封面说明

<正>一维纳米材料纳米线在纳米器件制备领域有着巨大的潜力,其化学、电学等特性得到学者们的大量研究,但是纳米线的拉伸动态特性受制于检测手段的不完善,并未得到充分的研究.原子链是一种比纳米线尺寸更小的一维纳米结构材料,表现出很多特异的物理特性,同样在纳米器件和原子器件制备领域有着巨大的潜力,通常采用拉伸纳米线的方法制备.借助微电子机械系统(MEMS)技术     

SWCNT场效应晶体管的介电泳装配与制造

在基于单壁碳纳米管(SWCNT)的纳电子器件或系统制备过程中, SWCNT场效应晶体管(SWCNT FET)作为最基本的构成元件, 如何进行其可控装配与制造成为了关键课题. 为此, 在利用十二烷基硫酸纳(SDS)辅助超声分散SWCNT及离心去除杂质的基础上, 针对所设计制作的背栅式FET微电极芯片, 采用介电泳驱动方法实现了SWCNT的可控均匀排布与装配. 排布与装配实验表明, SWCNT在电极间隙处具有很好的均匀定向排布与装配效果, 且沿电极宽度方向的排布密度与电泳持续时间、溶液浓度基本成正比. 经过初步漂洗及干燥, 再通过场效应特性改善处理, 烧断金属性SWCNT并进一步去除残留的SDS, 获得了良好的SWCNT FET场效应特性.     

Mn8钢TEM原位拉伸变形过程的动态观察

本文采用TEM薄膜原位拉伸变形试验连续观察了Mn8钢变形过程中形变诱发马氏体的形核与长大以及位错组态的动态变化过程,并结合微区成分测定和价电子结构理论计算,对试验现象的本质从电子和原子角度进行了分析说明.1 方法试验材料采用DZG-0.01真空感应电炉熔炼,铸铁模浇注.其化学成分(质量比)为C:1.21,Mn:8.18,Si:0.24,S:0.039,P:0.015.试样经1050℃,2h的固溶处理后淬入水中,获得的组织为单一奥氏体.用H-800透射电子显微镜进行薄膜原位动态拉伸变形试验,其拉伸速度为2μm/s,拉伸力为1kg,最大拉伸量为2.5mm,加速电压为200kV;用EDAX9900型X射线能量谱仪分析试样微区成分.     

超高品质因子片上微腔光子学研究进展

光学微腔能够同时在空间和时间维度上约束光场,从而增强光与物质相互作用,被广泛用于基础光物理和光子学应用研究.其中,回音壁光学微腔具有超高的品质因子和很小的模式体积,是当前微腔研究的学术前沿.随着光学材料微纳加工和半导体芯片制备工艺的发展,超高品质因子回音壁光学微腔研究的重要趋势之一是片上集成化.例如,超高品质因子片上光学微腔已经在光子学芯片、集成光计算、片上光互联、光学精密测量等众多领域发挥着重要作用.本文重点介绍了片上回音壁光学微腔在微型激光器、非线性光学、集成光子学回路和高灵敏光学传感等研究中的基本原理、发展历程和最新进展;进一步展望了超高品质因子片上微腔光子学未来研究的发展方向.     

多波长激光发射光子集成技术

针对光子集成芯片设计和制造中所面临的难点, 对多波长激光发射光子集成芯片中的多波长激光器阵列、单片集成, 芯片模块化耦合封装等核心技术进行了阐述. 利用重构等效啁啾技术, 二次压印模板技术, 大幅度放宽光子集成芯片对制备工艺中的苛刻要求, 降低了芯片制造成本; 通过端对接耦合技术和铟磷基阵列波导光栅技术, 解决了有源无源波导的单片集成问题; 建立了多端口分析模型, 实现了多参量动态特性的测试, 提出了寄生参数补偿的封装技术, 大幅度提升了芯片性能.     

一维纳米材料的合成、组装与器件

一维纳米材料的合成、组装及其物性的测量是制约其在纳米原型器件制作与应用中的关键, 评述了这一领域的最新进展. 一维纳米材料的组装大致可分为宏观场力组装与微流辅助模板限域组装, 其中前者是通过控制宏观电场、磁场的方向和大小来对微观的纳米线进行组装, 后者则通过控制模板的形状、尺寸、流体的流速、沉积的时间等来实现纳米线网络阵列的制备. 纳米线的组装与单根纳米线的物性测量使得纳米线激光器、传感器乃至纳米逻辑电路的制备成为可能.     

基于褶皱结构的可拉伸有机电致发光器件研究进展

近年来,随着柔性和可穿戴电子设备的发展,人们对可拉伸设备的需求不断提升,促进了可拉伸电子器件的快速发展.可拉伸显示器在可拉伸电子设备中起到信息传递和人机交互的作用,是可拉伸电子设备的重要组成部分.可拉伸发光器件作为可拉伸显示器的核心组成部分之一,受到广泛关注.随着材料、工艺和器件结构设计的不断发展与进步,可拉伸发光器件的研究得到快速发展,多种策略被开发出来用于实现器件的拉伸性,且器件性能显著提高.其中,基于褶皱结构的可拉伸有机电致发光器件因其优异的光电性能和机械拉伸性而在可穿戴电子设备、电子皮肤、智能服装等领域展现出较大的应用潜力,成为制备可拉伸显示器的候选器件之一.本文对基于褶皱结构可拉伸有机电致发光器件的研究进展进行综述,首先介绍了褶皱结构的形成机制及相关的理论,然后对褶皱结构型可拉伸有机电致发光器件按照拉伸维度和褶皱有序性进行分类,总结了不同类型器件的设计思路、制造方案和器件性能特点.最后,简要讨论了褶皱结构可拉伸有机电致发光器件存在的一些挑战及对未来的展望.     

先进材料的原子制造

为了实现更高效和更智能的产品和系统,需要发展更小尺度和更高精度的制造技术,以提高材料的性能、利用率和集成度.原子是物质的最小构筑基元,实现原子级精准制造(原子制造)能以最大的精度定制材料的结构和性质.原子制造能从物质世界底层(原子)出发进行制造,在此过程中,大量的新物质、新器件和新机理正在被发现.尽管原子制造尚处于起步阶段,但它是实现精准合成、定制材料性能的关键路线.本文首先从原子制造与传统制造的对比出发,阐明原子制造的内涵.接着以典型体系(包括单原子、团簇、二维材料和高熵合金)为例,从结构设计角度介绍材料的原子制造方法及科学原理.然后以量子信息技术、半导体器件和能源转化为应用场景,从物质的性质定制角度阐明原子制造的优势和价值.最后从发展兼具精准性和可批量性的原子制造方法、原子尺度机理探究、原子制造新材料和新器件等角度总结原子制造面临的挑战并展望未来发展.     

超导纳米线单光子探测器件的单光子响应

单光子探测技术是量子通信系统中量子密钥分发实现的关键技术之一. 超导纳米线单光子探测技术是一种新型的单光子探测技术, 相对于传统的半导体单光子探测器件具有高计数率、低暗计数等明显的优势. 介绍了基于低温超导NbN超薄薄膜的超导纳米线单光子探测器件以及实验室超导单光子探测系统. 对超导纳米线单光子探测器件的单光子响应脉冲特性进行了细致的分析和研究, 讨论了测试系统带宽等参数与脉冲波形的关系. 并利用电路模拟对超导单光子探测电信号波形进行了分析, 模拟结果和实验结果具有很好的一致性. 通过这些工作进一步理解超导单光子探测机理, 为未来建立量子通信用超导纳米线单光子探测系统打下良好的基础.     

石墨烯基气体传感器

石墨烯作为一种由单层碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状二维晶体材料,拥有许多优异的力学和电学性能,在传感领域具有很大的应用潜力.在室温下超高的电子迁移率以及超大的比表面积这两个突出的特点,使石墨烯有希望成为一种具有超高灵敏度的气体传感器材料.作为一种典型的二维材料,石墨烯结构中的每个原子都可以被认为是表面原子,因此理想情况下每个原子都可以和气体发生相互作用,这使得基于石墨烯材料的气体传感器具有超高的传感响应以及超低检测限(甚至可以检测到1个分子).为了进一步提升传感性能,目前的研究主要从两个方面对石墨烯基气体传感器进行优化:(1)设计不同工作原理的气体传感器,满足不同的应用领域;(2)设计不同敏感材料的气体传感器,对石墨烯表面进行改性或与其他材料(金属、金属氧化物和有机聚合物)进行复合,使结构具有一定的特异性,提升气体传感器的气体选择性.本文将从上述两个方面综述气体传感器的主要研究成果和最新研究进展,并对未来一段时间内气体传感器的可能研究方向和重点研究内容等进行展望.     

Q235A steel plate punching belt machine boring cover with the light design of the tensile modulus

矿用皮带机制造中经常遇到薄壁闷盖类零件,材料为Q235A钢板,这类零件因品种多,批量较小,深度与直径比较小,引伸系数大,运用可组合的浅拉伸模,故不需使用常用的08F类优质碳素钢板,就能实现此类零件的加工.     

变截面微纳米通道内聚乙烯分子注射过程的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟了变截面微纳米通道内聚乙烯分子的注射过程, 分析了微纳米通道截面结构及外加作用力对注射过程中聚乙烯分子流变和结构特性的影响. 研究结果表明:注射流动过程中, 通道壁面附近存在粒子吸附层, 且吸附层厚度随通道锥面倾角增大而增大;聚乙烯分子链的注射距离随锥面倾角增大而减小、随外加作用力增大而增大; 在锥面倾角为α=45°的通道中聚乙烯分子均匀填充整个通道, 且沿流动方向上出现单轴拉伸现象, 在较大作用力情况下, 该拉伸更为显著, 使得注射过程更容易完成.     

介观科学,材料制造的新机遇

<正>世间物质,传统的观察视角是原子层面或者宏观层面,但科学家们提出,介于两者之间的一个状态,介观,是物质更值得注意并且对材料制造技术将会有极大影响的一种状态。跨越宏观-微观之间的鸿沟,世界上任何材料只要通过两个不同的镜头就可以进行检查——一个是可以观察到物质纳米级结构的镜头,另一个则是可以观察到该物质在日常     

生物芯片:电子计算机的终极

生物芯片的研究不仅指芯片本身,也涉及生物分子电子学的其他方面,包括生物传感器,生物电池,机器人视觉,神经接口和人工智能等。生物芯片计算机的概念来自分子生物学的饶有兴趣的两个方面:即生物多聚体能够自主装配,和象DNA那样的分子能够贮存,复制以及传递信息。幻想家们预言,在生物计算机中,将利用生物材料和生物过程,制造和装配分子型的电子元件。最终,计算机将建立在沿原子链传播半导体孤子波的基础上。但是,这种芯片何在?这个问题无疑将会在产业界和学术殿堂中徘徊至少10多年(如果不是20年的话)。因为不仅生产这种生物芯片的技术不存在,就连大部分的理论也尚未问世。对于生物芯片的需求,主要来自于人们预见到现代硅芯片的局限性。以当前发展速度看,硅芯片所能贮存的信息量10年内将达到它的理论极限值.Bell研究室刚公布了兆位芯片,元件间隔大约是在1微米。通过新的印刷技术和其他方面的改进,可以使包装密度加倍,间隔小到0.2微米.除了这点之外,非常重要的发热问题出现了。如此紧密的包装引起的对话(泄漏)会损害信息。在生物芯片中,由于元件是分子大小的,包装密度可成数量级地增加。由于信号传播方式是孤电子,将不会有损耗.生物芯片几乎不产生热。     

超导量子电路材料

超导量子电路由超导的电容、电感、约瑟夫森结、传输线构成,在超低温下表现出宏观量子效应.由于超导体自身的耗散极低,超导量子电路的一个重要应用研究方向是具有长相干时间的超导量子比特.超导量子电路沿用了传统集成电路的微纳米制造工艺,包含多个超导量子比特的芯片也能进行规模化加工和封装.但是,在超导量子电路的结构设计、材料制备、芯片制造、工作环境等各个环节都会引入耗散通道,限制了超导量子比特的相干性.从微观机理上分析,这其中大部分通道都与量子电路材料及表界面相关,因此从材料和工艺出发,全方位探索高质量超导量子电路的制备是进一步推进其应用的必然趋势.     

超细半导体纳米线/棒的可控合成与新奇性质研究及功能应用

超细半导体纳米线/棒是近年来发展起来的一类新型功能纳米材料,由于其具有接近原子尺度的直径和高度的结构各向异性,而表现出强烈的量子限域效应和界面效应,以及由此所伴生的诸多新奇的物理和化学性质,在光电器件与传感检测等领域具有广阔的应用前景,是纳米材料领域研究的前沿和热点.鉴于其独特性和重要性,本文系统总结了超细半导体纳米线/棒领域近年来的研究和应用进展,着重介绍了其制备方法和光学、电学、磁学等新奇性质及其在光电转化、光电探测、光催化、气体传感等领域的应用原理和重要进展;在此基础上挖掘了调控其生长过程和理化性质的内在规律,凝练了该领域发展中所面临的关键难题,展望了未来可能的发展方向,希望借此推动这类特殊纳米材料的快速发展.     

“小分子机器”量子结构的构造及其物性

低维量子结构的构筑及调控是物理学向小尺度研究方向延伸的核心问题之一.本文重点围绕高鸿钧及合作者在"小分子机器"量子结构的构造及其物性方面开展的研究,系统地介绍了他们在单原子层次上设计、构造和调控的若干小分子机器量子结构.代表性工作有:(1)构筑了四叔丁基酞菁锌((t-Bu)4-Zn Pc)分子在Au(111)表面上"抛锚"的、带有固定偏心轴的单分子转子及其有序阵列,证实了转动行为的可调控性;(2)实现了单个小分子极限尺度(0.6 nm)的可逆电导转变,进而实现了稳定、重复、可逆的超高密度信息存储中的原理性应用;(3)首次直接证实代表性的"分子机器"轮烷(Rotaxane)分子的构型及其电导的可逆转变,澄清了当时化学界的一个争论热点,该热点也是2016年诺贝尔化学奖的主要成果;(4)通过单个H原子的吸脱附实现了酞菁锰(Mn Pc)分子在Au(111)表面Kondo效应的调控,这种单个自旋量子态的可逆控制,实现了极高密度信息存储(40 TB/cm~2)的原理性应用;(5)在通过"原子手术"Mn Pc分子所创制的一种新"功能体系"上发现了朗德g因子在原子尺度上具有的空间分布不均匀性,这是长期以来一直未解决的问题.这些系统工作为单分子发电机/无线电辐射器及纳米电子器件等的构造组装与应用奠定了基础.     

微尺度电动混合混沌反控制方法

针对被动式混沌微混合器受控性差且加工难度大等缺点,基于广义混沌同步理论,提出了一种运用混沌电场对微流控芯片有序层流流体进行主动混合的电动混沌反控制方法.该方法将Duffing混沌模型施加于微流控芯片混合室的壁面电极,结合微流控芯片微混合室建立控制模型,采用Rosenstein小数据量混沌评价法对流体混沌效果量化评价,进一步优化Duffing混沌反控制算法模型参数.对优化后的混合混沌反控制算法与传统正余弦控制算法进行性能分析.研究结果表明,优化后Duffing算法控制流体进入混沌状态的时间比传统正余弦算法提前了约27.3%,最大Lyapunov指数提高约25%,说明该方法有效地提高了微流控芯片微混合器的混沌混合效果.     

部分交联聚丙烯酰胺用于毛细管凝胶电泳蛋白质分离

以高分辨低黏度可替换的部分交联聚丙烯酰胺作为毛细管凝胶电泳的分离筛分介质, 实现了溶菌酶、细胞色素C、核糖核酸酶A和胰蛋白酶4种碱性蛋白的基线分离. 该聚合物材料具有的动态涂渍能力减少了毛细管壁对蛋白质的吸附, 显著改善了分离重现性. 混合使用两种部分交联聚合物, 分离分辨率和塔板数获得进一步提高. 初步实验研究结合分离机制的解析, 这种具有多种优异性能的部分交联聚丙烯酰胺聚合物材料, 介于交联聚合物凝胶和非交联线性凝胶之间的一个中间状态, 有望在毛细管电泳以及微流控芯片电泳等生物分离领域发挥重要作用.     

高分子微/纳米图案化

高分子微/纳米图案在纳米科学和技术中具有特殊的意义. 单个大分子本身就是纳米微粒, 又有多层次的结构和构型、可调控的结构单元和链长、共聚和共混等, 这些都可导致内容丰富的微/纳米图案; 聚合物特有的物理性能不仅可使多种现成的微制造技术更易实现, 也可用来开发新的图案化技术.