类石墨烯材料中电子拓扑性质的研究进展

外场调控是实现高性能多功能量子器件的有效途径。本文综述单双层石墨烯、锗烯、二硫化钼等类石墨烯材料在强自旋轨道耦合、铁磁或反铁磁场、超导近邻效应等联合竞争作用下,通过调节电场、应变场以及偏振光场等产生的新奇拓扑量子效应,包括量子自旋Hall效应、量子反常Hall效应、拓扑超导效应等,并进一步深入介绍拓扑型场效应晶体管的开发和设计。根据目前拓扑性质研究和实验进展情况判断,易规模化生产的类石墨烯材料对未来高性能低功耗量子器件走向应用而言,是非常有前景的候选材料。     

相机阵列测量二维应变场的高精度分析方法

近年来,用于变形测量的数字图像相关技术以其全场、非接触、大量程等优点,在很多领域的非接触大变形测量方面发挥了重要作用.但由于其应变分辨能力受到摄像机分辨率的限制,与电测应变技术相比,数字图像相关的应变测量精度仍然很低.要使数字图像相关测量技术在应变分辨能力上有数量级的突破,依赖硬件技术的进步,将是一个漫长的期待.为此,本文提出采用相机阵列并结合图像拼接技术实现高分辨率图像采集,以提高数字图像相关测量技术的应变分辨能力,从而达到高精度二维应变场的测量.为了实现高精度的图像拼接,本文还提出了一种基于相机标定的图像拼接方法,利用相机阵列的内外参数进行图像拼接不仅可以最大限度利用相机分辨率,还可以实现重叠区域的三维重构,有效地减小离面位移对二维应变场测量的影响.     

基于二维材料的压电光电子学器件

二维(2D)材料由于原子级超薄、可调带隙和优异的光电性质,在柔性光电子学领域有着巨大的潜力.利用应变诱导的压电势或压电极化电荷可以调控二维材料界面载流子的传输和光电过程,这种将压电、半导体特性、光激发三者耦合产生的压电光电子学效应推动了新型二维材料光电器件的开发,特别是压电光电子学增强的光电探测、光电化学、气体传感和太阳能电池等方向.本文简要综述了近年来二维材料在压电光电子学领域取得的研究进展,并对这一新兴领域未来的挑战和科学突破进行了展望.     

具有自支撑结构的有机二维纳米材料研究进展

具有和石墨烯相似结构的自支撑有机二维纳米材料目前引起了科研人员的浓厚兴趣.这些二维材料具有优异的化学可剪裁性,预计未来在电子器件、有机催化和小分子分离等方面具有广泛的用途.本文首先系统地总结了常见的具有自支撑结构的有机二维纳米材料,进一步从自上而下和自下而上的两大类方法着手,介绍了目前常用的制备方法,然后对有机二维纳米材料在生物识别以及光电方面的应用进行了介绍,如生物分子识别、电子器件及荧光增强,最后讨论了目前有机二维纳米材料在制备和性质改进方面面临的问题和未来可能的重点研究方向.     

原子尺度多重序参量的协同测量与关联特性研究

朗道于1937年将物质的相变和对称性相关联,并提出了物质中的序参量的概念.随着功能材料的研发进展、"量子材料"概念的诞生,与点阵密切关联的电、磁、光等性能均可以在人为调控手段下发生变化,唤起了人们对"序参量"称呼的眷爱.当体系中同时存在多种序参量且多种序参量之间存在强烈的关联作用时,往往会催生许多新奇的物理现象.对一体系在原子尺度上的多种序参量(如点阵、电荷、自旋、轨道、拓扑)的协同测量和关联特性的研究将会有力地促进人们对新型功能材料中各种耦合作用的理解,促进这类材料的研发和应用.本文将简单介绍原子尺度序参量概念的由来,并主要以本研究组的一些工作为例,阐述如何应用和发展先进电子显微学和相关技术实现原子尺度的多种序参量协同测量和关联特性的研究.     

Ⅱ-Ⅴ族半导体纳米晶的研究进展

Ⅱ-Ⅴ族半导体是由第二副族元素(Zn,Cd)与第五主族元素(N,P,As等)形成的化合物.Ⅱ-Ⅴ半导体纳米晶(亦称量子点)具有禁带窄、Bohr半径大、电子有效质量小、通过改变量子点尺寸,能够实现宽波段发光,较Ⅱ-Ⅵ材料,其具有更多的共价键成分,性质稳定等优点,是应用于太阳能电池、生物标记及LED的理想材料.本文综述了近年来在Ⅱ-Ⅴ半导体纳米晶的研究中取得的进展,侧重介绍量子点的合成、表征、吸收光谱、光致发光谱及荧光寿命测定等领域内的最新成果,并对其发展方向进行了展望.     

材料动态性能对高速切削切屑形成的影响规律

高速切削作为一门先进制造技术已经在工业生产中得到日益广泛的应用,对高速切削过程切屑形成机理的研究有助于进一步发挥高速切削技术的优势和促进高速加工装备的发展,同时可指导优化切削参数、控制切屑形态以改善加工表面质量.高速切削切屑形态变化是工件材料在不同切削载荷下表现出的动态力学性能差异所致.弄清楚高应变率下材料动态力学性能有利于揭示高速切削切屑变形与失效机理,同时高速切削实验的合理设计与应用可以成为材料在高应变率下动态力学性能的新型测试手段.本文以高速切削过程工件材料动态性能变化对切屑形成的影响为主线,结合我们在高速切削切屑形成机理方面多年的研究成果,对高速切削过程中工件材料的强度、塑脆性和微观组织变化等方面进行了综述分析.阐明了高速切削条件下碎断切屑形成的力学条件,指出了传统切削理论在应力状态对切屑变形和失效的影响机理、切屑微观组织演化等方面研究存在的不足,最后对未来的超高速切削切屑形成机理研究进行了展望.     

基于室温单自旋磁共振技术的量子精密测量

实现深及单个量子系统的测量技术,能够揭示出在传统宏观测量中被系综统计所平均掉的独特的个体信息.金刚石中的氮–空位色心(NV色心)在室温下具有超长的相干时间,并可以通过光探测磁共振的方式进行单量子体系的操控和读出,已经成为实现量子精密测量和量子信息处理的重要平台.尤其在测磁学方面,朝向单分子成像的研究正在全力进行.本文回顾了基于NV色心的量子精密测量研究,介绍了其在测量磁场、电场、力学系统、温度等方面的相关进展,讨论了本领域今后可能的发展方向.     

二维层状空旷结构材料的研究与展望

本文系统介绍了二维层状空旷结构材料的制备、插层过程机制、应用研究方面取得的进展,并对今后本领域研究工作进行了展望。     

非规则颗粒形态表征与离散元模拟方法研究

颗粒物质在自然界和人类生产与生活中广泛存在,对于非规则颗粒,其宏观物理力学特性与几何形态密切相关.本文以本课题组和合作者的相关研究为基础,介绍了非规则颗粒几何形态的获取、重构、评价、随机生成以及离散元模拟方法等方面的研究进展.总结了非规则颗粒形态不同获取方法的优缺点;将颗粒二维形态和三维形态分别划分为星形和非星形两种类型,介绍了各类型几何形态的计算几何重构方法;系统总结了非规则颗粒不同层次形态评价指标的定义,及基于计算几何的指标计算方法;介绍了基于逆蒙特卡罗法的二维星形与三维星形随机颗粒生成方法,以及可考虑一阶系数固有关系和其他阶系数经验相关性的二维非星形与三维非星形虚拟颗粒生成方法;对于非规则颗粒的离散元模拟方法,重点总结了颗粒几何形态表示、颗粒接触判断与颗粒接触力计算方法等核心问题的研究进展.     

标度效应代数上的理想拓扑型收敛定理

著名的Abel拓扑群上的Antosik-Mikusinski收敛定理在测度论、求和理论等分析领域有广泛应用. 在赋有理想拓扑的一类效应代数上建立了这个定理.结果也说明, 理想拓扑是研究量子逻辑的一个有用拓扑.     

基于偶应力理论涂层半平面的二维滑动摩擦接触分析

本文基于偶应力理论,研究了平面应变状态下刚性压头与均匀涂层半平面之间的二维滑动摩擦接触问题.该理论通过引入材料特征长度来描述微结构材料的尺寸效应.采用傅里叶积分变换方法将此尺寸依赖的接触问题转化为第二类Cauchy奇异积分方程.然后,通过数值求解该类方程来确定涂层表面法向应力和面内应力的分布.详细讨论了尺度参数、剪切模量比和摩擦系数对表面法向接触应力和面内应力的影响.结果表明基于偶应力理论得到的接触应力明显偏离基于经典弹性理论预测的结果,而且表现出对材料特征长度的强烈依赖性.     

硅基光电子学研究进展与趋势

近年来硅基光电子材料和器件受到高度的重视.利用外延生长和键合技术成功研制出硅基应变赝衬底、GexSi1-x/Si量子阱、高密度锗量子点、硅基InGaAsP/Si异质结,这些进展为硅基光电子器件提供了坚实的材料基础.同CMOS工艺相结合,实现了硅量子点1.17 μm的受激发射,研制出硅基Raman激光器、1.55 μm混合型激光器、高灵敏度的Si/Ge探测器、谐振腔增强型的SiGe光电二极管、调制频率30 GHz的SOI CMOS光学调制器和16×16的SOI光开关阵列等.硅光电子学将在光通信、光计算等领域获得重要应用.本文综述了国内外硅基光电子材料和器件的进展、我们的研究结果和硅基光电子学的发展趋势.     

Science China Technological Sciences 2023年66卷第12期中文摘要

<正>电催化材料的再功能化设计思考张丹彤,彭超,薛冬峰电催化材料是新能源经济发展中的关键瓶颈.拓扑材料、磁性材料和稀土材料是电催化领域的新兴材料,已经被广泛应用于氮气还原、二氧化碳还原和水分解等领域.拓扑材料具有特殊的能带结构和几何结构,表界面差异性电荷输运结构也可以衍生出拓扑绝缘体、拓扑超导体和狄拉克金属等材料.磁性材料具有特殊的电子自旋劈裂式构型,不同自旋强度对中间体平衡吸附能力产生不同影响,且在外加交变电场、热场和磁场下,催化性能表现出明显差异.稀土材料具有独特的f电子巡游特性、宽泛的原子半径和独特的f轨道构型,通常在氧还原反应中具有明显优势.这些新材料在电催化领域的再功能化有望成为下一代新兴能源材料的引领者.     

声子晶体中多频带谷选择性角态

声学拓扑绝缘体具有拓扑保护、背散射及缺陷免疫的非传统声学边界态,为实现声波按需精细调控提供了一种有效的方法,其中二维高阶拓扑绝缘体中共同存在零维角态和一维边界态,使其拥有在多个维度上操纵波能量的能力,进一步增强了波调控的灵活度,引起广泛关注.本文提出了一种能够在多频带范围实现高阶拓扑态的C₃对称性元胞结构,其通过旋转散射体角度激活不同谷选择性角态.这种具有开关特性的角态可以根据需求进行声波场能量局域化调控,在实际运用中具有重要意义.相对于传统的单频带高阶拓扑绝缘体,本文所设计的元胞结构能够在基频带隙和二阶高频带隙中同时实现边界态的波导调控和角态的选择性激发,并具有优秀的缺陷免疫鲁棒性.该高阶拓扑绝缘体的多频带特性将有利于拓展传统单频带器件的工作频率范围和带宽,同时角态的谷选择性激发特点可推动声学拓扑绝缘体在多波段声波能量捕获、检测和采集声学器件中的应用.     

基于有限元方法的圆简直线感应电机变化气隙场瞬态特性分析

本文将电机的三维场问题转化为二维场问题,运用有限元法对圆筒直线感应电动机的二维电磁场进行了数值计算。在此理论分析的基础上,采用电磁场分析的专用软件AnsoflMaxwell2D对样机的瞬态特性进行仿真分析,得到电机运行过程中某一时刻的磁感应强度分布、磁力线、电流密度及气隙磁密等曲线;并在加额定电压条件下,研究了不同气隙下电机磁场及力特性的变化,将分析结果用来指导直线感应电机的理论研究以及本体和其控制系统的设计。     

基于有限元方法的圆筒直线感应电机变化气隙场瞬态特性分析

本文将电机的三维场问题转化为二维场问题,运用有限元法对圆筒直线感应电动机的二维电磁场进行了数值计算。在此理论分析的基础上,采用电磁场分析的专用软件Ansoft Maxwell 2D对样机的瞬态特性进行仿真分析,得到电机运行过程中某一时刻的磁感应强度分布、磁力线、电流密度及气隙磁密等曲线;并在加额定电压条件下,研究了不同气隙下电机磁场及力特性的变化,将分析结果用来指导直线感应电机的理论研究以及本体和其控制系统的设计。     

热释电光电子学效应

光探测器作为一种将光能转换为电能的电子器件,在军事医疗、遥感通信等方面被广泛地应用.当半导体材料中同时产生光电和热释电时,器件的输出电流及光照时的光响应度,探测率等性能有明显的提升.因此,基于热释电-光伏-半导体三者协同耦合产生的热释电光电子学效应被作为提升光电器件性能的一种有效手段,被应用在多个领域.当器件被光照射时,光感应产生的热释电势对器件接触界面的内建电场进行调制,从而改变载流子的传输过程,而不同类型的材料与半导体接触时形成的内建电场和热释电电势各不相同,因此产生的热释电光电子学效应也存在差异.本文首先介绍了热释电光电子学效应的原理,然后研究了不同类型的材料与半导体接触时产生的热释电光电子学效应对器件电学性能的影响,具体包括半导体与半导体、半导体与金属、半导体与有机物以及半导体与氧化物接触;此外,对提升热释电光电子学效应的方法进行了介绍,包括压电-热释电-光电、铁电-热释电-光电等多物理场协同作用,以及对材料进行掺杂等方法;最后对热释电光电子学效应面临的挑战及在未来的发展作了进一步的展望.     

基于弹性力学的超构材料

近年来以微结构为基本构造单元的人工超构材料,由于具有自然材料所不具备的可设计的奇异物性,在材料学、声学、光学、电磁学以及信息能源等领域具有巨大的发展潜力.超构材料的研究脱胎于电磁超构材料,但是近年来在声学、热学、静电、静磁学以及弹性力学领域取得了飞跃的发展,大大拓展了超构材料的研究领域.借助Milton图重点阐述了基于弹性力学的新型超构材料的超常特性及其主要类别：例如具有负的质量密度和负弹性模量的声学超构材料,具有负泊松比的拉胀超构材料,具有剪切模量G=0的反胀超构材料,以及高强度的超轻材料等新奇的人工超构材料.不仅如此,还结合变换力学着重描述了声波和弹性波在这类弹性力学超构材料中的传播特性,以及详细阐述了负弹性参数超构材料界面的声表面波的特征及其物理效应.最后结合弹性力学超构材料在我国的研究现状,对利用弹性力学超构材料和声波超构材料操纵弹性波和声波的传播以及开发设计新型弹性力学超构材料等问题作了总结与展望,希望推进此类材料在诸多研究领域的应用.     

多频原子力探针显微技术

不断提高空间分辨率、数据采集速度以及实现材料性质的成像,一直以来就是原子力显微术的发展目标.目前,最可能实现这一目标的手段是近些年发展的多频原子力显微术.多频原子力显微术,即利用多频率激励和/或多频率探测微悬臂的振动信号来研究样品纳米物性的一大类AFM技术.它可以实现针尖与样品间作用非线性信息的提取,在组分探测灵敏度、时间和空间成像分辨率等方面展现了巨大的优势.文中综述了多频原子力显微术所包含的不同实现方法的基本原理,并介绍了它们在高分辨成像、纳米力学、材料、生物等方面的前沿应用实例.此外,为探索多频原子力显微术,我们提出了一种特殊的高次谐振型石英音叉微悬臂模型.最后,文章展望了多频原子力显微术的下一步技术发展和应用研究.