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关键词： 氧化镍   介孔结构   铟掺杂   NO2   pn结  

摘要： 目前,随着空气污染问题日益严重,尤其是汽车工业的蓬勃发展和汽车销量的节节攀升,汽车尾气排放导致的二氧化氮污染问题已成为环境保护的焦点。二氧化氮气体是空气污染物的主要成分,是酸雨酸雾的重要来源。在医疗诊断领域,二氧化氮气体作为一种特征物也是诊断病情的重要指标。因而设计和制造一种最低检测限低、灵敏度高的二氧化氮气敏传感器已经成为热点。在众多气敏材料类型中,金属氧化物半导体以其成本低、适应性强、稳定性高著称,被广泛运用于各种气体检测。氧化镍作为p型金属氧化物半导体的代表,由于二氧化氮分子与其表面吸附作用强,故氧化镍对二氧化氮气体较为敏感。然而,纯氧化镍在检测二氧化氮气体时,受限于灵敏度不高,需要通过复合的工艺手段来提高其气敏性能。本文,通过调控氧化镍的形貌和掺杂贱金属,提高其对二氧化氮的响应值,并分析了气敏性能提升的机理。本文以KIT-6分子筛为模板通过湿法刻蚀的方法制备规则有序介孔氧化镍,然后经过浸渍沉淀法在有序介孔氧化镍表面掺杂铟,合成了In-NiO复合材料,并考察了其气敏性能,结果表明有序介孔的In-NiO复合材料的气敏性能相对于纯NiO性能显著提升。本文调查了铟掺杂的最佳比例是氧化镍的5.0 at%,该比例复合材料在室温下对15ppm二氧化氮的响应达到3,高温250℃下对5ppm二氧化氮的响应达到55,而且表现出良好的选择性和稳定性。分析气敏性能提高的原因一是铟掺杂提高了氧化镍表面的活性,使得比表面积更大,反应活性位点更多,二是由于氧化镍和氧化铟能级的匹配,两者在接触界面形成了pn结,调控了氧化镍表面的载流子浓度,使得气敏材料更为敏感,相同浓度目标气体响应值更大。

关键词： 钒吸附   MoSe2单层   磁矩   磁耦合   第一性原理  

摘要： 二维体系在电子、光学、机械等方面的优越性决定了其应用范畴之广。随着对石墨烯关注度的加大,层状过渡金属硫化物逐渐发展,可作为另一类新型狄拉克材料,激起新的研究热潮,这归结为它们具有较大的直接带隙,且带隙大小为1-2 eV,这使得它们相比于石墨烯有更广泛的电子应用。迄今为止,相比于单个原子吸附二硫化钼（Mo S2）单层的研究,对钒（V）吸附二硒化钼（MoSe2）单层的研究还未受到关注。本文使用第一性原理计算方法,研究了V吸附原子对MoSe2单层的结构、电子和磁性特性的影响,以及吸附浓度和磁耦合间的关联性。计算结果表明:钒原子可以化学吸附于MoSe2单层上,且最稳定的吸附位为Mo原子的正上方,此位置处有三个最近邻的Se原子。V原子到最近邻Se原子之间的电子转移以及V、Se和Mo原子之间的杂化导致了极性共价键的形成。单个V原子吸附时,会在纯净的MoSe2单层的中间带隙中引入缺陷能级,有5mB的磁矩产生,V-3d和Mo-4d在磁矩分布中所占比例最大。结合V原子的电子排布和态密度分布分析,V-3d是高自旋排布,在晶体场劈裂作用下,部分V-4s电子被压入V-3d轨道,导致未成对d轨道电子数增加,导致V原子局域磁矩增加。使用GGA和GGA+U两种方法计算V-V间距离对磁基态的影响,并估算了铁磁和反铁磁态的交换积分。GGA方法计算得到,当V-V间距离很小时,磁基态是铁磁,但是随距离的增大,铁磁逐渐减弱,甚至会转变为反铁磁。我们提出了一种交换机制去解释短距离时的铁磁耦合,这种铁磁耦合和Mo原子占位交换以及Mo和V之间的杂化有关。然而,铁磁交换机制极易受到原子间距离以及强电子关联的影响,吸附体系的磁基态转变为反铁磁,在反铁磁态中超交换机制起主要作用。

关键词： 拓扑绝缘体   硒化铋   肖特基结   PN结   光电性能  

摘要： 硒化铋(Bi2Se3)是一种拓扑绝缘体材料,其体态为绝缘态,而表面为金属态。由于自旋轨道耦合,表面电子态的自旋和动量是锁定,受时间反演对称性保护。因此,Bi2Se3在自旋电子器件、光电子器件和量子计算等领域都有潜在的应用前景。本文首先介绍了拓扑绝缘体概况,包括拓扑绝缘体概念及其研究现状。接着从拓扑绝缘体的制备开始,详细介绍了高质量Bi2Se3薄膜生长的探索过程。首先保持元素的束流比例、薄膜的生长时间等条件不变,通过改变生长温度来制备并分析薄膜的生长质量,得到最合适的生长温度;随后保持上述生长温度不变,通过改变Bi与Se的束流比得到了硒化铋薄膜生长的最合适的流量比例。结果表明,通过分子束外延方法在A1203和Si衬底上生长高质量硒化铋薄膜的衬底生长温度、束流比例等条件基本一致。随后本文对在Si衬底上制备的硒化铋薄膜与衬底所形成的异质结构进行了电输运和光响应测试,本文认为,拓扑绝缘体的表面金属性使硒化铋与硅异质界面形成肖特基接触,而硒化铋体态的半导体性质,使其与硅形成PN结型接触,以PN结的工作原理详细研究了硅衬底对硒化铋薄膜的电输运以及光响应的影响。结果表明,在980nm波长的光照下,内在的异质结结构会产生光伏效应,使硒化铋的光响应变大。本文制备了硒化铋-硅异质结,根据肖特基结对光响应的原理对硒化铋-硅异质结的工作机理进行了深入分析讨论;接下来测试了此异质结对不同波长光的响应以及对其高频性能分析。本文发现,在相同温度以及相同光功率下,异质结对波长980nm的红外光响应最大,对可见光的响应相较小,而对紫外光的响应几乎为零。随后测量并分析了不同温度对硒化铋-硅异质结的光电性能的影响,发现在290K-180K的温度范围内异质结对波长980nm的光始终能保持稳定的响应度。

关键词： 硅基光子学   电光调制器   迈克尔逊干涉   PN结  

摘要： 半个世纪以来,硅基半导体芯片凭借其低成本、小型化及良好的稳定性和扩展性等优势一直主导着整个电子信息产业,电子时代也逐渐向以微电子技术为基石的“信息时代”迈进,但随着信息需求的无限增加、芯片功能的不断扩展、电路设计的愈加复杂,传统电互连方式已经难以同时满足低功耗、低串扰和超高速信息处理的要求。而硅基光子器件具有高带宽、高速率、低成本、低功耗、微型化,且与传统微电子工艺兼容等优势,一方面很好地解决了电互连系统无法逾越的“电子瓶颈”,另一方面,将光子技术与电子技术完美结合,光与电相辅相成,对大力发展硅基集成光电子技术具有深远意义。本论文以硅基迈克尔逊（MI）电光调制器为主要研究对象,以实现高速率、低损耗、大消光比为设计指标,具体介绍了MI型调制器的工作原理以及其中各单元涉及到的理论知识和分析方法,用于指导后续MI型电光调制的光学和电学元件设计,包括多模干涉（MMI）耦合器、载流子耗尽型PN结、单驱动行波电极等,并给出了详细的仿真优化过程,适用于多数单驱动推挽式硅基电光调制器的设计。文章最后展示了基于单驱动推挽式硅基MI型电光调制器的实验测试结果,器件片上插损仅3 dB,面积小于1 mm2,静态消光比大于30 dB,在1V到8V反偏电压下,其调制效率为0.95-1.26 V·cm,证明了所研究的硅基调制器可以满足低损耗、大消光比以及高调制效率等设计指标;此外,系统传输测试表明,该调制器可实现20 Gb/s OOK、40 Gb/s PAM-4以及30 Gb/s BPSK调制,充分证明了其高速特性。

关键词： 压电半导体   可靠性   压电—导体迭代方法   强度因子   pn结  

摘要： 随着汽车工业轻量化、节能化和环保化的发展方向,新能源汽车已成为未来发展的趋势,这对汽车电力驱动系统提出了更高的要求。新一代压电半导体材料GaN、ZnO等由于具有高禁带宽度、高击穿电场、高迁移率,正越来越受汽车厂商的关注。但压电半导体材料力学、机械、物理等性能的研究相对较少,使得压电半导体电子器件可靠性设计上缺乏足够的理论指导。本文采用数值模拟的方法研究压电半导体结构的力学、机械和物理性能。主要工作如下:1)以压电半导体的本构关系、控制方程和边界条件为理论依据,通过对压电半导体基本方程的线性化处理,提出“压电—导体”迭代方法。针对工程上比较关心的可靠性问题,运用该迭代方法分析压电半导体的I型裂纹平面问题,给出各种载荷对强度因子的影响规律。2)从压电半导体严格的基本方程出发,对非线性压电半导体进行结构分析。首先,考虑半导体中载流子复合—产生过程的非线性控制方程,对比不同复合—产生机制的影响;其次,根据本构方程的非线性,通过与线性化处理的控制方程进行对比,以平面断裂为例分析线性化处理带来的差异;最后,针对欧姆接触和肖特基接触两种不同的边界条件,对比分析不同边界条件对求解结果的影响。3)针对典型结构pn结的界面问题,研究内建电势的形成过程;通过对pn结界面裂纹分析,研究压电半导体pn结界面裂纹尖端各物理量的分布规律,以及内建电势对强度因子的影响。

关键词： PN结   多子   过剩多子   电中性   电场   电容  

摘要： 传统PN结理论过分强调了少子在电流输运中的作用,这易使人们误认为PN结的电流由少子主导,或者误认为多子对电流无贡献。并且,传统理论中著名的二极管方程所给的电流也不是根据电流的定义直接给出的。不仅如此,基于传统理论框架,PN结的电中性和电流连续性等基本器件和物理问题尚不能得到完整准确的解释,因而导致诸多自相矛盾甚至错误的理解。本论文回顾了传统PN结理论的核心要点,指出其存在的易使人误解的主要矛盾和不足。针对这些矛盾和不足,本论文明确提出PN结中“过剩多子”的概念,从理论上证明了PN结中过剩多子的存在性并证实其与模拟结果完全吻合。研究发现,准中性的P区和N区中过剩多子与过剩少子的分布相同(存在相同的浓度梯度),表明过剩多子参与扩散;首次提出并证明了与过剩载流子关联的“伴生电场”,给出了外加电场和伴生电场的解析表达式,指出多子也参与漂移,这从根本上消除了传统理论关于电中性和电流连续性的矛盾和误解。在此基础上,给出了PN结各处的四种电流成分的解析表达式,从而可以根据某处的四种电流成分(相加)直接得到通过PN结的总电流。研究还发现,对于工作在交流状态下的PN结,传统理论认为交流总电流仍是两个空间电荷区边界处的少子扩散电流之和,而不能给出位移电流的作用,因而不能准确反映PN结的电容特性和高频特性。本文考虑了传导电流和位移电流,给出了PN结交流工作状态下的全电流表达式和PN结各处传导电流和位移电流表达式,由此直接得到了PN结的总电容。所给的表达式不仅清晰地表明了扩散电容和势垒电容的并联关系,而且适用于正偏和反偏情形。论文对结型器件存在的若干器件物理效应给出了进一步分析和讨论。总之,本论文基于过剩多子存在性的证明,建立了关于PN结的新的理论体系,消除了传统理论中存在的矛盾和不足,对PN结直流性质、交流性质以及电容-电压特性给出了完整清晰的研究结果,从而对PN结理论具备了全新的理解和认识。

关键词： 磁电阻效应   pn结   磁光电效应   各向异性磁塞贝克效应  

摘要： 根据摩尔定律的预测,半导体电子器件的集成度将逐渐达到其基础极限,传统半导体的性能很难进一步得到提升。而实现传统半导体大的磁电阻效应不仅仅可以赋予传统半导体器件新的应用价值,而且还能够给予半导体磁电子学新的研究思路。到目前为止,在窄禁带的银硫族化合物,锑化铟,以及碲化钨中,还有传统半导体砷化镓,锗以及硅等半导体材料中都报道了磁场对电输运行为明显的调制作用,即产生一个大且不饱和的磁电阻效应。但是,对于半导体器件的核心部件pn结的磁电阻效应研究仍然缺乏,这显然不利于半导体磁电子器件的进一步发展和应用。因此,我们以半导体硅和砷化镓为材料,通过离子注入技术与磁控溅射技术制备了pn结二极管与肖特基二极管,并且从理论和实验两方面系统研究了pn结的磁电阻效应,具体如下:1.我们从传统单pn结输运方程出发,在考虑磁场作用的情况下,发现pn结的空间电荷区构型会受到外磁场的调制,这会导致其输运行为随外加磁场有很大的改变。由计算所得,当磁场达到3 T时,室温下磁电阻可以达到20%。这表明传统的pn结二极管有望成为一种受电场和磁场相互耦合作用的多功能器件。我们的考虑随后被实验进一步证实。2.通过光刻和离子注入的方法,我们在砷化镓衬底上制备了周期pn结点阵器件。在80-430 K的温度范围内,该器件的开路光电压随磁场在0-1500 Oe的范围内线性变化。相比于没有点阵的砷化镓器件,周期点阵砷化镓器件的磁灵敏度在室温下有了近一百倍的提升,可以达到74μV/Oe。通过改变温度与点阵间距,我们认为磁光电效应的增强来源于周期pn结点阵的耦合。3.通过磁控溅射技术我们制备了Si/N i80Fe20薄膜的肖特基二极管并且研究了其各向异性磁塞贝克效应(AMS)。利用激光对样品进行局域加热来产生一个横向的温度梯度,进而在相邻电极之间产生了一个热电势。当Ni80Fe20的磁矩方向从垂直于温度梯度转动到平行于温度梯度的过程中,热电势发生了1.2μV的变化,据此计算得到的各向异性磁塞贝克数值等于0.606%,这个数值与各向异性磁电阻效应(AMR=0.541%)基本一致。由此我们认为热驱动的AMS与电驱动的AMR有相同的起源。

关键词： 价电子   参数统计值   W-Nb合金   SPS烧结   性能  

摘要： 根据固体与分子经验电子理论结合平均原子模型,计算不同Nb含量的W-Nb固溶合金价电子结构参数统计值,计算了合金最强健上共价电子对数的统计值SnA,键能统计值SEA,并得到固溶强化系数S,固溶合金强度因子(η)和硬度(SnA),分析了W-Nb合金成分的性能与价电子结构参数统计值之间的关系。在价电子计算的基础上设计了不同成分的W-Nb固溶合金的实验方案,并利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、金相显微镜和能谱仪对烧结的合金试样的组织和性能进行表征,研究了加入不同含量的Nb元素对W-Nb固溶合金组织和性能的影响。利用平均原子模型和键距差(BLD)法,采用价电子结构参数统计值结合计算机编程对W-Nb固溶合金价电子结构进行计算,用价电子结构参数的统计值来讨论宏观物理量是合适的。计算了合金的强度因子η、最强键上共价电子数SnA、固溶强化系数S,结果表明,随着Nb含量的增加,SnA、η增大,固溶合金的硬度和强度增加,同时固溶强化系数S随之增加,合金固溶强化效果增强。随着Nb含量的增加,W-Nb固溶合金键能不断增大,但增大的幅度不明显。通过机械合金化方法制备W-Nb合金粉末,并经过放电等离子烧结制备合金试样,结果表明,通过XRD可以看出Nb已经完全固溶到W中去了,Nb含量增加时,衍射峰向低角度偏移。对合金的金相组织和断口形貌进行分析表明,当Nb含量增加时,晶粒尺寸是逐渐由10um减小到3um左右,且致密度也逐渐增大,并且硬度也随之增大,说明Nb的加入可以细化晶粒,提高合金的硬度,这和价电子计算结果基本相似。通过对W-Nb合金的断口形貌进行分析可以看出,W和Nb分布比较均匀,没有出现偏聚现象,并且随着Nb含量的增加,合金的断口中出现螺旋状台阶,使合金的塑性增强。

关键词： 纳米带   核壳结构   磁矩   磁滞回线   阶梯效应  

摘要： 纳米带由于其特有的物理性质和化学性质而受到了极大的关注。而且在磁学、电子学、传感器、储能、生物医学等诸多领域都存在着很大的发展潜力。因此在理论上研究纳米带的磁化特性具有非常重要意义。本文利用相关有效场理论建立微观理论模型,在交换作用、磁晶各向异性等参数的共同作用下,详细的研究了各个相关物理参数对核壳结构四方格子纳米带及类石墨烯纳米带的磁化特性的影响。核壳结构四方格子纳米带的磁矩曲线不仅出现了奈尔理论所预言的Q、P、N三种类型的曲线,而且我们还发现了新的曲线类型,即系统总的平均磁矩曲线上出现了两个补偿点。磁化率具有二次相变的特点,在相变点处表现出奇异现象。由于系统中各物理参数之间相互竞争,导致系统的磁滞回线出现了多环现象。系统在较低的温度下磁矩曲线会出现阶梯的形状,阶梯数量会随着交换作用的增加而逐渐减少,对阶梯效应起到了削弱的效果,在系统中各个物理参数的共同作用下,内核子格子的阶梯和外壳子格子的阶梯会随着外加磁场的不断增加而出现了反转现象。核壳结构类石墨烯纳米带的磁矩曲线在温度比较低的时候会首先出现一个极大值,之后会随着温度的增加而不断减小最后趋近于零但不等于零,这是由于核壳子格子相关物理参数之间相互竞争的结果。系统的磁化率曲线在截止温度处出现了奇异现象。磁滞回线在系统中各物理参数之间相互竞争的作用下会出现多环现象。系统在较低的温度下随着物理参数的改变而出现了不同的阶梯效应。

关键词： 同步辐射   真空紫外光电离   甲苯   电离能   解离通道   Gaussian-3理论  

摘要： 甲苯的光电离离解动力学研究是物理学、化学、以及大气环境科学的重要基础研究课题。本论文主要是利用同步辐射真空紫外光单光子电离、超声分子束和反射式飞行时间质谱技术相结合,开展对甲苯分子光电离解离动力学的实验研究。通过本研究确定甲苯母体分子的电离能,离解产物的出现势和离解能以及分子离子离解动力学等方面的数据。与此同时,利用Gaussian03软件G3方法计算甲苯分子光电离和光离解过程,并结合实验数据讨论甲苯分子光电离和离解机理。主要成果如下:在实验层面,研究了甲苯在7.55.5 eV的光电离离解过程。由实验得到甲苯的单电离和双电离的电离能分别为8.82和23.09 eV。同时也测得了通过电离解离产生的碎片离子C7H7+,C6H5+,C5H6+,C5H5+,C5H3+,C4H5+,C4H4+,C4H3+,C4H2+,C3H3+,C2H3+的光电离效率谱,大部分碎片离子的出现势和文献值都是符合的很好。利用量化计算对甲苯光电离解离进行理论计算,得到其电离能理论值为8.90 eV,与实验值基本吻合。理论计算也得到C7H7+,C5H6+,C5H5+碎片离子的出现势分别为11.15或11.03,13.69,16.28 eV。然后将实验和理论计算结果结合,详细的讨论了C7H7+,C5H6+,C5H5+离子的解离过程,同时理论计算也获得了解离过程中所涉及的中间体和过渡态。本研究将为原子分子数据库,提供甲苯分子的光电离离解动力学方面的参考信息;同时也为大气层甲苯污染的防治提供依据。