摩擦伏特效应

摩擦起电是一个普遍存在的现象,几乎发生在任何材料界面,其中半导体之间的摩擦起电具有独特的性质.当p型半导体在n型半导体表面摩擦时,两个材料界面在机械滑动的作用下发生化学键的断裂以及新化学键的生成,释放能量(简称键合子“bindington”)并激发半导体界面电子-空穴对.摩擦激发的电子-空穴对在p-n结处的内建电场作用下分离并产生直流电,这个过程与光伏效应类似,因此该现象被命名为摩擦伏特效应.摩擦伏特效应与光伏效应唯一的不同是摩擦伏特效应中电子-空穴对是由界面原子瞬时结合成键而释放的能量所激发,而光伏效应是由光所激发.本文回顾了近年来摩擦伏特效应研究的相关进展,总结了基于摩擦伏特效应的摩擦伏特发电机技术及其潜在应用.摩擦伏特效应作为半导体界面接触起电中重要的一环,对其研究不仅有助于深入了解接触起电的机理,还有望推动摩擦纳米发电机、半导体等研究领域的发展.     

多相间跨原子光谱学与接触电致催化学

接触起电(contact electrification, CE)或摩擦起电(triboelectrification)是两种材料之间通过物理接触产生电荷的现象.本文将介绍基于接触起电过程中电子转移原理的两个新兴领域——接触起电诱导的界面光谱学(contact electrification induced interface spectroscopy, CEIIS)和接触电致催化学(contact-electro-catalysis, CEC). CEIIS是两种材料在接触起电过程中所产生的特征辐射.这种特征光谱传递了有关界面上能量结构的大量信息,开启了一种与界面接触起电相对应的光谱学.接触电致催化学(CEC)是利用机械振动,在接触起电过程中惰性介质之间产生电子转移,从而直接发生催化反应,而无需使用常规催化剂.这种新的催化原理不仅扩大了催化材料的选择范围,而且开创了一个新的催化领域.     

液体-固体接触中界面电子转移的过程与EDL结构的两步走机理模型

液体-固体(L-S)界面科学是化学、催化、能源甚至生物学中最重要的表面科学, L-S界面双电层(EDL)的形成是由于在固体表面吸附了一层电荷,使液体中的离子重新分布.虽然人们总是假设固体表面最初便存在一层离子电荷,但这层电荷的起源与属性却没有得到广泛的探索,而最近的研究表明,在L-S界面电荷层形成的初始阶段,电子传递起着主导作用.本文综述了近年来在液体-固体接触起电中,包括液体-绝缘体、液体-半导体和液体-金属的电子传递方面的研究进展.考虑到L-S界面上电子传递的存在,重新讨论了EDL的形成,并展望了液液接触起电的模型.     

汽车制动过程中摩擦层结构的发展及其对摩擦性能的影响

汽车制动过程中摩擦材料和摩擦盘表面形成摩擦层,摩擦层的组成和结构与摩擦材料的本体组成和结构不同.摩擦层结构的生成与破坏过程即摩擦层结构的发展是理解摩擦材料组成和摩擦性能关系的桥梁.本文综述了汽车制动过程中摩擦层形成的两种主要机理：磨屑聚集和物质选择性转移,分析了这两种机理在摩擦材料表面形成摩擦层结构生成与破坏的发展过程,讨论了摩擦层结构发展对摩擦系数和磨损率的影响.     

组合摩擦材料研究

由于国内外摩擦材料的研究仍处于经验阶段，我们提出组合摩擦材料的概念并进行了组合摩擦材料研究，旨在解决摩擦材料配方研究中存在的三个问题：如何选择原材料，如何匹配原材料含量和摩擦材料性能优化。组合摩擦材料研究包括用组合方法筛选和评价原材料和用黄金分割法优化摩擦材料配方是解决经验地尝试法研究摩擦材料配方的一个有效途径。用组合方法筛选和评价原材料，通过组合路线考察原材料间的相互作用，寻找具有协同效应的原材料组合规律，可以合理选择原材料和合理设计摩擦材料配方。用黄金分割法可以优化摩擦材料性能。通过组合摩擦材料研究可以实现摩擦材料的研究从经验走向科学。两个实例证明了组合摩擦材料研究的可行性。     

摩擦电子学及主动式机械感知

摩擦电子学作为摩擦电与半导体耦合的新研究领域,可以通过机械运动产生的摩擦电荷调控半导体中的电传输与转化特性,建立外界环境与半导体器件的直接交互机制,实现各种主动式功能器件,为人机交互、微纳机电系统、传感和自驱动系统等应用提供全新的思路和途径.本文系统地综述了摩擦电子学的研究进展,首先介绍了摩擦电调控场效应作用机理以及摩擦电子学晶体管基础器件;其次介绍了研制的各种摩擦电子学功能器件,展示了其对于外部环境的主动式机械感知;最后对摩擦电子学领域的研究进展及待解决的问题的进行了总结,并展望了该领域未来的发展方向.     

CdZnTe半导体探测器X射线能谱响应特性分析

CdZnTe是一种性能优异的高能射线探测材料,在空间科学、核安全以及核医学等众多领域有广泛的应用前景.本文选取了3枚不同等级的CdZnTe探测器,在详细阐述了CdZnTe探测器工作原理的基础上,对比分析了他们的能谱响应曲线和载流子输运特性的关系.重点分析了CdZnTe探测器能量分辨率、电荷收集效率和峰谷比等关键指标参数与CdZnTe晶体中电子和空穴的迁移率和寿命积以及载流子的去俘获效应的相关关联,分析表明载流子的迁移率和寿命积是影响探测器电荷收集效率决定因素,而当电荷收集效率〈90%时,电荷收集不完全对探测器的能量分辨率有较大影响,而载流子在陷阱中的去俘获时间对探测器信号的本底噪音和极化效应有较大影响.建立了一个通过简单平面探测器能谱响应曲线反映CdZnTe晶体载流子输运特性的方法,为CdZnTe探测器和晶体质量的评价和筛选提供了基础.     

压电电子学及其仿生智能传感

在低维压电半导体材料(比如ZnO和GaN)中,压电极化和半导体电子传输特性的耦合可以给器件带来预想不到的性能.这大大提高了研究人员对压电电子学这一新兴领域的兴趣.另外低维压电半导体材料拥有优异的机械特性,可以被集成到能够应对巨大应力的柔性器件中,外部的机械刺激为柔性器件运行中的电荷-载流子传输,载流子的产生、复合以及分离提供了新的调制方法.本综述回顾了压电电子学的基础理论,不同维度材料体系中的压电电子学,压电电子学晶体管的分类,及广义压电电子学晶体管的应用方面的最新研究进展,并对将来的研究方向进行了深入讨论.     

密实及稀疏泥石流的流动性控制因素

泥石流是山区常见的地质灾害之一,固-液两相协同作用使泥石流明显区别于崩塌碎屑流、洪水等其他地质流体.由于泥石流固-液两相相互作用的复杂性,现阶段泥石流流动性研究主要集中在密实泥石流(体积固相浓度～0.6,也称为黏性泥石流).然而,对密实泥石流向稀疏泥石流转变(体积固相浓度0.6～0.4)中的物理过程研究较少.本研究以体积固相浓度和液相黏度为变量,通过一系列泥石流水槽实验对应力状态和孔隙水压的精准测量,探究体积固相浓度的变化对孔隙水压及泥石流流动性的影响,揭示密实泥石流及稀疏泥石流的流动机理.实验结果表明,泥石流的高流动性与液化程度密切相关.在密实泥石流向稀疏泥石流的转变过程中,固相颗粒从剪胀状态过渡到剪缩状态,孔隙水压上升导致泥石流液化,流动性激增.剪应力的计算值和实测值对比表明,密实泥石流的剪切阻力由颗粒间摩擦主导,而稀疏泥石流的剪切阻力则部分来源于液相黏性,因此表征密实流体剪切阻力的流变关系不足以完全描述稀疏流体的流变行为,充分考虑颗粒间相互作用(摩擦、碰撞)和液相黏性的模型有助于揭示稀疏泥石流的流动机理,这一点有待进一步研究.     

粗糙圆柱水平入水的界面流动分离特性试验研究

针对具有微米级颗粒的粗糙圆柱水平入水开展试验研究,通过以高速摄影为工具的流动显示技术研究了粗糙圆柱以不同初速度入水后,水与圆柱表面的界面流动发生的几何形态、运动的变化,对流动分离位置进行了较准确的测量.研究表明,粗糙表面会导致圆柱入水时气-固-液三相接触线出现锯齿形失稳,接触线速度明显降低,液面更容易与圆柱表面分离.其次,对液面分离的影响因素开展研究,发现随着表面颗粒尺寸减小和单位面积的颗粒数目增加,分离角呈现先增大后减小再增加的变化规律;随着入水速度的增加,分离角度减小,界面流动更容易发生分离.最后,通过对不同粗糙表面静态及动态接触角的测量,对粗糙表面动态接触角滞后特性与入水界面流动分离的相关性问题开展了研究.     

固体火箭发动机点火瞬间流固耦合综述

流固耦合是流体力学与固体力学交叉而产生的一门新兴力学分支,它主要研究固体在流场作用下的各种力学行为以及固体变形或运动与流场的相互作用规律．20世纪90年代,美国“大力神4”助推发动机首发试验失败后,固体火箭发动机点火过程中的流固耦合现象逐渐被研究人员所认识,并在实际应用中迅速发展．本文针对流固耦合在固体火箭发动机上的应用进行了归纳和总结,分别从点火燃气流动、药柱变形和实验研究三个方面综述了国内外的发展现状与趋势．以此为基础,初步探讨了我国开展固体发动机点火瞬间流固耦合研究的方法,为固体发动机装药设计提供了一定参考．     

无机固体发光材料的合成及其相关理论研究

无机固体发光材料是功能材料的一个重要分支,在工农业生产、军事、消防和人们生活的许多方面得到广泛应用.本文主要结合本课题组近年来在三维等离子平板显示用真空紫外发光材料、长余辉发光材料及白光LED用发光材料等方向的研究工作,从发光材料的设计、制备、结构表征、性能分析以及发光机理等方面,对其研究进展进行综述,并对今后的发展进行展望.     

淡水龙虾螯的结构及力学性能的研究

本文用X射线衍射仪、场发射电子显微镜和能谱仪分别分析和观察了龙虾螯的微观结构和成份,并用纳米压痕仪和UMT-2摩擦磨损实验机测量了龙虾螯的硬度和摩擦学特性.结果表明：龙虾螯含有Ca,Mg,C,O和Na等元素,以非晶的矿物质相存在.在螯的表面存在微小凹坑和半圆微凸起,在凹坑内和微凸起周围有刚毛,刚毛上有小刺,呈非光滑表面.螯被分为上表皮、外表皮和内表皮,其外表皮层和内表皮层是由螺旋夹板层构成.螯的表面硬度和弹性模量分别为0.27和5.28 GPa.随着横截面距离的增大,龙虾螯的硬度和弹性模量逐渐降低,存在明显的力学性能梯度.当热处理温度低于200°C时,螯的硬度和弹性模量变化不大,随后逐渐增加.在水润滑条件下,螯/氮化硅摩擦副的摩擦因数大于其干摩擦下的摩擦因数.该研究为抗压复合材料和抗摩表面的设计提供仿生学依据.     

细水雾作用下固体池火熄灭时间的实验研究

利用三维激光粒子动态分析仪测量距离细水雾喷嘴不同位置的雾场特性(雾滴速度、雾滴粒径), 选择东北红松和PMMA作为固体燃料研究了细水雾与固体池火的相互作用过程, 重点考察燃料特性、细水雾施加流量以及喷嘴距离燃料试样表面的高度对熄灭时间的影响. 结果表明, 随着细水雾流量的增加, 灭火时间均下降, 在同一个流量条件下PMMA的灭火时间比松木长. 在小流量的情况下, 喷嘴离燃烧试样表面越远, 灭火时间越短. 固体池火的熄灭主要由于燃料表面的冷却.     

基于神经网络的固体推进剂专家系统研究

固体推进剂研究对航天工业及武器研制具有重要的战略意义.鉴于其研制手段多以实验为主和分析软件智能化程度不高等因素,提出了基于神经网络的固体推进剂专家系统"SPES".神经网络可以较好的映射固体推进剂组成、结构及性能之间的复杂关系,因此SPES是基于材料设计思想和配方实例的高精度配方设计及性能预示软件.文中详细阐述了系统设计思想、总体结构、系统功能、关键技术及应用示例等方面.最后对SPES实现固体推进剂领域自动化和智能化给予了展望.     

硅单晶上类金刚石薄膜织构和外延取向与界面价电子结构的关系

金刚石和立方氮化硼薄膜由于其优异的性能已经获得了实际应用. 该类薄膜的特定取向对其在光学和微电子学领域的应用有特殊意义. 用固体与分子经验电子理论(EET)计算了衬底硅不同晶面与金刚石和立方氮化硼薄膜不同晶面的相对电子密度差, 从计算结果分析认为, 对所研究的薄膜, 薄膜与基底界面的电子密度差越小, 薄膜在热力学上越稳定, 界面的电子密度差是决定薄膜织构或外延取向的本质原因. 这些推断与实验事实符合得很好. 该计算方法和理论不仅为探讨金刚石和立方氮化硼在硅单晶表面上的薄膜生长机制提供了一个新视角, 还可能为其他薄膜取向的预测提供指导.     

固-液相变强化传热物理机制及影响因素分析

固-液相变过程具有等温或近似等温、相变潜热较大和相变前后材料体积变化较小的特点. 相变材料与热(冷)表面接触, 发生融化(凝固), 可明显强化表面换热. 以一维相变平板在第一类边界条件下的导热为例, 从有内热源的稳态导热与固-液相变传热的相似性出发, 揭示了固-液相变强化传热的物理机制, 提出了分别以稳态和瞬态传热速率为参照的相变传热表面换热强化度的概念, 并推导出相应解析表达式, 讨论了相变过程中影响强化换热的因素及其影响效果.     

新型HfO2栅介质中的频散效应及参数提取方法

本文研究了原子层化学气相淀积ALCVD(atom layer chemical vapor deposition)方法淀积的HfO2/SiO2/p-SiMOS电容的电特性.高频时,积累电容出现了频率色散现象.针对双频C-V法测量超薄HfO2/SiO2堆栈栅MOS电容中制备工艺和测量设备引入的寄生效应,给出了改进的等效电路模型,消除了频率色散.研究发现,高k介质中存在的缺陷和SiO2/Si处的界面态,使高频C-V特性发生漂移.对禁带中界面态的分布进行归纳,得到C-V曲线形变的规律.研究了形变的C-V曲线与理想C-V特性的偏离,给出了界面态电荷密度的分布,得到了相对于实测C-V曲线的矫正线.通过比较理想C-V曲线和矫正线,提取了平带电压、栅氧化层电荷、SiO2/Si界面的界面态密度等典型的电学参数.     

基于摩擦纳米发电机的电刺激方式对Ag/ZnO纳米线抗菌性能的影响

本文基于摩擦纳米发电机构建了电场刺激式和电流刺激式两种Ag/ZnO纳米线抗菌系统来探究不同电刺激方式对抗菌性能的影响.采用摩擦纳米发电机为该抗菌系统供电,摩擦纳米发电机能够将生物体运动的机械能转变为电能,采用大肠杆菌为杀菌对象.实验结果发现,电刺激能够显著增强该体系的杀菌效率,最高可将杀菌率提高51.71％(P＜0.0...     

反应合成Ag(111)/SnO2(200)复合材料界面结构的DFT研究

根据 HTEM 原位观察的 Ag/SnO₂ 电接触材料的两相界面结构, 建立了 Ag(111)/ SnO₂(200)界面结构模型. 原子驰豫位移的计算结果显示, 驰豫引起界面原子严重错排, 破坏了点阵周期性排列. 界面区的O与Ag原子为达到稳定结构而彼此有靠近的趋势, 界面的结构驰豫是材料系统降低能量的一种方式. 界面附近态密度表明界面对材料的导电性有很大影响, 界面 O 原子的存在引起了材料导电性下降. 界面区域电子云和布居分析表明, 在Ag/SnO₂界面结构中未形成 AgxOy 化合物, 且界面会导致电荷分布不均匀, 在整个材料系统内形成微电场, 影响电子传输和材料的导电性. 计算显示 Ag(111)/SnO₂(200)界面结合较强, 界面结合能约为−3.50 J/m².