大学 2017(学位年度)
摘要:磁光效应与磁性光子晶体的结合是光子晶体研究领域一个新的热点。磁性光子晶体在外磁场的作用下,磁导率为张量形式并且非对角元素为虚数,系统的时间反演对称性发生破缺,从而实现电磁波的单向传输。另外这些元素会随着外加偏置磁场强度的变化而变化,进而使得光子晶体的能带结构发生改变,实现可调谐的特性。本论文针对磁性光子晶体的特点,利用基于磁性光子晶体的传输矩阵法,对一维磁性光子晶体的传输属性进行了研究,并设计出不同功能的光子器件。
  本文首先设计了四种周期性结构的一维光子晶体,利用空气层作为缺陷,分别计算其透射谱,通过比较验证了只有当系统的时间反演对称性和空间反演对称性同时破缺时,才可实现非互易传输,并且这种对称性破缺程度越高,透射谱的分离度越大。紧接着在此基础上继续研究了缺陷层厚度和入射角度对非互易传输的影响,发现通过调节缺陷层厚度和入射角度,非互易传输会形成高透射率和大消光比,该结构可以被用作光学隔离器等非互易器件。另外,在此基础上本文提出了一种新的机制实现单向传输,一维磁性光子晶体的透射率可以通过传输矩阵的方法计算,仿真可以采用有限元的方法。通过两个非平行磁性光子晶体的串联,正向透射谱可以被裁剪成一个单峰,反向透射谱形成一个宽的禁带,一个完整的单向传输就发生在宽的禁带背景内,这是本文一个创新点。
  随后本文提出了一种由负介电常数材料和磁性材料(YIG)周期性排列组成的磁微腔系统,通过耦合腔谐振器的光子隧穿效应设计了一个多通道滤波器,利用紧束缚模型和传输矩阵方法,分析其传输机制并研究其传输特性。通过微腔的耦合,单个谐振模式分裂成一些离散的单峰,从而形成多通道滤波。同时我们也分析了入射角度和负介电常数材料薄膜的厚度对滤波特性的影响,研究发现合适的结构参数能使滤波器性能达到最优。结合磁性材料的可调谐特性,我们进一步改变外加偏置磁场的强度,发现随着外加偏置磁场的强度变化,滤波通道会出现移动,从而实现通过改变磁场强度控制滤波器通道位置的功能。
[博士论文] 赵彦武
化学 山西师范大学 2017(学位年度)
摘要:金属有机骨架材料(MOFs)具有多孔、结构和性质可调控性等特点,使其在光、电、磁、传感与分离、催化、气体吸附、药物传输等领域具有潜在的应用价值。本文根据晶体学工程原理,以金属有机骨架材料功能为导向,重点研究了MOFs在光学和手性传感领域的应用,其中选用了镧系金属与合适的有机羧酸配体以及具有d10电子组态的过渡金属与合理设计的含有羧基和氮的手性杂化配体通过水热法或溶剂热法合成了一系列的配合物,主要分析了其结构,对其荧光或圆二色性进行了表征,并进一步探索了其应用。本研究主要内容包括:
  ⑴根据发光镧系金属有机骨架材料(LnMOFs)的原理以及构筑该类材料的一些原则,我们结合理论计算,选取了合适的有机配体,设计和构筑了一系列多色的LnMOFs材料。根据三基色原理,将发蓝光的配体、发红光的 Eu3+和发绿光的 Tb3+构筑在同一MOFs中,经过调节激发波长,获得了两种发白光的近紫外单相 MOFs材料:Eu0.045Tb0.955CPOMBA(λex=365 nm)和 La0.6Eu0.1Tb0.3CPOMBA(λex=380 nm),通过研究其晶体形貌、热稳定性、热猝灭性质、荧光性质、量子产率以及荧光寿命等,我们发现它们完全具备UV LED用荧光粉的条件,将其创造性地应用在UV LED上。我们用Eu0.045Tb0.955CPOMBA作为荧光粉手工制作了一系列大功率(1W)UV WLEDs,其中激发波长为365 nm的紫外白光LED灯珠,它的相关色温较低,达到5733K,显色指数较高,Ra达到73.4,色坐标是(0.3264,0.3427),这和市场上销售的蓝光芯片和YAG:Ce3+黄光荧光粉制备的白光LED是可比较的。
  ⑵为了开发出适合在UV WLED上应用的更加高效的白光MOFs材料,在第1部分工作基础上,我们做了改进,选取了量子产率较高的 LnMOFs(LnBTPCA)。根据三基色原理,将镧系金属离子掺杂入同一个 LnMOFs中,获得了完全不同于文献报道的激发波长为380 nm的白光掺杂材料Eu0.025Tb0.975(BTPCA)。我们特别改进了实验方法,获得了粒径均匀的(8-15μm)且适合应用在LED上的晶体,经过研究其晶体形貌、热稳定性、热猝灭效应、荧光性质、量子产率以及荧光寿命等,发现该材料适合应用在LED上,用该白光材料手工制作了380 nm的n-UV WLEDs,其色坐标为(0.3281,0.3316),色温为5609 K,显色指数为78.9,在不同的驱动电流下其流明值为28-35 lm。
  ⑶食品与人类的健康、生命息息相关。对食品添加剂中具有性质不同的手性对映体的检测是至关重要的,目前对于食品添加剂的传统探测方法表现了费用较高、耗时较长等缺陷,而光学传感器已成为研究的主流。MOFs在手性传感领域表现出了优异的性能,促使我们开发了手性MOFs荧光传感器,并用来探测和识别性质不同的食品添加剂中的手性对映体。选择廉价易得的(1R,2R)-环己二甲酸作为原料设计了手性有机配体,其立体构型类似于螺旋桨的叶片,该配体和吡啶辅助配体,共同构筑的 HMOF-2展示了比配体更强的荧光,且具有菱形状的二维螺旋管结构,其管道沿c轴方向较窄,只有3.567?,然而沿a轴方向管道则较宽,能达到13.152?,这种特殊的结构对进入管道内的分子有一定的选择性。HMOF-2作为荧光传感器可选择性地传感手性α-羟基羧酸有机小分子,对于体积较大的扁桃酸分子使HMOF-2的荧光猝灭率低、识别能力较差,而对酒石酸、乳酸等体积较小的分子则猝灭率较大,且对 D-和 L-酒石酸识别体现为KD/KL能达到1.884:1,而对D-和L-乳酸的识别体现为KD/KL能达到1:1.313,这些值是较高的,特别是对D-和L-乳酸的识别能力在已报道的荧光传感器中是最高的。
  ⑷生命体的生物和化学活动取决于其基本手性构筑单元(氨基酸等)的立体化学,对食品和有机体中不同构型氨基酸的手性识别和传感在分析营养成分和诊断疾病方面具有特别重要的意义。考虑到圆二色谱能快速、直观地展示分子的立体构型(这要优于那些传统的色谱法、毛细管电泳法识别氨基酸对映体),我们开发了一个能快速、高效以及对映选择性地识别氨基酸的新策略,通过一个类似于DNA结构的纯手性MOFs(拥有内在的CD信号)和D/L-氨基酸进行作用。运用合理设计的手性配体和Zn盐构筑了HMOF-3,它具有类似于 DNA的右手双螺旋二维结构。HMOF-3乳状液显示了强的圆二色信号,通过氨基酸的诱导可引起CD强度信号有规律的变化,它能快速、方便、灵敏地识别微量的未修饰的氨基酸。最为显著的是3?10-8 mol的L-天冬氨酸和4?10-8 mol的D-天冬氨酸能完全猝灭HMOF-3水相乳状液的CD信号,对天冬氨酸的检测限为13.31 ppm。在所有被探测的8对氨基酸中,其中有关对映体识别能力最高的是D-和L-脯氨酸,其识别效率分别为22.9%和65.7%。这是首次将圆二色谱引入MOFs的传感领域,开创了MOFs传感领域的先河,拓宽了MOFs的应用。
[硕士论文] 方维豪
凝聚态物理 哈尔滨工业大学 2017(学位年度)
摘要:钒基尖晶石AV2O4体系中存在着自旋、轨道、晶格等多种作用相互耦合,成为了研究强关联体系的热点课题。其中MnV2O4因为A位的Mn离子具有磁矩,所以具有更复杂的相互耦合作用和有趣的物理性质。在AV2O4体系中A位离子是否具有磁矩决定了其物理本质,对MnV2O4进行A位非磁性离子掺杂是研究自旋轨道相互作用的有效手段。目前在MnV2O4的掺杂研究中没有用Mg离子对A位掺杂的单晶材料的报道。因此生长出高质量的Mg掺杂MnV2O4单晶并研究其性质,有助于研究钒基尖晶石氧化物体系中自旋和轨道的相互作用。本文利用光学浮区法成功制备了高质量的MnV2O4纯相和四种比例的Mg掺杂MnV2O4单晶,并对各掺杂比例单晶的磁学性质进行了研究。对其中存在的各向异性和变磁转变现象进行了分析,并讨论了Mg掺杂对MnV2O4单晶磁性带来的影响。
  MnV2O4原料的V离子处在+3价,容易被空气氧化为高价态,所以我们采用真空封管烧结的方法烧结料棒。在生长的过程中我们发现有V2O3挥发,所以V2O3的化学配比过量1%。在生长单晶时,生长气氛会影响晶体的化学成分,因为生长时MnV2O4原料会发生分解,分解为V2O3和MnO。生长气氛中的氧气会将V2O3氧化,使V2O3更易挥发而引起成分变化。我们为生长系统增加了真空泵和氧含量检测仪来洗气和严格监控氧含量。在生长过程中不可避免的有气泡溢出,引起浮区不稳定。通过采用加快转速的方法,在气泡聚集变大之前便将气泡排出,维持了浮区稳定。而且MnV2O4黏滞系数小容易导致浮区熔体过量,我们采用高速生长和上下棒差速生长的方法有效得解决了问题。
  我们通过反复实验首次生长出了多种比例的Mg掺杂MnV2O4单晶。粉末X射线衍射测试结果显示我们的的样品成分准确,Mg离子成功掺入体系。偏光显微镜和劳厄照片显示我们的单晶结构完整,质量很好。
  我们测试了纯相单晶100Oe下的磁性,测试结果与文献中一致。在不同磁场下的测试结果显示磁场会抑制共线亚铁磁相变,在高场下存在变磁相变。10%掺杂样品显示了明显的各向异性,通过分析得到掺入Mg离子后使V离子磁有序时的磁矩方向改变,使两相变点处磁性大小变化。从磁滞回线中可以看到在低场时体系发生了一个变磁转变,这是由于V离子中的反铁磁成分引起的。在高场下磁化率曲线还存在一个“台阶”式变化,这是由于多相共存导致体系处在一个亚稳态,增加磁场会使磁化率发生一个跃变。
  最后我们测试了不同掺杂比例样品在磁场下的性质,结果显示随着掺杂比例的增加,两相变点温度都下降。说明掺入Mg离子引入了无序对两次相变都有抑制作用,而且对结构相变的抑制作用强于磁相变。掺杂比例为20%时两个相变点发生重合,较高温度的磁相变消失,只有结构相变,原因是掺杂比例过大引入了很强的自旋阻挫使体系无法保持共线亚铁磁直接进入了第二个相变。
[硕士论文] 王爽
光学 哈尔滨工业大学 2017(学位年度)
摘要:铌酸锂晶体是一种集多性能于一体的多功能材料,其中包括铁电、压电、电光、光折变性能等,它具有非常良好的热稳定性和化学稳定性。利用提拉法生长的铌酸锂晶体容易加工而且成本较低,生长尺寸较大,是未来发展中一种重要的功能材料。目前,光束偏转现象是最近几年比较感兴趣的热门话题,主要利用晶体的电光效应实现光束的偏转,最近研究的热门晶体主要包括坦铌酸钾、铌酸锂等以及掺杂的相似晶体。铌酸锂晶体的电光偏转现象也已经被研究,但是由于铌酸锂的介电常数只有28.7,而坦铌酸钾晶体则是15000。所以,在相同条件下,想要达到和其他晶体同样的偏转效果,铌酸锂晶体需要加入的电压是KTN晶体的500倍。因此,我们考虑利用温场来实现晶体内的光束的偏转。
  论文主要研究了铌酸锂晶体在温场条件下实现光束偏转,我们主要研究了不同厚度、不同位置以及不同的电极方式下晶体内部的光束偏转的实验,并且利用实验结果设计了光开关和分束器两个光学器件。
  通过实验的测量结果可以看出,晶体内部的偏转角度随着晶体上施加电压的增加而逐渐增大。当施加在晶体上的电压增大时,晶体内部的温度场也会随之增加。在测量的实验结果中,1 mm厚上下两层全面镀电极的铌酸锂晶体的偏转角度可以达到2度以上,实现一维上的偏转;同时,研究了1 mm厚单面镀电极的对比实验,研究发现,由于电极改变导致光束的偏转产生了二维的变化,但是最大的偏转角度只有接近1度;3 mm厚全面两面镀电极的晶体的偏转角度和1 mm厚的单面电极的晶体产生了相似的二维变化,偏转角度可以接近1度,由于晶体的厚度的改变,晶体内光束的偏转随着光束入射位置的变化可以实现二维的偏转;最后,我们将钛电极镀在3 mm厚的铌酸锂晶体的侧面,通过这种改变,可以看出温场在晶体的传播方向,实验得到了较理想的偏转角度。在此基础上我们对比了电极的变化对温场和光束偏转角度的影响,从实验结果可以看出,随着电极的减小,晶体内部产生的温度场也随之减小,偏转角度也会随之减小。
  光开关和分束器是光学领域中两个重要的光学器件,我们利用温场控制光束偏转的实验实现了光开关,以及一维和二维的分束。实验测量了光开关和分束器的各光束的功率,实验得到的结果与理论基本符合,随着半波片的转动,光强也会产生从无到有的变化。
[硕士论文] 易为
信息与通信工程 湖南大学 2017(学位年度)
摘要:非线性光学效应对于超短脉冲产生、超快光开关以及激光频率转换和全光信号处理等现代光学应用至关重要。然而,常规光学材料的非线性系数不仅响应慢而且非常小。为了能够对这些应用的性能进行更好地改善和拓展,非线性光学研究领域的学者们一直梦想拥有一种新型非线性介质——在具有超大非线性系数的同时也有极快的响应速度。光子晶体、超材料等人工复合电磁媒质的出现,为学者们的梦想成真提供了可能的技术途径。
  人工电磁媒质是一种具有天然材料所没有的电磁特性的人工微结构材料,在过去的20年里一直是科研人员研究的热点领域。相对于超材料而言,光子晶体不含金属成分,因而具损耗更低。本文以二维光子晶体中的三阶非线性效应为研究对象,探索光子晶体中自散焦效应和非线性效应的调控机理。具体而言,本文综述了光子晶体调控非线性效应的研究背景、意义、国内外发展现状以及相关理论,所涉及的主要工作以及创新点如下:
  第一,根据自相位调制导致的频谱展宽,建立了基于时域有限差分法的人工微结构等效非线性折射率系数提取方法。利用时域有限差分法仿真啁啾脉冲在非线性人工微结构中的传输,通过匹配出射脉冲频谱与理论计算频谱得到人工微结构的等效非线性折射率系数。
  第二,从光子晶体等效非线性折射率系数的角度论证了场局域效应和慢光效应是调控光子晶体非线性效应的物理本源。在二维光子晶体第一导带,我们首先从原胞内的电场空间平均引入场局域因子修正了光子晶体的等效介电常数。其次,引入慢光增强因子最终得到光子晶体的等效非线性折射率系数的理论表达式。最后,我们利用时域有限差分法仿真提取该光子晶体的等效非线性折射率系数,发现其与理论计算结果吻合得较好。
  第三,仿真验证了负折射率光子晶体中的可控自聚焦效应。我们首先在自聚焦非线性介质二硫化碳中插入硅棒构成二维光子晶体。其次,利用时域有限差分法仿真提取其在第二导带即负折射率频带的等效非线性折射率系数,发现该系数为正数。最后,我们利用时域有限差分法仿真高斯光束在该非线性光子晶体中的传输,发现会聚高斯光束在光子晶体中发生自散焦现象,而发散高斯光束则在光子晶体中会聚,但焦斑比入射发散高斯光束的束腰大。
[硕士论文] 李晓蕾
机械制造及其自动化 宁波大学 2017(学位年度)
摘要:声子晶体是一种周期性排列结构的复合材料。当弹性波在声子晶体中传播时,由于其结构上周期性的排列,存在一定频率范围的弹性波将会被阻碍而不能在其中传播,这个不能传播的弹性波的频率范围就叫做声子晶体的带隙。一般来说,当构成声子晶体的材料和声子晶体的拓扑结构确定了之后,声子晶体的带隙也就随之确定了。面对目前复杂的工程应用环境,声子晶体带隙的确定性已不能满足工程实际需求,所以探究带隙可调控的声子晶体便成了我们需要完成的任务。磁流变液是一类性质可控的智能材料,被认为是最具发展潜力的智能材料之一。当没有外加磁场时,磁流变液以液态存在,而施加磁场以后,磁流变液迅速变成类固态,且这个转变是可逆的。这种现象反映在材料参数上则是磁流变液模量和粘度的改变。
  基于以上论述,本文提出了一类将磁流变液作为组成材料的声子晶体。由于磁流变液的模量可以由磁场来调控,这样利用磁流变液作为媒介就可以通过磁场来调节声子晶体的带隙。为了获得声子晶体在不同磁场下的带隙,我们首先用实验的方法测得了磁流变液随磁场变化的剪切储能模量和耗能模量图。其次,使用磁流变液构造了完美周期声子晶体模型和带有缺陷的声子晶体模型,实验中使用LMS仪器测得了其在不同磁通密度下的振动传输图谱,同时运用 COMSOL仿真软件对实验的声子晶体加以建模并计算了带隙。最后,将实验得到的带隙范围和理论结果进行了对比,分析了产生误差的原因,并总结了磁场改变对带隙范围的影响规律。
  主要结论有:磁流变液的剪切储能模量和耗能模量随着磁通密度的增加而逐渐变大,直至磁流变液达到磁饱和状态;随着磁通密度的增大,磁流变液调控的一维声子晶体,二维声子晶体板的带隙出现了带隙所在频率变大,带隙宽度变宽的现象;以完美周期结构的铝/水声子晶体为比较对象,随着含有周期缺陷的数目的增加,以磁流变液作为缺陷的一维声子晶体梁出现了阻碍声子晶体中波的传播的现象;对于含有三个周期缺陷的声子晶体梁,随着磁通密度的增大,带隙所在频率变大,带隙宽度变宽,这和磁流变液调控完美周期声子晶体的带隙的规律有较好的一致性。
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