上海科技大学物质科学与技术学院

上海科技大学物质科学与技术学院(以下简称物质学院)秉承上海科技大学“服务国家发展战略,培养创新创业人才”的办学使命,旨在启发、教育和培养物质科学领域的创新人才,并成为具备国际竞争力的原创性科研机构。物质学院围绕材料、能源、环境、健康等领域进行科研部署,旨在解决我国长远发展的核心科学问题。学院硬件设置齐全,拥有分析测试中心、电镜中心(上海市高分辨电子显微学重点实验室)、拓扑物理实验室。

小尺度物体内部多磁源反演技术

为解决对小尺度物体内部多个磁场源反演能力差的问题,提出了小尺度物体内部多磁源反演技术。利用原子磁强计采集磁源信号,基于弱磁理论反演磁源分布,引入分布源模型、高斯-赛德尔迭代算法优化求解过程,开展正反演模型验证。同时,采用点源模型去卷积操作提升磁源的空间分辨率,去卷积前系统空间分辨率约为10 mm,去卷积后小于4 mm。结果显示磁源反演的空间位置分布大致接近真实,验证了反演技术的正确性,可用于精密仪器内部磁源的识别应用。该研究开辟了部分精密仪器内部多磁源探测的新途径。

陶瓷的激光连接技术研究进展

随着材料加工的快速化、智能化、数字化的发展趋势,材料连接技术越来越受到广泛的重视,其中激光连接陶瓷技术是引人关注的重要技术之一。论述了近年来激光连接陶瓷技术的研究现状与进展,首先阐述了激光连接技术的原理和分类;其次对适合陶瓷激光连接的激光器类型和特点进行了介绍,并分析了影响激光连接陶瓷质量的关键因素;然后对基于激光连接技术的陶瓷与陶瓷之间的连接以及陶瓷与异质材料之间的连接的研究进展进行了详细的介绍,阐述了各种激光连接陶瓷方法的特点、机理和连接性能;最后对激光连接陶瓷技术进行总结,并展望其发展趋势。

陶瓷挤出成型3D打印技术研究与应用进展

增材制造技术通过逐层叠加材料的方式制造实物,能够快速成型复杂结构的陶瓷零部件。其中,挤出成型增材制造技术是该领域的重要组成部分。挤出成型由于打印过程中存在挤出力的作用,在所有增材制造方法中制备的陶瓷坯体固含量相对较高,因此后续无须进行增密处理工序。该方法可以同时满足高性能陶瓷对于复杂形状和高致密度的要求,因此在航空航天、生物医学以及电气电子等行业有着广泛的应用前景。本综述介绍了挤出成型技术在制备陶瓷材料方面的应用,阐述了该技术的基础原理和影响挤出过程的关键因素。同时,结合最新的研究成果,探讨了挤出成型陶瓷材料的性能及其在实际中的应用。文章最后分析了挤出成型技术当前面临的挑战,并对其未来的发展趋势进行了展望。

提高大学生自主学习能力的“课程报告”教学形式初探

在面向大学本科一年级学生开设的《工程化学》课程教学过程中,随机选取某高校土木工程专业一年级学生98人的班级,引入国外教育中的"课程报告"教学形式,让学生以小组为单位完成与教学主要内容相关的主题报告并作口头汇报,充分激发学生的学习兴趣、提高学生自主学习能力及拓展了学生的知识面,同时培养和锻炼了学生的小组合作能力、口头表达能力及撰写报告的能力等。

基于相干调制成像的光学检测技术

作为相干衍射成像技术的一种,相干调制成像(coherent modulation imaging,CMI)是一种无透镜相位成像技术,不同于多光斑相位恢复技术,通过引入已知的强波前调制,CMI可以实现单次曝光下对入射波前的快速重建,同时结构简单不需要参考光.除了能够用于相位成像、解决脉冲光束的在线测量问题外,本文将其用于精密光学元件(峰谷值(peak value,PV)≤0.5l,l=632.8 nm)的面型检测.为验证其测量能力,对10片口径80 mm、PV值介于0.1l和0.5l之间的石英窗口进行了重复测量,相比于商业干涉仪的测量结果,CMI算法测量结果的峰谷比值的标准偏差是0.0305l(l=632.8 nm),均方根(root-mean-square,RMS)的标准偏差为0.0052l,对于PV和RMS的测量精度可达到0.1l和0.01l,为研究其极限性能,同时对PV=l/20的平行平晶进行了对比测量,分析了其噪声来源,考虑到CMI测量算法仍有很大的改进空间,其有望成为一种区别于干涉测量的新型高精度光学元件检测技术.

同步辐射原位X射线散射技术在纳米与能源材料中的应用

同步辐射原位X射线散射技术可以实现对材料结构进行多尺度的、无损的、高时间空间分辨率的表征,动态地揭示材料微观结构在不同外界环境下的演变过程。X射线散射基础理论已经相对成熟。第三代同步辐射光源大幅提高了X射线散射技术的时空分辨率,进一步拓宽X射线散射技术的应用场景。当前同步辐射原位X射线散射技术的难点主要集中于实验装置设计和大数据处理。概述了X射线散射技术的主要分类和基本的实验方法,主要介绍了不同分类的同步辐射原位X射线散射技术在纳米材料(纳米颗粒生长和纳米颗粒自组装)与能源材料(以钙钛矿薄膜材料为代表)研究中的应用。最后结合当前国内外先进同步辐射光源的发展现状,展望了同步辐射原位X射线散射技术未来发展的方向和应用前景。

基于声发射技术的Si-Cr-Ti高温抗氧化涂层弯曲失效机理研究

本研究借助声发射技术对铌基高温抗氧化涂层在常温下的弯曲失效过程进行了研究。利用k均值聚类方法对信号进行了分类,结合截面扫描电镜观测结果确定高温抗氧化涂层在弯曲载荷下的信号分别对应基体变形、表面垂直裂纹、滑动型界面裂纹和张开型界面裂纹,通过快速傅里叶变换得到了各类信号的主频分别为100、310、590和450 kHz,借助小波分析得到了各信号的小波能量系数。涂层弯曲失效过程主要包括四个阶段,分别为受拉侧表面垂直裂纹萌生的初始损伤阶段、表面垂直裂纹增殖阶段、两侧界面裂纹快速扩展的损伤积累阶段和受压侧涂层明显剥落的宏观剥落阶段。

大学物理设计实验:李萨如图形演示装置研究

本文介绍了一种大学物理综合设计性实验,自制李萨如图形演示装置.首先理论上分析了由薄膜受迫振动形成李萨如图形的原因.实验结果表明,李萨如图形的形状和大小会随着驱动声源频率的增加做周期性的变化;最后根据测得的共振频率值计算出乳胶气球表面积扩大一倍时的等效表面张力值约为46.00 N/m,表明该装置具有一定的实际应用性.

利用飞秒受激拉曼光谱技术研究Pyranine分子激发态质子传递过程

本文利用共振增强的飞秒受激拉曼光谱技术结合瞬态吸收光谱技术研究了光致产酸剂Pyranine发色团分子在水溶液中与醋酸根离子之间的光致激发态质子传递过程.实验中观测到了Pyranine发色团在400—1700 cm^–1频率范围内去质子化状态下的激发态拉曼振动光谱.同时在920 cm^–1处也观测到了质子化醋酸根离子中激发态碳-碳单键伸缩拉曼振动信号.通过对激发态质子传递中给体和受体的动力学的分析得到了在该条件下的激发态质子传递的速率.

超短超强激光技术述要

以超短超强激光技术发展为背景,分析了从种子脉冲直接放大到啁啾脉冲放大再到光参量啁啾脉冲放大的突破过程及未来趋势。论证了种子脉冲在展宽器、放大介质、压缩器中传输后的进化过程,分步傅里叶方法通常用于该理论的数值仿真中。同时指出高损伤阈值、宽增益带宽、大口径光学元件在未来的激光装置中仍然非常重要。最后总结了激光到靶前信噪比的提升技术及其在不同实验装置上的验证,信噪比会一直随着高功率激光的发展而提升。

应用镍超微电极的电化学表面增强拉曼光谱技术研究

镍(Ni)电极在电化学中应用广泛。原位表征Ni电极表面的吸附物种有益于帮助理解电极反应历程、指导发展高效电催化剂。应用超微电极作为工作电极的电化学表面增强拉曼光谱技术结合了超微电极表面的传质特性和分子水平的高灵敏度表征,是研究Ni电化学的有力手段。本文所述的研究工作通过在金(Au)超微电极表面电吸附具有SERS活性的Au纳米粒子并恒电流沉积金属Ni薄层,制备并表征了具有SERS活性的Ni超微电极。在氢氧化钠溶液中的循环伏安实验和以4-甲基苯硫酚分子作为探针分子的SERS实验结果表明,沉积速率和沉积电量是影响超微电极表面Ni的覆盖度和SERS活性的关键因素。在吸附了直径为55 nm Au纳米粒子的、直径为10μm Au的超微电极表面,以100μA·cm^(-2)电流密度电沉积厚度约为5个原子层Ni的条件下,可获得Ni覆盖完好的、具有最强SERS活性的Ni超微电极。

合成生物学在生物材料科学中的应用及展望

生物材料的发展最早以生物惰性的工业材料为主,而后过渡到具有生物活性的材料,再发展为具备与生物体有可控生物反应的材料。未来,随着老龄化时代的来临以及精准医学的需求,生物材料的发展必然朝着动态可调控、高效多功能及仿生交互的方向发展。合成生物学以基因回路设计为核心,采用标准化元件在人造生物器件中实现可控的复杂功能,极大地推动了生命科学的发展。简要回顾了生物材料的发展,重点介绍了合成生物学在组织工程支架、可控药物输送体系、生物杂化材料及工程活体材料方面的应用,并讨论了未来合成生物学将如何更深远地影响生物材料的发展以及合成生物学在生物材料应用方面需要克服的一些挑战。

上海光源ME2-BL02B实验站近常压X射线吸收谱方法及在催化中的应用

传统的软X射线吸收谱方法只能在超高真空条件下工作,从而无法用于探测真实条件下样品的电子结构变化。而近十年来发展的原位工况条件下的软X射线吸收谱方法主要是基于荧光产额模式,而缺乏具有表面灵敏特性的电子产额模式,特别是俄歇电子产额模式,这阻碍了对表面的化学信息和电子结构变化有效的探测。为了研究真实反应状态下样品表面的化学信息,最近在上海光源ME2-BL02B实验站发展的近常压X射线吸收谱方法可以对这一问题提出解决方案。通过该实验站的近常压软X射线吸收谱装置和方法,实验站可实现原位条件下不同模式的吸收谱采集(包括全电子产额、部分电子产额和俄歇电子产额模式),从而在不同深度上描述材料的表面的动态变化。以铂-二氧化钛样品为例,给出表面灵敏的X射线吸收谱方法的优越性。研究结果表明:近常压X射线吸收谱方法可以用于表征接近真实反应环境下样品表面的化学信息变化,从而为催化、环境和能源等研究领域的用户提供强有力的原位表征手段。

低剂量电子显微表征下的出射波重构技术

原子级分辨率的成像表征对探究材料结构与性质间的联系具有重大意义。应用像差校正的高分辨电子显微成像技术(high⁃resolution transmission electron microscopy,HRTEM)可以实现亚埃尺度分辨率的图像表征,但电子束辐照敏感材料受限于辐照引起的结构损伤,无法用常规辐照剂量进行HRTEM成像表征。将出射波重构(exit wave reconstruction,EWR)技术应用于辐照敏感材料,一方面可以解决HRTEM图像中衬度反转的问题并提高图像分辨率至信息极限;另一方面,通过算法实现对信息的充分利用,适合于从低剂量数据中提取有效信息。采用低剂量EWR技术可以实现电子束敏感材料的原子级分辨率图像,为研究电子束辐照敏感材料提供更多可能性,也使针对出射波重构技术的研究具有更大的应用前景与科学意义。

静态高压下氢的金属化研究与非弹性X射线散射技术

高压下氢的研究一直是高压物理实验和理论研究的热点,这源于人们对压致金属态—金属氢的追求。氢的压致金属化归根结底是氢的电子结构变化。在压力作用下,氢的电子结构会从低压下的宽禁带绝缘体转变为高压下的窄带隙半导体,最终成为超高压下带隙闭合的金属态。然而,多年来,由于实验条件所限,一直无法对氢的宽禁带带隙和电子结构进行直接实验观测。本文将介绍氢金属化实验技术方面存在的挑战和经历的发展,以及利用新近发展的基于同步辐射非弹性X射线散射技术首次对宽禁带固态氢带隙的研究和相关技术突破,并探讨其可能的发展趋势和方向。

MBE脱氧条件与InGaAs/InP APD性能的相关性

InP基InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)对近红外光具有高敏感度,使其成为微弱信号和单光子探测的理想光电器件。然而随着先进器件结构越来越复杂,厚度尺寸从量子点到几微米不等,性能越来越受材料中晶格缺陷的影响和工艺条件的制约。采用固态源分子束外延(MBE)技术分别在As和P气氛保护下对InP衬底进行脱氧处理并外延生长晶格匹配的In_(0.53)Ga_(0.47)As薄膜和APD结构材料。实验结果表明,As脱氧在MBE材料质量方面比P脱氧具有明显的优势,可获得陡直明锐的异质结界面,降低载流子浓度,提高霍尔迁移率,延长少子寿命,并抑制器件中点缺陷或杂质缺陷引起的暗电流。因此,As脱氧可以有效提高MBE材料的质量,这项工作优化了InP衬底InGaAs/InP外延生长参数和器件制造条件。

Pb^(2+)对掺杂硼硅酸盐玻璃中CsPbBr_(3)钙钛矿量子点发光性能的影响

硼硅酸盐玻璃包覆钙钛矿CsPbBr_(3)量子点(PQDs@glass)能够大幅提高PQDs的稳定性,使其在LED照明和显示技术中拥有广泛的应用空间。然而,玻璃包覆的同时也导致了PQDs发光强度与量子产率降低。本工作为提高其发光强度探讨了热诱导温度及Pb^(2+)的含量对PQDs@glass结构的影响,当热诱导温度为460℃,Pb^(2+)浓度为6 mol时,其发光强度最高。研究发现,Pb^(2+)浓度的增加会导致玻璃网状结构的致密化,改变玻璃组分的扩散行为,影响PQDs的析晶过程,导致PQDs@glass发光强度的变化。本工作得到量子产率高达95.6%的PQDs@glass,并实现了硼硅酸盐玻璃基质内PQDs的尺寸可控制备。结果表明,PQDs尺寸分布在10 nm左右,超过86%的颗粒尺寸在6~14 nm内,且具有优越的稳定性,经历10次室温至200℃热循环后,发光强度仍能保持初始强度的98.9%。最后,为了验证其在LED照明及显示领域的应用,将制备的量子点微晶玻璃粉料与二甲基硅氧烷(PDMS)混合,得到的LED器件性能优异,色域范围覆盖110%sRGB。本研究为PQDs@glass的大规模制备及其在LED器件领域的应用奠定了基础。

基于AlGaN/GaN HEMT外差探测器的太赫兹线阵列矢量探测系统

为了研究AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(High-Electron-Mobility Transistor,HEMT)外差探测器应用于太赫兹来波方向(Direction of Arrival,DOA)估计领域的可行性及量化性能指标,基于AlGaN/GaN HEMT 243GHz外差探测器搭建了太赫兹波线阵列矢量探测系统,实现了太赫兹连续波的相位分布和来波方向的测量。该系统的核心器件为准光-波导耦合的太赫兹外差探测器线阵列组件,阵元平均噪声等效功率(Noise-Equivalent-Power,NEP)为-123.89dBm/Hz。通过测试,表明该系统相位解析稳定度优于0.6°,线阵列组件法线(阵列芯片的垂线)方向左右11°以内的太赫兹来波方向的检测误差小于0.25°。讨论了存在误差的原因及可能的解决方案,为后续基于AlGaN/GaN HEMT面阵列的太赫兹相控阵雷达及定向通信系统的研制提供了基础。

AgCl/ZnO上CH_(4)光催化部分氧化制HCHO性能研究

CH_(4)光催化部分氧化为CH_(3)OH、HCHO等产物是一种潜在的低能耗CH_(4)转化路径,该转化路径存在CH_(4)活化难度高和产物选择性低等问题,高性能催化剂的设计和制备对解决这一系列问题至关重要。使用不同Zn前驱体,通过水热法分别制备了具有块状颗粒、纳米花、纳米片和团聚纳米颗粒等不同形貌特征的ZnO-x光催化剂,发现形貌特征对ZnO-x的CH_(4)光催化部分氧化制HCHO性能(简称“CH_(4)光催化氧化性能”)有显著影响。采用CH_(4)光催化氧化性能最好的ZnO-Cl为基底,进一步制备了nAgCl/ZnO-Cl光催化剂(n为AgNO_(3)物质的量分数)。采用X射线衍射、N_(2)吸/脱附和扫描电子显微镜等对光催化剂进行了表征,并研究了nAgCl/ZnO-Cl的CH_(4)光催化氧化性能。结果表明,2.0%AgCl/ZnO-Cl表现出了最优的CH_(4)光催化氧化性能。在5 mg 2.0%AgCl/ZnO-Cl作用下,当反应条件为25℃、0.1 MPa O_(2)、2.9 MPa CH_(4)、75 mLH_(2)O、光照强度450 mW/cm^(2)和光照2 h时,含氧液相产物(CH_(3)OH+CH_(3)OOH+HCHO)总产率达到10409μmol/(g·h),含氧液相产物总选择性为91.4%,其中主产物HCHO产率为6271μmol/(g·h),HCHO选择性为60.2%。自由基捕获实验结果表明,•O_(2)^(-)和空穴是CH_(4)活化为•CH_(3)的关键,并且•O_(2)^(-)与•CH_(3)的相互作用成为了反应的主要路径,该路径得到的初级产物(CH_(3)OOH)能够较为容易的被氧化为HCHO,从而显著提升了nAgCl/ZnO-Cl的HCHO选择性。