Ib型金刚石单晶生长及合成腔体温度场分布研究

本文利用六面顶压机,在5.7 GPa、1560~1600 K的压力温度条件下,分别采用ϕ15 mm和ϕ30 mm两种尺寸合成腔体,系统开展了Ib型金刚石单晶的晶体生长工作,并借助于有限元法对两种尺寸合成腔体的温度场分布进行了研究。首先,借助于有限元法分别对两种尺寸合成腔体的触媒温度场分布进行了模拟。模拟结果揭示了ϕ30 mm合成腔体温度场的均匀性要明显优于ϕ15 mm合成腔体。其次,金刚石晶体生长实验结果表明,采用ϕ15 mm合成腔体很难实现质量超过1.2 ct(1 ct=0.2 g)的优质Ib型金刚石单晶的生长,而ϕ30 mm合成腔体更适合用于生长大尺寸优质Ib型金刚石单晶。再次,扫描电子显微镜表面形貌测试结果表明,合成腔体尺寸的扩大不会对Ib型金刚石单晶的表面结晶质量产生显著影响。最后,拉曼光谱的测试结果表明,除了多晶金刚石的结晶质量较差,本研究两种腔体合成的其他金刚石单晶测试样品均具有较好的结晶质量。本研究对宝石级金刚石单晶大尺寸合成腔体的设计、大尺寸金刚石单晶的生长,以及多晶种法金刚石单晶合成技术的完善均具有一定的学术参考价值。

锗烯在金属衬底上的结构及电子性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算,我们系统的研究了锗烯在Pt(111)、Au(111)和Al(111)表面的几何和电子结构.在这三种金属衬底上寻找到了9种结构,其中Al(111)-a、Au(111)-b和Pt(111)-c结构就是目前实验上已经成功制备的结构.我们还发现了其余6种目前理论和实验均没有提出,此外,Al(111)-b、Au(111)-a和Pt(111)-b结构的Dirac态仍保留,这些结构的形成能均大于范德瓦尔斯作用,因此非常有希望在实验上制备出来,应用于量子自旋霍尔效应的研究.本文的研究为锗烯在半导体衬底上的制备及应用奠定了理论基础.

高阶效应下对称三量子点系统中光孤子稳定性研究

利用多重尺度法解析地研究了窄脉冲探测光激发下半导体三量子点分子系统中高阶效应对光孤子稳定性的影响.结果表明,由标准非线性薛定谔方程所描述的光孤子在传播的过程中会出现较大衰减,而由高阶非线性薛定谔方程所描述的光孤子却有着较为良好的稳定性.此外,数值模拟光孤子间的相互作用发现,由标准非线性薛定谔方程所描述的两光孤子碰撞后其振幅迅速衰减并辐射出较为严重色散波,而由高阶非线性薛定谔方程所描述的两光孤子碰撞后其形状几乎不发生任何变化.这主要是由于当入射的探测光脉冲足够窄时,系统须采用高阶方程来描述,其物理原因是方程中的高阶效应,包括非瞬时效应和三阶色散效应不能被忽略或当作微扰处理.这种稳定的光孤子对于将来的光信息处理和传输技术有着潜在的应用价值.

探析STEAM教育理念在中学物理教学中的融合与作用

融合STEAM教育理念已成为当前中学物理教学设计与改革的新模式,这与中学物理课程标准强调物理学科核心素养的培养要求是相融的。文章分析了STEAM教育理念与新课标的关联性及其在中学物理教学中的融合,并探讨了STEAM教育理念在中学物理教学中的作用,旨在为中学物理教学融入STEAM教育理念提供参考。

高中物理动态电路的两种题型及其解法探析

分析高考物理恒定电流中常见动态电路的两种题型及其解决方法,即通过滑动变阻器的改变来判断电路中I和U的变化趋势、U/I和ΔU/ΔI比值的变化等,具有简单、快速、准确的效果,对培养学生的物理学科探究精神和数理结合思维具有较高的教学价值。

利用锰渣合成堇青石/钙长石复相陶瓷及其抗热震性能研究

以锰渣、滑石、工业氧化铝、石英为原料,在1 140~1 240℃温度内采用固相烧结法制备了堇青石、钙长石陶瓷。利用X射线衍射仪和扫描电子显微镜研究了产物的物相组成和显微结构,分析了样品的抗热震性能及其机制。结果表明,钙长石相在1 160~1 240℃内均能烧成,堇青石晶体则在1 210℃及以上方能合成,烧结温度超过1 220℃则会出现过烧现象。热震测试表明,随热循环次数增加,1 210℃温度下烧成的堇青石/钙长石复相陶瓷的强度先降低,后逐渐回升。经30次热循环后材料的抗折强度高达58.16 MPa,超过热震前的56.98 MPa,增加率达2.07%。热震类似于退火,材料优良的抗热震性能可归因于淬火强化效应。

钙长石/顽辉石复合陶瓷的合成及其热震性能研究

以锰渣为主要原料,添加适当滑石、铝矾土、石英,在1 100～1 200℃温度内采用固相烧结而合成了钙长石、顽辉石陶瓷。结果表明,单相钙长石在1 100～1 200℃烧结温度内均能生成,而顽辉石相的烧结温度需超过1 140℃,烧结温度达1 200℃则会出现过烧现象。同时,原料中的重金属离子Mn2+能够溶解到产物相的晶体结构中而实现对锰污染的"解毒"。热震测试表明,随热震次数增加,1 160℃温度下烧成的钙长石/顽辉石复相陶瓷的强度先降低,后逐渐回升并趋于稳定。经30次热循环后材料的抗折强度仍高达102.45 MPa,相对于热震前仅减少2.21MPa,损失率仅2.11%。热震类似于淬火强化,材料优良的抗热震性能与钙长石、顽辉石较低的热膨胀系数有关。

硼硫协同掺杂金刚石的高压合成与电学性能研究

FeNiMnCo-C体系中,在压力6.5 GPa、温度1280—1300℃的极端物理条件下,采用温度梯度法成功合成了硼(B)、硫(S)协同掺杂金刚石大单晶.通过傅里叶红外光谱测试对高温高压所制备金刚石中的杂质进行了表征.借助霍尔效应对典型金刚石样品的电输运性能进行了测试,测试结果表明:硼硫协同掺杂有利于提高p型金刚石的电导率,而且硼硫在合成体系中的添加比例可以决定金刚石的p, n特性.此外,第一性原理计算结果表明,合成体系中不同比例的硼硫协同掺杂对金刚石的p, n特性以及电导率有着直接的影响,计算结果与实验测试结果相吻合.

电解锰渣合成堇青石陶瓷及其烧结性能研究

电解锰渣因含大量有毒物质而污染生态和环境。该文采用固相反应法,对锰渣、滑石、工业氧化铝、石英的混合坯块在1 140~1 220℃内进行烧结,研究产物的物相构成、烧结性能和组织结构。结果表明,锰渣的主要矿物相为20.9%石英和29%二水硫酸钙。1 210℃以上烧结才能合成堇青石为主晶相的陶瓷,堇青石呈长条状,形貌发育良好。1 140~1 200℃内随着烧结温度升高,样品的吸水率、气孔率快速减少,而密度和强度急剧增大;在1 200℃时具有2.213 g/cm^3的最大密度和70.6 MPa的最高强度;温度超过1 210℃时,样品因严重"过烧"而导致性能急剧下降。

熔体内合成TiC颗粒增强Al基复合材料及其性能研究

在高温Al熔体内原位反应合成了Ti C颗粒进而制备了不同质量分数Ti C增强相的Al基复合材料。实验发现,原位生成的Ti C相与基体结合紧密,能有效细化基体组织。随着基体中Ti C含量增加,复合材料的致密性下降,但硬度增大,Ti C含量为10wt%时具有最佳硬度。摩擦测试表明:随Ti C增强颗粒的增加,复合材料磨损率减小,复合材料在10 N和25 N载荷下经30 m磨损行程,其磨损失重率仅分别为0.45%和0.67%,表明其具有优良的抗磨损性能。摩擦后复合材料表面产生了大量平行而明显的"犁削"痕迹,其摩擦机制主要为疲劳磨损。

Fe_(70)Ni_(30)粉末触媒中Ⅱa型金刚石大单晶的高温高压合成

在6.5 GPa高压条件下,使用Fe_(70)Ni_(30)粉末触媒研究了Ⅱa型金刚石大单晶的合成。实验结果表明,若不对晶种表面进行保护,高温高压条件下金刚石晶种将发生碳化,致使难以合成出金刚石。当合成腔体中除氮剂Ti/Cu添加量达到2.2wt%时,所合成的金刚石大单晶呈现为无色透明,利用傅里叶显微红外光谱仪(FTIR)对所合成的金刚石大单晶进行了测试,所合成的晶体中不含有氮杂质。然而,FTIR测试结果表明所合成的Ⅱa型金刚石大单晶中有碳-氢基团的存在,其对应的FTIR特征吸收峰分别位于2850 cm^(-1)和2920 cm^(-1)处。此外,所合成的Ⅱa型金刚石大单晶的Raman特征峰位于1132.13 cm^(-1)处,且其结晶度非常高。

氧空位缺陷对PbTiO_3铁电薄膜漏电流的调控

基于非平衡格林函数及密度泛函理论第一性原理计算方法,计算了Fe, Al, V和Cu四种阳离子掺杂对氧空位缺陷引起的PbTiO_3铁电薄膜漏电流的调控.研究表明:Fe和Al离子掺杂将会增大由其中氧空位缺陷导致的铁电薄膜的漏电流,而Cu和V离子掺杂对该漏电流的大小具有明显抑制作用.这是因为Cu和V掺杂对氧空位缺陷有明显的钉扎作用.相比于半径更大的Cu离子,由于V的离子半径更小,且更接近于PbTiO_3铁电薄膜中Ti的离子半径,可以预言V离子更可能被掺杂进入薄膜,从而抑制氧空位缺陷引起的漏电流.研究结果对铁电薄膜器件的电学性能控制和优化有一定的理论指导意义.

半导体三量子点中的多透明窗口及弱光孤子的调控

考虑半导体量子点间隧穿耦合效应,研究非对称半导体三量子点分子中的弱探测光的传播特性.线性情况下,由于点间隧穿耦合和外部控制光的协同调控,探测光的吸收特性将出现共振吸收、隧穿诱导透明单窗口、隧穿诱导透明双窗口及隧穿诱导透明三窗口的转变.此外,从反常色散到正常色散的开关效应可通过改变隧穿强度及光学控制场强度来实现.对于非线性情况,发现孤子的振幅随着点间隧穿耦合系数增大呈先增大再减小随即再次增大并减小的波动变化趋势且出现最大振幅及其对应的点间隧穿耦合强度随着外部控制光场的增大而减小.此外,发现孤子的群速度随着耦合强度的增加呈逐渐减小的趋势.

电解锰渣-页岩-粉煤灰坯体的烧结性能研究

以铜仁市锰渣为主要原料,添加0~20%的页岩粉和粉煤灰压制成混合坯块,在1030~1075℃内烧结2 h,研究其烧结性能。XRD定量鉴定发现,锰渣的主要矿物相为20.9%石英和29.0%二水硫酸钙,另外还含15.3%钠长石、15.1%多硅白云母和13.2%氟硅钠石,颗粒形态、尺寸无规则。随烧结温度升高,试样烧损、收缩增大,吸水率、气孔率降低,而密度和强度急剧增大。力学性能上,90%锰渣、5%~10%页岩、0~5%粉煤灰的配方在1060~1075℃烧成的试样具有较高的抗折强度(24.34~30.72 MPa),可用来制备建筑用烧结砖。

淤泥-粉煤灰-页岩混合坯体的烧结性能研究

以铜仁市锦江淤泥为主要原料,对淤泥-粉煤灰-页岩混合坯体在1100～1160℃下进行烧结,研究了原料配方、烧成温度对混合坯体烧结性能的影响。结果表明,随烧结温度升高,样品烧失率增大,吸水率和气孔率降低,而体积密度和抗折强度增大,在1120～1140℃时达到最大值。7组配方的淤泥-粉煤灰-页岩烧成体的最高抗折强度均高于对比试验中普通黏土烧结体的最高强度(33.34 MPa),表明利用锦江淤泥制备建筑用烧结砖是可行的。

具有大磁晶各向异性能的单层BaPb的室温量子反常霍尔效应

具有巨大应用潜力的二维材料在纳米技术领域引起了人们极大的研究兴趣.基于第一性原理计算,本文预测了二维六角晶格BaPb体系具有室温量子反常霍尔效应.体系磁基态是铁磁半金属态,并且自旋极化的Pb-p轨道导致体系的时间反演对称性破缺.具有非零Chern数(C=1)的单层BaPb中非平庸拓扑性来源于全自旋极化的p_(x,y)轨道形成的二次型非狄拉克能带.不同于之前报道的pz轨道形成的狄拉克拓扑态很容易被衬底破坏,p_(x,y)轨道形成的σ键非常稳定.当考虑自旋-轨道耦合作用时,二次型的非狄拉克点打开了接近177.39 meV的非平庸带隙.通过反常霍尔电导、陈数、贝里曲率和边缘态的计算,证实了BaPb非平庸的拓扑性.此外,体系还表现出每个单元52.01 meV的大磁晶各向异性能.

高温熔体浇注合成TiC颗粒局部增强Al基复合材料

将铸造法与原位反应法相结合,利用高温Al液诱发Al-Ti-C压块反应而生成Ti C,进而原位制备了Ti C颗粒局部增强Al基复合材料,并结合DSC及其截断处理分析了该体系生成Ti C相的反应行为。结果发现:当Al含量为20~40wt%时,Al-Ti-C体系能发生反应而生成Ti C颗粒,而Al含量低于10wt%或高于50wt%时该体系不能发生Ti C的形成反应。Ti C/Al基复合材料局部增强区的界面上Ti C颗粒细小弥散、逐步自然过渡,且与Al基体结合紧密。DSC分析证实,Al-Ti-C体系中的Al粉能细化生成的Ti C颗粒,同时还参与了Ti C相的形成反应。

硫脲掺杂金刚石的高温高压合成及FT-IR光谱研究

利用温度梯度法,在6.5 GPa、1 300~1 350℃的高温高压极端物理条件下,通过在FeNiCo-C合成体系中添加硫脲(CH4N2S)成功合成了金刚石,所合成的晶体呈现出黄色且具有六-八面体形貌。利用扫描电镜(SEM)对所合成金刚石的表面形貌进行了表征,测试结果表明,随着合成体系中CH4N2S添加量的逐渐增加,所合成金刚石的表面变得逐渐粗糙。借助傅里叶红外(FT-IR)光谱对金刚石样品内部的氮、氢缺陷以及化学键结构进行了测试分析,结果表明,金刚石中的氢元素以-CH3,-CH2-, C-H形式存在,而其内部的氮杂质以C心、A心形式存在。此外,在3 300~3 600 cm-1观察到NH的吸收带。

计及声子辅助跃迁的单量子点中的非线性法拉第偏转

利用一束弱线性π偏振探测光在与其平行的磁场作用下所形成的两偏振分量,在半导体单量子点中考虑声子辅助跃迁去构建环形四能级电磁感应透明介质模型.利用多重尺度法,解析研究发现:仅考虑系统的线性效应,随着耦合光强度的增加,介质对探测光的吸收迅速减少,形成透明窗口,并且透明窗口的宽度随之增大;进一步地,在相同的外加磁场下探测光的非线性法拉第偏转方向与线性法拉第偏转相反,且偏转角更大.随着声子辅助跃迁强度的增加,线性和非线性法拉第偏转角都会逐渐变小,并且非线性法拉第偏转角减小的更多.这说明系统中的声子辅助跃迁能有效地调制探测光的法拉第偏转.我们的研究可能对于弱光条件下的光信息处理和传输具有潜在的应用价值.

添加不同硼源时金刚石的高温高压合成

在压力6.5 GPa、温度1290~1350℃实验条件下,研究了合成体系中分别添加单质硼、六角氮化硼(h-BN)时金刚石的合成。由于合成体系中添加剂的存在,导致所合成的金刚石颜色发生了明显的改变。傅里叶显微红外光谱(FTIR)测试表明,当合成体系中h-BN添加量较少时,所合成金刚石中含有替代式的氮杂质,且金刚石中有sp2杂化的硼-氮、硼-氮-硼结构存在。当合成体系中h-BN添加量达到2wt%时,金刚石中的氮仅以硼-氮-硼的结构存在。此外,霍尔效应测试结果表明,硼掺杂金刚石具有p型半导体特性,而合成体系中添加h-BN所制备的金刚石表现为绝缘体。