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α-PbO2相TiO2高压相具有适宜的带隙能和可见光范围的光催化能力, 是一种适用于可见光、高效且环保的光催化材料. 本文使用金刚石对顶压砧对锐钛矿纳米球进行加压-卸压处理得到了α-PbO2相TiO2高压相. 利用透射电子显微镜对比初始样品和卸压样品, 观察结果表明晶粒发生了明显形变, 高分辨图显示其晶粒中存在大量[100]方向层错和形变孪晶, 其中亚微米级晶粒中形成了透镜形片层结构的形变孪晶带; 纳米级晶粒中形成了扇形多重形变孪晶. 研究表明高压下锐钛矿TiO2可以发生明显的形变, 其形变的微观机制与金属类似, 主要为形变孪晶和层错滑移, 形变孪晶的形成存在明显的尺寸效应. 这些结果为TiO2高压相变的尺寸效应研究提供了一个新的切入点, 同时还为制备孪晶α-PbO2相TiO2高压相提供了方法.
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在100 kJ激光装置上开展了基于三台阶整形脉冲的间接驱动惯性约束聚变内爆实验研究. 采用传统充气直柱金壁黑腔设计, 在激光脉冲作用后期, 腔内金等离子体运动对激光能量沉积和X光辐射场空间分布产生严重扰动, 导致靶丸赤道驱动偏弱, 形成不可接受的扁圆内爆. 本文采用新型的花生腔设计, 通过调节外环激光光斑及其产生的金泡的初始位置, 补偿和缓解金等离子体运动对黑腔X光辐射分布产生的扰动影响, 获得球对称的靶丸辐射驱动. 在靶丸驱动辐射温度相同的条件下, 由于驱动对称性得到显著改善, 实验观测到花生腔内爆热斑接近球形, 中子产额的测量结果与内爆一维模拟计算结果的比值(YOS)达到30%; 而直柱腔内爆热斑呈现扁圆形状, YOS仅为13%. 模拟计算和实验结果一致表明, 在三台阶整形脉冲驱动内爆实验中, 花生腔设计可以有效抑制外环金泡膨胀加剧产生的不利因素, 增强辐射驱动和内爆对称性调控, 并提高内爆性能.
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介质电容器具有充放电速率快、低损耗以及柔性易加工等优点, 广泛应用于电子电力系统中的关键储能器件, 但介质电容器储能密度较低, 难以适用于现阶段电气工程更高的应用需求, 聚偏氟乙烯(PVDF)基聚合物因具有较高的介电常数与较高的击穿强度得到广泛关注, 因此本文着重介绍了以PVDF为基体的储能复合材料, 归纳和讨论包括介电常数、击穿强度和充放电效率3个提高储能密度的机理及其优化策略. 最后对高储能PVDF基复合材料现阶段存在的问题以及将来所需要研究的重点进行总结与展望.
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质子照相是观测等离子体中自生磁场的常用实验诊断技术, 对质子照相实验结果的有效解读依赖于反演方法的可靠性和可用性. 传统质子照相反演方法往往只能提供自生磁场的一维或二维结构. 本研究发现, 在对具有柱对称结构的磁场进行侧向质子照相时, 偏转速度与磁场之间满足Abel变换关系, 这使得从质子照相结果中反演重建出磁场的三维结构成为可能. 通过数值模拟验证了该方法的可行性, 并基于该反演方法, 重新分析了Li等(2016 Nat. Commun. 7 13081 )有关等离子体喷流自生磁场的质子照相实验结果, 给出的最大磁场强度约为传统反演结果的1.9倍. 本研究有助于对激光聚变和实验室天体物理相关的自生电磁场形成及其时空演化行为的认识更加清晰.
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阿秒钟实验方案是当前研究原子分子体系的价电子在强激光场中隧穿延时问题的有效手段. 基于阿秒钟方案, 本文实验研究了Ar原子在800 nm椭圆偏振激光场中的光电子动量分布随激光光强的演化规律. 理论上采用包含库仑场效应、非绝热效应、Stark效应、多电子屏蔽和极化效应的半经典模型对Ar原子的强场电离动力学进行了模拟. 通过对比实验测量和数值模拟结果发现, 在本文所研究的光强范围内, Ar原子的价电子在800 nm椭圆偏振激光场中隧穿延时上限为10 as. 进一步分析表明, 阿秒钟方案中, 考虑多电子屏蔽效应对得到的隧穿延时影响最小, 而考虑非绝热效应的影响最大.
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基于h-BN钝化的氢终端金刚石表面导电沟道表现出高的空穴迁移率, 但是当前h-BN钝化金刚石主要采用机械剥离的方法, 无法实现大尺寸导电沟道, 难以满足实际的应用要求. 本文系统地开展了经典转移h-BN对氢终端金刚石表面导电沟道的载流子输运影响研究. 通过微波化学气相沉积外延生长高质量单晶金刚石, 并通过表面氢化处理得到氢终端金刚石. 通过湿法转移不同层数h-BN制备出h-BN/H-diamond异质结, 系统地研究了沟道载流子输运特征. 研究结果表明, h-BN转移后沟道导电性能明显增强, 且随着h-BN厚度的增加, 沟道导电性增强效果趋于稳定. 多层h-BN的转移可使氢终端金刚石表面载流子密度提升近2倍, 方阻降低到之前的50%. 当前的结果显示h-BN/H-diamond异质结可能存在转移掺杂效果, 使得载流子密度显著提升. 伴随载流子密度的增加, h-BN钝化的金刚石表面沟道迁移率保持稳定, h-BN在金刚石表面吸附, 使得原本在氢终端表面的负电荷向h-BN表面移动, 作用距离加大, 减弱了氢终端金刚石导电沟道中空穴和介质层负电荷的耦合作用, 使其迁移率保持稳定.
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基于二维材料的场效应晶体管在超大规模集成技术方面具有非常大的应用潜力, 因此开发高性能的短沟道二维半导体场效应晶体管是构建超大规模集成的必经之路. 对于二维材料, 获得10 nm以下沟道长度的二维半导体晶体管难度较大, 目前很少有稳定制备亚10 nm二维半导体晶体管的方法. 本文使用石墨烯作为接触材料, 氮化硼作为间隔, 可以稳定制备垂直短沟道二硫化钼场效应晶体管. 基于此方法, 制备了8 nm氮化硼间隔的垂直短沟道二硫化钼场效应晶体管. 该器件展现出良好的开关特性, 在不同的源漏电压下其开关比大于107; 同时关态电流小于100 fA/μm, 对源漏直接隧穿效应有很好的抑制作用. 此外, 该方法同样适用于其他二维半导体短沟道晶体管的制备, 为快速筛选出可适用于超大规模集成的二维材料提供了一种有效途径.
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紫外宽带吸收光谱(UV-BAS)作为一种气体定量检测技术, 常用于检测NO等气态污染物, 然而光谱仪对真实光谱的展宽作用会导致吸收率随光学厚度的变化偏离线性关系. 本文针对NO吸收光谱的非线性效应进行了理论与实验研究, 通过建立NO吸收率峰值非线性数据库, 提供了一种基于插值多项式的NO浓度测量方法. 首先理论推导出吸收率随光学厚度的非线性变化关系. 通过对单谱线进行仿真分析, 探究仪器展宽给非线性变化关系带来的影响; 然后定量计算不同仪器展宽下γ (0, 0)谱带吸收率峰值随光学厚度的变化关系, 并给出多项式模型的非线性表达式并建立系数数据库, 同时对同一展宽不同NO振动谱带的非线性问题进行了比较与分析. 最后, 通过采用不同展宽光谱仪实验测量NO吸收光谱并对上述理论研究结果进行验证, 吸收率峰值实验结果与理论计算的相对误差小于4%, 与数据库插值多项式的误差小于8%, 证明了理论计算的准确性与数据库的可靠性.
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BiSe是近年来发现的具有超低本征晶格热导率材料, 显示出比传统的Bi2Se3更高的热电性能潜力. 本文采用真空热蒸发法制备了具有(00l)取向生长的N型纯相BiSe纳米晶薄膜, 并通过Sb共蒸发, 制备得到不同掺杂浓度的Bi1–xSbxSe热电薄膜. 对薄膜样品物相、形貌、组份、晶格振动、化学价态及电输运性质进行了表征. 结果显示, Sb进入到BiSe晶格中取代了Bi原子的位置, 而Sb原子与Bi原子之间的金属性差异使得掺杂后的样品载流子浓度下降, 塞贝克系数上升. 同时, 随着Sb掺杂浓度的增大, 组成薄膜的纳米晶粒尺寸减小, 薄膜面内形成更加致密的层状结构, 有利于载流子输运,导致样品的载流子迁移率由13.6 cm2/(V·s)显著提升至19.3 cm2/(V·s). 受到Seebeck系数与电导率的综合作用, Bi0.76Sb0.24Se薄膜具有2.18 μW/(cm·K2)的室温功率因子, 相对于未掺杂BiSe薄膜功率因子得到提升. 本工作表明BiSe基薄膜在近室温热电薄膜器件中具有潜在的应用前景.
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近些年, 人们对拓扑材料体系的认知得到了飞速发展. 随着量子信息科学与技术成为当下科学研究的热点, 具有大能隙高稳定性的低维拓扑材料有从基础研究向应用探索的趋势发展. 如何实现高质量、大面积的单晶生长是影响拓扑材料走向实用化的重要一步. 本文报道了在具有Sb原子终止面的InSb(111)衬底上利用分子束外延技术生长低维拓扑绝缘体锡烯与铋烯的实验结果. 实验中发现, 无论是锡烯还是铋烯, 起始外延阶段都会在衬底上形成单层的浸润层. 由于锡原子之间的相互作用远强于其与衬底的表面结合力, 因此浸润层呈岛状生长, 晶畴岛与岛合并的过程中边界效应明显, 导致薄膜实际上由大量小晶畴拼接而成, 畴壁处的缺陷难以避免. 而浸润层的晶体学质量又限制了后续锡烯薄膜的外延行为, 因此实验发现难以实现高质量且层数准确可控的单晶锡烯薄膜生长. 而铋原子与衬底表面的结合能强于原子之间的相互作用, 能够在较高温度下实现浸润层的单层层状生长, 高质量的浸润层为后续铋烯的生长提供了良好的外延过渡层, 因此发现实验中更容易得到大面积的铋烯薄膜. 本文实验结果及相关理解对于利用半导体衬底生长低维拓扑晶体薄膜具有指导意义.
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