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[硕士论文] 余波
材料学 山东大学 2017(学位年度)
摘要:KDP晶体是一种性能优良的非线性光学晶体。当前,KDP晶体已经实现了工业化生产,由大尺寸KDP加工出来的倍频镜头也已经成功的应用于惯性受约核聚变系统。但是,我们对KDP晶体生长的微观机理仍然知之甚少;大尺寸KDP晶体快速生长仍然存在失效率高,晶体质量差等问,促进了对生长机理的研究。针对以上问题,我们对KDP晶体的生长过程中的各种现象进行了表征,并重点研究了KDP晶体中位错的结构以及KDP晶体的位错生长机制。各个实验内容及结论介绍如下:
  1,通过蚀刻和光学方法测量位错方向。通过化学腐蚀,可以在晶面位错终止处得到倒三角锥形蚀坑,锥头处即位错端头。切割一定厚度的晶片,通过在上下表面寻找呈现出相同形态分布的蚀坑,可以断定这些蚀坑由同一组位错形成,进而根据几何关系计算出位错方向。实验中,我们获得了7组可靠的数值,并预测晶体中存在伯氏矢量为[103],[102],[101]的位错。
  2,台阶聚并现象的表征。(101)晶面对负离子吸附作用显著,通过偏磷酸盐掺杂,在偏磷酸盐钉扎处观察到了台阶聚并现象,台阶的聚并度提高到了原来的2倍以上。
  3,二维形核现象的表征。在大过冷度的晶体中,发现了二维形核现象。经测量二维核的高度为0.5 nm,与(101)晶面原子层间距一致。二维核没有特定的宏观外形。
  4,螺位错生长机制的研究。在传统法和快速法生长KDP晶体的过程中,位错生长机制起主要作用。我们表征了位错中心处形成的生长螺旋,发现其形貌成三角形螺旋线,并从(101)晶面原子排列的角度解释了这一形貌形成的原因。我们还发现了生长螺旋可以以多重螺旋的形成存在,通过建立KDP晶体中的位错模型,解释了多重螺旋形成的原因。
  在我们的实验中,我们为KDP晶体生长的微观过程提供了直观的认识,有助于我们进一步研究KDP晶体生长机理。更多的问题仍有待解决。
[博士论文] 李聪丛
光学 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:科技的进步使得人们的研究对象向微纳尺度发展,从而需要用量子力学来描述相关物理过程。经典的测量技术很难满足微纳尺度下的测量要求,因而推动了人们对量子测量的研究。量子测量主要利用量子力学中的量子相干或者量子统计以及量子动力学演化过程实现相关物理量的测量。选择何种量子系统作为载体成为了人们研究的重点。金刚石中的氮-空位(Nitrogen-Vacancy,NV)色心成为了固态体系中最好的候选者之一。
  金刚石中的NV色心具有化学惰性,在宽的温度、磁场范围以及高激光激发功率下都能保持良好的性能,而且其荧光具有良好的稳定性,在室温下具有很长的自旋相干时间。NV色心的能级能够通过微波或激光进行调控。NV色心尺寸能够做到纳米量级而且具有生物无毒性,这使得其在生物测量方面具有良好的应用前景。因而NV色心成为了量子测量研究中的优秀候选者。并且在量子通讯、量子传感、量子模拟、量子计算等多个方面具有很好地应用前景。
  我们进行了一系列的实验研究来了解基于NV色心实现磁场、温度场测量的机制和效果:
  1.我们对通用的测量二阶关联函数的方法进行了修正测量。首先我们利用PMMA掩膜和离子束注入制备了NV色心样品,使得样品中含有便于寻找的系综NV色心标记以及在其附近的单个NV色心。利用搭建的共聚焦扫描光路来实现单个NV色心的寻址和探测。为了测量NV色心的单光子性能,我们测量了其二阶关联函数。通用的测量二阶关联函数的方法虽然简单方便,但是由于原理性的原因导致其测量的结果与理论上的二阶关联函数存在一定误差,这会影响我们对NV色心动力学演化过程的测量。为此我们提出了修正公式对通用测量方法的结果进行一定的修正,从而获得更精确的二阶关联函数。
  2.研究了磁场对于单个NV色心的影响,从而可以利用单个NV色心实现磁场测量。通常利用光探测磁共振技术或者冉塞条纹技术来实现对静磁场的测量,而对于交变磁场则是利用自旋回声技术来进行测量。我们主要研究的是光探测磁共振技术测量静磁场,通过对测量方法的优化可以获得较高的灵敏度。
  3.我们提出修改后的Varshni公式来描述NV色心的能级温度依赖特性,因而可以利用NV色心实现温度场的测量。由于目前的研究有许多是基于NV色心具有的高空问分辨率以及单光子源特性,所以我们测量了单个NV色心能级劈裂的温度依赖特性。由于金刚石材料相比半导体材料有许多特殊性质,所以导致通用的Varshni经验公式不能很好的拟合NV色心的能级随温度的变化特性。我们提出的修改后的Varshni经验公式能够在0-700K的温度范围内很好的拟合实验结果。并且对NV色心的零声子线以及金刚石中的其它缺陷结构中的能级随温度的变化趋势都能通过修改后的Varshni经验公式进行很好的拟合。这为以后研究NV色心的温度测量以及其它金刚石缺陷结构提供了很好的参考价值。
  4.我们利用NV色心测量了表面等离子体激元的温度特性。我们测量了NV色心与金膜在不同的距离下的荧光寿命,发现随着距离的减小,NV色心的荧光寿命呈现指数型的减小。NV色心相互之间的耦合距离只有纳米量级,远远小于表面等离子体激元的横向传播距离。所以通过将NV色心与表面等离子体激元的耦合,可能实现远距离的NV色心之间的耦合。NV色心的荧光寿命在低温下几乎不随温度变化,当NV色心与表面等离子体激元耦合时,由于金的介电常数明显依赖于温度,所以导致NV色心感受到的局域态密度也会随温度变化。我们测量了低温下的与表面等离子体激元耦合的NV色心的荧光寿命,发现了明显的温度依赖特性。
  通过上面的实验研究,我们对NV色心的一些基本性质都有了较深的了解。并且对于利用NV色心实现磁场和温度场的测量也有了一定的认知。
[博士论文] 姜英昭
凝聚态物理 重庆大学 2017(学位年度)
摘要:位错是晶体材料塑性形变的主要载体,其产生和运动是晶体塑性形变的主要机制,而位错的运动很大程度上取决于位错的芯结构。经典的 P-N模型为平面位错提供了一个连续的错配场,但是在非弹性的位错芯区域仅能给出一个近似的原子组态的描述。在连续平移对称性下,位错以固定的形状在晶体中自由运动。而在实际晶格中,连续平移对称性将被离散平移对称性替代,位错形状将随其运动而变化,并且使位错运动的应力必须达到一个临界值即Peierls应力?p。由于P-N方程在连续平移对称性下是不变的,因此位错的形状在运动过程中不变。近来,为了克服传统理论模型的缺陷,基于晶格动力学的位错晶格理论得到了发展,提出了考虑离散效应修正项的改进的 P-N方程,并在此基础上发展了全离散位错晶格理论。长期以来,关于位错的各种理论模型都不包含温度。众所周知,温度越高晶格振动越剧烈,其振动的剧烈程度对位错的芯结构、运动及其他性质有至关重要的影响。因此,研究温度依赖性位错性质是十分有意义且有必要的。
  本文基于改进的P-N模型,在理论上提出了研究有限温度下位错性质的方法,并利用该方法研究了铝的1/2<110>{111}分解的刃位错的温度依赖性位错性质。理论上,本文假设与弹性场有关的熵对一般的应变晶格与有位错的晶格是一样的,二者的唯一区别在于位错芯附近的小区域,而且这一区别可以用广义层错能的计算来考虑,并且不考虑热扭折和重构现象的出现。基于以上假设,把二维改进P-N方程应用在有限温度条件下,其中的系数,如有限温度下的平衡晶格常数、弹性常数和广义层错能等可由第一性原理计算方法得到。由于二维改进的 P-N方程是一系列复杂的非线性积分微分方程,解析求解十分困难,因此本文发展了一个新的半解析半数值法以获得其近似解。此外,在全离散位错晶格理论框架下,引入了一个均匀切应力法计算了铝1/2<110>{111}螺位错的Peierls应力。同时讨论了外加应力和有限温度对位错的能量和位错的结构如形状、位置等的影响。本文主要内容如下:
  (1)半解析半数值法求解二维改进P-N方程。本文基于内禀框架下的二维改进P-N方程,研究了FCC金属铝1/2<110>{111}分解的刃位错性质。研究结果表明,一维近似下,一阶近似的位错芯结构参数便可很好地描述位错行为,而对于更复杂的分解位错,高阶项cn(n?1,2,3),cn?(n?1,2)的贡献不可忽略。高阶项的引入极大程度地提高了方程求解的难度,使得完全解析计算变得异常困难。鉴于此,本人编写了自动化的多核并行撒点扫描程序,从而完成不同截断条件下的复杂数值计算。由于没有预制位错芯结构,该程序对于一般的位错方程求解也普遍适用。
  (2)有限温度下Al中1/2<110>{111}分解位错性质的研究。本文基于改进的P-N方程和第一性原理计算以及上述自动化程序研究了铝1/2<110>{111}刃位错性质的温度依赖性。为了建立一个考虑温度效应的二维位错方程,本文基于密度泛函理论(DFT)和准谐近似(QHA)下的密度泛函微扰理论(DFPT),利用第一性原理准静态法计算了有限温度下的晶格常数、弹性常数和广义层错能。计算表明,平衡分解宽度d eq随温度增加变窄,但是其变化范围小于0.32b,说明该位错对温度的依赖性较弱。本文计算的T=0K时deq为2.12b,与A. Hunter等人给出的DFT模拟结果2.0?0.5b以及可靠的实验结果2.8b符合较好。比例 I U?/?与deq成反比,并且deq/b与规范本征层错?I/?b呈线性关系。此外,与位错激发有关的能量随温度升高而上升,表明温度越高位错越不稳定。本文为研究有限温度位错性质提供了有效途径,为进一步揭示位错芯重构和扭折激发的热力学机制奠定基础。
  (3)全离散晶格位错理论框架下利用均匀切应力法研究铝1/2<110>{111}螺位错性质。首先,利用变分法推导出了考虑外加切应力贡献的全离散的位错能量函数。进而引入了一个均匀切应力法来分析位错能量、形状以及位错芯位置随外加切应力的变化并计算了Peierls应力。研究发现,随着外加切应力的增大位错能量降低,并且Peierls势垒明显下降直至消失,位错宽度变宽,位错芯位置沿伯格斯矢量方向平移。均匀切应力法给出的 Peierls应力?p?331Mpa,与一种和材料常数直接相关的近似方法给出的 Peierls应力?p?358Mpa,以及其他模拟不分解位错芯结构的计算结果355Mpa均表现出很好的一致性。
  (4)金属铝1/2<110>{111}螺位错性质的温度依赖性研究。本文将全离散位错方程与基于密度泛函微扰理论的第一性原理声子谱计算结果结合,对铝中1/2<110>{111}螺位错性质的温度依赖性进行了研究并采用均匀切应力法探讨了使直线位错在晶体中运动的临界切应力?r和?p随温度的变化。研究结果表明,当无外加切应力时,位错能量随温度上升而升高,相应的 Peierls势垒也随之增高,而位错的特征宽度将随温度升高而变窄;在不同温度下,当位错分别处于初始位置t?0、能谷和势垒顶端时,相应的能量随外加切应力的变化总是呈线性趋势;低温时,位错的特征宽度随切应力增大而变宽,但在高温时(T?900 K),这一变化小于0.01b,此时位错的形状在运动过程中保持不变;利用均匀切应力法计算得到的Peierls应力随温度上升而增大,在自然单位下,温度T?900 K时的?p是T?0K时的2.5倍,这一结果说明温度对位错运动的影响此时不可忽略。
[博士论文] 郭德成
凝聚态物理 电子科技大学 2016(学位年度)
摘要:KDP晶体的激光诱导损伤仍然是限制高功率激光系统发展的关键因素之一。晶体损伤的主要原因是激光与晶体缺陷之间的相互作用。激光与缺陷相互作用的机理还不清楚,这关系到KDP晶体在大口径高功率激光系统(如惯性约束核聚变系统)中的应用前景。激光与缺陷的相互作用引发了晶体的初始损伤,但使用亚损伤阈值通量的激光辐照晶体能提升晶体的抗激光损伤能力。深入理解晶体的初始损伤和激光预处理过程,可以为KDP晶体性能提升方案提供参考。KDP晶体内已经存在的缺陷具有尺寸小,分布不均匀的特点,因此很难被识别。同时,激光或射线辐照可以诱发缺陷演变,产生新的缺陷,这更加大了缺陷识别的难度。因此,寻找合适的缺陷表征技术,理解辐照诱导缺陷的演变规律具有重要的理论意义和实际价值。本论文主要针对国内生长的大尺寸KDP晶体,从缺陷表征和辐照诱导缺陷形成这两个角度出发,选取多种缺陷检测手段,研究了含有低浓度As杂质的KDP晶体的辐照效应,并对辐照前后晶体缺陷的变化进行了表征,研究了缺陷对晶体宏观性能的影响。主要研究内容和结论如下:
  1.研究了亚损伤阈值通量的激光辐照效应,分析了不同辐照参数对晶体缺陷的影响。研究结果表明:(1)亚损伤阈值通量的激光辐照晶体,晶体在紫外-可见波段的光吸收有轻微减少。(2)改变激光参数进行辐照,没有引起晶格常数的显著变化,也没有引起晶体拉曼振动模式的变化。(3)不同激光参数辐照样品,导致荧光峰发生偏移。(4)没有发现预处理效果和晶体杂质含量的关联。
  2.研究了伽马射线辐照效应,分析了辐照剂量对晶体的影响,选择含As杂质和不含As杂质的两类KDP晶体做比较研究。研究结果表明:(1)对于含As杂质的KDP晶体,辐照诱导了紫外区的光吸收增强,吸收峰值位于260 nm处,吸收强度随杂质含量和辐照剂量的增加而增加。继续加大辐照剂量到400 kGy后,样品出现一个300~360 nm弱而宽的光吸收带,峰值位于335 nm附近;对不含As杂质的KDP晶体,辐照诱导了紫外可见波段的光吸收增强,吸收强度随辐照剂量的增加而增加,但无新的吸收峰产生。(2)使用Materials Studio软件建立了缺陷结构模型,并计算了缺陷的光学吸收特性,发现260 nm处的光吸收是由杂质 As缺陷中心产生,其他杂质缺陷结构的计算表明了杂质Al和Mg分别引起了277 nm和300~600 nm范围的光吸收,计算结果与实验结果吻合很好。(3)采用正电子湮灭寿命谱表征了辐照对晶体空位缺陷的影响,发现随着辐照剂量的增加,空位缺陷的尺寸呈现先减小后增大的变化趋势;多普勒展宽谱的测试结果表明辐照前后缺陷的类型发生了转变。(4)介电谱的测试结果表明辐照后样品内的质子空位缺陷发生了变化,同时说明晶体内存在至少二种或二种以上的缺陷。
  3.研究了电子辐照效应,选择含As杂质和不含As杂质的两类KDP晶体做比较研究,分析不同电子注量辐照对KDP晶体表面结构和宏观性能的影响。研究结果表明:(1)电子辐照诱导了紫外-可见波段的光吸收增强,吸收强度随注入剂量的增加而增加,当注入剂量为6.2×1016 e/cm2和1.0×1017 e/cm2时,出现250 nm的吸收峰;对含As杂质的KDP晶体,电子束辐照没有产生260 nm的光吸收(2)不同注量的电子束辐照没有对晶体的晶格常数产生显著影响。(3)辐照后,晶体表面出现孔洞结构,表面的粗糙度变差。
  4.研究了热退火效应,以工程应用的晶体为参比,分析不同热退火参数对晶体性能的影响。结果表明:(1)改变退火参数使215 nm光吸收峰发生偏移。(2)退火没有改变晶体内分子基团的振动模式,也没有引起晶格常数的显著变化。(3)没有发现退火效果和杂质含量的关联。
  采用实验与模拟计算相结合的方法,成功获得低浓度As杂质对KDP晶体光学特性和损伤性能的影响,同时验证了辐照诱导的260 nm吸收峰是由杂质As缺陷产生。辐照诱发晶体内空位缺陷发生变化,但其与损伤的关系还需要进一步补充验证。
[硕士论文] 胡远超
粒子物理与原子核物理 郑州大学 2016(学位年度)
摘要:奥氏体不锈钢作为核反应堆的主要结构材料,其中核反应堆一回路管道和冷却剂泵选用的不锈钢包含304、316L等。如今不锈钢中的He行为以及微观缺陷与He行为的相互作用是核材料基础研究领域的热点。本文选取纯铁金属作参照,主要以304和316L奥氏体不锈钢作为研究对象。主要元素为Fe、Cr、Ni以及其它微量元素。本文氦原子的引入方式主要是通过离子辐照技术实现的。
  本文开展了不同能量(低能、高能)的氦辐照损伤实验研究。不同的辐照能量会导致不同的辐照效应,通过SRIM模拟软件和正电子湮没谱学技术的结果分析可以知道,低能的氦原子进入到金属材料中不会造成严重的辐照损伤(点缺陷生成);高能的氦原子会导致大量的空位型缺陷出现。并且,氦扩散深度随能量增加而加深。能量为150eV的He+辐照304不锈钢,粒子注入深度仅为几纳米;能量为5keV的He+辐照纯Fe,离子注入深度为几十纳米;50keV的He+辐照304不锈钢,粒子注入深度为几百纳米。
  采用冷轧形变结合退火的方法引入位错缺陷,研究了位错缺陷的存在对氦辐照效应的影响以及对氦原子迁移扩散演化机制的作用。利用慢正电子技术对形变样品进行测量,形变后的样品会严重影响材料表面的正电子湮没机制,使多普勒结果S参数迅速下降,并且形变量越大的下降越快。基体的S参数仍随形变量的增多而增大。利用5keV的He+对纯铁的形变样品进行辐照,发现位错的存在会促使氦原子扩散,并且氦原子在位错处大量聚集。在304和316L不锈钢的实验中,增加了形变量的对比(10%、20%),利用能量为50keV的He+进行室温辐照,剂量为1×1018/m2、1×1020/m2。形变量的大小影响位错含量的多少,位错的含量越多,吸引氦原子的能力就越强,对辐照效应和氦的行为演化影响越大。位错缺陷不仅大量的吸引氦原子使之快速迁移扩散,而且对辐照效应形成的空位缺陷也会形成吸引,空位在位错线附近聚集成团或者与不同量的氦原子形成复合体。
  为了判定氦原子在材料中的存在形态以及位错存在对氦原子行为的影响,利用热脱附谱仪对实验样品进行了氦的热脱附测量。辐照后的样品中,氦的存在位置主要为:间隙、空位、位错线、晶界等;存在的状态有:游离的氦原子、He-空位复合体、He-位错复合体、氦泡等。原有位错的存在会直接影响氦原子在各个位置和状态的含量,最直接的表现就是氦泡量的减少。而且位错密度的增大会使氦的小团簇量增多,并不会直接导致形成大的氦泡。通过脱附能的计算,可以得到:氦的表面吸附能为0.9eV左右,氦从位错和空位中的脱离能分别大约为2.3eV和3.2eV,而氦泡的分解脱附能大约为3.7eV。
[博士论文] 王俊峰
凝聚态物理 中国科学技术大学 2016(学位年度)
摘要:现代社会对计算能力和数据处理速率等方面的迅速增长的需求,激励着人类不断探索新的方法去处理和传递信息。尤其是物理学家探索“非经典的”的方法,用量子力学的方法处理信息过程,即量子信息科学。量子信息科学,主要是由量子物理与信息技术等多个学科交叉融合在一起所形成的一门新兴的科学技术领域,主要包括量子通讯,量子计算以及量子精密测量。金刚石NV色心是一个非常有代表性的固态量子信息体系,自从1997年德国科学家首先测得金刚石单NV色心的光探测磁共振信号以来,吸引了全世界科学家的广泛关注,已经在量子计算,及精密测量领域产生很多应用。
  金刚石NV色心是由金刚石中替位氮原子(N)和邻位的碳空位(V)组成的复合结构,具有优良的特性,例如光稳定性,生物兼容性,以及室温下长的相干和弛豫时间等,广泛应用于如磁场,电场,应力,压强,温度,以及自旋等物理量的精密测量。本文首先介绍了金刚石NV色心的研究背景及应用,结合我们自己搭建的实验装置研究了NV色心的基本自旋性质。同时也介绍了我们利用离子注入技术和电子束曝光技术制备的高质量NV色心阵列。之后我们利用氧化刻蚀的方法得到了一种可以精确控制NV色心深度的方法,并且研究了NV色心相干时间与深度的关系。最后我们利用注入NV色心和动力学解耦方法研究了高灵敏度的温度探测。
  本文主要包括以下几个方面:
  第一章:我们首先介绍了量子信息的基本概念及应用。之后我们介绍了金刚石NV色心在精密测量方面的应用,重点介绍了其在磁场,温度,自旋探测等方面的应用。之后介绍了本文的研究选题背景和研究内容。
  第二章:我们首先介绍了NV色心的晶格,能级结构和光谱性质。之后介绍了我们实验装置:用于NV色心扫描和定位的激光共聚焦系统和用于调控NV色心自旋态的微波和磁场系统。利用我们的实验装置研究了注入的高纯金刚石NV色心的性质:单色心的单光子性质,光探测磁共振性质,和一系列基本的微波脉冲操纵NV色心的方法:拉比振荡,自由衰减演化,自旋回波,自旋品格弛豫等。另外还介绍了延长NV色心相干时间和高灵敏度探测等方面常用的动力学解耦以及电子电子双共振等方法,为以后利用NV色心的各种实验提供了基础。
  第三章:我们介绍了纳米金刚石和块材金刚石中NV色心的制备方法。在块材金刚石中主要介绍了高纯金刚石中NV色心制备方法:提高NV-比例,提高NV色心相干时间,利用电子束曝光技术制备NV色心阵列的方法。之后又介绍了我们利用电子束曝光技术和离子注入技术制备出了长相干时间的NV色心阵列,浅层NV色心阵列,以及有耦合双NV色心对。为利用注入金刚石实现基于NV色心的量子信息和高灵敏度度量学等方面提供了基础。
  第四章:我们通过在580℃空气中精确的氧化刻蚀金刚石表面,研究了NV色心相干时间与氧化刻蚀控制的NV色心深度的关系。通过连续的纳米尺度刻蚀,NV色心可以逐渐靠近金刚石表面,使得我们可以准总NV色心剩余的数目和其相干时间与其深度的变化。结果显示对于自然丰度13C金刚石NV色心的相干时间在深度下降到大约22±4 nm时,其下降开始变快,揭示了一个快速涨落的表面自旋影响的临界深度,为研究表面自旋性质起到积极作用。另外,通过利用这个缓慢刻蚀方法和低能N离子注入,可以制备出比初始注入深度更浅的NV色心,从而为更高灵敏度纳米尺度体外自旋探测起到了积极作用。
  第五章:我们利用金刚石中注入NV色心和动力学解耦方法研究了其在静磁场中的温度探测。我们证明了对于高阶动力学解耦脉冲方法,其相干时间可以达到108μs,大约是Thermal Ramsey方法相干时间(7.7μs)的14倍,对应温度灵敏度为10.1 mK/Hz1/2。另外,我们结合注入NV色心阵列和动力学解耦测量了金刚石表面三种不同情形下的温度分布,其灵敏度达到24 mK/Hz1/2。这为利用高纯金刚石中注入的NV色心实现对于生物,化学,材料科学和微电子系统的高灵敏度和纳米尺度空间分辨率的温度探测起到了积极作用。
  第六章:对本文主要工作做了总结并对今后的研究工作做了展望。
[博士论文] 郑松林
材料力学与设计 中国科学技术大学 2015(学位年度)
摘要:很多纳米晶体材料的强化效应归于界面对位错的阻碍作用,深入理解界面强化机制对材料的优化设计有着重要意义。位错与界面的相互作用受诸多跨尺度因素的影响,研究这些因素的作用需要多尺度的数值模拟方法。本文旨在发展位错的相场微弹性模型,在连续尺度上研究位错与共格滑移界面、位错与晶界位错网络的相互作用。
  首先讨论了位错与滑移界面的相互作用。较弱界面在位错剪切下发生较大的滑移,而此界面滑移会吸引位错使其陷入界面,从而对位错穿越界面产生较大的障碍。高应力或者低界面位错速率都会导致界面滑移区域减小,从而降低界面障碍强度,此结果表明滑移界面对位错的阻碍作用与速率相关。
  利用相场模型结合简单标度分析,研究了层错能和界面强度对于扩展位错穿越滑移界面的影响。发现存在只有头不全位错穿越的不全穿越模态,此时头不全位错后面有长层错生成,有利于发生孪晶变形。结果中给出了位错从不全穿越到全穿越模态的相图。
  改进了现有位错相场模型中描述位错核反应的晶体能表达式,使其基于所有位错的总Burgers矢量。并利用改进前后的模型来描述相交滑移面上共线位错结的能量、结构、解开力以及解开机制,发现只有改进后的模型才能准确描述相交面上的位错核结构反应。
  利用改进的相场模型研究了品格螺位错穿越小角度扭转晶界中位错网络的过程。小角度扭转晶界包含两种典型的位错网络:高层错能中全位错组成的六边形网络和低层错能中不全位错与层错组成的三角形网络。穿越位置会影响六边形网络的穿越障碍,此阻碍作用主要源于晶格位错与穿越位置附近的共线晶界位错段发生共线反应,而并非之前结论中是由于不同类型位错结的形成。三角形网络的穿越障碍对穿越位置不敏感,因为层错的存在使晶界上位错的分布非常均匀。另外,在三角形网络的有些位置会发生只有头不全位错穿越的不全穿越模态。
[博士论文] 罗林
材料学 西北工业大学 2014(学位年度)
摘要:碲铟汞(Hg3In2Te6,MIT)具有优异的光电性能和强的抗辐射性,是一种有前途的短波红外探测器材料,尤其是在光纤通讯领域和辐射环境下。由于生长和加工工艺的影响,MIT晶体中往往存在多种结构缺陷,比如,空位或间隙原子、位错、孪晶界和沉淀相,从而直接或间接地影响 MIT的材料参数与器件性能。要想通过减少甚至去除有害缺陷,制备出高质量的MIT晶体及优异的器件,首先要对MIT缺陷进行准确地表征和分析,如缺陷的种类、数目和产生机制等。因此,本论文对MIT的各种缺陷进行了系统地表征与分析,确定了主要的缺陷,获得了它们的特征信息,并探讨了其形成机制。
  采用高分辨透射电子显微术(HRTEM)和选区电子衍射(SAED)发现 MIT晶锭中存在着至少两种新的结构空位有序相,它们对应的超点阵斑点分别为1/3{422}和1/6{422}。粉末X射线衍射(XRD)图谱表明结构空位有序相的体积分数低于5%。少量结构空位有序相的存在表明无序-有序相变没有完全被避免,其原因是MIT无序相的热导率低和炉冷的实际降温速度不够快。有序相1的空间点群为P3m1(no.156),晶格常数a1=b1=2a/2,c1=23a,α=β=90°,γ=120°,结构空位完全有序。有序相2的空间点群为P3m1(no.156),晶格常数a2=b2=2a,c2=3a,α=β=90°,γ=120°,结构空位部分有序,有序度为0.5。相变时,随着结构空位的聚集,首先形成有序相2,然后转变为有序相1并继续长大,最后有序相1中的空位片坍塌。
  采用HRTEM和SAED发现MIT晶锭中HgIn2Te4沉淀相和Hg5In2Te8沉淀相共存,表明分解反应2Hg3In2Te6= Hg5In2Te8+ HgIn2Te4确实存在。粉末XRD图谱说明它们的体积分数小于5%,从而只有少量的MIT基体发生了分解。采用TEM暗场像和HRTEM发现 HgIn2Te4沉淀相为杆状,并具有三种变体。通过模拟 SAED花样并与实际花样相对比,显示这三种变体的择优生长方向沿MIT基体的<001>晶向族。HRTEM结果表明HgIn2Te4沉淀相与 Hg3In2Te6基体的界面完全共格,不存在界面位错。采用电子辐射实验表明上述分解反应在热力学上是自发进行的,并通过高温XRD实验进一步确认了反应的存在。
  采用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)发现MIT(111)面单晶的位错蚀坑形貌主要为线形、枣形和梭形,后两者的沟槽在(111)表面的投影即黑线互成120°夹角。利用电子背散射衍射(EBSD)技术测出黑线的取向分别为[112]、[121]和[211]。上述三种蚀坑的形成是因为在高温下,晶体中的螺位错遇到了结构空位及其衍生缺陷的阻碍,发生双交滑移,这也使得MIT的位错蚀坑形貌异于HgCdTe和HgMnTe等HgTe基闪锌矿晶体。EDS成分测试表明,位错畸变处In比Hg更容易被腐蚀,意味着In-Te键变得比Hg-Te键弱。腐蚀时晶片的晃动、抛光液的种类和腐蚀液的配比都对MIT的腐蚀形貌没有太大的影响。采用HRTEM发现MIT晶体中存在大量的1/6[121]位错,且分布不均匀。
  采用EBSD和单截面迹线分析法发现MIT存在三种孪晶。第一种孪晶具有一对平行且邻近共格的孪晶界,第二种孪晶具有一对平行且非共格的孪晶界,而第三种孪晶没有平行的孪晶界。第二种和第三种比第一种常见,这表明 MIT中的大多数孪晶界为非共格孪晶界。孪晶尺寸小,而且没有多个孪晶平行排列的现象。分析表明 MIT中的孪晶是变形孪晶。MIT中弯曲的孪晶界由长且直的共格孪晶界、短且直的台阶以及一些弯曲的过渡段组成。高密度结构空位的存在导致 MIT中存在着高密度的结构空位团簇、弗兰克尔不全位错和有序相沉淀。这些缺陷可以阻碍孪生位错的滑移,影响孪晶界的共格和形状。孪晶遇到的上述缺陷越多,就越偏离平行而共格的形貌。HRTEM和EBSD分析表明,结构空位的存在并未改变孪生面和孪生方向。EBSD的花样质量分析指出,大多数孪晶的应变大于对应的基体。
  采用Rietveld精修,计算出MIT晶锭中部晶片的Hg空位浓度最低,为9.1×1019 cm-3,而尾部最高。采用EBSD发现大多数小角度晶界的长度在5~70μm范围,取向差在2~4°范围,但最长的小角度晶界的长度可达1600μm,取向差在7.5~9°范围;晶体中存在Σ43c和Σ31b晶界,且它们与孪晶界相伴而生。采用浸蚀法观察到宽度约为1.9μm的富Te相,其呈直线向周围延伸。在孪晶界和重合位置点阵晶界上,能看到Te的存在。杂质主要在晶界富集,大小在20~800μm范围,表现出不同的形态和微结构。有些杂质富Si,而有些富O。
[博士论文] 何亦辉
材料学 西北工业大学 2014(学位年度)
摘要:Cd1-xZnxTe(CdZnTe或CZT,x≈0.1)探测器由于在室温下对10~100 KeV的硬X和γ射线有高的空间和能量分辨率,以及高的探测效率,并且其探测系统简单且可集成度较高,因而在能谱测量和成像领域受到了高度重视。然而,由于CZT晶体生长过程中产生的缺陷繁杂,很难得到较大体积的探测器级的CZT单晶。要进一步提高晶体性能就必须先加深对缺陷的认识,在此基础上才能进行相应的后续处理以改善晶体性能。本文首先对CZT晶体中的二次相及其耦合缺陷进行了深入研究。其次,以大体积的探测器级CZT晶体材料改性为目标,进行了晶体后续退火处理的研究,通过引入不同气氛来调控晶体中的缺陷结构,研究不同结构缺陷对晶体光电性能的影响规律,实现对晶体缺陷和性能的精确控制。
  从夹杂相的形成机制和形貌特征分析入手,阐明了夹杂相三维形貌及其诱导缺陷花样。Te夹杂相的形貌可以由十四面体模型来描述,发现了Te夹杂相的形貌演变过程,进而探讨了十四面体模型对Ⅱ-Ⅵ族碲化物晶体的普适性。Te夹杂相的实际平衡形貌为{111}B面组成的正四面体。其次,利用缺陷选择性腐蚀技术确认了在Te夹杂相周围存在六角星形的位错富集区域。经过分析,认为该位错式样在空间上局限于以夹杂相为中心的星状八面体中。通过FIB的lift-out技术对Te夹杂相周围的位错富集区域进行了原位制样和TEM观察,发现存在大量的扩展位错、层错偶极子、层错四面体以及沉淀相等缺陷,并分析了其形成机制。经过低温SEM-CL分析得出,在位错运动过程中,位错会与晶体中的本征点缺陷发生交互作用,导致位错周围本征深能级缺陷(Te反位)的形成。最后,得出了晶体生长条件(冷却速率)和熔体化学计量比对晶体中夹杂相形态和诱导缺陷的影响规律。
  为了改善晶体的结构均匀性,设计了不同条件下的梯度退火工艺,统计对比了退火前后晶体中夹杂相的组态变化,阐明了夹杂相的迁移行为,并最终找到了去除厚度为5 mm的晶片中夹杂相的有效工艺。首先建立了简单的一维方向上的液滴热迁移模型,并据此设计了Cd/Zn和Te气氛下梯度退火条件。Cd/Zn气氛下所选用的温度区间为650~750℃,退火时间为120~300 h,温度梯度为5~8 K/cm。其次,根据夹杂相去除效率η的大小,可以把退火结果总结成三类。在排除不充分退火条件(退火时间和温度)的影响之后,发现Te夹杂相的去除效率η总是大于70%,但其平均值?限于85%。在夹杂相迁移过程中,发现尺寸效应和孔洞效应都会对其热迁移过程,乃至去除效率产生影响。总结了Cd/Zn和Te气氛下梯度退火CZT晶体的光电特性的变化,最后,分析了晶体中体位错和夹杂相诱导位错、Te沉淀相等微结构缺陷在退火前后的组态变化。
  为了进一步改善晶体的光电和探测性能,针对不同状态的晶体,设计了不同的Te气氛和混合气氛(Te和H2混合气氛)恒温退火条件,主要研究了退火前后晶体的光电性能和输运性能的变化,并找到了针对生长态低阻晶体的最佳退火工艺。针对去除夹杂相后的低阻晶体,PL测试表明,退火后晶体中空位型缺陷复合体的相对浓度增加。退火后晶体的电阻率提高至7.1×109Ω·cm。但其对241Am@59.5 KeV的γ射线的能量分辨率相比退火前变差,主要是由于退火后晶体中的位错增殖,尤其是在原夹杂相的位置上的增殖造成的。针对生长态中高阻晶体,可以通过Te气氛下退火来进一步提高其电阻率。电阻率的提高可以减小探测器工作时漏电流引起的噪声,从而可以达到更高的能量分辨率。针对生长态低阻晶体,本文选用了5个不同的在富Cd条件下采用熔体法生长的CZT晶锭进行了退火。退火所选用的温度区间为300~600℃,退火时间为10~300 h,研究了退火后晶体的光电性能,夹杂相状态以及探测性能的变化。对于某一批次退火后晶片,当所加偏压在350 V至500 V之间,制成的CZT平面探测器对241Am@59.5 KeV的γ射线的能量分辨率在5.42%至5.90%之间,电子的μτ在0.83×10-3至1.12×10-3 cm2/V之间。另外,设计并制备了混合气氛退火处理装置。在HT3和HT1退火后,晶体的输运性能都有所改善,但晶体经过HT1退火后改善更为明显,其电子的μτ增幅接近90%。最后,进行了Φ60 mm生长态圆片的退火,在此过程中设计并制备了退火专用坩埚以及坩埚封接接口等必需装置,退火后晶体的电阻率达到3.3×108Ω·cm。
  本文进一步分析讨论了Cd和Te气氛下退火过程中点缺陷变化的动力学过程。根据富Cd侧的缺陷化学平衡,通过EBIC实验,计算得出在640℃时2+Cdi缺陷在掺In的CZT中的扩散系数在(0.50~1.33)×10-7 cm2/s之间。由于退火过程中Cdi原子的扩散,晶体中的点缺陷结构会由空位型缺陷占主导向间隙型缺陷占主导演变,通过PL观察也验证了该观点。据此总结了在Cd气氛下退火时,CZT晶体中电离缺陷能级的变化规律。根据富 Te侧的缺陷化学平衡,在退火过程中由于 VCd的扩散,使晶体中未被补偿的D(InCd),与VCd作用形成空位复合体缺陷,如Cd Cd[V-In]和Cd Cd[V-2In]等。针对生长态低阻晶体,在经过10~200 h退火后,电阻率变化与Te气氛下的VCd的化学扩散过程十分一致,表明晶体中深能级CdTe相关缺陷的形成与VCd密切相关。通过300~500℃退火发现,400℃左右为晶体中CdTe缺陷的形成温度。对退火后的高阻CZT晶体,发现其室温附近暗电流的热激活能约为0.78 eV,与+/++的CdTe的能级位置十分接近。据此总结了在Te气氛下退火时,CZT晶体中电离缺陷能级的变化规律。最后,分析了退火前后晶体中的间隙和空位型缺陷对红外透过率曲线和PL光谱的影响规律。
[硕士论文] 杨光
材料学 东北大学 2014(学位年度)
摘要:金属间化合物在高温结构材料领域具有广阔的应用前景,因此研究高温合金中γ相和钛铝合金中γ-TiAl相内的位错和孪晶变形方式具有重要意义。本文运用透射电子显微术和弱束技术,确定了γ相中位错的柏氏矢量,并且研究了γ-TiAl相中孪晶的交割、超位错的柏氏矢量及其分解。
  使用弱束电子显微术采集<001>和<011>晶带轴的系列弱束图像,确定了γ相中的全位错和不全位错的柏氏矢量分别为1/2[1-10]和1/6[21-1]。
  熔炼态的单晶TiAl样品中存在着孪晶与位错富集区,在孪晶界上存在着大量的位错并且位错可以在孪晶界上滑移。在γ-TiAl相中存在着1/2<110]常位错、[01-1]和1/2[-112]超位错。常位错呈现出攀移状态,而且可以观察到交滑移形成的棱柱位错环。在由两种{111}面孪晶片层围成的菱形区域内观察到超位错的分解行为,反应式为[101]→1/2[1-10]+1/2[112]。
  在TiAl样品中观察到大量的孪晶片层,其中同一类型的孪晶相互平行,不同类型的孪晶可能发生交割。在样品中观察到四种互成一定角度的孪晶片层,通过衍射谱和晶体学关系确定它们是四种{111}孪晶,从而排除了伪孪晶的可能性。在冲击变形后的γ-TiAl相中观测到两个{111}面孪晶片层的交割和孪晶界上的位错滑移。
[硕士论文] 朱珊珊
同步辐射及应用 中国科学技术大学 2014(学位年度)
摘要:在高分子材料加工工业中,外加流场引起分子链构象的改变及熔体流变行为的不同而导致分子链间的组合路径譬如结晶行为发生变化。理解流动场诱导结晶的机理需要明确外加流场、熔体流变行为和结晶三者之间的关系。然而在加工中聚合物熔体总是处于非线性流变区域,由于其流动的不稳定性,局部流动场与表观参数会有很大偏差,使得流动场和结晶之间的关系变得更加复杂。在外力作用下的非线性流动场中,剪切变稀通常表现为均匀状态。而壁滑、剪切带和延迟运动/断裂等通常以宏观非均匀的形式出现在基础实验和工业加工中。这些非线性流变行为与结晶的关系使我们对高分子在外场作用下的响应有了进一步理解,并提供了更多通过控制外场来获得理想样品/产品的方法。
  在缠结高聚物流体中,剪切带和延迟断裂的出现获得了很多关注,并且在一定程度上颠覆了我们对高分子动力学的传统认识。尽管对这种非线性行为的解释仍存在争议,也已有很多课题组(包括本组)确认观察到这种现象。那么这种非线性流变行为怎样影响着高分子的流动场诱导结晶成为我们研究的重点。在高分子的流动场诱导结晶实验中,通常认为流场均匀且没有考虑像剪切带和延迟断裂等非线性流变行为的出现,这就导致了真实流动场和结晶行为参数的不匹配。
  在本文的研究中,我们将带有粒子示踪(PTV)功能的剪切流变装置和同步辐射微焦点宽角X射线衍射(SR-μWAXD)相结合来研究等规聚丙烯(iPP)的流动场诱导结晶行为。有趣的是,在施加了大剪切速率或大应变的一步应变剪切之后,通过PTV装置观察到了剪切后的熔体运动及延迟断裂现象。通过离线SR-μWAXD检测,我们发现延迟运动中样品前进层保持高晶体取向度而运动后退层对应于低取向度,这证明了跨越样品厚度方向晶体取向度的不均匀分布。剪切后的延迟运动和晶体取向度的关系表明我们工作中观察到的延迟断裂行为取决于惯性和弹性回复力共同作用的结果,其中惯性推动熔体向前走而回弹力使其后退并耗散剪切效果。尽管现在的工作只建立了真实流场和结晶行为之间的定性关系,却给我们提供了一条新的途径来揭开流动场诱导结晶的真实图像。
  
[硕士论文] 宁媛
信号与信息处理 西安建筑科技大学 2014(学位年度)
摘要:随着当代科学技术的发展,三维可视化技术已逐渐被人们熟知与认可,其主要的特点是能够从视觉上直观的展现出我们所需要的模型与三维场景,从而能够对模型进行更好的分析和理解。将三维可视化技术应用到分子动力学领域,改进了原有的只能通过计算结果分析数据、通过二维图像简单观察数据的方法,使得晶体中各原子之间形成的三维结构易于观察,便于研究晶体位错等重要的材质特性。论文的主要工作集中在分子动力学中晶体位错的三维可视化研究与实现。主要内容包括以下两方面:
  (1)根据位错理论与晶体位错的数据特征,使用分子动力学模拟软件计算出晶体的关键数据,如原子的坐标、类型、速度、质量等相关参数,采用适合晶体位错特点的骨架提取算法,对晶体三维模型进行分析、变形、细化,通过晶体位错结构的收缩、合并,完成晶体位错线的识别。
  (2)在分析和学习各种分子动力学可视化软件的基础上,深入研究了OpenGL渲染的技术及方法,结合跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架Qt,设计并开发了晶体位错识别的三维可视化原型系统,从而为分子动力学中材质特性的进一步研究提供足够的支持。
[硕士论文] 丁大伟
材料学 长春理工大学 2014(学位年度)
摘要:大尺寸板条激光器在高功率和高光束质量领域中发挥着很大的优势。但是如果大尺寸晶体在生长过程中存在缺陷或者后期板条光学加工不达标,就会对光束质量造成影响。因此从改善激光器光束质量的角度出发,建立一个静态下表征晶体板条对光束质量影响的方法是十分有必要的,有利于研究板条激光器的光束质量。
  本文介绍了激光晶体材料的物理、化学和激光方面的特性,分析了板条固态激光器的研究现状和存在的问题,主要针对晶体板条表征方法做了理论介绍和实验研究。讨论了晶体板条表征和评估的结果,并分析了晶体板条性能影响光束质量变化的因素,能够挑选出具有高光束质量的晶体板条。
[博士论文] 刘兵发
材料学 南昌大学 2013(学位年度)
摘要:多晶硅太阳能电池的转换效率虽然稍低于单晶硅太阳能电池,但前者因制备工艺较简单、成本较低而更受市场的欢迎。目前,如何提高硅基太阳能电池的转换效率已成为光伏领域的研究热点之一。提高硅基太阳能电池的效率主要有两种途径:多晶硅硅锭制备工艺的改进和电池制备工艺的改进。
  多晶硅铸锭工艺主要有三种:浇铸法、直接熔融定向凝固法(布里奇曼法)和电磁铸造法(EMC);直接熔融定向凝固法是目前主流的生长工艺,该方法可以生长出取向性较好的柱状硅锭。为了得到尺寸更大、质量更高的多晶硅铸锭,多晶硅锭的生产工艺仍然需要进一步完善;通过计算机对多晶硅凝固进行数值模拟是一种经济有效的方法,大量实验表明模拟结果具有较好的可靠性。本论文采用CGSIM软件对多晶硅铸锭炉内的温度场、温度梯度和硅熔体中的流场进行数值模拟,得到了它们在不同长晶高度(隔热笼开度)和长晶速度时的分布图,为解释多晶硅硅锭不同位置出现微晶的机理提供了一定的实验依据,为今后进一步优化生产多晶硅锭的工艺提供参考依据。
  定向凝固多晶硅中存在较高密度的晶体缺陷(位错、晶界、微晶),这些缺陷的存在影响了多晶硅太阳能电池的转换效率。本论文借助光学显微镜通过观察位错的微观形貌来研究定向凝固多晶硅锭中的位错特征,发现了位错分布的高度不均匀性、以及大量的滑移位错。利用扫描电子显微镜(SEM)并结合背散射电子衍射(EBSD)技术观察定向凝固多晶硅样品的表面形貌,对其中的晶界类型、分布、晶粒间取向特征等进行了研究;这些结果有助于理解多晶硅太阳能电池的效率为什么低于单晶硅太阳能电池。本论文也研究了多晶硅锭定向凝固生长过程中微晶的形成,结合硅锭炉中温度场、温度梯度和流场及晶体形核和长大的相关理论解释了微晶形成的机理,并研究了微晶区域的面积百分比对太阳能电池光伏性能的影响行为。
  本论文使用SiH4和NH3作为反应气体,采用化学气相沉积技术制备了单层和双层氢化氮化硅(SiNx∶H)减反射薄膜。通过改变反应气体的流量比来控制SiNx∶H薄膜的折射率n值在1.8到3.3之间变化,改变沉积时间来控制双层SiNx∶H薄膜中的顶层和底层厚度;通过对多晶硅太阳能电池双层SiNx∶H减反射薄膜进行优化,得到了顶层和底层SiNx∶H薄膜的最佳参数:顶层折射率n1=1.9、底层折射率n2=2.3(λ=615nm);顶层和底层的厚度分别为d1=60nm和d2=23nm。优化后的双层SiNx∶H太阳能电池比单层SiNx∶H具有更好的光伏性能,这包括更高的转换效率η、更高的开路电压Voc和更大的短路电流密度Jsc。
  为进一步降低太阳能电池的光反射,在SiNx∶H减反射膜上生长了氧化物纳米结构,对这种纳米结构进行设计和模拟计算。考虑到ZnO在各种基体上能较容易地生长成纳米阵列,其纳米晶的形貌容易控制,本论文选择在SiNx∶H减反射膜上生长ZnO纳米结构来进一步降低太阳能电池的反射率。实验中,在SiNx∶H减反射膜上用水浴法生长ZnO纳米结构阵列膜层,形成梯度减反射薄膜,从而进一步降低太阳能电池的光反射率;采用严格耦合波分析方法(rigorous coupled-wave analysis,简称为RCWA)对此梯度膜层进行设计;研究了水浴温度、时间和溶液溶度对ZnO纳米柱生长特征及其性能的影响;得到了ZnO纳米柱的直径、长度和阵列之间的距离不同与对光的反射率之间的关系;用有限差分时域(finite-difference time-domain,FDTD)计算方法分析了这种纳米结构对降低电池光反射率的机制。
  为了获得到ZnO纳米棒的形状与对光的反射率之间的关系,论文采用水浴法在SiNx∶H层上成功地制备了掺铒的ZnO纳米须阵列;研究了生长时间对掺铒的ZnO纳米须阵列的微结构的影响,结果发现掺铒的ZnO纳米须阵列的长度和直径随生长时间的延长而增大。当生长时间增加到90和120min,掺铒的ZnO纳米须阵列的纳米须底部相互连接在一起,其顶部由针状变为平坦;使其减反射性能变差。60min生长的掺铒的ZnO纳米须阵列呈现出最好的减反射性能和光伏性能,其转换效率由15.64%增加到17.41%。在水浴法制备掺铒ZnO的过程中加入氨水,可得到抛物体纳米结构阵列膜,集成了此膜的电池在宽波长、宽角度下反射率仅为0.3%,光电转换效率可相对提高20%。通过光学模型的建立,论文对该实验结果进行了合理解释。
[硕士论文] 李静
材料科学与工程 湘潭大学 2013(学位年度)
摘要:铁电薄膜的光伏效应在光探测、非破坏性光读取数据、光伏器件等方面体现出了广阔的应用前景,这引发了研究者的极大兴趣。然而到目前为止,铁电薄膜光伏效应的机理还存在争议。高质量的铁电薄膜是良好光响应的保证,然而通常制备出的铁电薄膜多为多晶结构,晶格缺陷广泛存在于多晶薄膜中。尽管人们对铁电薄膜光伏效应的可能影响因素做了大量的研究工作,但是晶格缺陷对铁电薄膜光响应性能的影响还有待进一步研究。本文采用面内光伏结构,从薄膜制备和薄膜服役两个角度着眼,研究晶格缺陷对 Bi3.15Nd0.85Ti3O12(BNT)铁电薄膜的光响应性能的影响。从制备角度,通过控制退火气氛和退火温度,引入本征晶格缺陷氧空位和晶界,研究其对BNT铁电薄膜光响应的影响;从服役角度,研究薄膜应用环境中表面吸附和载流子注入诱导的晶格缺陷演变对BNT薄膜光响应的影响。本论文主要的研究工作与结果如下:
  1. BNT铁电薄膜面内光伏结构的制备与表征
  首先,分别用脉冲激光沉积法和溶胶-凝胶法在 Si衬底上依次制备了 YSZ薄膜和BNT薄膜;然后,借助小型离子溅射仪在BNT薄膜面内制备了对称条形Pt电极,从而形成了BNT铁电薄膜面内光伏结构,即 Pt/BNT/YSZ/Si。并对制备出的BNT薄膜的微观结构、表面功函数、铁电性能和光响应性能进行了表征。
  2.本征晶格缺陷对BNT铁电薄膜光响应性能的影响
  首先,在不同退火气氛和退火温度下制备了BNT铁电薄膜,然后对所制备的BNT薄膜样品的微观结构和光响应性能进行了表征,研究了制备过程引入的氧空位和晶界对 BNT薄膜光响应性能的影响。研究结果表明,BNT薄膜中氧空位浓度越高,绝对光电导增大,而光开启电压大致相同,这归因于氧空位为光生载流子的传输提供了通道;随着退火温度的降低,光开启电压和饱和绝对光电导增大,这是因为高密度的晶界虽然阻碍了光生载流子的迁移,却有利于光生载流子在晶界处及时分开。
  3.外场诱导的晶格缺陷演变对BNT铁电薄膜光响应性能的影响
  通过将BNT薄膜样品在空气中长时间放置和在水平方向施加预注入电压,来改变薄膜的表面吸附态和薄膜中的缺陷态,研究了外场诱导的晶格缺陷演变对BNT薄膜光响应的影响。研究结果表明:BNT薄膜样品在空气中长时间放置后,表面功函数和光响应减小,这归于薄膜表面吸附了偶极子;随预注入电压增大,光响应先增大后减小,这是因为随预注入电压增大,缺陷能级分布发生了变化。通过热激发,表面吸附的偶极子和注入的载流子被消除,光响应性能恢复。
[硕士论文] 田娉
材料物理与化学 天津大学 2013(学位年度)
摘要:在不同温度(接近室温)和高电压下,利用电注入着色法对铵明矾晶体和蔗糖晶体进行电注入着色。在着色晶体内产生多种化学基。对着色晶体进行吸收光谱测量和分析,提出化学基的形成和转化机理。借助测得的电流~时间曲线,对各化学基的形成过程及机理作进一步解释。
  对铵明矾晶体用点阴极电注入,在铵明矾晶体中产生大量SO3?、SO2?和O3–化学基和微量带电化学基及电子。铵明矾晶体被成功电注入着色主要得益于恰当电注入温度、电压、电注入时间以及实验装置中独特石墨颗粒阳极阵列。首先,在靠近阳极板的晶体内产生大量化学基。然后,部分SO3?和SO2?化学基与邻近SO42?根交换电子、O0和O?化学基后扩散到晶体其它区域。在电注入时,记录电流和时间数据并绘制出电流~时间关系曲线。各区域电流皆由带电化学基、电子与阳极阵列交换电子形成。给出的电流~时间曲线上各电流区域形成机理与各化学基的形成机理有密切关系。通过多次实验总结得出,对铵明矾晶体用点阴极电注入最有效条件为:温度80oC、电压1100V、注入时间40min;对铵明矾晶体用点阳极电注入与用点阴极电注入情况类似。最有效着色条件为:温度85oC、电压1100V、注入时间60min。
  对蔗糖晶体用点阴极电注入,在蔗糖晶体中产生葡基胺、焦糖、羰基化合物以及微量带电化学基。蔗糖晶体被成功电注入着色主要得益于恰当电注入温度、电压、电注入时间以及实验装置中独特石墨颗粒阳极阵列。对蔗糖电注入时,一些蔗糖分子分解成葡萄糖和脱水果糖,也有一些蔗糖分子分解成葡萄糖和果糖。在电注入条件下,蔗糖晶体中发生初级美拉德反应和焦化反应等固相反应,产生葡基胺、焦糖和羰基化合物等。在电注入时,记录电流和时间数据并绘制出电流~时间关系曲线。各带电化学基移至与其极性相反的电极并交换电子形成电流。通过多次实验总结得出,对蔗糖晶体用点阴极电注入最有效条件为:温度130oC、电压1100V、注入时间45min。对蔗糖晶体用点阳极电注入与用点阴极电注入情况类似。最有效着色条件为:温度120oC、电压1100V、注入时间60min。
[硕士论文] 袁峰
粒子物理与原子核物理 中国科学技术大学 2013(学位年度)
摘要:20世纪90年代中期,随着Shor算法和Grover算法的提出,量子计算领域得到广泛关注。在理论方面不断取得重大突破的同时,其物理实现方案也被逐一提出。在众多备选方案中,基于金刚石NV色心(Nitrogen-Vacancy colorcenter)的固态量子计算方案以其单自旋、室温下即可实现量子态操作等独特优势而备受青睐。
  金刚石的高折射率对NV色心所发荧光的收集效率造成了一定的困难。利用固态半球面镜(Solid Immersion Lens,SIL)可有效提高NV色心荧光收集效率,提高实验速率,缩短实验时间,从而有效减小外部环境对实验的影响。
  多比特量子逻辑门的构建和量子比特的精确定位对传统的激光扫描共聚焦显微镜提出了新的挑战。结合受激发射损耗(Stimulated Emission Depletion,STED)以及基态损耗(Ground State Depletion,GSD)等超高分辨显微成像技术能有效地缓和两者之间的矛盾,对多比特量子逻辑操作的实现、进而对量子计算机的实现都具有重大意义和深远影响。
  本文主要介绍传统共聚焦NV色心方案中荧光收集效率计算以及超高分辨技术与NV色心的结合。全文共分五章,第一章介绍本文的相关研究背景,第二章主要介绍NV色心体系,第三章是共聚焦光路中收集效率的计算,第四章介绍STED以及GSD与NV色心的结合,第五章是对全文的简要总结以及展望。
  
[硕士论文] 陈皓天
材料学 广西大学 2013(学位年度)
摘要:晶体相场方法是近年来基于密度泛函理论提出的一种模拟材料微结构演化的新方法,其模拟物理现象对应原子空间尺度和扩散时间尺度,既突破了标准相场方法无法观察原子排列的局限,时间尺度又比分子动力学方法宽几个数量级,在研究晶体缺陷动力学特征领域具有十分明显的优势。晶体中的一维缺陷又称为位错,对材料的力学性能影响非常大,因此研究变形过程中位错的运动特性具有重要意义。本文针对变形作用下材料中的位错运动,率先采用双模晶体相场方法设计并模拟二维正方晶格对称倾斜晶界和不对称倾斜晶界在应变作用下位错的运动与相互作用,并在此基础上,首次模拟三维面心立方晶格{100}面线缺陷运动。主要的研究内容和取得的成果如下:
   1.设计晶界两侧为正方晶格的对称倾斜晶界,晶界由平行的刃型位错组成。通过对比不同条件模拟结果发现:位错的密度主要受取向差影响,其间距和已有理论相符;垂直于刃型位错额外半原子面的拉应力引发负攀移,反之压应力引发正攀移;温度的提高促进攀移运动。
   2.在外应力作用下,晶界上的位错会发生位错反应,分解为三个刃型位错,并使晶界原子层数减少一层。其中一个刃型位错方向不变,继续沿晶界方向攀移。另外两个方向彼此相反,攀移进入晶粒内部。位错在晶粒内部相遇湮没形成完整晶格。
   3.设计晶界两侧为正方晶格的不对称倾斜晶界,晶界由相互垂直的刃型位错和位错对组成。均匀变形过程中位错反应有四种类型:位错相遇湮没、位错对和位错反应生成新位错、位错对分解、位错分解。
   4.模拟三维面心立方晶格{100}面线缺陷的运动,结果和二维模拟有很大不同:应力方向不会改变缺陷的运动方向,垂直于晶界的拉应力相对更容易诱发缺陷运动。
   以上研究成果,对实验观察晶体位错运动与相互作用具有一定指导意义。
[博士论文] 杨慧
理论物理 内蒙古大学 2013(学位年度)
摘要:磁振子晶体作为一种人工微纳米周期性复合材料,其最基本特点在于自旋波在其中传播时由于受周期性结构的调制而产生带隙,处于带隙范围内的自旋波不能在晶体中传播。该性质使磁振子晶体具有不同于一般材料的特殊物理性质,人们可以根据自己的需要设计不同的带隙,使自旋波局域在特定区域或沿着特定的方向传播,实现对自旋波传播的可控操作。因此,自旋波在磁振子晶体中的传播便成为当前人们研究的热点,且这些研究在微波领域具有潜在广泛的应用价值,如设计微波滤波器、导波器、转换开关、电流控制延迟线、传感器、自旋波逻辑器件及信号处理器等。
  本论文主要围绕二维磁振子晶体带隙结构的优化及缺陷态性质进行了研究,主要内容如下。
  首先,本文从自旋波波动方程入手,利用布洛赫定理及傅里叶级数展开详细地讨论了平面波展开法及短波微扰下改进的平面波展开法的理论,通过比较两种方法发现后者在计算过程中更为可行。因此,本文采用改进的平面波展开法把自旋波波动方程化解成一个本征方程,数值求解本征值,即可得到自旋波的K~Ω色散关系,此即磁振子晶体自旋波带结构。
  第二,利用改进的平面波展开法,理论上计算了由Fe柱体正方周期排列在EuO基底中所构成二维磁振子晶体的自旋波带结构,并分别讨论了旋转截面为正方形、长方形和六边形的非圆散射柱体对带隙的影响。结果表明,通过旋转非圆柱散射体可使带隙的宽度增加或产生新的带隙,且当柱体正方排列在基底中时旋转正方柱体在某一体积填充率下可产生最宽的带隙。这种方法为设计及优化二维磁振子晶体带隙打开新的视野。
  第三,利用改进的平面波展开法及超原胞近似,研究了二维磁振子晶体中具有单个点缺陷的缺陷态局域化性质,详细地讨论二维磁振子晶体中其它正常散射柱体取不同形状(正方柱体和圆柱体)时,缺陷柱体的形状(正方柱体、圆柱体及长方柱体)及其尺寸大小对缺陷态的影响。研究表明,缺陷对自旋波有局域限制作用,使其不能沿着晶体内其他方向传播。此外,我们发现对于正方或圆缺陷柱体而言,缺陷体体积填充率的大小直接决定着缺陷体的形状是否影响缺陷模性质,对体积填充率较小情形缺陷模的性质与缺陷体的形状无关,而对于体积填充率较大情形,则缺陷模的性质随缺陷体形状的变化而变化。然而,对于长方缺陷柱体而言,不论体积填充率大小,缺陷模的性质均随缺陷体形状的变化而变化,而且当缺陷体截面边长比值达到一定值时,某些双重简并缺陷模将劈裂为非简并模。
  最后,在单个点缺陷研究的基础上,二维磁振子晶体中引入多个点缺陷,包括两点缺陷、多点缺陷及线缺陷,并分别对点缺陷间的能量耦合及线缺陷的缺陷态性质进行研究。对点缺陷间耦合而言,缺陷模间的耦合导致缺陷模的劈裂,且劈裂程度随两缺陷体间距离的减小而增加,缺陷模磁化强度分布的相位旋进也随之变化;而且,缺陷体沿着(10)方向缺陷模间的耦合较(11)方向强。对多点缺陷及线缺陷而言,某些频率的自旋波可以沿着缺陷方向传播。具有该性质的磁振子晶体可被用作方向性滤波器或窄带自旋波波导器件的制作材料。
  本论文的研究工作均为数值计算研究,所得研究结果可为实际应用中自旋波器件材料的设计提供具有一定意义的理论指导。
[硕士论文] 霍华颂
应用数学 宁夏大学 2013(学位年度)
摘要:自准晶发现以来,准晶一直都是科学工作者研究的热点.由于准晶材料结构的特殊性,同传统的晶体材料相比,它表现出了与众不同的物理性能和化学性能,以及奇特的力、电、热、磁性能.展开此类问题的研究为工程中材料的制备与应用将提供可靠的理论价值.
   目前,关于准晶材料缺陷问题的研究,已经有了一些成果.但关于准晶材料功能性方面的研究却微乎其微,尤其是关于准晶材料压电性能的研究.因此,本文利用复变函数方法,借助于保角映射方法,研究了在电非渗透型和电渗透型两种边界条件下点群为6mm的一维六方压电准晶中缺陷的静力学与动力学的反平面问题.(1)对于缺陷的静力学问题.研究了一维六方压电准晶中十种缺陷的静力学问题,求得了静态的应力与电位移强度因子的解析解.在一定条件下,当准晶退化为晶体材料时,所得结果与已有文献中的结果完全一致.(2)对于缺陷的动力学问题.在静力学的基础上,进一步研究了一维六方压电准晶中七种缺陷的动力学问题,推导出动态的应力和电位移强度因子的解析解.当速度v趋向于零时,这些解都可还原为静态问题中的解.
  
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