用氩离子束抛光制作石英超光滑表面

超光滑光学表面广泛地应用在短波段光学领域,如同步辐射光束线的反射镜、软X射线波段的多层膜基底等.其表面的粗糙度通常要求小于0.5nmRMS.目前粗糙度好于0.5nmRMS的光学表面是采用特殊磨料,用非常规方法加工的,其缺点是工艺难度大,技术要求高,抛光的均匀性也难以保证.把离子束刻蚀技术用于超光滑表面的抛光这一加工方法,不仅可以提高抛光质量,而且大大提高了工作效率,并确保了工艺的稳定性和抛光的均匀性.     

磁流体Co-硅油的微观结构

为了揭示磁流体内部微观结构的变化,特别是磁性纳米颗粒的链状排列的细节,本文对一种组分为Ｃｏ＿硅油的磁流体试样进行了光学和电子显微分析.在外加磁场和表面张力作用下,当磁流体的磁化强度达到或超过饱和状态时,磁流体的自由表面呈现许多宏观分离的立体锥状液柱形貌,这种现象与磁粉在磁铁作用下极为相似[1～4].在磁流体中,磁性颗粒由于被稳定剂改性,已与载液胶溶为一体.因而磁性颗粒在磁场作用下使磁流体液柱升高.此时磁流体的磁能降低,而表面能增大[1,4].将磁流体薄层放置在一磁场中,通过光学显微镜观察还可得到各种不同的表面扰动形貌,…     

化学机械抛光材料分子去除机理的研究

考虑磨粒黏着力、芯片表面缺陷和表面氧化薄膜厚度以及磨粒/抛光垫大变形的条件下, 通过量级估算的方法研究了分子量级的化学机械抛光(CMP)材料去除机理. 理论分析和试验研究结果表明: 磨粒压入芯片的深度、磨粒在芯片表面的划痕深度以及抛光后芯片表面的粗糙度都在分子量级或者更小. 因此, 分子量级的CMP材料去除机理得到了理论分析和试验数据较为广泛的证实. 此外, 随着磨粒直径的减小, CMP材料分子去除机理成为CMP机理研究中富有活力的新分支. 该研究对于证实分子量级的CMP材料去除机理具有较大的意义, 同时该结果对进一步CMP微观去除机理的研究具有理论科学意义.     

非接触化学机械抛光的材料去除模型

探讨了化学机械抛光中抛光垫和晶片处于非接触状态下的材料去除机理, 认为磨粒对材料的去除贡献主要是通过犁削作用而实现的. 并在此基础上发展了一个用来预测抛光垫和晶片处于非接触状态下材料去除率(MRR)的新模型. 通过与实验数据的比较, 该模型对非接触状态下MRR的变化有较好的预测效果. 模型的数值模拟表明: 晶片的相对速度u与流体黏度h是影响非接触状态下MRR的最主要的两个因素; 晶片所受载荷w_z的变化对MRR也有影响, 但影响的效果和相对速度与流体黏度相比不明显; 当磨粒半径r≤50 nm时, 可以忽略磨粒尺寸的变化对MRR的影响.     

自组装制备Fe3O4@Au复合纳米粒子用于固定化葡萄糖氧化酶

用化学共沉淀法合成了6~12 nm的超顺磁性Fe₃O₄纳米晶体, 在室温下用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)对其表面氨基化, 然后加入Frens法合成的金溶胶, 自组装制备了磁性Fe₃O₄@Au复合纳米粒子. 用透射电子显微镜(TEM)、紫外可见吸收光谱(UV-Vis)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、震动样品磁场计(VSM)等方法对合成的金磁微粒的表面形貌、光学、结构、磁性质等进行表征. 结果表明, 合成的金磁微粒粒径分布均匀, 在15~20 nm, 磁响应性好. 金磁微粒有超顺磁性和易与生物分子结合的特点, 以葡萄糖氧化酶(GOx)为模型, 详细研究了固定化酶条件及固定化酶的酶学性质. 固定化酶的最优条件为: Fe₃O₄:HAuCl₄摩尔比为0.5:1, pH 5.5, 温度为28℃. 固定化后葡萄糖氧化酶耐热性提高, 保存时间延长, 且能在外部磁场下分离反复使用.     

变压强研磨数学力学原理与去除效率分析

提出了大型光学镜面变压强的高效研磨方法.传统研磨中普遍采用常压研磨的方式,很大程度上阻碍了去除率与收敛率的进一步提高.大量实验表明去除效率与压强之间并非线性关系,本文从研磨盘、磨粒与工件的几何学关系推导变压强条件下有效磨粒的分布规律,进而建立压强、磨粒运动形式与材料去除方式的映射关系,研究变压强条件下材料去除机理以及磨粒运行轨迹的微分几何描述,进而推导变压强条件下的非线性去除函数;通过音圈电机驱动的变压强研磨工具,利用机器人研磨平台实现了大型光学镜面的变压强高效研磨.     

飞秒激光直写在玻璃内部制备多功能集成器件

飞秒激光脉冲具有极高的峰值功率和极短的脉冲宽度,与物质相互作用时呈现出强烈的非线性效应,使其可以深入透明介质内部,以超越光学衍射极限的精度对材料进行三维微加工.除此之外,飞秒激光三维直写技术具有高度的灵活性,即可以在单一芯片上制备并集成多种不同功能的微纳结构.这些特性使该技术迅速发展成为微制造领域的研究热点,在微流体、微光学、光电子学以及光量子芯片制备与集成等领域表现出广阔的前景.但还有一些问题限制飞秒激光直写技术的进一步发展,比如加工通道的尺寸和长度限制、较高的加工表面粗糙度等.针对这些问题,本文重点介绍了在玻璃中制备三维微纳流体通道以及高品质光学微腔的最新进展.     

生物磁流体传热的耗散粒子动力学模拟

耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics,DPD)是一种基于粒子的拉格朗日型介观方法,对生物磁流体等复杂流体流动与传热问题具有较大优势.如果考虑铁磁流体动力学(ferrohydrodynamic,FHD)效应和磁流体动力学(magnetohydrodynamic,MHD)效应,生物磁流体的流动传热问题非常复杂,因而引起了众多学者的关注.本文提出了一种简单可行的方案建立了DPD流体介观参数与真实流体宏观输运系数之间的联系.在此基础上,采用DPD方法模拟了半环形区域内生物磁流体的流动与传热问题并且考虑了磁数和哈特曼数对区域内温度场和流场的影响.结果表明,随着磁数的增加,热磁对流会产生3个热羽流和4个漩涡.此外,哈特曼数的增加会引起热源表面大部分区域的局部怒塞尔数的显著下降.     

电磁波在介质分形表面的散射特性

1带限分形函数经典的几何学都是以规则而光滑的几何形状为其研究对象,而对于一些极不规则和极不光滑但又具有“自相似性”特征的对象,即分形结构,近期发展起来的分形(fractal)几何学为该类对象的研究提供了有力的帮助.所谓“自相似性”就是局部的形态与整体的形态相似,或者说,在每一个放大的级别上,这些曲线形状都是相似的.大量事实证明,分形现象在自然界中广泛存在着、本文定义并利用一带限分形函数来模拟介质粗糙表面,从而通过控制该函数的某些参量而达到模拟不同介质粗糙度表面的目的,并对各种情况下的散射系数进行观察和分析.下面给出带限分形函数(以下简称分形函数)的表达式     

极紫外投影光刻技术

极紫外光刻最有可能成为下世纪初批量生产线工小于０．１μｍ集成电路的技术,倍受世界各国,尤其是美国和日本两个集成电路生产大国的密切关注,近年来得到了飞速发展。先后在极紫外光刻用无污染“碎片”激光等离子体光源,高反射率极紫外层膜制备技术,面形精度达亚纳米表面粗糙度均根值小于０．３ｎｍ的非球面超光滑表面加工与检测技术,无应力光学装校与调整,缺陷密度极小的反射式掩模,适于极紫外光曝光的表面成象光刻胶技术和     

梯度折射率超材料透镜

超材料是由人工设计的、具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构,有负等效质量密度、负等效弹性模量、负折射率等特性.声子晶体超材料是一种具有周期性结构的超材料,其布拉格带隙或局域共振带隙的存在使处于禁带频率下的声波或弹性波进入声子晶体后无法在其中传播.其能带特性可以通过设计进行调节,使通带频率下的声波或弹性波进入具有特定结构的声子晶体后,实现成像、聚焦以及定向传输等对波传播的极端控制功能.梯度折射率超材料是一种折射率随空间变化而变化的结构.梯度折射率透镜由局部非均匀结构组成,其折射率是空间坐标的函数.波在透镜中会沿着弯曲的轨迹传播,可以通过适当的设计实现对波的弯曲、偏转和聚焦等功能.梯度折射率的设计可以通过改变局部晶体单元的性质实现有效折射率的梯度分布,如改变声子晶体的晶格尺寸、散射体的填充率、散射体的材料等.此外,梯度折射率超材料透镜能够通过设计在宽频率范围内精准聚焦波,从而实现能量采集等工程应用.本文从光学理论原理、透镜设计及其应用三方面展开介绍,首先对理论基础以及目前构建梯度折射率器件的几种方法进行总结,然后从透镜的应用角度介绍几种典型案例,最后对透镜的未来研究作出展望.     

超表面多维光场调控及基于机器学习的优化

作为一种亚波长二维人工微结构,超表面在更加集成化的平台上实现了新的光学现象及对光场灵活、多维的调控.与光场单维调控的超表面相比,能够实现光场多维调控的超表面在许多实际应用中都展现出明显的优势,例如光学全息成像、超分辨成像及矢量光生成等.然而,实现多维调控的超表面通常具有更复杂的设计,基于机器学习优化可以有效降低超表面的设计难度并实现更高精度的多维调控,因此受到广泛的关注.本文首先对实现多维调控的超表面进行了分类和总结,随后详细介绍了基于机器学习的新型光场调控方法.基于机器学习优化的超表面进一步增大了光场调控的自由度,有利于集成光学器件的发展.     

梯度磁场在生物大分子研究中的应用

磁场作为一种物理环境,广泛应用于各行各业.随着磁体技术的飞速发展,磁场在科学研究与实践应用中的重要性日趋凸显.在生物大分子研究方向,磁场也发挥了重要的作用.其中,梯度磁场作为磁场的一种,由于其提供的资源除磁场外,还有磁场梯度,使其具备除常规磁场效应(择优取向、晶体质量改善等)外的其他应用价值(如溶液的对流控制、晶体质量改善、分离纯化等),因此备受关注.梯度磁场环境下涉及生物大分子的研究,主要集中在生物大分子的结晶、分离与纯化,以及自组装等方向.充分利用梯度磁场,可以实现高质量的生物大分子晶体生长、高效低成本的生物大分子分离与纯化等重要应用.因此,梯度磁场在生物大分子结构解析技术、生物药物制备技术等方向具有十分重要的价值.本文将从梯度磁场物理环境对生物大分子溶液体系的基础性影响角度出发,回顾并讨论梯度磁场在生物大分子研究中的应用,并对该领域的发展前景进行了预期.     

壁虎在不同粗糙度的竖直表面的黏附

壁虎的脚掌上具有脚爪和刚毛两种附着器官,两种器官具有不同的附着机制,二者协同作用使壁虎具有在任意粗糙度的竖直墙面和天花板上自如运动与附着的能力.将壁虎脚掌上的脚爪去除后,放置在14种不同粗糙度的竖直的砂纸表面,以研究壁虎仅依靠刚毛时的附着能力.研究结果表明,仅仅依靠刚毛附着时,壁虎在各类砂纸表面的滑移速度、内收速度等存在差异性.滑移速度随着砂纸表面上颗粒直径与间距比值增大而减小,表面粗糙度并不是影响黏附性能的直接原因,其黏附性能由刚毛尖端末梢与砂纸表面的接触面积决定.研究壁虎脚掌刚毛在不同粗糙度的竖直表面的黏附性能,可以为设计基于仿壁虎刚毛黏附的爬壁机器人提供参考.     

哪些恒星有超强磁场

恒星中既有超高密度的白矮星、中子星,又有超真空状态的红巨星;既有超高温度的蓝巨星,也有温度极低的黑矮星.有的天体表面具有超强引力场,甚至连光都不能脱离它的引力场的束缚.而有些恒星表面还具有超强磁场,其磁场之强,远远超过人类目前所能制造的最强磁场的上千万倍!     

金红石相氧化物TiO_2,SnO_2和GeO_2表面氧化性对HCl气体光学气敏传感特性的影响

利用光学气敏材料吸附气体来检测气体成分及浓度,成为了大家的一个研究热点.采用基于密度泛函理论(DFT-D)体系下的第一性原理平面波超软赝势方法,研究了含氧空位金红石相TiO_2(110)表面,SnO_2(110)表面和GeO_2(110)表面吸附HCl气体后,表面结构的氧化性能、态密度、电荷分布、差分电荷密度以及光学性质,讨论吸附对光学气敏传感特性的影响.研究发现:HCl气体均易吸附于含氧空位金红石相TiO_2,SnO_2和GeO_2表面;且吸附后的稳定性为:TiO_2SnO_2GeO_2;氧化性是影响吸附能力和光学气敏传感性能的重要因素,HCl分子吸附于表面后其氧化性强弱为:TiO_2氧空位SnO_2氧空位GeO_2氧空位;从态密度和光学性质分析发现,含氧空位金红石相TiO_2(110)吸附HCl分子后,光学性质的改变最为明显,特别是对于500~700 nm的光,TiO_2具有很好的光学气敏传感效应,可作为一种较为理想的光学气敏传感材料.     

杯形砂轮磨削氮化硅陶瓷表面形貌

磨削参数对工件表面加工质量有重要影响.杯形砂轮大切深缓进给端面磨削方法是一种高效、高精度硬脆材料加工方法.本文研究了利用此加工方法加工氮化硅陶瓷材料时,磨削深度参数与加工表面形貌之间的关系.利用一种非接触式白光干涉仪对工件表面形貌进行了测量和分析,发现随着磨削深度的增大,表面粗糙度无明显变化,而表面波纹度则受到显著影响.     

流体流动场协同原理及其在减阻中的应用

为了分析流体流动过程, 降低流动阻力, 提出了流动速度与速度梯度在整个流动区域内协同的概念, 认为流体在流动过程中所受的阻力不仅受流动速度和速度梯度的影响, 同时也取决于它们之间的协同程度. 在此基础上, 提出了流体流动过程中的最小机械能耗散原理, 认为在整个流动区域内, 流动速度与速度梯度的协同程度越低, 流体流动过程中的黏性耗散越小, 流体阻力也越小. 同时, 根据最小机械能耗散原理, 在一定约束条件下对黏性耗散函数求极值, 获得了流体流动场协同方程, 求解场协同方程获得了最佳流场, 使流体在流动过程中的黏性耗散取最小值, 流动阻力最低. 最后, 以并联管路的流量分配为例, 根据最小机械能耗散原理对速度分配器进行了优化设计, 降低流体在并联管路中的流动阻力.     

螺旋波等离子体合成SiON薄膜及其特性

采用不同比例的N_2/Ar螺旋波等离子体(HWP),对Si表面进行氮化处理合成SiON薄膜.X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)结果显示,SiON薄膜主要由Si–O–N和Si–N键的两相结构组成.原子力显微镜结果表明氮化层光滑平整,薄膜表面粗糙度小于1.2 nm.水接触角的测量表明经过等离子体处理后样品表面疏水性能提高.放电过程中通过发射光谱采集了不同N_2和Ar流量比放电时的光谱数据,研究了等离子体中的粒子与SiON薄膜结构之间的关系.     

人工结构赝磁场的研究进展

作为人工规范场,赝磁场可像真实磁场一样调控电子动力学,受到了广泛的关注.对于不与磁场响应或者与磁场弱响应的经典波系统,赝磁场提供了一种调控波场的新机制,带来了许多与真实磁场可类比的物理性质,如朗道能级、类量子霍尔效应等.特别地,声学、光学等人工结构材料具有结构可调、易于制备和表征等优良特性,为赝磁场的研究提供了优秀的平台.本文将介绍人工结构赝磁场的研究进展,重点关注赝磁场的构建以及相关的物理性质.