硅光电倍增管(SiPM)适配电路设计

硅光电倍增管(Si PM)是一种新型的光电探测器件,具有增益高、灵敏度高、偏置电压低、对磁场不敏感、结构紧凑等特点。研究并设计了硅光电倍增管(Si PM)的适配电路,包括电源电路及跨阻放大电路。应用仿真软件对设计的电路进行仿真,并对电路的结构参数进行了优化。最后,制作了适配电路。测试结果表明,该适配电路对频率100 k Hz的光信号有较好的输出响应,输出幅值达到伏级,满足设计要求。

硅对镉胁迫下水稻幼苗体内镉分布规律的研究

采用溶液培养,研究不同浓度(0、30、80、130、180mg/L)的SiO2在4.0mg/LCdCl2浓度胁迫下对水稻幼苗体内镉(Cd)的分布规律。结果表明,在Cd胁迫下Si降低了水稻幼苗根、茎、叶、鞘、共质体和质外体Cd含量,其分布规律为:根>茎叶>茎鞘>叶片,呈现出末端分布规律。说明Si促使大量的Cd累积在根中,根是Cd累积的主要部位,而茎、叶中Cd累积量较少。可见,Si可抑制水稻体内Cd由地下部分向地上部分运输,且能抑制地上部分Cd向叶片运输,并能减少Cd进入共质体。

硅对镉胁迫下水稻幼苗培养液指标及其生物量的影响

通过溶液培养,研究不同浓度Si(0、30、80、130、180mg·L-1SiO2)在4.0mg·L-1Cd2+浓度胁迫下对水稻幼苗培养液中的Si、Cd含量、pH值及其下降值、根系细胞K+外流量和根、茎叶干重的影响。结果表明,大量的Si可通过在水稻体外(培养液中)与Cd相结合,形成了Si-Cd络合物,从而束缚了Cd的活性,使培养液中有效Cd含量明显下降,降低了Cd对水稻幼苗的毒性,最终抑制水稻对培养液中镉的吸收。此外,随着培养液中SiO2浓度的加入,根系细胞K+外流量极显著(P<0.01)降低,培养液中的pH值下降,说明Si可以减轻Cd对水稻根系细胞质膜的伤害,使细胞质膜透性下降,从而保护了水稻细胞膜不受Cd的破坏,进而增加了水稻幼苗根、茎、叶的生物量。

硅对镉胁迫下水稻幼苗茎叶元素含量的影响

通过溶液培养,研究不同浓度的Si(0、30、80、130、180 mg/L SiO2)对Cd(4 mg/L Cd2+)胁迫下水稻(Oryza sativa L.)幼苗茎叶体内部分元素含量的影响。结果表明,Cd胁迫下水稻幼苗茎叶Mg、Cu、Zn、Fe含量明显下降,加入Si后水稻幼苗茎叶Mg、Cu、Zn、Fe含量明显上升。可见,Si可通过促进水稻幼苗对Mg、Cu、Zn、Fe的吸收来提高光合作用产物,达到缓解Cd对水稻幼苗茎叶的毒害。尤其是SiO2浓度为130 mg/L时,可更好地提高Mg、Cu、Zn、Fe含量,说明该SiO2浓度可能是缓解水稻幼苗生长的理想浓度。

高能球磨制备硅/人造石墨复合材料

以硅粉（Si）和人造石墨（AG）为原料，通过高能球磨制备了锂离子电池用Si／AG复合材料。SEM、XRD和充放电测试结果表明：复合材料呈嵌入型，硅含量越多，粘连在石墨表面的硅颗粒相应增多，复合效果越差；球磨基本上未破坏硅和石墨的结构。硅含量在5％～40％时，复合材料的脱锂比容量随着硅含量的增加先增大、后降低；电流为0．2C，、电压为0．001～2．000V时，复合材料的首次脱锂比容量为528—1700mAh／g，库仑效率为70％～80％；循环10次后，复合材料循环性能基本稳定，第40次循环的可逆比容量为309—567mAh／g。

湖南下寒武统黑色页岩风化释Si的机制与潜力

岩石风化释Si的机制和潜力是Si全球生物地球化学循环研究的重要问题。在湖南安化、洞口、桃江和望城等地采集了下寒武统黑色页岩样品,并选取了麻田(MT)、桃花江(TH)和廖家坪(LJ)等3条风化剖面,运用R型聚类分析和质量平衡计算等方法,研究了黑色页岩风化释Si的机制与潜力。结果表明,湖南下寒武统黑色页岩SiO2含量平均63.4%,略高于上陆壳(62.6%)。MT剖面中Si的释放、淀积行为与磷酸盐矿物和含铁矿物(或铁氢氧化物等)的溶解、沉淀有关,LJ剖面Si的释放、淀积行为与含K硅酸盐矿物和有机质的溶解、沉淀有关。TH剖面Si表现出的强淋溶行为,则与上述组分的关系不显著。湖南地区每风化1 kg下寒武统黑色页岩至少可释放12 g^252 g活动态Si,风化释Si的潜力巨大。

营养盐比例对硅藻水华优势种小环藻生长和生理的影响

近年来,一些淡水水体如河流、水库等暴发了以小环藻为优势种的硅藻水华,对水生态系统健康产生了不利影响.为探究不同营养盐水平下营养盐结构对小环藻生长的影响作用,研究了不同N P(N与P质量浓度之比,下同)、Si P、Si N下小环藻培养物的藻细胞密度、叶绿素a浓度以及叶绿素荧光参数的变化.结果表明:在试验所设定的营养盐浓度范围内,随着N P、Si N的升高,小环藻的藻细胞密度和叶绿素a浓度显著增加,在N P为30、Si N为5.0的环境中有较好的生长潜力.小环藻在磷浓度低于0.10 mg L的水体中,生长潜能与Si P呈正相关,最适Si P为100;在磷浓度为0.30 mg L条件下,最适Si P为50.综合对比分析,水体Si P对小环藻生长的影响最为显著.在保持水体营养盐比例不变的条件下,营养盐浓度的变化对小环藻生长亦有明显的影响.当水体氮浓度高于6.0 mg L、磷浓度高于0.10 mg L时,硅是小环藻的主要限制元素,其最适浓度为15 mg L.此外,在初始磷浓度为0.03 mg L,氮浓度低于0.6 mg L、硅浓度低于1.5 mg L时,小环藻生长较为缓慢,光合活性低,因此,若实际水体营养盐浓度低于此水平,将能有效控制硅藻水华的暴发.研究显示,小环藻生长最适N P为30、Si N为5.0;最适Si P与初始磷浓度有关,在磷浓度低于0.10 mg L时,最适Si P为100;磷浓度为0.30 mg L时,最适Si P为50.总体而言,小环藻生长受Si P的影响最为明显.

富硅稻壳灰对水稻吸收砷的调控作用

通过向土壤中添加富硅稻壳灰提高土壤溶液中Si浓度可以有效抑制水稻对As的吸收.为了探索富硅稻壳灰对水稻吸收As的内在调控机理,于2020年在湖南省永州市道县开展了大田试验.结果表明:富硅稻壳灰的添加使土壤孔隙水中Si浓度较对照组显著增加了866.0%,这为水稻生长提供了充足的Si,使Si在与As的竞争吸收中占据主导作用,同时富硅稻壳灰促进了土壤铁氧化物的沉淀,使孔隙水中As浓度下降了20.3%,这一过程中由于铁氧化物的还原溶解而释放的As重新被固持.水稻根系铁膜的形成对As的截留作用是抑制As向地上部转运的关键,富硅稻壳灰通过促进通气组织的形成来增加根系氧化能力,使水稻根表铁膜铁浓度(DCB-Fe)较对照组增加了47.3%,使根表铁膜As浓度(DCB-As)较对照组增加了41.0%.富硅稻壳灰为水稻生长供应的足量Si,通过下调水稻根系中Si转运蛋白Lsi1和Lsi2的表达,从而限制了水稻根系对As(Ⅲ)的吸收,结果显示富硅稻壳灰使精米中无机As浓度降低了29.1%,低于GB 2762—2017《食品安全国家标准食品中污染物限量》标准限值.该研究通过大田试验,从土壤孔隙水、水稻根表铁膜以及Si与As在水稻茎叶和稻米运输中的竞争作用三方面系统论述了低温燃烧条件下制备的富硅稻壳灰对水稻吸收As的调控作用,结果表明以0.2%的施加比例施加富硅稻壳灰有效降低了水稻籽粒中无机As含量,为As污染土壤的水稻安全生产利用提供有效的解决途径.

金属辅助化学刻蚀法制备硅纳米线的研究进展

硅纳米线(Si NWs)由于具有独特的一维结构、热电导率、光电性质、电化学性能等特点,被广泛应用于热电与传感器件、光电子元器件、太阳能电池、锂离子电池等领域。金属辅助化学刻蚀法(MACE)是制备Si NWs的常用方法之一,具有操作简便、设备简单、成本低廉和高效等优点,可大规模商业化应用,因而近年来被广泛研究。金属辅助化学刻蚀制备硅纳米线的过程可以分为两步:首先在洁净的硅衬底表面沉积一层金属(Ag、Au、Pt等)纳米颗粒,以催化、氧化它附近的硅原子;然后利用HF溶解氧化层,从而对硅晶片进行刻蚀,形成纳米线阵列。然而,这种简单高效的制备硅纳米线的方法存在一些难以控制的缺点:(1)金属纳米颗粒聚集、相连后造成Si NWs之间的缝隙比较大,从而导致Si NWs密度较低;(2)由于金属纳米颗粒沉积的随机性,在硅晶片表面分布不均匀,不仅导致刻蚀出的纳米线直径范围(50～200 nm)较宽,而且使制得的纳米线阵列排列无序且间距不易调控;(3)当刻蚀出的硅纳米线太长时,范德华力等作用会造成纳米线顶端出现严重的团簇现象。针对常规法存在的一些问题以及不同的器件对硅纳米线的形貌、类型和直径等的要求,近年来的研究主要集中在如何减少纳米线顶端团簇、调控纳米表面粗糙度和直径、低成本制备有序硅纳米线等方面。目前一些改进常规金属辅助化学刻蚀的方法取得了进展,比如:(1)用酸溶液或UV/Ozone对硅晶片预处理,在表面形成氧化层,可以使纳米线的均匀性得到改善并增大其密度(从18%提高到38%);(2)使用物理气相沉积法在硅晶片表面沉积一层金属纳米薄膜,然后再刻蚀,这种方法能够减少纳米线顶端团簇和有效调控纳米线直径;(3)利用模板法(聚苯乙烯小球模板、氧化铝模板、二氧化硅模板和光刻胶模板等)可以制备出有序的硅纳米线阵列。本课题组用离子束刻蚀的方法制备了直径范围可以控制在30～90 nm的聚苯乙烯小球模板,为小尺寸有序硅纳米线的制备打下了坚实的基础。本文简要介绍了常规MACE的原理和制备流程,总结了硅晶片的类型、刻蚀溶液的浓度、温度和刻蚀时间等因素对Si NWs形貌、尺度、表面粗糙度、刻蚀方向以及刻蚀速率的影响,用相关的机制解释了H2O2过量时刻蚀路径偏离垂直方向的机理以及刻蚀速率随溶液浓度变化的原因,重点综述了氧化层预处理、物理法沉积贵金属纳米薄膜、退火处理和模板法等改进方法在减少纳米线顶部团簇、改善均匀性、制备有序且直径和间距可控纳米线中的研究进展。

干旱胁迫下外源脱落酸和硅对沙枣幼苗叶片水势及保护酶活性的影响

以一年生沙枣幼苗为材料,研究了外源脱落酸和外源硅在干旱(T2:SRWC=35%～40%,处理时间30d)胁迫下沙枣幼苗叶片相对含水量、叶片水势、质膜相对透性、丙二醛(MDA)含量、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性的影响。结果表明:沙枣幼苗T2干旱处理时,与对照(ck)相比其叶片相对含水量和水势均极显著降低,质膜相对透性有所增大,沙枣幼苗被受到了一定程度的伤害。同时,向T2干旱处理的幼苗使用外源脱落酸(ABA)后,可以极显著提高其叶片相对含水量和过氧化氢酶活性,极显著降低叶片质膜相对透性和丙二醛含量,叶片水势也有所降低,这说明使用外源脱落酸能够减轻干旱胁迫对沙枣幼苗的伤害。同时,向T2干旱处理的幼苗使用外源硅(Si)时,与未使用外源硅的T2相比其叶片相对含水量和超氧化物歧化酶(SOD)活性极显著上升,叶片水势也有下降趋势,这说明使用外源硅在一定程度上能够缓解干旱胁迫对沙枣幼苗的伤害。

基于硅双固态梁PyroMEMS安保机构的设计、制备及作动性能

为适应武器弹药安全系统微小型化、高可靠性的发展要求,设计了一种基于硅双固态梁的烟火微机电系统(PyroMEMS)安全保险机构。采用ABAQUS软件对安保机构层中固态梁的耐压强度与耐过载强度进行了模拟仿真。根据模拟仿真结果采用微机电系统(MEMS)工艺制备了PyroMEMS安保机构原理样机。为研究作动性能,选用质量配比为1∶9的硅铅丹(Si/Pb_3O_4)作为点火药,选用质量配比为1∶1的苦味酸钾/高氯酸钾(C_6H_2(NO_2)_3OK/KClO_4)作为产气药。结果表明,安保机构层中固态梁在长与宽均为300μm时耐压强度为310.03 MPa,耐过载强度为47.31 g。设计的PyroMEMS安保机构可成功实现安保功能。

硅光电管-闪烁体探测器γ谱仪研制

实验研制了硅光电管-闪烁体探测器γ谱仪。该γ谱仪用硅光电倍增管代替普通光电倍增管作为闪烁体探测器的光学读出端,配置闪烁体探测器,构成新型γ谱仪。测试结果表明:新型γ谱仪随温度漂移变化程度大;能量线性较好,线性相关度R为0.9987;配置LaBr_3:10%Ce^(3+)晶体,其能量分辨率为4.3%~4.9%;配置NaI(TI)晶体,其能量分辨率为8.4%。

ZnO膜膜厚对ZnO/p-Si异质结光电转换性能的影响

采用射频磁控溅射法在p型Si衬底上制备了不同膜厚的氧化锌中掺杂氧化铝(AZO)薄膜。测试了电阻率、结构性质、光透过率、单色光光子-电子转换效率(IPCE)和电池性能谱,研究了膜厚对电池光电转换性能的影响。结果表明,在适当的膜厚内,随着膜厚的增大,异质结对波长300～400 nm的光的光电转换效率逐渐增大,对400 nm以上波长段光的光电转换效率逐渐减小;而膜厚过薄或过厚会导致光电转换率降低;溅射时间为30 min的样品膜厚最适中,为153.0 nm,样品的电池开路电压为0.399 V,短路电流为361.5μA,最大功率为40.8μW。

硅基片上的中波红外铝线栅偏振器设计

设计了一种Si基片上的Al线栅偏振器,在Al线栅和Si基片间引入一层低折射率SiO介质层,适用于3.0-5.0μm的中波红外波段。采用有限时域差分（FDTD）方法,对SiO介质层和金属线栅材料（Al,Au,Ag,Cu和Rh）分别进行了优化。SiO介质层的引入削弱了Al线栅和Si基片之间界面上激发的表面等离子体激元,横磁（TM）偏振光的透过率提高,横电（TE）偏振光的反射增强,消光比上升。对Al,Au,Ag,Cu和Rh五种金属线栅材料分析表明,Al是最合适的材料。当SiO介质层厚度为300 nm、线栅周期为400 nm和占空比为0.5时,Al线栅偏振器在4.0μm波长处的TM偏振光的透过率达到94.8%,消光比为28.3 dB,在3.0-5.0μm波段具有良好的偏振性能。

ZnO/Si纳米孔柱阵列的真空蒸镀及其光致发光特性

以硅纳米孔柱阵列(Si-NPA)为衬底,通过采用真空蒸镀技术沉积金属锌,再在纯氧气氛中进行氧化退火的方法,制备出具有阵列特征的ZnO/Si-NPA异质结构材料。研究发现,ZnO/Si-NPA的表面形貌、结构和光致发光特性强烈依赖于氧化退火温度。当氧化退火温度低于400℃时,样品的发光主要来自于Si-NPA衬底;当氧化退火温度高于700℃时,样品的发光主要来自于ZnO薄膜;经过600℃氧化退火的样品则同时包含有来自于Si-NPA和ZnO薄膜的发光。上述结果表明,通过控制ZnO/Si-NPA制备过程中的氧化退火温度,可以在一定程度上实现对其光致发光谱的有效调控。这对未来制备具有特定功能的半导体光电器件具有重要的实际意义。

体积小重量轻的SiC微波脉冲功率晶体管

采用自主开发的工艺加工技术和设计方法,直接将两个微波SiC MESFET管芯在管壳内部进行并联,实现了器件在S波段脉冲状态下(工作频率2GHz,脉冲宽度30μs,占空比10%)输出功率大于30W、功率增益12dB、功率附加效率大于30%的性能指标。由于直接采用管芯并联结构,省略了内匹配网络,器件的体积和重量较以往的Si微波双极功率晶体管大为降低;采用高温氧化技术克服了传统MESFET工艺中PECVD介质产生较高界面态的不足,减小了器件的泄漏电流,提高了器件性能。器件的研制成功,初步显示了SiC微波脉冲功率器件在体积小、重量轻、增益高、脉冲大功率输出和制作工艺简单等方面的优势。

Si/C及Si/C-石墨复合材料的电化学性能

为改善石墨负极的性能,采用葡萄糖水热辅助高能球磨法制备碳包覆硅(Si/C)-石墨复合材料。利用XRD、SEM、透射电镜(TEM)及电化学性能测试,研究产物的结构、形貌及电化学性能。制备的Si/C材料为核壳结构;掺杂改性对天然石墨的结构、形貌没有影响。Si/C材料以400 mA/g的电流在0.001~1.500 V循环100次,脱锂比容量为604.1 mAh/g,容量保持率为82.8%;与天然石墨相比,Si/C-石墨复合材料的倍率及循环性能更好:Si/C质量分数为7.5%时,以400 mA/g的电流循环100次,脱锂比容量仍可达380.7 mAh/g,容量保持率为84.8%,Si/C-石墨材料的实际放电容量较预计值提高了17.6%,说明石墨与Si/C混合负极在嵌脱锂过程中发生了协同效应。

窄间隙介质阻挡放电清除硅片表面颗粒污染物

硅片清洗技术已成为制备高技术电子产品的关键技术。采用窄间隙介质阻挡放电方法研制了低温氧等离子体源,把氧离解、电离、离解电离成O、O-、O+和O2(a1Δg)等低温氧等离子体,其中O-和O2(a1Δg)活性粒子进一步反应形成高质量浓度臭氧气体,再溶于酸性超净水中,用于去除硅片表面颗粒污染物。实验结果表明:当等离子体源输入功率为300 W时,臭氧气体质量浓度最高为316 mg/L;高质量浓度臭氧气体溶于pH值为3.8的超净水中形成臭氧超净水,质量浓度为62.4 mg/L;在硅片清洗槽内,高质量浓度臭氧超净水仅用30 s就可去除硅片表面的Cu、Fe、Ca、Ni和Ti等金属颗粒物,去除率分别为98.4%、95.2%、88.4%、85.2%和64.1%。本方法与目前普遍使用的RCA清洗法相比,具有无需大剂量化学试剂和多种液体化学品、清洗工艺简单、投资及运行成本低等优势。因此,窄间隙介质阻挡放电清洗硅片表面颗粒污染物技术具有广阔的市场应用前景。

阳极氧化制备硅基氧化铝薄膜MIM电容器

提出了一种在常温下通过简单的恒电流阳极氧化制备Al_2O_3薄膜构建金属-介质-金属(MIM)结构电容器的方法,通过控制阳极氧化时间制备出不同厚度Al_2O_3薄膜,避免了高成本且复杂的制备工艺。首先探究了不同Al_2O_3薄膜厚度对MIM电容器的电容特性的影响,发现厚度为25.1 nm的Al_2O_3薄膜层构成的电容器性能最佳。它的能量密度值最大,为3.55 J/cm^3;其电容密度较大,可达到5.05fF/μm^2;其漏电流性能好,在0.8 V时漏电流密度仅为9.36 nA/cm^2。此外,对该电容器电容变化率与施加电压时间的关系也进行了研究,当施加电压为2 V时,可预测工作十年后的电容变化率仅为1.82%。因此,通过阳极氧化制备介质层构建硅基MIM结构为制备低成本、可集成的储能电容器提供了一种新方案。

全球冰川径流中硅的研究进展

硅(Si)是硅藻等海洋生物必需的营养元素,在海洋生态系统和碳循环方面扮演着重要角色。在全球变暖背景下,冰川加速消融,融水径流量快速增加,流域硅酸盐风化作用逐渐增强,导致大量Si元素随着融水释放出来并进入下游,很可能影响陆地与海洋生态系统生产力、碳循环并反馈气候变化。当前与冰川消融有关的Si释放及其影响研究已成为国际热点科学问题之一。通过回顾冰川径流中Si浓度及其δ^(30)Si的最新研究成果,分析了Si浓度的空间变化特征,发现冰川径流的Si浓度受采样方法、径流量、基岩特征等因子的共同影响。在总结该领域现存问题的基础上,认为未来急需加强冰川径流Si的野外监测,综合利用多种同位素手段来厘清冰川径流Si的迁移转化过程和输移规律,评估因冰川消融而进入下游生态系统的Si通量,进而为冰川Si的生态及气候影响评估提供科学指导。