原子分辨率能谱技术在先进功能材料研究中的应用

从原子尺度揭示材料的微观结构及其对应的化学成分是深刻理解材料构效关系和进行材料宏观物性调控的前提和基础。基于球差校正扫描透射电子显微镜(Cs-STEM)能谱(energy dispersive X-ray spectroscopy,EDS)技术的原子尺度化学成像是目前研究固态晶体材料微结构及成分的一种强有力的工具。首先概述了原子分辨率EDS技术的基本原理和前沿技术进展,然后以原子分辨率EDS在揭示LaAlO_(3)-SrTiO_(3)铁电固溶体薄膜中原子尺度的成分梯度、SmNiO_(3)薄膜中三维Ruddlesden-Popper层错网络、Ge_(2)Sb_(2)Te_(5)相变存储材料在热退火过程中的元素迁移、氧化物晶界处溶质的有序偏析和Cu-Zn-Sn-S热电陶瓷中独特的纳米畴结构为例,展示了该技术在先进功能材料研究中的应用场景和分析方法。最后,基于原子分辨率EDS技术的现状对其发展方向进行了展望。

基于石墨烯的碘化锌储能器件的电化学性能

采用还原性氧化石墨烯（RGO）修饰的石墨毡（GF）作为碘化锌储能器件的电极。采用改进型Hummers法制备氧化石墨烯（GO），然后使用溶剂热法将其生长于石墨毡上，形成还原性氧化石墨烯修饰的石墨毡（RGO-GF）。通过改变氧化石墨烯与乙醇的体积比，研究了不同体积比对RGO-GF电化学性能的影响。采用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、X射线衍射仪（xRD）和喇曼光谱对其表面及形貌进行了表征。通过循环伏安曲线（CV）、电化学阻抗谱（EIS）和计时电位法等电化学测试方法研究了其电化学性能。研究结果表明，在氧化石墨烯与乙醇体积比为5．3％时，RGO-GF拥有最好的电化学性能，在5mA／cm。的充放电电流密度下，比电容可以达到4．5F／cm2。

原位加热电镜技术研究WO_(3)-BiVO_(4)非晶复合薄膜退火相变过程

本文利用原位加热电镜技术和高分辨透射电镜研究了WO_(3)-BiVO_(4)非晶复合薄膜原位退火相变过程。退火过程中,薄膜中的Bi元素逐渐挥发,由于电镜中的高真空缺氧环境,加热到600℃时,形成的结晶相大部分为立方W相,少量的WO_(x)(0<x≤3)、VO_(x)(0<x≤25)和BixVOy(0<x≤1,0<y≤4)氧化物晶相,完全不同于利用脉冲激光沉积方法在充足氧气气氛和600℃条件下生长退火后形成的WO_(3)纳米柱嵌入BiVO_(4)基质中的垂直异质外延结晶复合薄膜。因此,退火气氛和样品的受热方式对薄膜的结晶相变过程有很大影响。

新型亚波长陷光结构HgCdTe红外探测器研究进展

综述了近几年来亚波长陷光结构Hg Cd Te红外探测器研究进展.系统介绍了一种结合有限元方法与时域有限差分方法对红外探测器的"光""电"特性进行联合模拟和设计方法,以及基于这种新的数值模拟方法对亚波长人工微结构Hg Cd Te红外探测器的模拟和分析结果.理论分析和实验研制数据均显示这种新型亚波长人工微结构结构具有很好的陷光特性,在提高长波红外探测器性能方面具有潜在应用前景.

新型分子高光谱成像系统性能分析及数据预处理

将分子成像技术和高光谱技术相结合,研制了基于AOTF(Acousto-optic Tunable Filters)的分子高光谱成像系统。系统由显微镜、分光仪、CCD镜头、图像数据采集卡和计算机等几部分组成。在综合考虑各功能部件的性能及相互的制约关系的基础上,分析了系统的性能指标,系统的光谱范围从550～1 000nm,可采集200个波段,空间分辨率可达0.061 5μm,光谱分辨率可达2nm,当CCD工作在积分模式下采集速度可达到2.612 5s.B-1,当CCD工作在非积分模式下可达到约0.11μs.B-1。由于受系统光源和光路中透镜及传感器性能的影响,采集到的图像数据需要进行预处理,文中提出一种空间维和光谱维联合校正的灰度校正系数算法,并给出算法的具体实现。以白血病的血液作样本,通过对比校正前后的单波段图像、伪彩色图像和光谱曲线,说明校正算法的有效性,为后续的光谱图像数据分析提供了有效的数据。

分子超光谱成像系统应用于糖网病药物疗效研究

将成像技术和光谱技术相结合,再配合显微镜技术,研制了基于AOTF(acousto-optic tunable filters)的分子超光谱成像系统.使用该系统采集了正常、糖尿病和EPO(erythropoietin,促红细胞生长素)药物治疗的大鼠视网膜组织切片的分子超光谱图像数据.通过对正常组、糖尿病组、药物治疗组共30例样本的分子超光谱图像数据进行处理,获得了3组样本的单波段图像和伪彩色合成图像,并提取了各组样本外核层的典型透射光谱曲线.从图像上分析各组ONL(outer nuclear layer,外核层)的厚度,由大到小依次为正常组、治疗组、糖尿病组,由于糖尿病会引起视网膜外核层细胞凋亡和厚度减少,实验结果表明经EPO治疗后可增加视网膜外核层的厚度.从光谱上分析各组的透射强度,糖尿病大鼠视网膜外核层组织在550～1000 nm光谱范围内的透射强度整体高于正常组,经EPO治疗后,透射强度介于正常组和糖尿病组之间;通过光谱相似性分析,治疗组与正常组之间的光谱相似性高于糖尿病与正常组.实验结果表明EPO能减少视网膜外核层细胞凋亡,对糖网病大鼠有一定的疗效.因而分子超光谱成像系统可以作为一种新的手段,辅助科研人员对糖网病的发病机理和致盲原因及药物疗效进行研究.

一种测量动脉血氧饱和度的新方法

在传统的血氧饱和度测量方法中,首先计算对数光电容积脉搏波交、真流成分的比值(R值),然后通过实验建立血氧饱和度值与R值的线性回归模型,旨在消除光程的影响,将个体差异的影响降至最小化,是一种基于Lambert-Beer定律的降维处理。当考虑散射时,这种以交、直流成分的比值作为自变量的降维处理方式损失了信息量,引入了系统误差,限制了测量的精度。为了减小这种影响,从透射光电脉搏波所含信息量的角度,提出了使用双波长对数光电容积脉搏波的峰值和谷值作为自变量与血氧饱和度值建立线性回归模型的新方法。从23名健康志愿者中获得133例光电脉搏波及血氧饱和度参考值样本,从中随机抽取90例作为建模集,另外43例作为预测集,对比了新方法和R值法的建模和预测结果。随机抽取建模集并预测10次,新方法和R值法的平均预测相关系数分别为0.890 6和0.846 8,平均预测均方根误差分别为0.889 6%和1.037 3%,结果表明新方法的预测效果优于传统R值法,使用四个特征量建立血氧饱和度预测模型,能够提高测量的稳定性和精度,对基于有限波长光谱数据建模测量人体血液生理参数有指导意义。

钕掺杂纳米二氧化钛光催化活性研究

采用溶胶-凝胶法在Si(111)衬底上制备纳米TiO2薄膜,利用电化学阴极还原法对TiO2纳米薄膜掺杂Nd3+,对其结构及光催化活性进行研究,结果显示,所制备的样品均为多晶结构,随着Nd3+掺杂量的增加颗粒尺寸明显减小,比表面积增大.Nd3+的掺杂导致TiO2光催化剂吸光能力增强,同时吸收限红移,提高了光的利用率,并且当掺杂量为1.2%时,光催化活性最好.

分子超光谱成像系统及其生物医学应用

设计出一种基于AOTF（acousto-optictunablefilters）的分子超光谱成像系统（MHSI）。整个系统由显微镜、分光计、CCD镜头、数据采集卡和计算机等几部分组成。系统的光谱范围为550～1000nm，可采集225个波段，光谱分辨率优于2nm，空间分辨率达到0．3μm。由于系统的光源对样本的光谱有较大影响，本文提出了灰度校正系数算法对数据进行相应的预处理，并对系统进行辐射校正，实验结果表明经过预处理后消除了光源的影响，能更真实的反映样本的生化特征。本系统不仅能提供物体在可见光范围的单波段图像，而且能获得图像中任意像素的光谱曲线，实现了光谱技术与成像技术的结合，可广泛应用于生物医学，临床医学，材料学，微电子学等学科领域。

超光谱成像技术应用于神经分类的研究

在外科神经修复手术中,断端神经束性质的识别成为良好修复的关键。现有的一些神经束识别的方法不太理想。分子超光谱成像技术同时提供生物组织图像和光谱两方面的信息,对检测目标可进行定性、定量和定位的描述,可对不同的生物组织从光谱特性的角度识别、分类并在图像上定位;相比较于其他医学成像技术,具有独特的优势。本研究把超光谱成像技术应用于神经束的识别和分类研究中,以期通过不同神经束的特征光谱来识别并分类神经束,并借助图像光谱信息确定神经束在图像中的定位,以便更好的辅助外科手术人员开展神经修复手术。研究意义在于:提出一种全新的神经束识别和定位的方法,辅助外科人员提高神经修复的疗效;储备超光谱成像技术应用于生物组织的定性定量定位分析和研究的技术,加快超光谱成像技术向实用阶段进展的步伐。

量子点操控的光子探测和圆偏振光子发射

半导体量子点是研究光子与电子态相互作用的优选固态体系,并在光子探测和发射两个方向上展现出独特的技术机遇.其中基于量子点的共振隧穿结构被认为在单光子探测方面综合性能最佳,但受到光子数识别、工作温度两个关键性能的制约.利用腔模激子态外场耦合效应,有望获得圆偏振态可控的高频单光子发射.本文介绍作者提出的量子点耦合共振隧穿(QD-cRTD)的光子探测机理,利用量子点量子阱复合电子态的隧穿放大,将QD-cRTD光子探测的工作温度由液氦提高至液氮条件,光电响应的增益达到10~7以上,并具备双光子识别能力;同时,由量子点能级的直接吸收,原型器件获得了近红外的光子响应.在量子点光子发射机理的研究方面,作者实现了量子点激子跃迁和微腔腔模共振耦合的磁场调控,在Purcell效应的作用下增强激子自旋态的自发辐射速率,从而增强量子点中左旋或右旋圆偏振光的发射强度,圆偏度达到90%以上,形成一种光子自旋可控发射的新途径.

局域光场增强的量子阱红外探测器(特邀)

量子阱红外探测器是继碲镉汞红外探测器之后又一重要的可以在中、长波段和甚长波段工作的红外探测器件。它在长波红外探测、多色探测及其焦平面技术方面表现出比碲镉汞红外探测器更具特色的优势,对量子阱红外探测器的研究将在很大程度上推动我国红外探测器技术的发展。这一探测器的突出优势是其材料均匀性好,制备技术成熟。但是由于量子效率偏低,且无法直接吸收垂直入射红外光,所以需要针对不同的红外探测波段,设计和制备各类光栅或微腔结构来进行光耦合及局域光场增强以有效提升探测器性能。如何更有效提升量子阱红外探测器的光耦合效率,降低暗电流,提高器件工作温度是仍然是目前研究的重点。文中着重介绍和总结了近5年来研究的局域光场增强的新型量子阱红外探测器,从提高探测器光耦合效率、降低器件暗电流和提高工作温度等方面重点讨论各种量子阱红外探测器的新结构和新机理,同时展望了这一探测器的未来发展方向。

Zr_(55)Cu_(35)Al_(10)金属玻璃中紧键结合团簇的定量表征

定量表征金属玻璃的原子结构是深入理解和解释金属玻璃独特的物理性能和力学性能的关键.本文通过铜模吸铸法制备了Zr55Cu35Al10大块金属玻璃圆棒状试样,并利用中子衍射获得试样的对分布函数,从而定量地定义了金属玻璃紧键合团簇模型中的紧键合团簇.还通过第一性原理分子动力学模拟对Zr55Cu35Al10大块金属玻璃局域原子结构进行模拟计算,从模拟得到的结构中提取了许多紧键合团簇,并通过团簇尺寸对其定量地表征.

磁电效应研究进展

多铁体(multiferroic)和磁电体(magnetoelectric material)最近几年已迅速成为物理界和材料界的研究热点,其潜在的应用价值必将随着未来的深入研究而得到进一步展现。围绕磁电效应这一多铁体和磁电体最重要的特性,本文介绍了近期理论和实验研究的多方面进展,其中重点评述了有关磁电效应产生机制,特别是一些新颖机制如界面磁电效应,表面磁电效应,电子型多铁性,螺旋自旋(spiral spin)铁电性,铁涡性(ferrotoroidic)和一些广义磁电效应如拓扑磁电效应等的相关研究。文章最后介绍了基于多铁体和磁电体的一些新型功能性器件,如四态存储器,多铁性内存,磁读电写硬盘等。

微纳BNT铁电薄膜阵列制备及性能研究

采用溶胶-凝胶和旋涂抽滤方法,在硅微通道(Si-MCP)衬底的内壁上涂敷前驱物,然后分别在600℃,650℃,700℃和750℃条件下制备Bi3.15Nd0.85Ti3O12/Si-MCP微纳薄膜阵列,并对其结构及铁电特性进行表征.研究结果显示,退火温度越高,Si-MCP内被局域化的微纳薄膜结晶颗粒尺寸越大,同时BNT/Si-MCP微纳薄膜阵列越趋向沿c轴取向,尤其在750℃下制备的薄膜具有表面形貌均匀和c轴取向程度高等优点,且剩余极化强度可达93.8μC/cm2.

As掺杂碲镉汞多载流子体系电学特性研究

用液相外延（LPE）方法在CdZnTe衬底上生长了厚度为14.19μm的Hg1-xCdxTe样品。在Hg1-xCdxTe中进行As掺杂,获得低温下的p型导电材料。对As掺杂Hg1-xCdxTe样品进行了磁输运测试,获得磁电阻和Hall电阻在不同温度下随磁场的变化曲线。用最大熵原理迁移率谱结合多载流子拟合（MEPMS＋MCF）的分析方法,获得样品中参与导电的载流子种类,以及每种载流子浓度和迁移率随温度的变化。结果表明,在20~280 K的温度范围,空穴的浓度开始随温度的升高不断增加,到100 K后,空穴的浓度随温度的升高逐渐减小。其迁移率在低温区随温度的升高逐渐减小,到100 K后,迁移率随温度的升高逐渐增加。在100~280 K的温度范围,本征激发的电子开始参与导电,其浓度随温度的升高不断增加,迁移率随温度的升高不断减小。用MEPMS＋MCF分析方法获得的零场电阻与实验结果很好符合。

In_(0.53)Ga_(0.47)As/In_(0.52)Al_(0.48)As量子阱二维电子气的零场自旋分裂

用分子束外延(molecular beam epitaxy,MBE)方法在半绝缘InP衬底上生长In0.52Al0.48As/In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As量子阱样品。在In0.52Al0.48As势垒层中进行元素Si的δ掺杂,元素Si电离的电子转移到量子阱中,在量子阱中形成二维电子气(two-dimensional electron gas,2DEG)。对该样品在低温下进行了磁输运测试,得到了2DEG纵向电阻(磁电阻)和横向电阻(Hall电阻)在不同温度下随磁场的变化曲线。观察到磁电阻的Shubnikov-de Haas(SdH)振荡和由零场自旋分裂引起的SdH振荡在低场下的拍频效应。也观察到Hall电阻出现量子Hall效应所特有的Hall平台。对Hall电阻在低场部分的直线拟合获得2DEG的Hall浓度,并根据Hall浓度和零场电导获得2DEG的Hall迁移率。对磁电阻曲线的快速傅立叶变换(fast Fourier trans-form,FFT)分析获得的2DEG浓度与Hall浓度一致。对拍频节点进行分析,获得了2DEG的自旋轨道耦合常数,并由此得到了零场自旋分裂能、自旋弛豫时间、自旋进动长度等实现自旋器件的相关参数。

基于硅微通道板的CoNiP微米管阵列的磁性

利用压差液流法在硅微通道板(MCP)孔道内侧壁上沉积钴镍磷(CoNiP)软磁性材料,制备了钴镍磷微米管阵列。比较了液流沉积与直接水热法沉积两种工艺方法,验证了液流法对于宏多孔硅化学沉积的优化。以不同方式对所得样品进行退火,观察平行和垂直于微米管长轴方向的矫顽力和剩磁比(Mr/Ms),发现垂直于微米管阵列长轴方向的剩磁比明显大于平行于微米管阵列长轴方向的,这表明制备样品的易磁化方向为垂直于微米管阵列长轴的方向,同时电流退火使垂直和平行于微米管长轴方向的矫顽力的大小关系发生反转。

Nd掺杂对BiFeO_3薄膜微结构和电学性能的影响

采用化学溶液方法,在LaNiO3/Si(100)衬底上生长了Nd掺杂的BiFeO3薄膜.XRD分析结果表明,随着Nd掺杂量的增加,薄膜晶格变小,Nd掺杂量为20%时,薄膜出现杂相.介电测试表明,随着Nd掺杂量的增加,介电常数和损耗减小,Nd掺杂量为2%的薄膜表现出很强的介电色散现象并出现介电损耗弛豫峰,其符合类德拜模型特征.随着Nd掺杂量增加,薄膜的漏电流减小,在低电场下,电流输运遵从SCLC模型,在高场下,电流输运遵循Poole-Frenkel模型.分析结果表明Nd掺杂对薄膜微结构和电学性能有显著影响.

不同衬底温度生长的La_(0.5)Sr_(0.5)CoO_3薄膜椭圆偏振光谱研究

采用脉冲激光沉积法（PLD）在不同Si（100）衬底温度下制备了La0.5Sr0.5CoO3（LSCO）导电金属氧化物薄膜.X射线衍射（XRD）分析表明,随着衬底温度升高LSCO薄膜的结晶质量增加,在650℃和700℃下制备的薄膜是具有单一钙钛矿结构的多晶薄膜.通过椭圆偏振光谱仪测量了400～1100nm波长范围内该导电金属氧化物薄膜的光学性质,采用双Lorentz振子色散关系及三相结构模型（Air/LSCO/Si）拟合获得了薄膜的光学常数.结果表明,薄膜的折射率随着衬底温度的升高而减小,然而在可见-近红外波长范围内消光系数随着衬底温度的升高而增大.这主要与薄膜的晶化质量和导电性能有密切的关系.