“抽取共性–讲透典型–衍生个性”,构建晶体结构知识点图谱

在结构化学教学中,晶体结构的多样性、复杂性和抽象性使教学难度增加,本文介绍了笔者在教学实践中根据晶体结构的对称性,以具体–抽象–具体主线,以“抽取共性–讲透典型–衍生个性”为核心,构建晶体结构知识点图谱的拓展教学方法。具体做法是以等径圆球密堆积及其空隙类型/分布作为共性的出发点,通过填隙模型得到典型晶体的结构,通过取代/添加/去除/衍生等方式建立具有多样性的具体物质的晶体结构,形成直观和有脉络关系的知识图谱。可以加深学生理解晶体结构教学中的共性与个性,达到知识理解与迁移运用的目的。

中长波Cr^(2+)/Fe^(2+)∶CdSe激光晶体生长及元件制备

本文采用自主研发的双温区真空石墨加热单晶炉,通过钼坩埚密封布里奇曼法成功生长出了Cr^(2+)∶CdSe晶体和Fe^(2+)∶CdSe晶体,晶体尺寸达Φ51 mm×110 mm。Cr^(2+)∶CdSe晶体和Fe^(2+)∶CdSe晶体分别在1400~2400 nm和2500~5200 nm波段存在明显的吸收,同时,Cr^(2+)∶CdSe晶体和Fe^(2+)∶CdSe晶体在7~15μm波段透过率均接近CdSe晶体透过极限(~70%),换算吸收系数约为0.005 cm^(-1)。采用钼坩埚密封布里奇曼法制备的Cr^(2+)/Fe^(2+)∶CdSe晶体具有过渡金属离子掺杂浓度可控、掺杂均匀、晶体品质高等优点,可同时作为中波红外激光晶体和长波红外非线性光学晶体材料。

硅酸钛钡高温压电晶体及其传感器件研究进展

压电材料作为重要的功能材料,由其制备的结构健康检测器件已被广泛应用于国民经济的诸多领域。随着现代工业技术特别是航空航天、核电能源和智能制造等的发展,各类高温工况环境对压电材料的性能提出了更高的要求,因此研制综合性能优异的高温压电材料并将其应用到具有更高服役温度的传感器件中受到了研究者的广泛关注。硅酸钛钡(Ba_(2)TiSi_(2)O_(8),BTS)晶体具有较高的电阻率、较低的介电损耗和优良的压电性能,是一种具有良好应用前景的高温压电单晶材料。本文主要介绍了BTS晶体的提拉法生长制备工艺、单晶电弹性能表征、材料相变调控以及采用该晶体为核心元件研制的声表面波传感器和高温振动传感器的研究进展,最后对新型高温压电晶体及其传感器件的研发进行了总结和展望。

以碳酸钾为原料制备碳酸锂晶体团聚现象及调控方法的研究

以氯化锂与碳酸钾为原料进行反应结晶制备碳酸锂,以提高碳酸锂收率、降低其钾含量及获得良好粒径分布为目标,考察反应温度、搅拌转速、晶种加入量及晶种加入的粒径大小对实验的影响。实验结果表明,氯化锂与碳酸钾反应结晶存在着明显的晶体团聚现象,反应温度不同,对晶体形貌有显著影响,低温下晶体呈片状团聚体,较高温度下晶体呈棒状团聚体。剪切力的增加可以减小团聚体尺寸,晶种的加入有利于抑制爆发成核,减轻晶体团聚和黏壁现象。实验结果表明,在反应温度为85℃、搅拌转速为400 r/min、氯化锂浓度为3.2 mol/L、晶种加入量为3.0 g/L、晶种粒径控制在小于54μm、超声功率为100 W、超声时间为150 min条件下,获得的碳酸锂收率高、晶体不易发生聚结、钾含量较低且拥有较好的粒径分布。以碳酸钾为原料制备的碳酸锂与以碳酸钠为原料制备的碳酸锂收率相当,但杂质含量有一定的降低。且在反应结晶过程中加入超声后可有效避免出现大团聚体,在保证碳酸锂收率无明显降低的情况下,钾含量明显降低。通过研究获得的实验条件可以为碳酸锂生产调整工艺参数提供依据,并为产品质量的提高提供指导。

沙漏型声子晶体的中低频隔声减振性能研究

针对机械工业装备上难以解决的低频振动与噪声问题,提出一种小尺寸、轻量化的新型声子晶体结构,研究其隔声减振特性,通过有限元仿真计算该声子晶体无限周期排列时的隔声量、能带结构以及有限周期排列时的振动响应,分析该结构的隔声机理及减振特性,并研究了关键几何参数、散射体材料和声波入射角度对该结构的隔声特性的影响规律,以及板结构减振频带的拓宽方法.结果表明:该声子晶体结构在1 000 Hz以下频率范围内具有优越的隔声减振性能,通过将不同参数的结构进行组合的方法可以拓宽声子晶体板的减振频带,为工程结构的中低频隔声减振及声子晶体的应用提供了新的思路与可行性参考.

黄河冰花冰晶体结构及内部气泡分析

黄河冰花冰物理性质独特,对冰凌的生消演变有很大影响。为深入认知冰花冰晶体结构的物理特性,利用冰样采样器对黄河头道拐河段的冰花冰进行采集,利用费氏台获取冰花冰的图像,分析冰晶体及气泡细观结构特征。结果表明:在垂直方向上,冰晶体的平均等效直径范围为1.48~5.85 mm,随深度增加逐渐增大;在同一水平面内,冰晶体粒径差别明显,微小晶粒占比较大;冰花冰主要由0.1~7.0 mm的晶粒组成,直径为0.1~1.0 mm的微小晶粒占比为47.54%;冰花冰气泡平均等效直径在0.3~0.7 mm之间变化,随深度增加逐渐增大;气泡含量在1.90%~6.76%波动,随着深度增加逐渐减小。

晶体结构对螺栓声弹性应力测量的影响研究

以45#中碳钢为对象,通过不同的热处理工艺加工3种不同晶体结构的实验样品,分析不同晶体结构超声纵波和横波的声弹性效应。试验结果表明螺栓应力测量超声纵波灵敏度优于横波,材料晶体结构对声弹性的线性度以及重复性影响较大,并可通过增加应力强化循环次数进行改善,在制备的3种晶体材料中,以马氏体为主的中碳钢材料最适合于声弹性应力测试。

国外核设施单位放射工作人员眼晶体剂量监测现状及启示

国际社会对眼晶体职业剂量限值修订已有10余年,其间已有多个国家将新的眼晶体职业剂量限值纳入法律规定。国外资料显示核设施部分岗位眼晶体剂量可能较高,一些国家提出了眼晶体剂量监测的具体方案,但国内相关信息缺乏。本文在对国外核设施职业人群眼晶体剂量水平梳理基础上,对国外机构提出的眼晶体剂量监测对象、监测剂量水平要求及采用的监测方法等进行了综述,以期为我国核设施单位眼晶体剂量限值修订及相关工作的开展提供借鉴。

Pr,Yb,Ho:GdScO_(3)晶体生长及光谱性能

2.7-3.0μm波段激光在很多领域具有重要应用,为探索和发展该波段新型晶体材料,本文采用提拉法生长出Pr,Yb,Ho:GdScO_(3)晶体,通过共掺入Pr3+离子以达到衰减Ho^(3+):^(5)I_(7)能级寿命的目的.采用X射线衍射测试得到了晶体的粉末衍射数据,测量了拉曼光谱,并对晶体的拉曼振动峰进行指认,对Pr,Yb,Ho:GdScO_(3)晶体的透过光谱、发射光谱和荧光寿命进行表征.Yb^(3+)的最强吸收峰在966 nm,吸收峰半峰宽为90 nm;2.7-3.0μm波段最强发射峰在2850 nm,半峰宽为70 nm;Ho^(3+):^(5)I_(6)和^(5)I_(7)能级寿命分别为1094μs和56μs.与Yb,Ho:GdScO_(3)晶体相比,Yb^(3+)的吸收峰和2.7-3.0μm的发射峰半峰宽明显展宽,同时下能级寿命显著减小,计算表明Ho^(3+):^(5)I_(7)与Pr^(3+):^(3)F_(2)+^(3)H_(6)能级之间能实现高效的能量传递.以上结果表明Pr,Yb,Ho:GdScO_(3)晶体是性能更优异的2.7-3.0μm波段激光材料.

磷化镓晶体的声光特性及应用

磷化镓晶体具有高声光优值、高声速和低声衰减系数,是制作声光调制器的优良材料之一。对磷化镓晶体的关键声光参数进行了测试评估,并基于磷化镓晶体研制了光脉冲上升时间为6.6 ns的高速光纤声光调制器,移频频率为1.5 GHz的高频空间声光调制器,以及3 dB移频带宽125 MHz的大带宽光纤声光调制器。

基于局域共振型声子晶体塔筒结构海上风机减振特性研究

针对海上风机的振动控制问题,提出一种局域共振型声子晶体塔筒结构,基于周期结构的Bloch定理,采用有限元法计算该结构的能带结构、特征模态所对应的位移场以及相应有限周期声子晶体塔筒结构的振动传输曲线,对其展现出的带隙特性进行分析。基于局域共振带隙的形成,研究声子晶体塔筒结构的振动控制问题,可将其应用于不同海洋环境中海上风机特定频率的减振。得出声子晶体塔筒结构在xy平面内与z方向上受激励时的振动传输曲线,选取两者在特定频率下的结构位移图分别进行分析,计算出非理想化声子晶体塔筒结构在xy平面内与z方向上受激励时的振动传输曲线并加以对比。研究各参数对声子晶体塔筒结构带隙衰减频段的影响规律,通过合理调整设计参数,可以实现结构特定范围内的低频隔振,证明其在复杂海洋环境中海上风机减振方面具有很好的应用前景。

重离子辐射对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管低频噪声特性的影响

采用^(181)Ta^(32+)重离子辐射AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管,获得器件在重离子辐射前后的电学特性和低频噪声特性.重离子辐射导致器件的阈值电压正向漂移、最大饱和电流减小等电学参数的退化.微光显微测试发现辐射后器件热点数量明显增加,引入更多缺陷.随着辐射注量的增加,电流噪声功率谱密度逐渐增大,在注量为1×10^(10)ions/cm^(2)重离子辐射后,缺陷密度增大到3.19×10^(18)cm^(-3)·eV^(-1),不同栅压下的Hooge参数增大.通过漏极电流噪声归一化功率谱密度随偏置电压的变化分析,发现重离子辐射产生的缺陷会导致寄生串联电阻增大.

大米淀粉晶体/非晶体结构耐热性研究

采用中红外(MIR)光谱及二维中红外(2D-MIR)光谱分别开展大米结构及其淀粉晶体/非晶体结构热变性研究。实验发现:大米的红外吸收模式主要包括:νOH-大米、νas CH2-大米、νs CH2-大米、νamide-Ⅰ-大米、νamide-Ⅱ-大米和νC-O-大米。随着测定温度升高(303~393 K),不同产地的大米淀粉晶体/非晶体结构对于热的敏感程度及变化快慢顺序均存在一定的差异性。进一步探究相关机理,认为不同大米淀粉晶体/非晶体结构耐热性存在一定差异性,因而进一步影响其口感。并拓展了MIR光谱及2D-MIR光谱技术在大米结构及其淀粉晶体/非晶体结构热变性的研究范围。

GECAM卫星溴化镧晶体性能研究

GECAM卫星伽马射线探测器(GRD)设计使用3 in(1 in=25.4 mm)直径的溴化镧晶体(LaBr3晶体)作为伽马射线探测灵敏材料,后端耦合硅光电倍增管(SiPM)进行读出。对引力波最高能电磁对应体全天监测器(GECAM)卫星所用的LaBr_(3)晶体进行了本底测试,并根据晶体的掺杂类型进行了分类,使用放射源对所有晶体的性能进行了测试。为了研究LaBr_(3)晶体的辐照损伤情况,使用^(60)Co放射源对晶体进行了辐照损伤性能测试。测试结果表明,LaBr_(3)晶体的本底可分为单掺杂和双掺杂两个类型。GECAM卫星的LaBr_(3)晶体的能量分辨<18%@59.5 keV,满足设计使用要求。在1.65 kGy剂量的累积辐照后,经过较长时间的退激发,LaBr_(3)晶体试验前后662 keV的峰值变化小于15%,满足空间环境条件下(GECAM卫星在轨3年)的使用要求。

Nd∶GdYAG激光晶体的光谱分析及热学性能研究

本文对所生长的Nd∶GdYAG晶体的吸收光谱和荧光光谱进行了测试,采用Judd-Ofelt理论对振子强度和线强、强度参数Ω_(t)、4 F_(3/2)→4 I_(J)能级间的跃迁概率、能级辐射寿命、荧光分支比等光谱参数进行了计算,相关数据与YAG、LuAG、YVO4等晶体进行了对比。Ωt计算得出Ω2=(0.813±0.200)×10^(-20)cm^(2),Ω4=(3.381±0.187)×10^(-20)cm^(2),Ω6=(5.135±0.278)×10^(-20)cm^(2),相比YAG、LuAG、YVO4等晶体,Nd∶GdYAG晶体的强度参数Ω2较大,表明Gd^(3+)的掺入增大了基质的无序度。计算并拟合了300~1200 nm的吸收截面和折射率,其中808 nm处的吸收截面为5.0×10^(-20)cm^(2),1064 nm处的折射率为1.80。实测4 F3/2能级的荧光寿命为228μs,与计算的能级辐射寿命240μs接近;1064 nm处的发射截面为1.23×10^(-19)cm^(2),接近Nd∶YAG晶体的发射截面。室温下Nd∶GdYAG晶体的热导率为5.992 W/(m·K),略小于Nd∶YAG和Nd∶GGG,但大于Nd∶YVO4晶体。研究表明,Nd∶GdYAG是一种有应用前景的新型激光晶体材料。

基于透镜阵列多元聚焦的连续晶体三维位置灵敏探测器设计和仿真

连续晶体闪烁体探测器可以实现γ射线作用点的三维位置定位。本文提出一种新的探测器结构,引入透镜阵列实现作用点定位。探测器采集多元聚焦图像,从而改变对连续晶体闪烁光分布探测的需求。文中建立连续晶体、透镜阵列和光子计数器阵列的模型进行模拟研究,建立多元聚焦的光路反演重建算法定位γ射线作用点的三维位置。通过重建结果分析评估基于透镜阵列的连续晶体探测器性能,这种结构具有较好的定位能力和位置分辨。对于尺寸为48 mm×48 mm×45 mm的硅酸钇镥(LYSO)闪烁晶体,实现了xy平面位置分辨优于1.54 mm,z方向位置分辨优于3.13 mm。基于连续晶体和透镜阵列结构的探测器还可对多作用点的情形进行重建,分析三组选定位置的重建结果,该结构对双作用点定位具有可行性。

一种基于相位误差校正技术的快速启动晶体振荡器

随着超低功耗(Ultra-Low Power,ULP)物联网(Internet of Things,IoT)系统的发展,采用能量注入技术的快速启动晶体振荡器因对IoT系统功耗影响巨大而逐渐成为研究热点.能量注入技术可以显著降低晶体振荡器的启动时间和启动能量,但是对注入源的精度要求苛刻.为了扩大注入频偏容限以及实现高注入效率,本文提出了一种基于延迟锁定环的相位误差校正技术.该技术将注入频偏容限扩大到2%,启动过程的非注入持续时间仅为4个周期,实现了高效注入.本文所述晶体振荡器采用40 nm CMOS工艺设计并流片.在1.0 V电源电压下采用24 MHz晶体进行测试,当注入频偏高达2%时,实现了7.2μs的启动时间,启动能量为5.1 nJ.相比同频偏下的传统注入方案,启动时间缩短了99.66%.

大功率射频Si-VDMOS功率晶体管研制

介绍了大功率射频硅-垂直双扩散金属氧化物场效应晶体管(Si-VDMOS)的研制结果,采用栅分离降低反馈电容技术、多子胞降低源极电感技术等,从芯片原理着手,比较分析两种芯片结构设计对反馈电容的影响,以及两种布局引线对源极电感的影响,并研制出了百瓦级以上大功率射频Si-VDMOS功率晶体管系列产品。产品主要性能如下:在工作电压28 V及连续波下,采用8胞合成时,225 MHz输出功率达200 W以上,500 MHz输出功率达150 W以上;进一步增加子胞数量,采用12胞合成时,225 MHz输出功率达300 W以上,同时具备良好的增益及效率特性,与国外大功率射频Si-VDMOS功率晶体管的产品参数相比,达到了同类产品水平。

高温退火对AlN外延材料晶体质量的影响

采用高温退火技术改善金属有机物化学气相沉积AlN薄膜材料晶体质量。研究发现较低的生长温度下,Al原子迁移能力弱,外延呈岛状生长模式,形成大量的柱状晶粒,晶粒倾斜、扭曲,晶格原子排列混乱,存在大量的位错和层错缺陷;高温退火时晶格发生重构,晶粒合并,位错和层错缺陷减少,晶格排列整齐,晶体质量得到提升。通过优化生长温度和退火温度,获得了高质量的200 nm厚AlN模板,其(002)和(102)面的X射线双晶衍射摇摆曲线半高宽分别为107 arcsec和257 arcsec,位错密度比退火前降低了2~3个数量级。

结构化学混合式教学与小班课教学介绍——晶体结构部分

简要介绍了北京大学结构化学的混合式教学以及“晶体的点阵结构和晶体的性质”这部分内容的小班讨论课情况。