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高能强流重离子束入射到固体物质中，沿飞行路径的离子能量沉积密度将改变宏观靶物质的温度和压强等，并可能在高压高密条件下产生新的材料缺陷。本文报道了利用兰州重离子加速器装置HIRFL-CSR引出的能量为264 MeV/u 的Xe36+离子束，入射到LiF晶体靶物质中，在线测量了LiF的发射光谱；观测到沿离子路径的晶体颜色变化；通过解离方法取得了不同位置处的XRD（X-ray Diffraction）与XPS（X-ray photoelectron spectroscopy）结果，显示在Xe离子的布拉格峰区域出现了LiF3（LiF+F2）结构相，讨论了该新的结构缺陷的产生与重离子束能量沉积密度间可能的相关性，这为离子束驱动的高能量密度物理的能量沉积过程提供了一定参考。
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宽带隙钙钛矿与晶硅电池结合制备叠层太阳电池，其效率可以超越单结太阳电池的理论极限。然而，宽带隙钙钛矿薄膜结晶速率快，导致薄膜结晶质量差且具有大量缺陷，严重降低电池的光电转换性能。本文采用温和的气淬法制备宽带隙钙钛矿薄膜，并引入丙胺盐酸盐作为添加剂改善钙钛矿薄膜的结晶质量。丙胺阳离子与钙钛矿组分相互作用生成了二维钙钛矿相，钙钛矿以二维相作为生长模板降低了α相钙钛矿的形成能，同时辅助钙钛矿均匀成核和择优取向生长，增大了晶粒尺寸。使用该策略制备的带隙为1.68 eV的钙钛矿太阳电池实现了21.48%的光电转换效率。此外，制备的8×8 cm2的宽带隙钙钛矿薄膜具有良好的均匀性。本工作为高效、大面积钙钛矿基的光伏器件的制备工艺提供了新的策略。
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高温非平衡问题是高超声速流动中最基本的科学问题之一，而热力学非平衡特性的准确表征是理解高温非平衡问题和高超声速空气动力学的基础，如何准确可靠地表征流场的热力学非平衡特性是解决高超声速飞行器在稀薄流域高温非平衡问题的关键。本文基于相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）基本原理，开发了面向非平衡流场的振转温度反演算法，并在宽温度范围静态环境开展验证。搭建了非平衡等离子体流场CARS测温实验平台并开展实验验证，结果表明微波等离子体处于热力学非平衡状态，并且振动温度和转动温度与微波功率成正比，而热力学非平衡度与微波功率成反比，当微波功率从80W增加至180W时，等离子体电子数密度增加，中性粒子通过与电子碰撞获得能量使振动温度从2201±43K增加至2452±56K、转动温度从382±20K增加至535±49K；而处于振动激发态的分子通过V-T弛豫过程（对于N2分子弛豫速率与温度成正比）将部分振动能转化为平动能，导致振动温度与转动温度的差异降低，等离子体热力学非平衡度从0.83降低至0.78。
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二维双过渡金属MXene相较于单一过渡金属MXene, 有着更高的可调控性, 在热电器件方面有着潜在的应用. 本文通过第一性原理的计算方法结合玻尔兹曼输运理论, 研究了新型二维双过渡金属MXene单层TiZrCO2和VYCO2的稳定性和热电性能. 结果表明, 两者的热电输运性能优良. 计算预测的结果: 在最优载流子浓度下, 300 K时, p型TiZrCO2功率因子为11.40 mW/(m·K2), 远高于n型, p型VYCO2功率因子 (2.80 mW/(m·K2))和n型(2.20 mW/(m·K2))大小类似. 300 K下, TiZrCO2和VYCO2的晶格热导率较低, 分别为5.08 W/(m·K)和3.22 W/(m·K), 并且随着温度升高进一步降低, 900 K时为2.14 W/(m·K)和1.09 W/(m·K). TiZrCO2和VYCO2的热电优值随温度升高而增大, 温度为900 K时, p型TiZrCO2和VYCO2的热电优值分别达到1.83和0.93, 优于两者n型的0.23和0.84. 双过渡金属MXene TiZrCO2和VYCO2相比单一过渡金属MXene(如Sc2C(OH)2, ZT = 0.5)具有更好的热电性能, 有潜力作为综合性能优良的新型热电材料. 本文采用的一套计算方法亦可为新型双过渡金属元素MXene热电性能探索提供一定借鉴.
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低电子密度等离子体源在电离层等离子体的实验室模拟中具有重要的应用. 本文利用高能电子束透射氮化硅薄膜窗口, 在低气压条件下激发低密度等离子体. 采用蒙特卡罗方法对氮化硅薄膜的电子束透射特性进行模拟; 利用CCD相机和静电探针对产生的电子束等离子体进行诊断. 电子束等离子体呈现出顶点位于氮化硅薄膜窗口的锥状结构. 在相同气压下, 电子初始能量越高, 锥状等离子体锥角越小, 等离子体更加向轴线集中, 这与氮化硅薄膜的电子透射特性蒙特卡罗模拟定性一致. 随着工作气压增大, 高能电子与中性粒子碰撞频率变大, 电子束散射效应增强导致等离子体锥角变大. 等离子体锥状结构是高能电子透射特性以及高能电子与气体分子散射特征的反映. 在40 keV条件下, 当电子束流从10 μA减小到 0.5 μA时, 电子密度减小, 变化在105—106 cm–3范围; 而电子温度没有明显的变化, 接近1 eV. 随气压增大, 电子密度有增大趋势. 研究工作表明, 在工作腔尺寸足够大的情况下, 可得到沿电子入射方向随距离增加逐渐衰减的105 cm–3以下更低的电子密度; 这是由于射程增加, 透射的高能电子与中性气体碰撞产生能量损失增大; 同时电子束散射增强导致了等离子体更加发散.
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多功能可重构超表面能够满足对器件小型化、集成化、适用于多场景应用的需求, 是近几年的研究热点之一. 本文采用狄拉克半金属作为可控材料, 提出了一种太赫兹多功能可重构编码超表面. 首先设计了一种顶部由狄拉克半金属材料构成的“回”字形结构的三层太赫兹编码超表面单元, 利用外加偏置电压动态调节狄拉克半金属介电常数, 使超表面单元在1.95 THz处实现2 bit编码. 然后基于设计的编码超表面单元结构, 利用遗传算法对编码超表面的阵列排布进行逆向设计, 从而实现波束赋形、涡旋波束产生及雷达散射截面缩减等功能. 研究结果表明, 针对波束赋形, 在1.95 THz处可以实现俯仰角在40°范围内、方位角在360°范围内任意角度的单波束与多波束反射, 并且多波束中的各个波束的俯仰角和方位角都可以单独调控, 提高了对太赫兹波束调控的灵活性; 针对涡旋波束, 可以产生拓扑电荷数为l = ±1, l = ±2的单涡旋波束, 并且可以实现俯仰角在30°范围内、方位角在360°范围内任意角度的单涡旋波束与多涡旋波束调控; 此外, 在1.72—2.51THz范围内可以实现大于10 dB的雷达散射截面缩减. 因此, 提出的狄拉克半金属编码超表面可以实现多种功能, 且性能优良, 在通信网络、天线和雷达系统具有一定的应用前景.
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相比于笨重的台式光谱仪, 集成化的芯片级光谱仪可以应用于便携式的健康监测、环境检测等场景 . 我们设计了一个基于硅光子平台的片上光谱仪 . 该器件由一个透射光谱可重构的硅光滤波器构成 . 通过改变滤波器的透射光谱, 可以实现对输入光谱的多次且不同的采样 . 再结合人工神经网络算法, 从采样后的信号中重建出入射光谱 . 可重构的硅光滤波器由互相耦合的马赫曾德干涉仪和微环谐振腔组成 . 采用集成的热光相移器引入相位变化, 能够对滤波器的透射光谱进行重构 . 通过这种方式, 基于单个可重构滤波器可得到包含宽、窄光谱多样特征的响应函数 . 不需要滤波器阵列, 就可以实现对入射光谱的多样化采样, 能够显著地减小光谱检测器件的面积 . 仿真结果表明, 所设计的器件在1500—1600 nm波长范围内可以实现连续光谱和稀疏光谱的重建, 分辨率约为0.2 nm . 该器件在可穿戴光学传感、便携式光谱仪等场景中具有巨大的应用潜力 .
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锆合金的水侧腐蚀是核燃料棒包壳材料设计的关键问题之一．包壳材料的耐腐蚀性能与锆合金氧化膜中 t-ZrO2含量和 t-m 相变密切相关．目前，Zr-Sn-Nb 系合金是新型锆合金发展的主流方向．合金元素 Sn、Nb 在氧化膜中可呈现多种价态，显著影响 ZrO2 稳定性，然而 Sn、Nb 对 t-ZrO2含量和 t-m 相变的影响机制尚不明晰．本文基于第一性原理计算了不同价态 Sn、Nb 掺杂 ZrO2 的晶体结构性质、形成焓和氧空位形成能，从原子尺度揭示了 Sn、Nb 对 ZrO2 稳定性的影响机理．研究表明 Sn2+、Nb3+引起显著晶格膨胀；Sn4+则造成轻微晶格膨胀，而 Nb5+引起晶格收缩，可见高氧化态下 Nb 比 Sn 更利于减小氧化膜的内应力．低价合金元素降低 ZrO2 稳定性，且会增大 t、m 相形成能差距；高价的 Nb5+、Sn4+均可提高 t-ZrO2 相对稳定性从而抑制 t-m 相变，其中 Nb5+效果显著，Sn4+则作用微弱．0-3.5GPa 范围内，t-ZrO2 相对稳定性随压力增大而增强．合金元素的低价态比高价态更利于在 t-ZrO2 中形成氧空位，因而在氧化膜/金属界面附近低氧化态区域，低价元素和压应力是稳定 t-ZrO2 的主要因素．通过电子结构分析，发现氧空位形成能与合金元素离子和氧空位间的电荷转移幅度（或电子局域化程度）呈正相关．这些结果有助于针对锆合金耐腐蚀性的成分优化和结构设计．
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本文利用朗之万分子动力学，数值研究了无序点钉扎衬底上二维胶体粒子系统的摩擦特性.本文考虑了三种不同的模型胶体粒子系统，每种系统中胶体粒子之间的相互作用均被模拟为两种不同力程的排斥势.发现：每种模型系统均存在两个最大静摩擦力（第一最大静摩擦力 fc1d和第二最大静摩擦力fc2d）；力程相近的短程排斥相互作用之间的干涉会导致粒子间排斥增强，从而导致fc1d的明显降低和fc2d以上沿外场驱动力方向上运动有序的加强.本文的研究结果有助于揭示具有不同力程相互作用胶体粒子系统的摩擦机制.
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本文研究了外部量子点耦合作用下的量子点耦合两个手性Majorana费米子体系的共振交换. 为了观察两个手性Majorana费米子的共振交换, 提出了一种基于量子反常霍尔绝缘体(QAHI)近邻耦合s波超导体的电路. 数值计算的结果表明, 通过外部量子点耦合强度可以调节手性Majorana费米子的共振透射. 如果经历了共振隧穿的一个手性Majorana费米子与另一个量子点或Majorana零能模发生共振耦合, 则可以实现与超导相位无关的非阿贝尔编织操作. 因此所设计方案为Majorana费米子的非阿贝尔编织操作提供一种新的方式, 这些发现可能在拓扑量子计算的实现中具有潜在的应用价值.
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局域共振带隙和Bragg带隙可同时存在于超材料梁中，利用两种带隙之间的相互耦合效应可以实现超宽耦合带隙设计，在宽带减振领域极具应用潜力。以往研究通常考虑单振子超材料梁的单阶耦合带隙设计，因而只能实现单阶的超宽耦合带隙，无法满足双目标或多目标频带的宽带减振需求。为此，本文开展了双振子超材料梁的双阶耦合带隙调控设计研究，提出了一种实现双阶耦合宽带隙的设计方法，分析了所设计双阶耦合带隙相比传统单阶耦合带隙的带宽优势，并探究了双振子质量分配比对双阶耦合带隙总宽度的影响，进一步设计出最优的质量分配比，使得实现的双阶耦合带隙的总宽度最宽。此外，本文还采用谱元法研究了基于双阶耦合带隙设计的双振子超材料梁的减振特性，通过与有限元法进行对比，验证了谱元法的准确性，研究表明基于双阶耦合带隙设计可以实现两个宽频带范围的高效减振。
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在固体表面布置纳米结构是一种强化固-液界面传热的简单有效的方法。但是，当固-液界面相互作用较弱时，由于纳米结构并不能被液体浸润，纳米结构的存在反而会弱化固-液界面之间的传热，而外电场的施加则可以解决这一问题。本文基于分子动力学模拟的方法，研究了纳米结构固-液界面在外电场作用下的传热特性。通过在两块平行金属板布置数量相同的正负电荷，产生垂直于板面的均匀电场，并在下层金属板上布置了不同尺寸的纳米结构。结果表明，在外电场作用下，纳米结构处会产生电润湿现象，固-液界面的润湿状态能够从Cassie态变为Wenzel态，界面处的Kapitza热阻长度的明显减小，因而热流密度显著增大；当电荷量增加至发生电冻结的临界值，液态水会产生电冻结现象，其热导率骤增至1.2 W/(m·K)，热流密度也随之发生骤增；继续增加电场强度，由于电冻结现象的发生，固-液界面热阻则基本保持不变。
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常见的柱状电极模型中，在轴向方向一般采用无限长假设广义平面应变分析方法，本文考虑恒流充电下有限柱形电极模型，基于力-化耦合一般方程，推导出位移与扩散诱导应力解析解。有限柱体电极中浓度分布由仅考虑径向扩散和仅考虑轴向扩散两部分叠加求解。将浓度函数代入力学方程，使用Boussinesq-Papkovich应力函数得到应力分量解析解。计算了表面自由柱状电极中浓度和应力场，并将其结果与有限元软件计算的结果进行对比计算。结果表明，理论解和数值解中浓度分布一致，应力分量趋势一致数值相差较小，在SOC=17.9%径向应力在中心处相对误差最大约为4%。本文分析了不同长径比柱状电极中径向和轴向单向扩散对应力场的影响，结果表明，随着长径比的增大，轴向扩散对浓度分布影响下降，径向扩散对应力场影响上升。
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活性物质是典型的非平衡态系统，其组成单元能够利用自身存储的能量或者周围环境的能量实现自驱动。在活性系统中，物体间的受力情况直接影响其结构和动力学行为，因此深入了解物体间的有效作用力是理解活性物质一切复杂现象的基础。本文通过光镊显微镜实验分别研究了活性大肠杆菌溶液中惰性球形聚苯乙烯胶体粒子间和板状粒子间的有效作用力，发现球形粒子间有效作用力的性质一直是短程排斥力，而板状粒子间的有效作用力则为长程吸引力，这说明惰性粒子间的有效作用力受粒子形状的影响。惰性粒子间的有效作用力主要来源于两部分的贡献：细菌-惰性粒子间的直接碰撞，以及细菌运动产生的流场。我们在实验上通过对比粒子之间、粒子外侧细菌的浓度和取向有序性，发现球形粒子间的有效排斥力主要来源于细菌-粒子的直接碰撞，而板状粒子间的长程吸引力则主要源于细菌流场的贡献。本文通过光镊显微镜实验证明了惰性粒子间的有效作用力与惰性粒子的几何构型有关，为调控活性物质中的动态自组装提供了实验支撑。
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本文基于第一性原理和蒙特卡罗模拟方法，系统研究了氧化铝晶体内部O空位缺陷和Al空位缺陷对二次电子发射特性的影响。密度泛函计算结果表明，空位缺陷会导致能带结构发生改变，其中Al空位缺陷的存在使得禁带宽度变窄，费米能级降低至价带内部。在此基础之上，获得了不同晶体结构下的弹性和非弹性平均自由程。氧化铝中存在Al空位缺陷时的弹性平均自由程最大，而存在O空位缺陷时的非弹性平均自由程最大。为了分析不同缺陷浓度下的二次电子发射特性，对已有蒙特卡罗模拟算法进一步优化。模拟结果表明，随着O空位和Al空位缺陷占比的增加，最大二次电子发射系数随之而下降。相比于Al空位缺陷，相同缺陷占比下O空位缺陷导致二次电子发射系数降低更多。
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