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容性耦合等离子体（CCP）的流体模拟对于理解放电物理机制非常重要，但其高昂的计算成本制约了大范围参数化探索。为突破该限制，本研究开发了一种深度学习代理模型，旨在以近瞬时推理速度复现一维CCP流体模型的输出结果。该模型精确预测了容性耦合氩等离子体流体模拟中关键等离子体参数的空间分布，包括电子密度、电子温度及电场分布，并将所需计算时间从数小时压缩至毫秒量级。除加速优势外，代理模型学习过程还揭示了根植于等离子体物理的非对称推理能力。代理模型可从复杂的低压物理域外推至更简单的高压物理域，反之则不可行，表明低压状态具有更完整的物理信息。进一步，本研究建立一个模型推理的置信边界，确保预测结果的物理可靠性。最终，本研究为创建高保真、超快速的流体模拟等离子体替代提供了方案。
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重子非轻子衰变研究中一个悬而未决的问题是描述该类衰变的s波振幅与p波振幅的理论值不能同时与实验值很好的符合。与以往的文献相比，本文将采用协变的手征有效理论框架，在扩展极小减除(extendedminimal subtraction,EMS)方案下计算该类衰变的s波、p波振幅的一圈图修正。为与实验数据相比，分别采用s波拟合和p波拟合两种途径获得协变理论预言值。采用s波拟合得到s波协变振幅理论预言值略逊于重重子框架下的理论预言值，但是由此得到p波协变振幅理论预言值较重重子框架下的理论预言值有较多改善；采用p波拟合得到p波协变振幅理论预言值贴近实验值，重重子框架下的理论预言值与实验值相差较大，由此得到s波协变振幅理论预言值与实验值有明显差距，但重重子框架下的理论预言值与实验值差距更大。由此可见，协变框架下一圈图完整计算中，s波振幅与p波振幅间的理论矛盾依然存在，但是两者之间矛盾程度与重重子相比得到部分缓解。
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针对高速电子器件与光电器件的发展需求，探索并设计具有优异载流子输运特性的二维半导体材料已成为该领域的核心科学问题。本文基于密度泛函理论，采用第一性原理计算系统地探究了面内应力对单层FeGa2S4材料输运性质及光学性质的调控规律。结果表明，FeGa2S4易于剥离，其单层结构具有较好的动力学、热力学稳定性和面内各向同性的机械性能，较低的杨氏模量使其在外部应力下易于形变。与母相块材相似，单层FeGa2S4也是一种间接带隙半导体（能隙为1.65 eV），在单轴应力（应变范围±5%）调控下，空穴迁移率基本保持不变（∼103 cm2·V-1·s-1），电子迁移率（+5%应变）则提升超过一个数量级。双轴拉伸应力则能够有效提升材料在可见光范围内的光捕获能力。研究结果表明单层FeGa2S4在高速电子和柔性光电器件领域具有较大的应用前景。
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本研究采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了本征单层二碲化钨(WTe2)、单碲空位缺陷(VTe)单层WTe2及稀土元素X (X=Ce,Yb,Eu)掺杂含VTe的单层WTe2(VTe-X)的能带结构、电子态密度及光学性质,以探究稀土掺杂与单碲空位缺陷的共同作用对单层WTe2光学性质的提升效果．相较于VTe模型,VTe-X模型对单层WTe2材料在红外波段(0 eV～1.2 eV)的光学性能提升更佳．所有VTe-X模型均表现出金属性,费米能级附近的电子态密度峰值显著增强．其中VTe-Yb模型在红外范围内的吸收系数、反射率、静介电常数和介电函数虚部峰值较单层WTe2分别提升了3.76倍、1.83倍、2.63倍和24.20倍．该研究为基于单层WTe2衬底的红外光传感器设计提供了理论依据．
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在活性物质系统中，外部驱动场（如电场、磁场或光场）常被用于调控粒子的运动行为与集体状态。惯性效应在粒子动力学中扮演关键角色，它使粒子对场的响应出现延迟，从而诱发复杂的集体行为。然而，具有转动惯性的活性粒子在周期交流场作用下的动力学行为尚不明确。本文通过数值模拟系统研究具有转动惯性的活性粒子在周期交流场作用下的集体行为。结果表明，改变外场频率可诱导系统出现一系列集体运动状态，包括极性有序、向列有序以及交叉流动带等结构。粒子的自推进速度与相互作用强度对系统状态转变的影响较弱。本研究揭示了周期交流场在调控惯性活性粒子系统集体行为中的关键作用，为进一步理解非平衡系统中驱动场与粒子动力学之间的耦合机制提供了新的见解。
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太阳风中的He离子与H2O分子碰撞的电荷转移截面是天体等离子体建模等领域所需的重要数据。然而，当前对应太阳风速度范围的中低能区He+离子与H2O分子碰撞的单电荷转移截面实验测量数据有限，基于第一性原理的理论计算尚未开展。本工作利用含时密度泛函非绝热耦合分子动力学模型，计算了1.33–1800 keV宽能量范围内He+离子与H2O分子碰撞的单电荷转移截面。模拟采用反转碰撞框架，探究了电荷转移和电子离子耦合动力学，发现H2O分子的单电荷转移截面有较强的分子取向依赖特性，并且低能区和高能区不同分子取向对截面的贡献有显著区别。截面计算结果与已有的实验以及经典理论模型数据较为符合，表明本文所用理论方法和数值框架不仅适用于处理非裸核离子和分子碰撞的电荷转移过程，还能定量分析分子取向对截面的影响。这为后续复杂碰撞体系的相关截面计算奠定了基础。本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00193中访问获取（审稿阶段请通过私有访问链接查看本文数据集https://www.scidb.cn/en/s/zqABV3）。
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Zr/O/W肖特基式热场发射阴极作为电子束类高端分析仪器的核心组件，其独特的界面发射机制一直是阴极领域的研究热点。本研究团队成功制备了高性能Zr/O/W肖特基式热场发射阴极，其发射电流密度可达2.5× 104 A/cm2，使用寿命超过8000小时。通过能量色散X射线光谱（EDS）和俄歇电子能谱（AES）分析，对激活阴极发射区表面及深度方向成分分布进行了系统表征。结果表明，Zr/O/W阴极表面并非传统理论所认为的Zr-O偶极子单分子层，而是存在一层纳米级厚度的Zr/O/W（100）复合氧化层结构；该氧化层由三部分构成： W（100）晶面下方的氧渗入层、W（100）面本身以及晶面上方多原子层的Zr-O薄膜。Zr/O/W（100）氧化层使阴极发射面功函数从纳米WO3的5.02eV显著降低至2.85eV，从而形成局域化电子发射集中区。基于上述实验结果，结合第一性原理计算，本研究模拟了W（100）发射界面动态演变过程，为Zr/O/W肖特基式热场发射阴极界面发射机制提供了新的理论解释。
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原子级厚度的二维过渡金属硫化物（2D-TMDs）材料展现出丰富的物理性质，如量子自旋霍尔效应、超导电性、电荷密度波、铁电性和铁磁性等，而受到了广泛的关注。2D-TMDs材料通过不同的层间堆叠方式和元素配位几何，可以呈现出物理性质迥异的晶相结构。通过晶相工程改变2D-TMDs材料的晶相结构是实现其电子结构、量子态及功能特性调控的有效策略。本文聚焦于热力学亚稳相2D-TMDs的制备，详细总结了利用物理化学手段诱导晶相结构转变的调控机理和直接相选择合成特定晶相结构的技术进展，及其对材料电子结构、超导电性、磁性、铁电性等物性的影响。最后，对利用晶相工程进行2D-TMDs结构和物性调控的研究现状和未来发展进行了总结和展望。
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针对目前钢铁材料掺杂合金元素改性主要从细晶、弥散强化两方面入手，涉及铁素体基体相本身性能改善的研究不足。本文结合第一性原理计算和正交试验法，构建Fe16-x-y-zMnxTiyMoz (x，y或z=0、1或2)三元掺杂超胞模型，系统研究M (Mn、Ti、Mo)掺杂对其稳定性、力学性能和电子结构的影响。形成热(Hform)计算表明，所有固溶体均能自发形成，且Ti掺杂最利于固溶体形成，Mn次之，Mo最不利；结合能(Ecoh)计算表明，所有固溶体均具有结构稳定性，且Mo掺杂对其结构稳定性的影响最大，Ti掺杂次之，Mn掺杂最小；电子结构分析表明，掺杂原子Mn 3d，Ti 3d和Mo 4d与Fe 3d态重叠增加和出现明显的杂化现象，导致费米能级降低，且Fe13Ti1Mo2费米能级最低，稳定性最好，与结合能判定结果一致。力学性能计算表明，M掺杂降低了固溶体的抗拉压变形能力和硬度，但却提升了其塑性，这为韧塑性铁素体基钢铁材料的设计提供了理论借鉴与技术参考。
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火星原位资源利用是当前深空探测领域的研究热点之一。采用低温等离子体技术可实现火星大气高浓度CO2的原位转化，具有环境适应性强、系统效率高等诸多优势。本研究使用一套同轴填充床介质阻挡放电反应器开展了火星大气CO2放电特性研究，探究了SiO2与Al2O3填充材料对二氧化碳转化性能及能耗的影响。与空管放电相比，采用不同的填充材料会显著影响等离子体的放电特性。在放电区内填充Al2O3材料提升了电场强度，促进了CO2的转化和氧气的生成，实现了12.18%的CO2转化率，最低能耗为0.36 kWh/g。通过发射光谱诊断和数值计算发现，增加放电功率和填充Al2O3提升了平均电子能量，通过非平衡振动激发态的生成促进了CO2的活化和转化。研究结果表明，选择合适的填充材料可以有效提升等离子体火星CO2转化过程的能量效率。本研究为后续低温等离子体技术在火星大气原位转化领域的应用提供了一定的理论和实验支撑。
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90°光混频器是无线相干光通信系统接收端的关键器件，在提升接收端灵敏度和抗干扰能力方面发挥着重要作用。传统的90°光混频器存在对精度要求高、体积大、受限于模式失配、偏振敏感和功能单一等缺点。为解决上述问题且进一步实现器件的多功能化，在铌酸锂平台基于多模干涉（Multimode Interference,MMI）结构，设计了兼具90°光混频和模式分离功能的多功能集成器件。该器件在功能上具备良好的可扩展性，在性能上均优于传统结构，具有低损耗、高精度和宽带宽的特点，并通过容差分析验证了器件在较大工艺误差范围内仍能保持优异的性能，展现了较高的工艺容差性和可靠性。该器件可同时应用于大规模集成光学中，为高性能片上光通信系统提供了新技术。
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元素镁和铝是地壳中丰度较高且被广泛应用于工业工程中的金属材料, 其在高压下能以单质形式形成电子化合物, 导致丰富多彩的晶体结构和电子性质. 本研究采用第一性原理结构搜索方法系统地对0—500 GPa压力范围内镁铝合金的可能结构进行探索, 获得了8种可在不同压强范围下稳定存在的晶体结构和2种亚稳的富镁合金结构, 其中6种稳定结构具有电子化合物特征. 通过计算分析验证了电子化合物中间隙准原子对晶格振动特性的影响, 同时在富镁合金结构中发现铝原子具有独特的–5e超高氧化价态, 形成满壳层电子结构. 本研究丰富了镁铝合金的高压相图, 并为开发新型高压功能材料提供了理论参考.
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太赫兹波在通信、生物医学及安检等领域具有重要应用潜力, 但其传输过程中的色散与损耗问题严重制约了系统性能的提升. 微带线作为平面传输线, 具有结构紧凑、易于集成的优势, 但其在太赫兹波段的色散特性有待深入研究. 本研究通过理论分析、数值仿真与实验验证相结合的方法, 系统探究太赫兹频段微带线的色散特性及其影响因素. 理论将微带线色散细分为介质色散、几何色散和导体色散, 推导了各色散分量的解析表达式. 实验采用太赫兹时域脉冲反射技术, 对不同基底介电常数、导线宽度及长度的微带线进行测试, 结合数值仿真验证了理论模型的准确性, 并引入脉冲展宽系数对微带线的在太赫兹低频段的色散效应进行定量分析. 结果表明: 基底介电常数从2.2增至4.5时, 色散效应明显增大; 当导线宽度从100 μm增至1600 μm时, 通过增强几何色散使脉冲展宽系数从3.18增至5.12, 增幅达38%; 当导体长度从10 mm增至150 mm时, 则通过累积效应使展宽系数从2.12增至3.18, 增幅为33%, 与理论模型及仿真结果高度吻合. 本研究为太赫兹微带线的工程设计与结构优化提供了理论依据, 揭示了关键参数对微带线色散特性的调控规律, 对提升太赫兹通信系统带宽与信号完整性具有重要价值, 并为后续开发低色散、高性能太赫兹平面电路奠定了技术基础.
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中性束注入是托卡马克装置中加热等离子体的主流辅助手段. 射频负氢离子源作为中性束注入系统的关键前端部件, 其性能直接影响中性束的质量. 目前, 提升负氢离子源性能仍是亟待深入研究的课题. 为此, 本文针对双驱动负氢离子源, 建立了一个三维流体模型, 用于模拟和优化表面产生机制下的负离子密度分布. 首先, 对比分析了体产生与表面产生两种机制下的等离子体参数, 结果表明表面产生机制获得的负离子密度比体产生机制高出1个数量级. 然而, 受过滤磁场影响, 引出区附近的负离子密度分布呈现不对称性. 为改善该不对称性, 在表面产生机制的基础上, 提出了两种优化方案: 1)在低密度侧增加射频源功率; 2)在扩散区引入隔板结构. 模拟结果显示, 两种方案均显著改善了负离子密度分布的对称性. 最后还提出了在扩散区背板添加磁屏蔽的方式来进一步优化负氢离子密度数值, 可以将扩散区下游的负离子密度提高69%.
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碳量子点作为一种新兴的零维碳基纳米材料, 因其优异的光电特性、良好的生物相容性和易于功能化等特性, 在生物医学、传感检测和LED照明等领域展现出巨大的应用潜力. 传统的水热、微波等合成方法通常面临反应条件苛刻、耗时长、能耗高且产物光学性能调控困难等问题. 等离子体电化学法, 通过等离子体与液体作用过程中产生高密度活性电子、离子及活性产物等与碳源分子进行反应, 可高效驱动碳量子点快速合成及改性. 等离子体电化学法具备温和的多反应参数可调的特性, 为碳量子点的合成和改性提供了全新的研究思路. 本文首先阐述了等离子体电化学法合成碳量子点的生长机理, 介绍该方法可通过调控多维参数实现对产物性能调控的独特优势. 随后介绍了基于等离子体的反应参数对碳量子点荧光量子产率和波长的调控的研究进展. 最后, 本文展示了基于等离子体制备和改性的碳量子点在生物医学、光电器件以及pH传感等领域的应用进展及其展望.
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