基于第一性原理的单层WS2热输运特性研究

二维WS₂是一种层状过渡金属硫化物，因其具有特殊的层状结构、可调带隙及稳定的物理化学性质而备受关注。结合玻尔兹曼输运方程(BTE)和密度泛函理论(DFT),利用第一性原理研究了单层WS₂声子的输运特性，分析了声子的谐性效应和非谐性效应对WS₂晶格热导率的影响机理，计算了其声子的临界平均自由程，提出通过调整阻断频率的方法来调控WS₂的晶格热导率。研究结果表明：单层WS₂在300 K时的本征晶格热导率为149.12 W/(m·K),且随温度的升高而降低；从各声子支对总热导率的贡献来看，声学声子支起主要作用，特别是纵向声学(longitudinal acoustic, LA)声子支对单层WS₂热导率的贡献百分比最大(44.28%);单层WS₂声学声子支和光学声子支之间的较大带隙(声光学声子支之间无散射)导致其具有较高的晶格热导率。本文研究可为基于单层WS₂纳米电子器件的设计和改进提供借鉴和理论指导。     

单层BiSbTeSe2热电性能的第一性原理研究

本文利用第一性原理计算并结合玻尔兹曼输运方程，预测了一种热电性能优良的新型Bi₂Te₃基材料，即单层BiSbTeSe₂。通过系统计算单层BiSbTeSe₂的电子能带结构和热电输运性质，发现单层BiSbTeSe₂在300 K时的塞贝克系数达到最高值(522μV·K^-1),在500 K时功率因子与弛豫时间的比值最大为5.78 W·m^-1·K^-2·s^-1。除此之外，单层BiSbTeSe₂还具有较低的晶格热导率和较高的迁移率。在最佳p型掺杂下，单层BiSbTeSe₂在500 K时的热电优值ZT高达3.95。单层BiSbTeSe₂的优良性能表明其在300～500 K的中温热电器件领域具有潜在的应用价值，可以为进一步开发高性能Bi₂Te₃基热电材料提供设计依据。     

ε-(AlxGa1-x)2O3/ε-Ga2O3异质结电子输运性质研究

Ga₂O₃是一种新兴的宽带隙半导体,在电力和射频电子系统中具有潜在的应用前景。前期研究以β-Ga₂O₃为主,并且已经对β-(Al_xGa_1-x)₂O₃/Ga₂O₃异质结构中的二维电子气(2DEG)进行了理论计算,本文主要研究ε-(Al_xGa_1-x)₂O₃作为势垒层对ε-(Al_xGa_1-x)₂O₃/ε-Ga₂O₃异质结电子输运性质的影响,首先介绍了ε-(Al_xGa_1-x)₂O₃/ε-Ga₂O₃异质结的结构和性质,分析计算了由于ε-(Al_xGa_1-x)₂O₃/ε-Ga₂O₃异质结的自发极化和压电极化所产生的极化面电荷密度,以及极化对2DEG浓度产生的影响,接着分析了在不同Al摩尔组分下,ε-(Al_xGa_1-x)₂O₃势垒层厚度与合金无序散射、界面粗糙度散射和极性光学声子散射之间的关系。最后通过计算得出结论:界面粗糙度散射和极性光学声子散射对ε-(Al_xGa_1-x)₂O₃/ε-Ga₂O₃异质结的电子输运性质有重要影响,合金无序散射对异质结的输运性质影响较小;2DEG浓度、合金无序散射、界面粗糙度散射和极性光学声子散射的电子迁移率强弱由ε-(Al_xGa_1-x)₂O₃势垒层的厚度和Al摩尔组分共同决定。     

Mg掺杂调制铜铁矿结构CuAlO2多晶的微结构和电热传导

采用固相反应法制备铜铁矿结构的CuAl_1-xMg_xO₂ (x=0、0.005、0.01、0.02、0.03、0.04)多晶,研究了Mg掺杂对CuAlO₂多晶结构和性能的影响。Mg掺杂量x从0增加到0.02,样品均为菱方R3m单相,密度依次提高;所有样品呈半导体的热激活电输运行为,x=0.02样品在室温下的电阻率是未掺杂样品的1/19,热激活能显著下降(x=0时,ρ_{300 K}~5.54 Ω·m,E_a~0.328 eV;x=0.02时,ρ_{300 K}~0.29 Ω·m,E_a~0.218 eV),载流子浓度增加1个量级,主要因为Mg²⁺取代Al³⁺,引入新的受主能级。x>0.02时,MgAl₂O₄尖晶石杂相出现,使其电导率和热导率降低。CuAl_1-xMg_xO₂多晶的晶格热导率在总热导率中占绝对优势,且随温度升高(300~500 K)而下降,晶格热导Callaway模型模拟表明,所有样品的热阻主要源于点缺陷-声子散射。与x=0相比,x=0.02样品的室温热导率增大1倍(κ~13.065 0 W/(m·K)),声速增大,点缺陷-声子散射减弱,分析认为掺Mg形成强的Mg—O键,提高了晶体的弹性模量和声子频率,减弱了本征点缺陷、Mg掺杂引起的质量波动和应变场波动对声子的散射,同时Mg掺杂样品的密度提高也有利于增加热导率。     

Er掺杂MnBi2Te4晶体生长及其微结构研究

MnBi₂Te₄是首次被发现的一种本征磁性拓扑绝缘体，具有重要的研究意义。本文通过在MnBi₂Te₄晶体中进行稀土元素掺杂，合成了Er掺杂MnBi₂Te₄晶体，Er原子进入晶格并取代Mn位。在晶体制备过程中，考虑到目前晶体制备工艺周期较长，生成物存在Bi₂Te₃助熔剂等杂质的问题，对晶体制备工艺进行了优化探索。XRD测试结果表明，利用改进工艺制备的Er掺杂MnBi₂Te₄晶体结晶性能良好，不含杂质相。磁电输运测量结果显示，少量Er掺杂MnBi₂Te₄晶体的磁性增强，掺杂样品在25.2 K发生反铁磁相变。使用原子力显微镜对Er掺杂MnBi₂Te₄晶体层间距进行了研究，发现层间距为单层MnBi₂Te₄的整数倍。通过拉曼测试研究了Er掺杂MnBi...     

类正方阿基米德格子声子晶体带隙稳定性实验研究

基于平面波展开法和超声浸水透射技术,理论和实验研究了二维(32.4.3.4)格子钢/水声子晶体带隙性质.与正方晶格钢/水声子晶体相比,类正方(32.4.3.4)格子能够打开高频带隙,并进一步讨论了第一布里渊区Γ-X、Γ-M方向层厚和方向带隙稳定性关系,这为设计有限尺寸隔声材料提供依据.结果表明:带隙的频率范围和理论计算很好吻合.     

X/g-C3N4(X=g-C3N4、AlN及GaN)异质结光催化活性的理论研究

本文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,研究了单层g-C₃N₄以及X/g-C₃N₄(X=g-C₃N₄、AlN及GaN)异质结的稳定性、电子结构、功函数及光学性质。结果表明,X/g-C₃N₄异质结的晶格失配率和晶格失配能极低,说明X/g-C₃N₄具有优异的稳定性。与单层g-C₃N₄相比,X/g-C₃N₄的带隙均减小,态密度的波峰和波谷均大幅提高且出现了红移现象,处于激发态的电子数量增加,使得电子跃迁变得更为容易,表明构建异质结有利于提高体系对可见光的响应能力。此外,X/g-C₃N₄的功函数均减小且在界面处形成了内建电场,有效抑制了光生电子-空穴对的复合,这对载流子的迁移以及光催化能力的提高大有裨益。其中,GaN/g-C₃N₄的功函数最小,在界面处存在电势差形成了内建电场且红移现象最明显,可推测GaN/g-C₃N₄的光催化性能最好。因此,本文提出的构建异质结是提高体系光催化活性的有效手段。     

ZrO2对Ho∶(Y0.7Sc0.3)2O3激光陶瓷致密化和光学性能的影响

2 μm 波段处于人眼安全波长,在医疗、加工、红外探测与对抗,以及大气环境监测等军、民两用领域有着重要潜在和实际应用。Ho³⁺掺杂倍半氧化物陶瓷具有宽的吸收和发射光谱、高热导率以及低声子能量等优点,是一类重要的 2 μm 波段激光材料。通过材料固溶原理,可以实现光谱更加宽化,这使其有可能成为一类性能优异的中红外固体激光材料。本文以商业Y₂O₃、Sc₂O₃以及Ho₂O₃粉体为原料,添加少量ZrO₂(原子比为0~1.0%)作为烧结助剂,采用真空预烧,结合热等静压烧结的工艺,成功制备出高透明的0.5%Ho∶(Y_0.7Sc_0.3)₂O₃陶瓷。研究了ZrO₂掺杂浓度(0~1.0％)对Ho∶(Y_0.7Sc_0.3)₂O₃激光陶瓷致密化过程和光学性能的影响。通过添加ZrO₂有效抑制了高温下Ho∶(Y_0.7Sc_0.3)₂O₃陶瓷晶粒的生长,掺杂1.0％ZrO₂的Ho∶(Y_0.7Sc_0.3)₂O₃陶瓷经1 690 ℃下真空预烧结4 h和1 600 ℃/190 MPa热等静压烧结3 h后,其透过率在1 100 nm处达到79.1％(厚度为4.4 mm),接近理论透过率。     

Co元素掺杂CrSi2的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,对Co掺杂CrSi₂的几何结构、电子结构和光学性质进行了计算与分析.结果表明,掺杂后的CrSi₂晶格常数无明显变化,禁带宽度增大.由于Co元素3d电子的影响,在费米能级附近出现了杂质能级.掺杂后的CrSi₂复介电函数虚部在低能方向发生红移,在小于1.20 eV,大于2.41 eV的能量范围内光跃迁强度增强.吸收系数的主峰向高能方向移动,峰值增大,在小于1.38 eV,大于3.30 eV的能量范围改善了CrSi₂对红外光子的吸收.光电导率的主峰向高能方向移动,在小于1.16 eV,大于2.36 eV的能量范围内光电导率增强,说明掺杂Co元素后改善了CrSi₂特别是红外光区的光电性质,计算结果为CrSi₂光电器件的研究制造提供了理论依据.     

Y掺杂WS2二维材料的第一性原理研究

WS₂由于其优异的物理和光电性质引起了广泛关注。本研究基于第一性原理计算方法,探索了本征单层WS₂及不同浓度W原子替位钇(Y)掺杂WS₂的电子结构和光学特性。结果表明本征单层WS₂为带隙1.814 eV的直接带隙半导体。进行4%浓度(原子数分数)的Y原子掺杂后,带隙减小为1.508 eV,依旧保持着直接带隙的特性,随着Y掺杂浓度的不断增大,掺杂WS₂带隙进一步减小,当浓度达到25%时,能带结构转变为0.658 eV的间接带隙,WS₂表现出磁性。适量浓度的掺杂可以提高材料的导电性能,且掺杂浓度增大时,体系依旧保持着透明性并且在红外光和可见光区对光子的吸收能力、材料的介电性能都有着显著提高。本文为WS₂二维材料相关光电器件的研究提供了理论依据。     

Thermal conductivity of FeS2 pyrite crystals in the temperature range 50–300 K

The thermal conductivity of two single-crystal samples of pyrite FeS₂ are investigated by the method of stationary longitudinal heat flux in the temperature range 50–300 K. The low electrical conductivity of the crystals with a small impurity content causes an identical value of experimental lattice thermal conductivity. The temperature dependence of the phonon mean free path is established.     

Thermal and laser properties of Yb:YAl3(BO3)4 crystal

Large optical-quality Yb:YAl₃(BO₃)₄(Yb:YAB) crystals have been grown by the flux method. The thermal properties of Yb:YAB crystal were measured for the first time. The thermal properties of Yb:YAB crystal with different Yb³⁺ ion concentrations are also reported. The results show that the ytterbium concentration influences the properties of Yb:YAB crystal. The specific heat decreases with the increase of Yb³⁺ ion concentrations in the experiment range. Apparently, the thermal expansion coefficient increases along the c-direction with the increase of Yb³⁺ ion concentrations, while it changes slightly along the a-direction. The output laser in 1120–1140 nm ranges has been demonstrated pumped by InGaAs laser. The slope efficiency is 3.8%. The self-frequency-doubling output power of 1 mW is achieved.     

坩埚下降法中各向热异性坩埚热场的数值模拟

本文对不同坩埚热物性组合时计算得到的结果进行了比较.对各向异性坩埚而言,纵向导热系数应该优先选择较小的材料;也可选择具有与晶体和熔体的导热系数相当导热系数的材料.横向导热系数则越大越有利于晶体生长.复合坩埚两种坩埚材料的导热系数最好不要相差太大.     

On the Debye‐Waller factor and Debye temperature of CdO nanoparticles

Theoretical calculation on the phonon dispersion of CdO nanoparticles at room temperature is reported here for the first time. The mean square amplitude, Debye–Waller factor and Debye temperature are calculated for CdO nanoparticles from the phonon spectrum and compared with the experimental results obtained from Rietveld refinement of XRD pattern of the CdO nanoparticles. The thermal stability of the nanoparticles is studied from both the experimental and theoretical calculations of melting point which is found to be 3686 K and 3951 K, respectively, greater than that of bulk CdO. (© 2011 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

高居里温度铁电单晶PIN-PT的机电性能

弛豫铁电单晶Pb(In_1/2Nb_1/2)O₃-PbTiO₃(PIN-PT)相较于常用的Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PMN-PT)具有更高的居里温度,在高稳定性、高性能的传感器、换能器方面具有应用前景。本工作采用谐振法研究了[001]方向极化的0.66PIN-0.34PT铁电单晶的全矩阵机电性能参数。0.66PIN-0.34PT 单晶的三方-四方相变温度(T_RT)约为160 ℃,居里温度(T_C)约为260 ℃,室温压电系数d₃₃、d₃₁、d₁₅分别为1 340 pC/N、-780 pC/N、321 pC/N,介电常数ε^T₃₃、ε^S₃₃、ε^T₁₁、ε^S₁₁分别为2 700、905、2 210、1 927,机电耦合系数 k₃₃、k₃₁、k₁₅、k_t分别为 87%、58%、38%、61%。其纵向压电常数(d₃₃)和纵向机电耦合系数(k₃₃)小于 PMN-PT 单晶,但是横向压电性能(d₃₁)和剪切压电性能(d₁₅)都略高于PMN-PT单晶。另外,研究了机电耦合性能随温度的变化趋势,发现0.66PIN-0.34PT单晶在150 ℃以下有较好的温度稳定性。     

Mg2Sn机械性质及热电输运性能的第一性原理计算

窄带隙半导体材料Mg₂Sn具有丰度大、密度低、无毒及环境友好等特点,是中低温热电材料的优秀候选者。本文基于密度泛函理论,结合不同形式的电子交换关联能系统分析了Mg₂Sn晶体的弹性系数、声子振动谱和电子能带结构,并基于非平衡玻尔兹曼输运理论计算了Mg₂Sn的热电性能。结果表明,GGA-PBE作为电子交换关联能可以很好地拟合立方相Mg₂Sn的力学性能(声子振动谱无虚频率),其体弹性模量为42.1 GPa且各向同性。同时,当工作温度高于300 K,Mg₂Sn的德拜温度开始趋于平缓且不高于315 K,表明Mg₂Sn在该温度区域内具有低声子热导率。使用B3LYP作为电子交换关联能可以估算Mg₂Sn费米能级附近的电子结构,发现价带顶附近存在三重简并态。同时计算结果表明,Mg₂Sn p型掺杂下的热电优值(ZT值)优于n型掺杂,可达1.05。本研究结果为进一步优化Mg₂Sn热电性能的研究提供借鉴。     

Dendrite spacing in unidirectionally solidified Al-Cu alloy

Directional solidification experiments have been carried out to study the variation in primary and secondary arm spacings with solidification parameters in the Al-Cu system. It is found that the primary arm spacing Z₁ obeys the common correlation Z₁ = KG^-aV^-b in the high velocity regime or low temperature gradient regime, where a and b are constants, the value of K included the composition dependence, G is the temperature gradient in the liquid and V the growth rate; however, it does not obey this correlation for the low velocity regime or high temperature gradient regime but goes through a maximum or a catastrophe as a function of V or G at V = V_cs/k or G = kG_cs, where k is the equilibrium distribution coefficient, and V_cs and G_cs are the critical velocity and temperature gradient at the limit of constitutional undercooling respectively. The initial secondary arm spacings Z₂₀ are nearly independent of G and mainly depended on V, Z₂₀ = 0.016 V^-0.54 (mm). The secondary arm spacing Z₂ tends to c oarsen with time and thus is a function of coarsening time t_f, Z₂ = 0.016t^0.34_f (mm). Theoretical analyses of the primary arm spac ing and the initial secondary arm spacing have been proposed, and the derived relationships agree reasonably well with the above experimental results.