伊犁师范学院固体物理学课程资源建设的探索与实践

固体物理学课程是应用物理学专业的核心基础课程之一,依据伊犁师范学院应用物理学专业人才培养目标及固体物理学课程开设的实际情况,结合固体物理学的课程特点,对该课程的教学内容、方法等方面进行了一些有益的改革尝试,尤其是在课程资源建设方面,以期对该课程的教学改革有所推动.

计算物理学基础教学改革研究——以伊犁师范学院应用物理学专业为例

计算物理学是一门在现代科技领域应用非常广泛、实用价值非常高的学科,其课程特点是实践性非常强,在具体教学实施过程中,如何引导学生对实践操作的积极性,是一个难点,在分析本校应用物理学专业学生的学习特点之后,结合多年教学经验,总结出了一系列以强调实践为中心的改革措施.

不同稀土元素掺杂钛酸钡能带结构与态密度的计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,研究了几种不同稀土元素La、Sm、Gd、Dy、Ho、Yb、Lu对BaTiO3掺杂前后的能带结构和态密度,并且进行了分析.计算结果表明:与未进行掺杂的BaTiO3结构相比,La、Sm、Gd、Dy、Ho、Lu六种掺杂体系费米能级穿过导带区,体系均呈现一定的导电性,而Yb的掺杂体系没有表现出明显的金属性.

立方相BaTiO_3电子结构及物理性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法计算了立方相BaTiO3的电子结构、弹性常数、等容比热容和声子散射关系曲线.计算得到的立方相BaTiO3的弹性常数和热容与实验结果符合得很好.计算并详细分析了立方相BaTiO3沿高对称方向(X→R;R→M;M→G;G→R)的声子色散曲线.

液态簧振动力学谱仪测量重复性的实验验证

首先拟定了液态簧振动力学谱仪（RMS-L）测量液态复杨氏模量重复性的验证方案，即选取甘油作为验证材料，验证参量为对应于甘油液体的仪一弛豫过程的复杨氏模量．然后，选取了16个甘油样品，并分别对每一个样品进行一次从室温至-120K的降温和升温循环测量．实验结果表明，16个甘油样品的α-弛豫过程所对应的储能和损耗模量相差较小，16个甘油样品中，对应于α-弛豫过程的损耗模量峰的半高宽的相对标准偏差仅为4％，样品最大相对偏差也只有6％，表明本课题组自制的RMS-L测量的重复性相当好．另外，在本文所用2．42-4．36mg质量范围内，并未发现损耗模量峰的半高宽与样品质量有明确的依赖性．值得指出的是，在238K附近，还发现一个微妙的新过程，其储能模量的变化为α-弛豫的-5％，其物理起源仍不清楚．

La-N共掺杂锐钛矿相TiO_2的电子结构及光学性质的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法对锐钛矿相TiO_2、La单掺杂及La-N共掺杂锐钛矿相TiO_2的电子结构进行计算,分析La单掺杂及La-N共掺杂对锐钛矿相TiO_2的晶体结构、能带、态密度、差分电荷密度和光吸收性质的影响.结果表明,掺杂后TiO_2的晶格发生畸变,原子间键长的变化使晶格发生膨胀;掺杂后TiO_2的禁带宽度减小,并在禁带中引入杂质能级,导致TiO_2的吸收图谱产生红移现象;与La单掺杂相比,La-N共掺杂锐钛矿相TiO_2的红移程度增强.

S与Hf/Ta/W掺杂锐钛矿相TiO_2电子结构和光学性质的第一性原理研究

运用第一性原理密度泛函理论,计算了S单掺及S和过渡金属X(Hf、Ta、W)共掺锐钛矿相TiO_2后的电子结构和光学性质。计算结果表明,S单掺及S和X(Hf、Ta、W)共掺杂锐钛矿TiO_2后,带隙变窄,表明掺杂后的体系导电性能增强,其中Ta、W与S共掺后,费米能级穿过导带,表现出n型半导体特征;光学性质结果表明:掺杂后各体系的吸收光谱吸收带边均发生红移,S-Ta共掺和S-W共掺体系红移程度最大,并且在可见光区域出现吸收峰,S-W共掺体系的吸收峰最大,说明了该体系的光催化功能较强。各掺杂体系的反射率主峰均向低能方向移动,共掺移动幅度更大,且S-W共掺体系的反射系数在可见光区最大。各共掺体系的静态折射率依次增大,其中S-Hf共掺体系静态折射率在各体系中最小。

稀土元素Sm与C共掺SnO2的电子结构和光学性质的第一性原理研究

利用第一性原理密度泛函理论,计算了Sm-C共掺SnO_2体系的能带结构、能态密度、光学性质。计算结果表明:Sm-C近邻共掺体系的晶胞的结构比较稳定。在电子结构方面,共掺体系的禁带宽度值最小,表明电子从价带激发到导带所需的能量最小。在光学性质方面,掺杂体系都发生了红移,其中Sm-C共掺体系的红移程度最大,增强了对可见光的响应范围;在可见光区,掺杂体系的反射系数、静态介电常数、静态折射率的值都大于纯SnO_2,且Sm-C共掺杂体系的值最大。

Ba(Ti_(1-x)Hf_x)O_3的电子结构及光学性能的第一性原理研究

利用第一性原理赝势方法和剪刀近似操作计算了Ba(Ti1-xHfx)O3(x=0,0.125,0.5,0.75)的电子能带结构、态密度和光学性质.计算结果表明,随着Hf掺杂量的增加,Ba(Ti1-xHfx)O3结构发生扭曲的程度越来越严重,导致带隙发生变化,介电常数减小,降低了Ba(Ti1-xHfx)O3的绝缘性能,反射率有了很大程度的变化,折射率也在降低,这使Ba(Ti1-xHfx)O3在制作光学元器件时扩大了使用范围.

BaZrO_3晶格畸变的电子结构和光学性质的第一性原理计算

基于第一性原理密度泛函理论,计算分析了Zr原子晶格畸变对立方BaZrO3的能带结构、能态密度、Mulliken电荷布居和光学性质方面的影响.计算结果表明,随着Zr原子Z坐标的上移,BaZrO3晶体的畸变程度越来越大,O原子的电子逐渐转移到Zr原子上,价带与导带渐渐重叠,能隙消失,介电函数也有较大改变,即Zr原子晶格畸变可以强烈影响BaZrO3的电子结构和光学性质.

Ti原子位置对立方SrTiO_3电子结构的影响

基于第一性原理密度泛函理论框架下的平面波超软赝势计算方法,计算分析了Ti原子Z轴分数坐标的移动对立方SrTiO3的能带结构、能态密度和Mulliken电荷布居方面的电子结构的影响.计算结果表明,随着Ti原子Z坐标的上移,O原子的电子逐渐转移到Ti原子上,使得O的部分电子能量升高,Ti的部分电子能量降低,价带与导带渐渐重叠,能隙消失,即Ti原子位置可以强烈影响SrTiO3的电子结构.

Sm_2O_3掺杂BaTiO_3铁电陶瓷的结构、形貌及介电性能研究

采用传统的固相反应法制备了BaTiO3+xSm2O3(摩尔比x=0,0.002,0.004,0.006,0.008)系列陶瓷.用X射线衍射、扫描电镜和介电谱方法,研究了Sm2O3的掺杂对BaTiO3(BT)陶瓷微观结构、表面形貌和介电性能的影响.结果表明:(1)Sm2O3掺杂后,虽然陶瓷的晶格常数有所改变,但晶系结构并未改变;(2)随Sm2O3掺杂量的增加,陶瓷中孔隙减少、减小,晶粒尺寸略有增大;(3)Sm2O3的掺入,使BT在370K附近的顺电-铁电相变明显地弥散化,这是由于Sm3+替代了Ba2+相差一个单位电荷,必然在晶格尺度上产生空间电荷分布的不均匀,而这种不均匀必然导致相变的弥散;(4)所有陶瓷样品中,铁电相变附近都出现了一个与晶界有关的弛豫过程.对x=0.004的Sm2O3掺杂BT,在330K附近,还出现了另一个弛豫过程.对所有Sm2O3掺杂BT,高温区都出现了一个可能与离子导电有关的过程;(5)Sm2O3掺杂摩尔比为0.008的陶瓷其室温介电常数最大,而摩尔比为0.006及以下的掺杂降低了BT陶瓷的室温介电常数.所有陶瓷室温介电常数随频率的变化不大,而介电损耗随频率增加均为先减小后增大.

ZnO和Nb_2O_5共掺杂钛酸锶钡陶瓷的结构及其介电性能研究

采用固相反应法制备了ZnO、Nb 2 O 5共掺杂Ba 0.2 Sr 0.8 TiO 3陶瓷材料，并用X射线衍射（XRD）和介电谱方法，分别对系列陶瓷样品的结构和复介电常数进行了测量.结果表明：1）Zn2＋、Nb5＋进入Ba 0.2 Sr 0.8 TiO 3晶格后仍然为钙钛矿型固溶体；2）Nb 2 O 5会使得材料的低温弥散相变过程转变为弛豫相变过程，并在300～360K区域内会出现新的弛豫过程；3）掺入一定量的ZnO后Nb2O5掺入降低了Ba 0.2 Sr 0.8 TiO 3陶瓷材料的介电常数，增大了其介电损耗.

Zn-Bi共掺杂Ba_(0.2)Sr_(0.8)TiO_3陶瓷结构及介电性能的研究

采用传统固相反应法制备了ZnO的摩尔数为O．04，系列Zn-Bi共掺杂Ba0.2Sr0.8TiO3（BST）的陶瓷材料，包括BST＋0．04ZnO＋xBizO，（X=0．02，0．025，0．03）．用X射线衍射、扫描电子显微镜和变温介电谱方法，对它们的晶格结构、微观形貌和复介电常数进行了测量和分析．结果表明：（1）Zn2＋和Bi3＋进入到BST晶格中并与之形成ABO3钙钛矿型固溶体；（2）随Bi2O3的掺入，陶瓷的室温晶系结构由立方相转变为四方相，同时出现在--120K的弥散相变转化为弛豫相变；（3）Bi2O3掺杂对晶粒生长有明显的抑制作用，但晶粒之间的连接性增强，陶瓷的致密度增加；（4）当T=300K，f=1Hz，Bi2O3掺杂量为0．025mol时，陶瓷试样介电常数最大（857），介电损耗最小（8X10。）．上述结果对该类陶瓷掺杂改性研究以及弛豫相变机制探索无疑有一定的参考价值．

双主剂型改性丙烯酸酯结构胶挥发过程的质量变化研究

在定温、定压和定湿度条件下,用电子天平对双主剂型改性丙烯酸酯结构胶(AB胶)挥发过程中质量随时间的变化进行了测量研究.实验结果分析表明,AB胶的A和B组分的挥发都包含一快一慢两个过程,对应于两个挥发过程,至少有两种易挥发的单质,而且A组分中它们的含量分别大于18.4%和28.9%,B组分中它们的含量分别大于13.6%和34.7%.AB混合物的挥发只有一个过程,仅存在一种主要易挥发物,其含量至少大于16.1%.根据丙烯酸酯胶固化反应机理,可以认为在A、B组分中存在的易挥发物质分别为甲基丙烯酸和甲基丙烯酸甲酯,而AB混合物的质量变化主要由甲基丙烯酸的挥发所致.

铌掺杂钛酸钡的电子结构与光学特性的第一性原理计算

基于第一性原理密度泛函理论框架下的平面波超软赝势计算方法,计算了铌(Nb)掺杂钛酸钡的电子结构和光学性质,并进行了分析.计算结果表明:与掺杂前的钛酸钡结构相比,电子结构方面,Nb掺杂后,费米能级穿过导带,使材料具有n型半导体的特性.从态密度图中可以得出,在费米能级附近的态密度主要由稀土元素贡献.光学性质方面,随着Nb的掺杂浓度的增加,静折射率增大,有效地增强了BTO对光的吸收,提高了其光电转换效率;从能量损失中看出掺杂后能量损失谱峰出现红移现象.

样品量对水泥水化反应过程影响的液态簧振动力学谱研究

采用液态簧振动力学谱(RMS-L)方法,对水灰比(w/c)为0.8,样品量为70 Hz的水泥净浆的水化过程进行了测量,并与样品量分别为50 Hz和90 Hz的水泥净浆的水化过程进行了对比分析.结果表明:与70 Hz样品量相比,样品量较小(50 Hz)的水泥浆体由于表面张力、浆体内部水泥颗粒的自由运动空间较小,使得诱导期损耗因子Qc-1并没有出现先增大后减小的过程;而样品量较大时(90 Hz),由于在稳定期水分子的缓慢扩散进入,在水泥颗粒表面生成钙矾石,固相体积增加使钙矾石薄膜局部胀裂,水化反应突然加速进行,接着新生成的钙矾石又将破裂处重新封闭,致使水化延缓,导致其共振频率一阶导数(dfc/dt)出现一个先增大后减小的过程.

液态簧振动力学谱在蛋白质水凝胶-脂肪溶胶复合体系脱水变性的应用研究

本课题组首次用液态簧振动力学谱(RMS-L)方法对天然蛋白质水凝胶鸡蛋清的脱水过程进行了测量与分析,初步表明该方法对蛋白质变性检测是可行、有效的.进一步用RMS-L对天然蛋白质水凝胶(protein hydrogel)-脂肪溶胶(fat sol)复合体系(这里简称为PH-FS)鸡蛋黄的脱水变性过程进行了测量与分析.结果表明,随含水量的降低,PH-FS至少存在4个力学谱的显著变化过程.基于此结果并结合相关分析,推测随含水量的降低,PH-FS至少依次存在下述4个状态:(1)I-状态,类体水的PH-FS态;(2)II-状态,键合水的PH-FS态;(3)III-状态,键合水和键合蛋白质以及脂肪颗粒的混合态;(4)IV-状态,键合蛋白质-脂肪颗粒凝聚态.蛋白质的空间构型(spatial configuration)转变即变性,主要发生在拥有键合水的蛋白质通过失水向键合蛋白质转变的混合态.这表明RMS-L对鸡蛋黄脱水变性过程的检测是有效的,即进一步验证了RMS-L对蛋白质脱水变性过程检测的有效性.

差示扫描量热法研究系列浓度氯化钠水溶液的固液相变

在-50~50℃范围内,利用差示扫描量热法测量了21个摩尔比b的系列氯化钠水溶液,除纯水外,所有浓度的溶液均出现了双峰,随b的增加,高温峰强度减小、峰位向低温移动,低温峰则相反,最后逐渐重合.提出了重叠双峰的分峰方案,并得到了各熔化峰的特征量随b的变化结果,该结果与微观相分离模型一致,并据此给出了溶液中氯化钠浓度空间分布情况.该研究对深入认知生物体中电解质的微观结构和固液相变等有一定的参考价值.

Bi掺杂SrTiO_3的电子结构第一性原理研究

利用第一性原理密度泛函理论,计算了不同浓度Bi掺杂SrTiO3的电子能带结构、能态密度、布居分析.计算结果表明,掺杂Bi元素后,体系的禁带宽度增大,能级的密集程度增加;能态密度向低能方向移动,费米能级进入导带,在导带底出现了大量掺杂原子贡献的自由载流子——电子,体系表现出n型半导体特征,改善了SrTiO3的导电性.