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飞行时间光电子谱仪（Time-of-Flight Photoelectron Spectrometer，TOF-PES）作为超快电子动力学研究的核心工具，凭借其数十皮秒量级的飞行时间分辨率与宽能量探测范围，在阿秒脉冲表征与强场量子过程研究中提供了不可替代的技术支撑。本文尝试系统地总结飞行时间光电子谱仪的技术原理与发展历程，探讨磁瓶式高分辨率谱仪技术在电子轨迹控制与收集效率提升方面的突破，并结合双光子跃迁干涉阿秒拍频重构、阿秒条纹相机等实验技术分析其在阿秒脉冲表征中的关键作用。此外，还介绍了TOF技术与其它高精度探测手段之间的融合应用，包括角分辨光电子能谱、冷靶反冲离子动量谱仪及速度成像谱仪，展示其在获取多维电子动力学信息方面的潜力。最后对TOF技术瓶颈以及未来发展方向进行了探讨。
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由绝缘体间隔的两个导体间的层间拖拽效应是研究准粒子耦合和探索层间关联物态的重要途径, 而具有丰富可调物性的二维层状材料为研究拖拽效应提供了更多可能. 本文制备了石墨烯-氮化硼-二硒化铌这一电双层结构, 系统研究了二维半金属和二维超导体之间的拖拽效应. 当石墨烯作为驱动层, 二硒化铌作为被动层时, 可以在二硒化铌超导转变温度区间发现显著的拖拽响应, 表现出明显的超流拖拽特征; 而当二硒化铌处于正常金属态时, 拖拽信号消失. 磁场、栅压调制下的测试进一步表明, 拖拽响应与二硒化铌的超导转变直接相关, 且其符号不依赖石墨烯载流子类型. 更为重要的是, 通过对比不同器件发现, 这类超流拖拽响应仅出现在空气中解理的薄层二硒化铌中, 因此二硒化铌中超导的不均匀性是产生该效应的关键. 其机制可能源自非均匀超导体中量子涨落与二维半金属电荷密度波动之间的库仑耦合.
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纳米尺度下的太赫兹(THz)时域光谱与成像技术对于材料研究和器件检测等至关重要. 然而, 受限于THz波波长衍射极限的限制, 传统的远场THz时域光谱与成像技术无法提供飞秒时间尺度和纳米空间分辨的载流子浓度分布和超快动力学过程研究. 本文介绍了基于超快THz时域光谱成像技术与扫描探针技术耦合的超快THz散射型扫描近场光学显微镜系统. 利用针尖与样品表面的近场相互作用, 该近场系统已被证实可以以~60 nm横向空间分辨率的静态THz光谱实现半导体材料和器件研究, 进而获得半导体材料和器件的静态THz电导率分布情况, 而且还可以通过光激发瞬态载流子的方式, 获得半导体材料的瞬态电导率和激光THz发射超快动力学过程, 为研究材料和器件在纳米空间分辨, 超快时间分辨和THz谱学成像方面的性能提供了有力支持.
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近年来, 双频容性耦合等离子体放电技术在先进材料加工领域展现出显著优势. 本文通过一维PIC/MCC模拟方法, 引入外加磁场, 研究了在双频(20 /100 MHz)双极容性耦合等离子体放电中, 低频频率对双频容性耦合氩/甲烷等离子体放电特性的影响. 模拟结果表明, 在高频频率为低频频率的整数倍时, 高频与低频叠加显著, 鞘层振荡更明显. 随着低频频率的增大, 电子密度、电荷密度、高能电子密度以及电子加热率都随之增大, 其中电子密度随低频频率增大达14%. 鞘层附近的电子温度随低频频率的增大出现下降趋势, 大约下降12%. 电子能量几率分布(EEPF)表现为双麦克斯韦分布, 且当低频频率增大时, 低能电子和高能电子的布居数都增多, 同时讨论了低频频率的增大对各种离子的密度的影响, 以及到达极板处的$ {\text{CH}}_{4}^{+} $, $ {\text{CH}}_{3}^{+} $粒子的角度与能量的变化分布.
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全固态高功率深紫外激光器具有光子能量高、脉冲宽度短和空间分辨率优异等优点, 在科学研究和先进制造等领域展现出重要的应用价值. 本文基于自主研发的全固态Nd:YVO4皮秒MOPA激光放大器(平均功率140 W、重复频率800 kHz、脉冲宽度8.33 ps), 开展了LBO和β-BBO晶体Ⅰ类相位匹配的腔外二倍频与四倍频研究. 双光子吸收是限制深紫外光功率进一步提升的关键因素, 通过研究高功率双波长激光在β-BBO晶体的透过率和温升, 发现高功率深紫外光在β-BBO晶体中存在较强的双光子吸收, 引发的热效应导致相位失配, 严重影响频率转换效率和输出稳定性. 为了进一步提高深紫外功率, 本文采用大尺寸光斑泵浦(光斑尺寸1.5 mm×1 mm) β-BBO晶体方案, 在泵浦峰值功率密度<1.11 GW/cm2的条件下, 有效地抑制了双光子吸收效应引起的热梯度, 实现了平均功率11 W的四倍频深紫外光输出, 单脉冲能量为13.75 μJ. 经过8 h运行, 功率抖动的均方根小于0.96%(@ 8 W). 该光源有望在超快精密加工和高次谐波产生等领域发挥重要作用.
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与传统的光子晶体或超表面等微纳光学系统相比, 基于连续域束缚态(bound states in the continuum, BIC)的光学体系通常具有更高的品质因子(quality factor, Q)与更窄的工作线宽, 更高的Q值给高性能的光电元件提供了更广阔的可能性, 但是更窄的线宽往往给实际应用造成一定麻烦, 因为加工过程中的制造误差无可避免地导致实际的光学元件与理想情况存在差异, 表现为实际工作波长与理想工作波长不匹配. 为了克服该问题, 本文利用带十字结构孔的光子晶体产生的对称保护型准连续域束缚态(quasi-bound states in the continuum, q-BIC), 探索液晶(liquid crystal, LC)对q-BIC的动态调谐效应, 以补偿加工误差导致的工作波长偏移. 相比于入射光倾斜角对q-BIC的调制效应, 在移动相同的波长时, LC对系统的Q值影响更小, 例如使用入射光倾斜角调制q-BIC中心波长移动5.32 nm时, Q值下降75.84%, 而使用LC调制q-BIC中心波长移动5.63 nm时, Q值上升了14.27%, 这证明LC对高Q因子、超窄带的q-BIC元件具有极大的应用潜力. 最后讨论了LC在q-BIC体系中的工作机理, 可为广泛q-BIC的相关研究提供参考.
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亚声速射流的流场中存在着动能、热能、声能等多种形式能量的输运与转化, 影响射流的稳定性和噪声辐射等特性, 准确认识射流中各模态能量的输运特性是发展高效降噪措施的重要基础. 基于拓展型亥姆霍兹分解流声分离方法, 发展了基于流声分离的脉动能量方程, 可有效地分离脉动能量及能流矢量中涡、熵、声及非线性模态的贡献, 为揭示流动近场的能量输运特性提供了分析工具. 将该方程应用于射流马赫数0.9的亚声速射流, 获得并分析了流声模态能量的空间分布特征和输运特性. 研究发现: 亚声速射流脉动能中的涡模态能量和熵模态能量分布于射流近场并向下游输运; 声模态能量在势核外向远场辐射, 在势核内则由束缚波携带传播至上游; 多模态非线性相互作用相关的能量集中于射流尾迹区内, 输运无显著方向性.
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随着全球对可再生能源需求的持续增长, 雨水资源的开发利用逐渐成为研究热点. 压电俘能技术因其结构简单、能量转换效率高且无需外部电源等优势而备受关注. 然而传统压电俘能器受限于单一谐振频率, 难以适应复杂多变的环境激励. 本研究设计了多种用于雨水能量收集的宽频压电悬臂梁俘能器, 通过理论分析和数值模拟, 对压电悬臂梁的结构参数进行优化. COMSOL仿真和实验结果表明, U形压电俘能器在拓宽谐振频率范围和延长振荡时间方面显著优于其余俘能器结构设计, 可以实现单次冲击下23.7 s的振荡时间、2.82 μC的电荷俘获及37.76 W/m2的输出功率密度, 展现了其在宽谐振范围下的高效能量俘获能力. 此外, U形设计还可以实现结构防水, 增强了其在雨水环境中的适用性. 本研究为雨水能量收集提供了具有普适性的新方法, 拓展了压电能量俘获技术的应用场景, 为宽频能量收集器的设计及应用提供了理论参考和实践指导.
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研究了具有非互易相互作用的耦合布朗粒子的定向输运问题。通过建立非互易耦合布朗棘轮模型，研究了耦合自由长度、热噪声强度和非互易耦合强度系数比等参量对棘轮定向输运的影响。研究发现，通过调节耦合自由长度可以诱导粒子的流反转。同时，存在一个最优的耦合强度系数比，能使非互易耦合布朗粒子的定向输运达到最强。这一结果表明非互易相互作用确实能够促进耦合系统定向输运的产生。此外，通过调节热噪声强度、非对称系数和外势高度等参量还可以实现非互易耦合布朗粒子的定向输运控制。未来的研究可进一步探索非互易相互作用在复杂环境下的动力学机制。
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辐射不透明度实验数据用于评估不透明度理论模型及其计算精度。针对惯性约束聚变点火靶壳层材料碳的辐射不透明度数据研究需求，本项工作在神光III原型大型激光装置上开展了辐射加热碳等离子体的辐射不透明度实验研究。实验中采用八路纳秒激光注入锥柱型金黑腔产生高温X光辐射场，然后通过辐射场加热黑腔中心的CH薄膜产生高温等离子体，并利用multi-1D程序模拟了等离子体的温度和密度时间演化过程。采用空间分辨门控平焦场光栅谱仪结合第九路束匀滑面背光技术，在同一发次中对背光经过CH半样品的吸收光谱和背光源谱进行了测量。最后，将实验获得的碳离子（温度65eV，密度0.003g/cm3）在300eV-500eV能区的透过率谱与DCA/UTA光谱理论计算结果进行了比较。
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随着人工智能技术的飞速发展，大语言模型已经成为材料科学研究范式变革的核心驱动力。本文系统性地综述了大语言模型在材料科学全链条中的创新应用：在知识发现与挖掘领域，大语言模型凭借高效的信息检索和数据提取能力，为材料研究提供了关键起点，奠定了新范式的基础；在材料设计与实验优化方面，大语言模型通过跨尺度知识融合与智能推理，能够揭示数据间的潜在关联，在加速计算、合成设计、结构与性质预测、逆向设计等关键环节提供极具价值的解决方案，大语言模型与自动化实验平台的深度融合，实现实验流程的自然语言控制，显著提升了高通量实验的迭代效率。研究表明，大语言模型通过知识挖掘、知识推理与流程控制的三元协同，正在重塑材料研发的全流程。展望未来，随着多模态感知与可解释性增强技术的发展，大语言模型将推动材料科学研究进入新阶段。
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随着半导体工艺的发展, 具有深沟槽隔离(DTI)技术的双极晶体管因其优异的电气性能和隔离效果, 逐步应用于性能和集成度要求更高的先进半导体器件. 现有的双极晶体管单粒子效应研究表明, 深沟槽隔离技术会导致双极器件产生新的单粒子效应机制. 本文针对深沟槽隔离结构的多晶硅发射极双极晶体管, 开展了质子入射角度对其单粒子效应的影响研究. 实验结果表明, 质子入射角度会显著影响晶体管集电极的单粒子瞬态电压脉冲振幅. 利用Sentaurus TCAD软件模拟了多晶硅发射极双极晶体管的单粒子效应电荷收集过程, 根据模拟结果分析了深沟槽隔离器件的灵敏体积, 并基于Geant4蒙特卡罗模拟方法开展了质子不同角度入射深沟槽器件灵敏体积的模拟, 结果表明, 次级离子在灵敏体积内的积分截面会随着入射角度的增加而增大, 为深沟槽隔离双极晶体管的单粒子效应抗辐射加固提供了理论支撑.
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飞秒激光激发的太赫兹波在很多领域得到了广泛的应用. 本文演示了一种新的太赫兹辐射产生方式, 利用飞秒激光与透明固体介质作用产生的红外超连续辐射(>1 μm)泵浦太赫兹电光晶体, 产生了单周期、低频、宽带的太赫兹辐射. 飞秒激光电离介质过程会同时产生红外超连续辐射和太赫兹辐射, 如果产生的红外超连续辐射和太赫兹辐射一同进入电光晶体, 那么红外超连续辐射的存在会干扰原有太赫兹辐射的探测. 但通过窄带滤光片过滤出红外超连续辐射的特定成分, 可以用来测量电光晶体在红外波段的响应特征, 这为电光晶体的红外响应研究提供了新的思路.
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电介质激光加速器作为一种微型加速器, 其结构设计直接影响加速粒子束的能量增益和束流品质. 多数设计基于波长约1 μm的近红外激光驱动光源. 采用10倍波长的长波红外激光作为驱动光源, 有望在保持加速梯度的前提下获得更高束流品质. 受长距离加速限制, 相关波段下的结构设计仍较为缺失. 为此, 本研究提出一种基于深度学习技术的长波红外介电光栅加速器结构设计方法, 建立包含几何参数、材料性质、光场能量等多个参数的综合评估方法, 通过精准预测粒子能量增幅, 综合提取最优粒子能量增幅对应的结构参数以实现结构设计. 结果表明, 本研究所设计的光栅加速器粒子能量增幅高达99.5 keV, 同比增长19.9%, 可实现100%的传输效率, 束斑半径14.5 μm, 加速的平均粒子束电流为20.4 fA, 对比近红外光栅结构高出了6.9倍, 且粒子束亮度与近红外光栅结构相当. 本研究为长波红外高净增益介电光栅加速器的设计提供了潜在的技术路线, 同时为复杂光电器件结构设计提供一个新思路.
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三维超声场中实现了(FeCoNiCrMn)92Mo8高熵合金的动态凝固过程，研究了其组织演变规律和力学性能提升机制。静态凝固组织由FCC结构的初生γ相枝晶与四方结构的条状σ相组成。随着超声振幅的增加，瞬态空化大幅提升了初生γ相的形核率，使其晶粒发生显著细化。声流效应加速了固/液界面前沿溶质原子扩散，导致初生γ相中Cr和Mo元素含量降低，由此引发液相成分改变和(γ+σ)共晶组织形成。液相中Cr元素的进一步富集使凝固组织中出现了亚稳μ相。超声凝固条件下，合金压缩屈服强度最高可达876.2 MPa，比静态下提高了近2倍，同时保持了33.2%的变形量，(γ+σ)共晶组织形成及其体积分数增大是合金屈服强度提升的主导因素。
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