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[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] 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。
[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] 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。
[硕士论文] 朱霞
光学工程 苏州科技学院;苏州科技大学 2017(学位年度)
摘要:由于电子自旋、电荷、轨道和晶格之间的强关联,钙钛矿型过渡族金属氧化物材料呈现出极为丰富的新奇物理现象,如金属-绝缘体转变、相分离以及超大磁阻效应等。锰氧化物各量子态具有相近的自由能,导致多个亚稳态的竞争与共存,使得锰氧化物对物理场十分的敏感。本论文中,以钙钛矿锰氧化物材料La0.9Hf0.1MnO3(LHMO)作为研究对象,系统地研究其薄膜与异质结在光、电、磁和应力场的调制下的电输运性质。具体内容如下:
  1、采用脉冲激光沉积的制备工艺,在SrTiO3(001)衬底上制备LHMO薄膜,改变退火氧压和退火时间,研究退火条件对薄膜电输运特性的影响。结果表明提高退火氧压和延长退火时间都会提高薄膜的金属绝缘转变温度。
  2、研究晶格失配对LHMO薄膜电输运特性的影响。选用不同晶格常数的衬底提供不同的应力,分别在SrTiO3(STO),LaAlO3(LAO),(LaAlO3)0.3(Sr2AlTaO6)0.7(LSAT)、KTaO3(KTO)、和(Zr,Y)O2(YSZ)单晶衬底上生长LHMO薄膜。研究发现应力会降低薄膜的金属-绝缘转变温度,从而影响材料的电输运特性。
  3、研究应力场与光场共同作用下,LHMO薄膜电输运特性的变化。在光场的调控下,薄膜出现光致电阻效应,并将两种不同应力作用下的光致电阻率进行对比,发现压应力作用下的光致电阻效应较为明显。
  4、研究薄膜受磁场调控的影响时,比较电子导电的薄膜与空穴导电的薄膜的磁输运特性。在LSAT衬底上分别制备LHMO和La0.8Ba0.2MnO3(LBMO)薄膜,LHMO薄膜是电子导电型,LBMO薄膜是空穴导电型。结果发现无论是电子导电的薄膜还是空穴导电的薄膜,在磁场的调制下,薄膜的电阻都会随磁场的增大而变小,并在某一温度有薄膜的最大庞磁电阻率。
  5、研究La0.9Hf0.1MnO3/0.05wt% Nb-SrTiO3(NSTO)异质结的性能,包括异质结的整流效应和光电效应。对异质结进行光、电、磁场的多场调控,研究整流效应的场调控。结果表明在多场调制下,反向电流变大的同时,正向电流也变大,异质结表现出更好的整流特性。
[硕士论文] 赵超
电子与通信工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着电子信息工业的蓬勃发展,磁性薄膜这种强磁性材料得到了越来越广泛的应用,其应用环境也越来越复杂。因此对于磁性薄膜电磁参数的测量,尤其是其复磁导率的测量一直是国内外研究的热点。然而磁性薄膜的厚度为微米级或纳米级,这会给测试精度和灵敏度带来很大的困难。广泛的应用带来了更多的测试要求,如更宽的测试频带和在多个温度下的测试,所以如何在变温环境下准确的测量出磁性薄膜的电磁参数有着重要的意义。
  本文采用传输线微扰法,首先分别对磁性薄膜的复介电常数和复磁导率建立起了测试模型,并对其计算公式进行了推导。然后利用电磁仿真软件HFSS设计了测试夹具,并对其性能进行了评估。测试夹具确定了之后,研制了配套的变温系统,高温加热系统用来实现室温到100℃的高温环境,低温制冷系统用来实现-50℃到室温的低温环境。基于VC++软件编写了实验所需的测试软件,大大简化了实验操作和数据处理的繁复性,并详细介绍了软件的各个界面和实验操作步骤。
  本实验中的磁性薄膜都覆在0.5mm×5mm×15mm的硅基板上,厚度均为几百纳米。利用本文所研制的测试系统对几个规格的样品进行了常温测试和变温测试,分析了测试结果的精确度和稳定性,并对磁性薄膜材料的电磁参数的温度特性进行了分析。最后,对测试结果进行了误差分析,并且对整个测试系统提出了几点需要继续改进的工作。
  本文在测试夹具上做了独特设计,提高了系统的测试带宽(50MHz~12GHz)。设计了短路微带线来测试磁性薄膜材料的复磁导率,并提出了用终端开路的微带线来测试磁性薄膜的复介电常数。成功的研制出了用于测试磁性薄膜材料电磁参数的变温系统。测试结果表明,整套测试系统具有足够的稳定性和精确度,完全能够满足磁性薄膜材料的变温测试需求。
[博士论文] 李桂萍
无线电物理 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:手征介质因其特殊的物理特性在微波和光学领域已经获得了广泛地研究和应用,电磁波与手征介质相互作用是当前国际学术界一个研究热点。本论文基于电磁场理论研究了手征介质的电磁散射和光力问题。
  本论文将主要采用Mie级数解法、时域有限差分(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)方法和传播矩阵方法(Propagation Matrix Method,PMM),对电磁波在手征介质中的电磁传播、散射、辐射光压和增益等特性进行了理论上的深入研究,探讨其在隐身和光学微操控等工程中的应用。主要研究内容为:
  第一,基于Mie级数解研究了单个手征异向介质球的电磁散射,同时模拟了金属球被双各向同性手征异向介质(Chiral Metamaterials,CMM)覆盖的双层球电磁散射;推导并实现了可用于计算单层和双层含色散均匀手征异向介质球的单、双站散射的Mie级数解;通过数值计算并比较了手征异向介质覆盖层的介电系数或磁导系数单负、介电系数和磁导系数双负以及手征参数等对金属球同极化和交叉极化散射的影响。Mie级数解的计算结果表明:(ⅰ)手征异向介质球折射率增加时,谐振引起的更多表面模式会影响其散射。由于手征异向介质球的负折射特性,因此与相同尺寸金属球相比,手征异向介质球的前向散射明显更大,而后向散射则正好相反。(ⅱ)相较于普通介质覆盖层而言,手征异向介质覆盖的金属球的手征参数通常可缩减大尺度双站角的雷达散射截面,因而手征介质是一种潜在的电磁吸波材料。
  第二,基于辅助差分时域有限差分法模拟了平面波入射时,色散增益手征介质板和手征介质柱的电磁场和洛伦兹力密度分布。首先,从本构关系出发,引入电磁色散和手征参数,推导了用于计算手征介质电磁特性的基于辅助差分方程(ADE:Auxiliary Differential Equation)的时域有限差分方法。分别用Drude、Lorentz和Condon模型来模拟手征介质,给出了色散手征介质中频域电、磁极化强度与感应电、磁极化强度和耦合电、磁极化强度之间的关系;推导了描述手征介质中场与流的微分方程组,并将其离散后获得三维、二维和一维ADE-FDTD递推表达式。其次,推导了手征介质中含束缚电荷、电流和束缚磁荷、磁流密度的时均洛伦兹力密度表达式。通过与文献结果对比,验证了辅助差分方程-时域有限差分法和洛伦兹力密度方法的正确性。最后编制程序仿真了增益手征介质板和手征介质柱的电磁场和光力分布情况,讨论了电磁流和电磁荷对洛伦兹力密度的贡献。数值结果表明:(ⅰ)特定厚度的手征增益介质板的交叉极化透射系数比同极化透射系数大;手征介质交叉极化波束缚电流产生的梯度力比散射力大从而将手征板向入射波源方向吸引;讨论了平面波照射下,含不同介质参数手征介质的介质板中复杂的拉力和推力密度。(ⅱ)平面波入射时,耦合的交叉极化波在手征介质柱中产生了一个会聚点,从而捕获该色散增益(参数满足Im2(κ)>|Im(ε)Im(μ)/(ε0μ0)|)的手征介质柱,该捕获力主要归因于手征参数的磁电耦合特性和交叉极化波电磁流的贡献。(ⅲ)普通介质覆盖增益手征介质的捕获主要归因于手征介质交叉极化波产生的束缚电流,内部手征介质层对捕获洛伦兹力密度无贡献。本部分研究工作可为手征介质在光镊和手征参数测量等的工程应用提供理论指导。
  最后,用传播矩阵方法计算多层非均匀、含各向同性手征介质板中的电磁散射和光力密度。从麦克斯韦方程和手征介质本构关系出发,将手征介质中的电磁波分解为互不耦合的特征模,利用电磁场连续性边界条件,推导出了多层手征介质板在同极化和交叉极化下的反射及透射系数的传播矩阵方法解析解。从麦克斯韦张量出发,推导了手征介质板的光力密度表达式,并与文献结果进行对比验证;最后简单计算了手征介质板中同极化和交叉极化下的反射系数、透射系数和光力密度。
[硕士论文] 刘磊
材料科学与工程 西南科技大学 2017(学位年度)
摘要:类金刚石薄膜(DLC)是一种非晶结构的薄膜材料,在激光惯性约束聚变(ICF)物理实验研究中,DLC薄膜因其具有良好的热稳定性能和光学透过性,高的力学强度、高的质量密度和结构致密无微结构缺陷等优良特性通常被选作为聚变点火靶丸的重要烧蚀层材料。随着国内ICF研究的不断深入,目前需要制备出大厚度且质量密度高,表面粗糙度较低和力学性能好的DLC薄膜。因此,开展大厚度且质量密度高,表面粗糙度较低和力学性能好的DL C薄膜及微球成了我们研究的重点。
  本文采用直流/射频耦合(反应)磁控溅射法制备DLC薄膜,并对其结构和性能进行了研究。研究并分析了沉积工艺参数对DLC薄膜沉积速率的影响规律,同时利用傅里叶变换红外吸收光谱(FT-IR)、拉曼光谱(Raman)及 X射线光电子能谱(XPS)对不同沉积参数下制备的DLC薄膜内部组分和结构进行了分析和讨论,探讨了沉积参数对DLC薄膜内部组分和结构的变化规律。采用连续刚度法(CSM)纳米压痕技术(Nanoindentation)对不同沉积参数下制备的DLC涂层的硬度和模量进行了表征。利用场发射扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)对制备的DLC薄膜及Si/DLC微球表面形貌及表面粗糙度进行表征。采用X射线小角反射法(XRR)测量DLC薄膜的质量密度。利用表面轮廓仪(Micro XAM3D)通过曲率弯曲法测试镀膜前后硅基底的曲率变化,根据Stoney公式计算出薄膜的内应力。
  通过对上述内容展开较系统的研究,本文主要在以下四个方面获得规律性的认识,并在微球制备方面取得了突破性的进展:
  (1)工作压强对DLC薄膜的结构与性能的影响。研究结果表明:随着工作气压的升高,薄膜的沉积速率呈下降趋势,sp3键的含量则随着气压的增加而先增加后降低。在1.0Pa工作压力下制备的DLC薄膜sp3键含量最高为20.4%。随着工作气压的增加,薄膜表面粗糙度呈先减小后增大的趋势,当工作气压为1.0Pa时薄膜表面粗糙度最小为6.68nm。DLC薄膜的显微硬度与体弹性模量随着溅射气压的增加呈现先增大后减小的趋势,且在工作气压为1.0Pa时薄膜的显微硬度和体弹性模量分别达到最大值11.6GPa、120.7GPa。
  (2)氢气流量对DLC薄膜的结构与性能的影响。研究结果表明:随着氢气流量的增加,薄膜的沉积速率呈现出逐渐减小的趋势,而薄膜中sp3键的百分含量则由18.3%增加到36.3%。DLC薄膜的硬度与弹性模量随着氢气流量的增加而呈现逐渐增大的趋势,且在氢气流量为25mL/min时其显微硬度和体弹性模量分别达到最大值17.5GPa、137GPa。同时,在不同氢气流量条件下制备出的薄膜,其内应力均低于0.5GPa。随着氢气流量的增大,DLC薄膜的表面变得越致密光滑,且表面均方根粗糙度由5.40nm降低到1.46nm。
  (3)直流电压对DLC薄膜的结构与性能的影响。研究结果表明:随着直流电压的升高,薄膜的沉积速率呈上升趋势,sp3键的含量则随着直流电压的增加而先增加后降低。在直流电压为500V下制备的DLC薄膜sp3键含量最高为29.3%。DLC薄膜的显微硬度与体弹性模量随着直流电压的增加呈现先增大后减小的趋势,且在直流电压为500V时薄膜的显微硬度和体弹性模量分别达到最大值18.0GPa、195GPa。与其他传统方法相比,直流/射频耦合反应磁控溅射法制备的DLC薄膜具有较高的质量密度(2.25~2.36g/cm3)和较低的内应力(低于0.3GPa)。
  (4)Si/DLC微球的制备。当直流电压500V,射频功率50W,工作气压1.0Pa,氩气流量50sccm为镀膜工艺参数时,将微球放在自行设计的滚动装置内涂覆DLC薄膜,成功在Si微球上制备出厚度50um,表面较为光滑的DLC薄膜。
  综上所述,本研究采用直流/射频耦合反应磁控溅射制备DLC薄膜,系统地分析了不同沉积参数对薄膜结构、组分及性能的影响。研究表明,所制备的DLC薄膜力学性能优异、质量密度高及低内应力,有望能制备出满足ICF物理实验的需求靶材料。
[硕士论文] 王刚
化学工程与技术 西南科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着能源危机的加重以及严重的环境污染,而太阳能本身因具有无穷无尽且非常清洁的特点,受到了人们极大的关注。太阳能电池是利用太阳能的一种非常重要的方式,而钙钛矿太阳能电池则是其中的焦点。它的性能发展得十分迅速,其光电转换效率已经从最初报道的3.8%已经提高到如今的22.1%。本论文将溶液法制备的NiO层应用于钙钛矿太阳能电池当中,从研究影响钙钛矿电池效率和质量提高的关键问题出发,深入全面地开展了对薄膜及相关电池性能的研究。本文主要的研究内容和结果如下:
  通过溶液-高温煅烧法制备获得了高透光率、高质量的NiO薄膜,并通过旋涂、蒸镀等工艺来制备了以FTO或者ITO导电玻璃作为阳极、NiO作为空穴传输材料、CH3NH3PbI3作为钙钛矿光吸收层、PCBM或者C60作为电子传输材料以及金属Ag作为阴极的钙钛矿太阳能电池,然后,我们采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、紫外分光光度计、阻抗测试仪、量子效率测试系统以及J-V曲线测试系统等手段对电池性能进行了全面的研究及分析。
  研究发现,ITO/NiO/CH3NH3PbI3/PCBM/Ag的钙钛矿太阳能电池的各膜层之间的界面接触十分良好,十分有利于该平面异质结构电池性能的提高。其中NiO薄膜具有良好的透光性,使得钙钛矿可以充分吸收入射光,并且电池对光的有效吸收波长范围为300到800nm之间,与文献中的报道相一致。同时,我们通过一系列电池研究发现,制备NiO薄膜的最合适的前驱体溶液浓度为0.05mol/L、最佳烧结温度为500℃。此外,所获得的该类型的电池的最高效率为14.62%,并且其正反扫的J-V曲线基本重合,没有出现光电流回滞现象。
  将通过旋涂、蒸镀等工艺制备的FTO/NiO/CH3NH3PbI3/PCBM/Ag钙钛矿太阳能电池与ITO玻璃基底制备的电池进行性能对比,我们发现前者电池整体性能要高于后者电池,尤其是填充因子差距较大,这要归因于高温煅烧后,FTO膜的方阻远小于ITO膜,从而相对的提高了电池的填充因子。同时,还可以发现,适当降低电子传输材料溶液的旋涂转速,可以较大幅度地提高钙钛矿太阳能电池的填充因子。此外,所制备的FTO玻璃基底的钙钛矿太阳能电池的最高转换效率为16.91%。
  通过将PCBM和C60这两种电子传输材料制备的钙钛矿太阳能电池进行性能对比,可以发现,以PCBM作为电子传输材料的电池的整体性能要高于以C60作为电子传输材料的电池,这应是沉积的C60薄膜的质量不高造成的,此外,由于以PCBM作为电子传输材料的电池的阻抗高于以C60作为电子传输材料的电池,使得其电池的短路电流低于以C60作为电子传输材料的电池。通过对两种电池进行的稳定性测试,可以得到以C60作为电子传输材料的电池的稳定性高于以PCBM作为电子传输材料的电池的结论。此外,以C60作为电子传输材料的电池所获得的最高转换效率为15.67%。
[硕士论文] 王怀佩
凝聚态物理 太原理工大学 2017(学位年度)
摘要:近几十年来,由于硅具有优良的电学和机械等性能且在地球上储量丰富,硅材料已被广泛关注。但由于单晶硅是间接带隙半导体,电子跃迁发出光子,需要吸收或发射一个声子,这比电子直接跃迁发出光子几率小得多,这使得单晶硅发光微弱。因此设计高效、稳定的硅基发光材料是光电子技术中的关键问题。其中稀土掺杂硅基发光材料可以很好的改善硅基发光效率。因为稀土材料发光性能优良,其f-f跃迁的电子能级丰富、光谱峰形尖锐、颜色纯度高,且稀土发光受外界影响小。此外,+3价的稀土离子,每一电子层中都含有未成对的电子,跃迁时释放光子,适合掺杂到发光材料中。因此,硅基薄膜中掺杂稀土材料是实现硅基发光的一条重要途径。本文将稀土离子——铽掺杂到母体材料 SiCxOy薄膜中,通过改变薄膜中碳元素的含量以及对样品进行不同温度的退火,从而实现铽离子的最优发光,并分析其发光机制。
  首先,研究母体材料 SiCxOy薄膜中氧含量对薄膜发光的影响机制。采用高频等离子体增强化学气相沉积技术(VHF-PECVD)在250oC下制备一系列非晶SiCxOy薄膜。改变薄膜中氧组分的含量,氧组分的变化会影响SiCxOy薄膜发光性质和结构。通过光致发光光谱(PL)研究发现,随着薄膜中氧组分的增加,其发光峰位由橙红光逐渐向蓝光移动,肉眼可见较强的发射光。荧光瞬态谱分析表明,薄膜的光子寿命在纳秒量级。综合观察薄膜的 XPS、FTIR光谱以及Raman谱,对薄膜的相结构和化学键合进行表征,我们分析SiCxOy薄膜的可调光发射机制。
  之后,研究铽掺杂SiCxOy薄膜中碳含量和退火温度对铽离子发光的影响机制。采用磁控溅射技术在250oC下制备一系列SiCxOy: Tb薄膜。因为薄膜中适量的碳可以促进形成纳米硅团簇,纳米硅团簇可以作为激子介导激发铽离子发光。因此,当薄膜中的碳适量时,以纳米硅团簇激发铽离子发光为主,铽离子的绿色发光增强。然而继续增加薄膜中的碳含量时,铽离子的发光强度反而减弱。这是由于薄膜中碳含量再增加时,以氧缺陷激发铽离子发光为主,但是纳米硅团簇激子激发效果强于氧缺陷激子激发效果。因此,当氧缺陷激发为主时,铽离子发光减弱。此外,通过不同退火温度之后的SiCxOy: Tb薄膜,铽离子的绿色发光均有增强。因此,碳含量和退火温度对薄膜中铽离子的发光均有较大的影响。本文对不同碳含量以及不同退火温度的SiCxOy: Tb薄膜的微结构进行表征,分析了铽离子发光增强机制且找到铽离子最优发光条件。
[硕士论文] 吕响
凝聚态物理 太原理工大学 2017(学位年度)
摘要:有机电致发光器件(OLED)因其在显示和固态照明领域具有自发光,丰富的图像效果,重量轻,容易制备,成本低,大面积和柔性显示等优异特性,已经成为当前研究的热点。但相对于绿光和红光材料, OLEDs所必需的高性能蓝光材料的开发相对滞后,特别是很难满足国际电视标准委员会(National Television System Committee, NTSC)制定的蓝光标准CIE(0.14,0.08)。因此开发综合性能优异的蓝光荧光材料具有重要价值。本论文将氟取代有机材料独特的电荷传输特性和光电性能与蒽类材料优异的发光性能相结合,综合考虑分子的几何构型、取代基的电子效应和空间效应等因素,设计并合成出一类具有非给-受体结构的氟取代联蒽类材料,实现双极性电荷传输、发光性能和稳定性均优异的深蓝光材料,以制备出高效率和理想色纯度的深蓝色有机电致发光器件。本论文较为系统的研究了有机电致发光材料的设计与合成、性质以及器件性能,主要成果如下:
  (1)采用含一定尺寸取代基的蒽醌反应前体构筑三种联蒽中心核(BA、MBA、TBBA),通过改变取代基种类、位置和数目,不仅材料的吸收和发射光谱发生移动,而且能够有效的调节材料的能级。采用密度泛函理论进行量化计算的结果与实验测试相一致。BAs具有非平面结构,能够抑制分子间的堆积,从而使得材料具有高的发光效率和良好的色纯度。在OLED中,BAs作为蓝光发光材料的器件ITO/HAT-CN(5 nm)/TAPC(40 nm)/BAs(20 nm)/TPBI(40 nm)/Liq(1 nm)/Al(120 nm),TBBA器件的最大外量子效率达3.18%,且对应的CIE(0.15,0.06)。更重要的是,BAs作为掺杂材料的器件 ITO/HAT-CN(5 nm)/TAPC(40 nm)/BAs:3%DSA-ph(20 nm)/TPBI(40 nm)/Liq(1 nm)/Al(120 nm),MBA器件的最大外量子效率达到9.30%。最大电流效率(CE)和最大功率效率(PE)分别为16.54 cd/A和16.57 lm/W最大发光亮度为13800 cd/m2。这些材料都可以作为高效的蓝光主体材料,因为他们与蓝光掺杂材料(DSA-ph)具有很好的光谱重叠。
  (2)将甲基化联蒽与氟代作用结合起来,合成了一系列高效氟代联蒽类主体材料(MBAnFs)。我们系统分析了该类材料的吸收,发射光谱,电化学性质和器件性能受引入的吸电子取代基(F和CF3)的影响作用,并用理论计算进行了说明。在非掺杂器件中,材料MBAn-4-F表现了最优的器件的性能,EQE达到最高的6.11%以及优异的CIE(0.15,0.05)。更重要的是,MBAnFs作为掺杂材料的器件ITO/HAT-CN(5 nm)/TAPC(40 nm)/CBP:5%MBAnFs(20 nm)/TPBI(40 nm)/Liq(1 nm)/Al(120 nm),MBAnFs作为客体掺杂器件的性能相比较非掺杂器件都有了明显的提高,尤其是MBAn-2-F,MBAn-3-F, MBAn-4-F和MBAn-3,4,5-F器件的EQE分别提高到4.57%,4.11%,6.65%和6.25%,同时对应的CIE(0.15,0.05-0.07)。更有趣的是,MBAnFs作为主体掺杂器件 ITO/HAT-CN(5 nm)/TAPC(40 nm)/MBAnFs:5%DSA-ph(20 nm)/TPBI(40 nm)/Liq(1 nm)/Al(120 nm)的性能相比较前两种器件都有了明显的提高,尤其是MBAn-2-F,MBAn-3-F,MBAn-4-F和MBAn-3,4,5-F器件的EQE分别提高到8.69%,8.42%,11.76%和7.90%,几乎没有出现roll-off现象。CE和PE分别为18.63-25.19 cd/A和12.42-25.52 lm/W最大发光亮度为20920-23670 cd/m2。这些材料都表现出了蓝光发光材料高效性能,表现出在蓝光OLEDs中巨大的研究潜力。
  (3)具体介绍了氟代叔丁基化联蒽类(TBBAnFs)深蓝光材料,结合理论和实验分析了TBBAnFs类材料的光物理性质和电致发光性能。研究表明:它们都表现了良好的热稳定性以及高效的光致发光效率。在非掺杂器件中,材料TBBAn-4-F表现了最优的器件性能,EQE达到最高的3.16%以及优异的CIE(0.15,0.07)。尤其是在主体掺杂器件中,将材料TBBAnFs作为发光层主体材料,DSAph作为客体材料时,得到了高效稳定的蓝光掺杂器件。特别是TBBAn-2-F器件表现了优异的特性,其最大发光亮度达到21250 cd/m2,CE和PE分别高达11.20 cd/A和8.72 lm/W,而且EQE高达6.89%, CIE为(0.15,0.25)。通过结果分析,通过不同的氟苯取代基进行叔丁基化联蒽封端修饰,可以提高材料TBBAnFs在蓝光OLED中拥有巨大的应用潜力。
  我们研究结果表明:通过不同数目和位置的给电子基团以及吸电子基团F和CF3对联蒽的修饰,通过取代基CH3和tBu的电子效应和位阻效应会影响分子的堆积,以及降低材料的自猝灭效应。同时取代基F和CF3会降低材料的HOMO和LUMO能级,提高电子传输性能,增加其稳定性。可以将电致发光材料调节到蓝光区。
[硕士论文] 陈慧
凝聚态物理 太原理工大学 2017(学位年度)
摘要:稀土离子由于其具有特殊的电子构型从而产生了丰富的能级结构。电子在这些不同能级间跃迁可以产生大量的光谱信息,覆盖从真空紫外到红外光区。近年来,稀土掺杂的近红外发光材料得到了广泛的研究,其中,掺杂Yb3+、Er3+离子的近红外发光材料一直受到研究者们的重视,在光纤通讯、固体激光器、医疗诊断等方面具有广阔的应用前景。但是,稀土离子的4f轨道内的电子跃迁属于禁戒跃迁,吸收截面窄,吸光效率低,进而导致稀土离子的发光效率较低,限制了其广泛的应用。为解决该问题,本论文尝试用基质或过渡金属敏化的方法来提高Yb3+、Er3+离子的近红外发光效率。具体实验内容如下:
  1)采用高温固相法制备了Y2WO6:Yb3+近红外荧光粉。通过XRD对荧光粉的组分进行了分析,同时利用光谱手段对所制备荧光粉的发光性质进行了深入的研究。在340 nm的紫外光激发下,Y2WO6:Yb3+荧光粉能够发射较强的近红外光,其波长范围为900-1100 nm,主要来自于Yb3+的2F5/2-2F7/2能级跃迁。详细分析了WO66-→Yb3+的能量传递行为,最后计算了不同Yb3+浓度下Y2WO6:Yb3+荧光粉的能量传递效率及量子效率。
  2)采用高温固相法制备了LaAlO3:Mn4+, Er3+近红外荧光粉。利用X射线粉末衍射(XRD)、荧光光谱及荧光衰减等手段对荧光粉的结构与发光性质进行了研究。结果发现,当激发Mn4+离子时,在LaAlO3:Mn4+/Er3+荧光粉中可以观察到较强的近红外发射,分别对应于Er3+的4I11/2→4I15/2(990 nm)及4I13/2→4I15/2(1552 nm),这表明Mn4+与Er3+之间存在着有效的能量传递。Er3+浓度依赖的Mn4+荧光寿命分析进一步表明了在LaAlO3:Mn4+/Er3+荧光粉中存在着Mn4+到Er3+的能量传递过程,并且证实其作用机理为电四极电四极相互作用。
  3)采用高温固相法制备了SrGa12O19:Cr3+, Er3+近红外荧光粉。利用XRD分析了荧光粉的物相组成,并测量了荧光粉的激发与发射光谱。当Cr3+离子受到激发时,SrGa12O19:Cr3+, Er3+荧光粉中能够观察到Er3+的特征近红外发射,其中心波长位于1550 nm,主要来自于Er3+的4I13/2→4I15/2能级跃迁。同时结合荧光衰减讨论了Cr3+→Er3+的能量传递过程,证明电偶极-电偶极间的相互作用主导Cr3+-Er3+能量传递机理。
[硕士论文] 乔建伟
凝聚态物理 太原理工大学 2017(学位年度)
摘要:白光LED因其具有体积小、寿命长、高效、环保、节能等诸多优点,而被广泛应用于照明、LED显示屏、液晶背景光源、医学成像、植物用光等领域,成为国际照明领域研究的热点。LED器件是由蓝光或紫外芯片激发荧光粉组合得到,由此可见,荧光粉在LED器件发光中发挥着重要作用。因此,本论文的工作之一就是选择磷酸盐为基质材料,研发能够被紫外、近紫外光有效激发的红色荧光粉和单一基质高显色性的白光荧光粉。
  另外,长余辉发光材料作为光致发光材料的一种,因其可以存储激发能,在激发停止后,仍可持续发光几分钟到几小时而被广泛研究报道。目前,长余辉材料已经被广泛应用于应急照明、装饰、生物医学成像、军用监控等领域。因此,本论文的另一工作就是对稀土离子掺杂长余辉材料Na0.34Ca0.66Al1.66Si2.34O8的余辉性能进行了研究。具体研究内容包括以下三个方面:
  (1)利用高温固相法合成了新型红色荧光粉LiY5P2O13:Eu3+。在近紫外光394 nm和蓝光467 nm激发下,这种荧光粉发出高强度的红光,同时表现出很高的色纯度。当Eu3+的掺杂浓度为10 mol%时,荧光粉发光强度达到最大值,随后增加 Eu3+含量,发光强度减小,Dexter理论分析表明,浓度猝灭机制是电偶极-电四极相互作用的结果。通过J-O理论的计算得出, Eu3+在这种荧光粉中具有较高的跃迁几率,从而导致了较高的发光效率。通过与商用红色荧光粉Y2O2S:Eu3+和Sr2Si5N8:Eu3+的发光强度和热稳定性比较可知,该荧光粉在白光LED中具有较好应用前景。
  (2)利用高温固相法合成了Bi3+/Eu3+共掺的LiGd5P2O13荧光粉。在290 nm紫外光激发下LiGd5P2O13:Bi3+呈现出一个380-650 nm的宽带发射。利用Bi3+对Eu3+的能量传递,合成了一种单一基质发白光的LiGd5P2O13:Bi3+,Eu3+荧光粉,并对其发光性质、能量传递以及光色调控等进行了研究。获得了显色指数为82、色温为4250 K、色坐标为(0.372,0.328)的高显色性白光。
  (3)利用高温固相法合成了Eu2+/Dy3+掺杂的Na0.34Ca0.66Al1.66Si2.34O8长余辉荧光粉。Eu2+离子单独掺杂时,在近紫外光激发下,发射出峰值在425 nm附近的宽带蓝光,并伴随有微弱的余辉;Dy3+离子掺入后,其发光强度和余辉性能都有了明显的提升。对激发/发射光谱、余辉衰减曲线、热释光谱进行了测量与分析,计算了陷阱的深度,并解释了Dy3+离子在该材料中能提升余辉性能的原因。
[硕士论文] 张雄
材料科学与工程 湘潭大学 2017(学位年度)
摘要:h-LuFeO3由于同时存在着铁电性及磁有序现象,因而被视为是一种潜在的室温单相多铁性材料,目前受到广泛关注。该材料铁电-顺电转变的居里温度在1000 K以上,而其铁磁有序只能存在于120 K以下。因此,如何调制h-LuFeO3的磁性能,将其反铁磁-铁磁转变温度提高到室温,同时提高磁极化强度,是实现h-LuFeO3在磁电器件中应用的关键。而外延生长是获得高性能h-LuFeO3薄膜及应用的基础。基于此,本文采用脉冲激光沉积法(PLD)在钇稳定氧化锆(YSZ)单晶衬底上制备 h-LuFeO3外延薄膜,然后对其磁性能进行探讨。主要研究内容及结果包括:
  (1)通过固相反应烧结法制备了成分单一、致密度高的LuFeO3陶瓷靶材。利用PLD法制备h-LuFeO3薄膜,初步探讨了衬底温度、氧压、激光能量对薄膜生长的影响,确定了 h-LuFeO3外延薄膜生长参数的调控方向,为下一步详细研究高质量外延薄膜的制备奠定了基础。
  (2)详细研究了衬底温度、氧压、激光能量等工艺参数对h-LuFeO3外延薄膜生长的影响,获得了优化的工艺参数,即衬底温度为750℃、氧压为20 mT、激光能量为400 mJ、激光重复频率为10 Hz。在此工艺参数下制备的h-LuFeO3薄膜结晶质量高,YSZ衬底与h-LuFeO3薄膜之间无界面层,界面尖锐突变,薄膜无明显缺陷,原子排列整齐致密。薄膜与衬底之间的外延取向关系分别为:h-LuFeO3(0001)//YSZ(111),h-LuFeO3[100]//YSZ[210]。H-LuFeO3外延薄膜生长机制为层状生长。
  (3)利用超导量子干涉仪(SQUID)对h-LuFeO3外延薄膜的磁学性质进行了研究。在室温下,薄膜的饱和磁化强度及矫顽场都较小,说明该材料表现出室温弱磁性。并且随着测试温度的降低,薄膜的饱和磁化强度及矫顽场都增大。这是因为在h-LuFeO3中,稀土Lu原子不存在局域磁矩,其磁性主要来源于Fe离子磁矩,随着温度的降低,Fe离子磁矩发生长大从而表现为宏观磁化强度的单调递增。H-LuFeO3薄膜的磁性来源于晶体内部Fe原子间的交换作用,这种交换作用受到薄膜晶格畸变的影响。因此,不同厚度薄膜存在的晶格畸变直接影响着薄膜磁性的变化。
[硕士论文] 孙江涛
机械工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:有机无机纳米复合材料已经成为当今材料学的研究热点,在电子学、光学、机械等领域表现出良好的应用前景。有些有机无机复合材料可在外界的刺激下产生可逆的性能改变,例如光致变色,磁致伸缩等。经过大量文献调研发现,目前对于具有磁响应的有机无机复合薄膜材料的相关研究还很少。
  在本论文中,我们制备出一系列具有磁响应的有机无机复合光学薄膜。在第一部分,我们将粒径为20nm的Fe3O4纳米颗粒掺入PDMS中,制备出各向同性、链状各向异性和短棍状各向异性的PDMS-Fe3O4磁响应光学薄膜。各向异性的薄膜光学透过率高于各向同性的薄膜。在相同Fe3O4纳米颗粒的含量下,短棍状各向异性PDMS-Fe3O4磁响应光学薄膜的光学透过率高于其它两种微结构薄膜,并且随着Fe3O4纳米颗粒的含量的增加,这种差异逐渐增大。在Fe3O4纳米颗粒含量较高的情况下,我们可以制备出具有较高透明度且良好磁学性能的PDMS-Fe3O4磁响应光学薄膜,其在外磁场作用下可以产生应变。我们又从理论上分析得出施加外磁场可以影响PDMS-Fe3O4磁响应光学薄膜的折射率。
  在第二部分中,我们将粒径均为50nm的Ni和Fe分别掺入PDMS中,制备出各向同性、链状各向异性和短棍状各向异性的 PDMS-Ni磁响应光学薄膜以及PDMS-Fe磁响应光学薄膜。由于颗粒的磁导率不同,PDMS基磁响应光学薄膜的在制备过程中,颗粒聚集形成的微观组织存在着差异,PDMS-Ni磁响应光学薄膜中的链状(或柱状)微结构略粗于 PDMS-Fe磁响应光学薄膜,并且其光学透过率相对较低。我们从理论上分析出不同材料颗粒也可能会对 PDMS基磁响应薄膜折射率的影响不同。
  PDMS常被用来在其表面制作微结构,例如,正弦微结构,微透镜阵列等。但都通过机械驱动使微结构发生变形,易受磨损。我们制作出的PDMS-Fe3O4磁响应光学薄膜正弦微结构的周期大约为几微米到十几微米,振幅为几十纳米到几百纳米。随着紫外臭氧处理时间和Fe3O4纳米颗粒含量的增加,PDMS-Fe3O4磁响应光学薄膜正弦微结构的周期和振幅增加。在磁场作用下可以产生应变。此外,本文还设计出了PDMS-Fe3O4磁响应薄膜微透镜阵列。我们应用磁力驱动代替机械驱动,拓展了此类微结构的应用范围,例如,磁控调节光学透过率,磁控调节润湿性等。
[硕士论文] 刘浪
电子科学与技术 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着无线通信的发展,其通信设备的集成化、小型化、高稳定性和低成本化成为微波射频器件的主要发展趋势。这种趋势使得微波介质薄膜材料比相应的陶瓷材料(受尺寸限制)具有更广阔的应用前景。本文主要针对可调和低损耗这两种微波介质薄膜材料在微波射频器件中的应用进行研究。首先由于可调微波介质薄膜中的钛酸锶钡(Ba1-xSrxTiO3,BST)铁电薄膜具有高的调谐率和相对低的介电损耗等优异特性,可广泛用于微波调谐器件;其次由于低损耗微波介质薄膜中的氮化硅介质薄膜具有非常低的介电损耗、高电阻率、高致密性、化学稳定性等特性,可广泛应用于功率半导体器件。于是本文制作出一种基于BST铁电薄膜的可调带通滤波器以及用于功率放大器匹配电路的MIM(metal-insulator-metal,即金属-绝缘介质-金属)结构SiNx薄膜电容。本文研究内容和主要结论如下:
  1.采用射频磁控溅射法在蓝宝石单晶基片上沉积BST薄膜,摸索出合适的退火温度和升降温速率来释放薄膜与基片之间的应力以得到结构致密均匀的BST薄膜。
  2.通过非标微细加工工艺制备出MIM结构BST薄膜电容,并对其进行了介电性能测试。结果表明,通过射频磁控溅射法沉积的同一批次的BST薄膜介电性能良好,损耗均低于2%,在外加40V的直流偏压作用下,薄膜的介电调谐率可达到50%。
  3.在实验室前期对微波器件的设计经验基础上,以本文制备的BST薄膜电容作为可调元件,通过镀膜和光刻工艺以及对上电极进行加厚处理,制备出13.6%的调谐率(30V偏压下)的5阶梳状线可调带通滤波器。
  4.详细介绍了功率放大器的分类及主要性能指标,并且对宽带功率放大器的设计进行了分析,根据其工作频率范围要求,选择TriQuint公司的功率放大器管芯TGF2023-2-02进行ADS(Advanced Design System)仿真设计分析,出于电路体积、带宽及阻抗可调性的考虑,最终使用微带线与集总元件混合的方式进行匹配。
  5.根据功放匹配电路对分布电容提出的电性能要求,通过等离子增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)法及干刻工艺摸索制作出符合要求的SiNx薄膜MIM结构电容器,并对SiNx薄膜电容进行了相应的电性能测试。
[硕士论文] 王岩
凝聚态物理 太原理工大学 2017(学位年度)
摘要:光电子集成技术的不断发展,使硅基发光材料成为广泛关注的焦点。近几十年来,各国学者对硅基发光材料和相关器件进行了研究。研究主要集中在如多孔硅,Si-SiOx,Si-SiNx,Si-SiOxNy等低维纳米结构材料上。但是,这些材料在实现较高发光效率方面存在不同程度的不足,限制着硅基发光材料的应用。近年来,SiOxCy因具有较强白光发射特性引起了各国学者的广泛关注。SiOxCy是一种理想的稀土离子掺杂的母体材料,而且SiOxCy能很好地控制硅基薄膜中载流子的注入。因此SiOxCy在硅基光电集成领域是一种具有应用价值的光源材料。本文主要对掺杂(碳,氮,氧和稀土离子)硅基薄膜的制备与发光特性进行了研究,研究内容如下:
  (一)利用甚高频-等离子体增强化学气相沉积(VHF-PECVD)技术,以硅烷(SiH4),甲烷(CH4),氧气(O2)和氨气(NH3)等前驱体在为反应气体,沉积通过调控氨气流量制备若干氮掺杂SiOxCy薄膜。分析薄膜的光致发光光谱,FTIR光谱以及XPS的测量结果,发现通过调控SiOxCy薄膜中的氮含量,薄膜中缺陷发光中心会发生变化,并能够实现较强的白光发射。利用等离子体增强化学气相沉积系统制备了碳掺杂氮氧化硅膜,其中以硅烷(SiH4),甲烷(CH4),氧气(O2)和氨气(NH3)作为前驱体。通过调节甲烷流量,制备了不同碳含量的SiOxNy薄膜。分析光致发光光谱和激发光谱结果发现,通过调控薄膜中的碳含量,发光法强度的增强,且发光强度与碳含量的增加具有相同趋势。
  (二)利用磁控溅射系统制备铕离子掺杂SiOxCy薄膜。分析发现铕掺杂SiOxCy薄膜的光致发光光谱中具有明显的蓝光发光峰和红光发光峰组成。通过改变溅射功率实现对 SiOxCy薄膜中铕离子的含量调节,可以实现对发光强度的调节。分析光致发光图可以发现,随溅射功率的增强蓝光发光峰逐渐减弱,而红光发光峰逐渐增强。通过对实验数据进行分析,发现红光增强主要原因是存在从主体材料的缺陷态到Eu3+离子的能量转移。
[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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