纳米多晶体的热力学函数及其在相变热力学中的应用

以往关于纳米材料热力学的研究，绝大多数以界面的热力学函数表征整体纳米材料的热力学性质，这种近似处理，对于尺寸超过几十纳米的较粗纳米材料，在相变热力学中对特征转变温度和临界尺寸等重要参量的预测，将导致很大误差. 应用“界面膨胀模型”和普适状态方程，研究了纳米晶界的热力学特性，进一步发展了纳米晶整体材料热力学函数的计算模型，给出了单相纳米多晶体的焓、熵和吉布斯自由能随界面过剩体积、温度，以及晶粒尺寸发生变化的明确表达式. 以Co纳米晶为例，分析了界面与整体纳米多晶体热力学函数的差异，确定了相变温度与晶粒尺寸的依赖关系，以及一定温度下可能发生相变的临界尺寸. 关键词： 纳米多晶体 热力学函数 相变热力学     

玻璃基底上平衡态液滴接触角特性

为了了解玻璃基底上平衡态液滴接触角特性,采用实验和理论相结合的方法分析了玻璃基底表面水滴平衡时应满足的热力学条件,得到了液滴汽-液界面形状以及平衡态接触角大小。分析发现,玻璃基底上平衡态液滴接触角是与三相接触线压力相关的热力学参数,当三相接触线曲率一定时,平衡态液滴接触角随三相接触线处压比的增加而增大.同时,考虑到固-液界面吸附特性,根据平衡态时系统亥姆霍兹自由能最小这一热力学判据可以预测出液滴平衡接触角大小,结果和实验值吻合。     

微藻中低温水热水解动力学及焓熵分析

针对微藻生物质的水热转化过程,研究不同温度(100~150℃)下水热水解的产糖特性.采用两相提取的two-site模型和二级反应模型分析糖析出过程,恒温下Vant's Hoff公式分析焓熵变化。糖类析出以阻力扩散为主,温度越高,非阻力与阻力扩散糖析出产率均升高,非阻力扩散占比增加,从100℃升高到150℃,非阻力扩散糖析出产率由3.57变为21.37 mg·g~(-1)DW,阻力扩散糖析出率由71.82变为93.94 mg·g~(-1)DW。糖的析出过程△H为72.52 kJ·mol~(-1)、△S为202.43 J·mol~(-1)K~(-1),随着温度增加,△G由-0.36 kJ·mol~(-1)减小到-1.58 kJ·mol~(-1),利于糖析出.     

高压下Ni_3Al热力学性质的第一性原理研究北大核心CSCD

运用第一性原理方法结合准谐Debye-Grüneisen模型研究了高压下Ni3Al的热力学性质,拟合了Ni3Al的状态方程,计算了不同压强下Ni3Al的弹性模量及吉布斯自由能等热力学性质随温度的变化关系.计算结果表明:采用七阶Birch-Murnaghan方程拟合的晶格常数与实验测量结果吻合较好;零压下弹性模量、吉布斯自由能、焓、熵、热容和体膨胀系数随温度的变化与实验值符合较好;在特定压强下,Ni3Al的弹性模量和吉布斯自由能随温度升高而减小,焓、熵随温度升高而增加;预测的德拜温度约为500K,与实验值符合较好.     

高压下Ni3Al热力学性质的第一性原理研究

运用第一性原理方法结合准谐Debye-Grüneisen模型研究了高压下Ni3Al的热力学性质,拟合了Ni3Al的状态方程,计算了不同压强下Ni3Al的弹性模量及吉布斯自由能等热力学性质随温度的变化关系. 计算结果表明：采用七阶Birch-Murnaghan方程拟合的晶格常数与实验测量结果吻合较好;零压下弹性模量、吉布斯自由能、焓、熵、热容和体膨胀系数随温度的变化与实验值符合较好;在特定压强下,Ni3Al的弹性模量和吉布斯自由能随温度升高而减小,焓、熵随温度升高而增加;预测的德拜温度约为500K,与实验值符合较好.     

弗兰克-赫兹实验中电流信号强度随温度变化的现象

弗兰克-赫兹实验中,IP-VG2K信号的强度会随温度和灯丝电压而变化.本文发现在温度低于160℃时,IP-VG2K信号强度随温度的升高而减小;当温度超过170℃后,信号随温度的升高而增大.本文提出了电场中Hg蒸气被热电离的模型,利用热力学平衡定律和Le Chteler原理,对此现象提出了合理的解释并通过了实验的验证.     

激光脉冲能量对激光诱导铝合金等离子体物理特性的影响

为研究激光脉冲能量对激光诱导等离子体辐射特性和膨胀过程的影响,采用ICCD相机对不同激光脉冲能量激发的铝合金等离子体进行快速成像,并利用Boltzmann斜线法和Stark展宽法分析等离子体的电子温度和电子数密度随激光脉冲能量的演化规律.实验结果表明,激光诱导等离子体呈现明显的分层结构,等离子体的激发阈值约为3mJ,等离子体不同区域的面积随激光脉冲能量变化呈现不同的特征.当激光脉冲能量低于10mJ时,等离子体的分层结构不显著.激光脉冲能量从10mJ增加到100mJ过程中,等离子体电子温度从4 980K升高到7 221K,等离子体的电子数密度在1017 cm-3量级并随激光能量增加而增大且趋于饱和.     

溅射沉积自诱导混晶界面与Ge量子点的生长研究

在不同的沉积温度下采用离子束溅射技术,在Si基底上生长得到分布密度高、尺寸单模分布的圆顶形Ge量子点.研究发现:随沉积温度的升高Ge量子点的分布密度增大,尺寸减小,当沉积温度升高到750 ℃时,溅射沉积15个单原子层厚的Ge原子层,生长得到高度和底宽分别为14.5和52.7 nm的Ge量子点,其分布密度高达1.68×10¹⁰ cm^-2;Ge量子点的形貌、尺寸和分布密度随沉积温度的演变规律与热平衡状态下气相凝聚的量子点不同,具有稳定形状特征和尺寸分布的Ge量子点是 关键词： Ge量子点 离子束溅射沉积 表面原子行为 混晶界面     

结温对GaN基白光LED光学特性的影响

制备了一个可测量n型GaN材料电阻的白光LED样品,测量了从室温到170℃下的LED芯片的n-GaN材料的电阻,发现n-GaN材料的电阻随温度的升高而增大,且两者呈一定的指数关系。利用这一特性,通过测量LED工作状态下内部所用GaN材料的电阻,可以实现对LED结温的测量。通过改变积分球底板温度使LED样品处于不同的结温下,测量了白光LED的光谱及色度学参数,结果表明:白光LED的峰值波长、显色指数、色温、光通量均与结温成一定的线性关系。     

应变效应对金属Cu表面熔化影响的分子动力学模拟

采用Mishin镶嵌原子势，通过分子动力学方法模拟了金属Cu 的(110)表面在不同应变下的熔 化行为，分析了表面熔化过程中系统结构组态和能量的变化以及固液界面迁移情况.金属Cu 的(110)表面在低于热力学熔点的温度下发生预熔化，准液体层的厚度随温度升高而增加.当 温度高于热力学熔点时，固液界面的移动速度与温度成正比，外推得到热力学熔点为1380K ，与实验结果1358K吻合良好.应变效应（包括拉伸和压缩）导致热力学熔点降低，并促进表 面预熔化进程.在相同温度条件下，准液体层的厚度随应变绝对值的增加而增大.应变效应导 致的固相自由能增加是金属Cu(110)表面热稳定性下降的主要因素，且表面应力和应变方向 的异同也会影响表面预熔化的进程. 关键词： 表面预熔化 热力学熔点 表面应力 分子动力学     

γ-CuI超快闪烁转换屏的制备与性能表征

以石英基片为衬底,采用真空热蒸发法,通过调控衬底温度制备出了具有微柱结构、柱径在μm量级、厚度约17 μm的γ-CuI超快闪烁转换屏。在X射线激发下,所制备的γ-CuI超快转换屏具有峰位在430 nm的快成分发射峰和峰位在700 nm的慢成分发射带,其中快成分发射峰占总发光的主要部分;随着衬底温度由170 ℃升高至210 ℃,转换屏430 nm发射峰的强度会逐渐减弱,而700 nm发射带的强度则逐渐增强,这可能是由于较高的衬底温度会造成碘流失从而引起转换屏中碘空位增加、铜空位减少所致(Cu/I增大),碘流失的假设得到了卢瑟福背散射实验的验证。γ-CuI超快转换屏的晶体结构呈(111)晶面择优取向,且不随衬底温度而变化,当衬底温度升高至210 ℃时,由于CuI分子获得的动能增加,转换屏还会出现微弱的(220)和(420)晶面的取向。当衬底温度由170℃增至190 ℃时,转换屏的微柱结构会随之优化,微柱结构明显,但当衬底温度进一步增至210 ℃时,由于表面扩散和体扩散效应加剧,微柱结构会随之退化。最后,采用刃边法测量了所制备γ-CuI转换屏的空间分辨率,结果显示170,190和210 ℃衬底温度条件下所制备的转换屏,其空间分辨率分别为：4.5,7.2和5.6 lp·mm-1,微柱结构有助于提高转换屏的空间分辨率。     

氮化铝薄膜的硅热扩散掺杂研究

采用热扩散方法,对AlN薄膜进行了Si掺杂。利用电子能量散射谱(EDS)以及高温变温电导对薄膜进行了分析。EDS测试结果表明:在1 250 ℃的温度下,氮化硅(SiN_x)作为Si的扩散源,可以实现对AlN薄膜的Si热扩散掺杂。高温电流-电压(I-V)测试表明:在460 ℃测试温度下,AlN薄膜在热扩散掺杂以后,其电导从1.9×10^-3 S·m^-1增加到2.1×10^-2 S·m^-1。高温变温电导测试表明:氮空位(V³⁺_N)和Si在AlN中的激活能为1.03 eV和0.45 eV。     

基于弛豫型铁电三元共聚物聚(偏氟乙烯-三氟乙烯-氯代偏氟乙烯)热释电性能的能量采集研究

研究了利用弛豫型铁电三元聚合物薄膜P(VDF-TrFE-CFE)的热释电性质,以温度波动作为初始能量形式进行热电能量的采集。由于该聚合物薄膜在发生由温度变化诱导的纳米极性区极化机制转换时,介电常数表现出明显的非线性变化,所以可以结合Ericsson循环实现热电能量采集。实验结果显示,最佳能量采集温度区间为20~-20℃,利用不同温度下的单极性电滞回线进行Ericsson循环模拟,两种模拟方式分别实现能量采集最大值和最小值,并从微观角度给出了两种模式的解释。同时研究了温度波动和外加电场对能量采集的影响。在外加电场100 kV·mm^-1、温度波动为40℃的情况下,能量采集值达到3483 mJ·cm^-3。与单晶材料相比,能量采集值提高了10倍。当工作温度降低至室温时,材料具有柔性,在能量采集方面具有应用潜力。     

多波长半导体激光阵列端泵Nd:YAG脉冲激光器

研制了无温控多波长激光二极管阵列端面泵浦Nd：YAG电光调Q激光器。采用4 000 W多波长准连续激光二极管阵列作为泵浦源,快轴准直镜与透镜导管作为泵浦耦合系统,端面泵浦φ6 mm×60 mm的Nd：YAG晶体,并采用RTP晶体进行电光调Q实验。在重复频率5 Hz、室温（25℃）时,激光器获得了最大输出能量74.4 mJ、脉宽15 ns的1 064 nm脉冲激光输出,光光转换效率达到11%。在25~55℃的工作温度下,对多波长LDA的光谱特征与激光器的输出特性作了测试,激光器输出能量随着工作温度的上升而先迅速下降再逐步保持稳定,当重复频率分别为5 Hz和10 Hz时,激光器对应的最低输出能量分别为48 mJ与37 mJ。     

防己诺林碱与牛血清白蛋白相互作用的研究

在不同温度下,用荧光猝灭光谱、同步荧光光谱和紫外-可见吸收光谱,研究了防己诺林碱与BSA相互作用的光谱学行为。防己诺林碱对BSA有较强的荧光猝灭作用。根据不同温度下防己诺林碱对BSA的荧光猝灭作用,利用Stern-Volmer方程处理实验数据,表明防己诺林碱对BSA的荧光猝灭作用属于静态猝灭。根据Frster非辐射能量转移理论计算出了防己诺林碱与BSA间的结合距离R(27 ℃ 2.51 nm; 37 ℃ 2.72 nm; 47℃ 2.89 nm)、结合常数K_A(27 ℃ 1.05×105 L·mol-1; 37 ℃ 3.31×105 L·mol-1; 47 ℃ 7.24×105 L·mol-1)及对应温度下的热力学参数。热力学数据表明二者主要靠疏水作用力结合,同时用同步荧光光谱探讨了防己诺林碱对BSA构象的影响。     

模板对异构体选择性生长的动力学控制作用与化学气相沉积金刚石的生长机理

阐述了模板的动力学控制作用对大尺度有序结构特别是亚稳相的生长，对自由能相差很小的异构体的选择生长所具有的重要作用.汲取现有金刚石生长理论的合理思想，以模板概念为基础给出了对化学气相沉积(CVD)过程的动力学热力学综合描述：1)碳原子在碳氢化合物中的化学势高于固相碳，气相碳氢化合物的碳原子有可能落到化学势较低的固态碳的各种异构体.2)气相碳通过表面反应实现向固相碳的转化.3)表面的模板作用是控制气相碳原子转换方式的主要动力学因素，不同的表面(石墨各种取向的表面及金刚石不同取向的表面)选择了落入其上的碳原子的结构方式及能量状态.4)因此,衬底的不同区域可发生几种不同的独立的表面反应过程,这些反应对应于不同表面的生长.5）而这些表面反应的方向性及速度受表面临域热力学因素的影响，反应的方向性决定了某种晶面是生长或刻蚀，在特定的温度、压强及各种气体分压下可以实现金刚石的生长和石墨的刻蚀.6)衬底局域晶格结构及键价结构和衬底表面气相的温度、压强及各种气体分压等热力学条件共同决定了成核的临界条件.7）与外界有能量和物质交换的等离子体系统，以及气相中发生的一系列化学反应，仅起到了维持某种固相表面生长所需要的非平衡热力学条件和化学条件的作用.金刚石和石墨表面具有的模板动力学控制作用，在特定热力学条件下主导自身外延层的生长方式；异质衬底的某些局域微观结构可以作为新相生长成核的局域模板；不同材料、不同的处理方法、及不同的化学环境下的衬底具有不同的局域微观结构，从而决定了多晶薄膜的取向优势. 关键词： 模板 异构体 选择性生长 金刚石薄膜     

Structural characterization and optoelectronic properties of GaN thin films on Si(111) substrates using pulsed laser deposition assisted by gas discharge

GaN films have been grown on Si(111) substrates with a thin AlN buffer layer using pulsed laser deposition (PLD) assisted by gas discharge. The crystalline quality, surface morphology and optoelectronic properties of the deposited films were characterized by X-ray diffraction (XRD), atomic force microscopy (AFM), photoluminescence (PL) spectroscopy, and room-temperature Van der Pauw–Hall measurements. The influence of the deposition temperature in the range 637–1037 K on the crystallinity of GaN films, the laser incident energy in the range 150–250 mJ/pulse on the surface morphology and the optoelectronic properties were systematically studied. The XRD analysis shows that the crystalline quality of the GaN films improves with increasing deposition temperature to 937 K, but further increase of the deposition temperature to 1037 K leads to the degradation of the crystalline quality. AFM results show that the surface roughness of the GaN films can be decreased with increasing laser incident energy to 220 mJ/pulse. Further increase of the laser incident energy to 250 mJ/pulse leads to an increase in the surface roughness. The optoelectronic properties of GaN films were also improved by increasing the laser incident energy to 220 mJ/pulse. GaN films which have a n-type carrier concentration of 1.26×10¹⁷ cm^-3 and a mobility of 158.1 cm²/Vs can be deposited at a substrate temperature of 937 K, a deposition pressure of 20 Pa and a laser incident energy of 220 mJ/pulse. Their room-temperature PL spectra exhibit a strong band-edge emission at 365 nm. PACS 81.15.Fg; 81.05.Ea; 78.20.-e; 73.61.Ey; 78.66.Fd     

氧压对飞秒激光沉积ZnO/Si(100)薄膜光学性能的影响

利用飞秒脉冲激光沉积法在n-Si（100）单晶衬底上制备了ZnO薄膜, 分析了衬底温度、激光能量、氧压及退火处理对薄膜结构和光学性能的影响. X射线衍射结果表明, 当激光能量为15?mJ、氧压为10?mPa时, 80?℃生长的薄膜取向性最好. 场扫描电子显微镜结果显示薄膜的晶粒尺寸随激光能量的增加而减小、随衬底温度的升高而增大且退火后明显变大. 紫外-可见透射光谱显示薄膜具有90%以上的可见光透过率.光致发光谱表明当氧压为10 mPa时,除了ZnO的紫外本征峰外, 还有一波长为410 nm的强紫光峰, 当氧压增至20 mPa以上, 所有缺陷峰均消失, 只有376 nm处的紫外本征峰. 与纳秒激光法所制备的薄膜特性进行了比较, 结果表明, 虽然纳秒激光沉积所制备的薄膜具有更高的c轴取向度, 但飞秒激光沉积制备的薄膜具有更好的发光性能. 关键词： 氧化锌 飞秒脉冲激光沉积 透过率 光致发光     

准分子宽带泵浦碱金属激光器实现铷激光输出

采用自主搭建的光学参量振荡器作为泵浦源:脉宽15 ns,脉冲能量10 mJ,中心波长756.3 nm,谱宽0.5 nm;增益介质为Rb-Ar混合气体,封装于长75 mm的吸收池内,常温下Ar的含量为67 kPa,开展了出光实验。在温度为136 ℃时,实现了780 nm铷激光输出。     

生长温度对Ga掺杂ZnO薄膜光电性能的影响

在不同衬底温度(室温~750 ℃)条件下,采用脉冲激光沉积(PLD)方法在石英玻璃和单晶硅(111)衬底上制备了Ga掺杂ZnO(GZO)薄膜。结果显示:衬底温度的变化导致衬底表面吸附原子扩散速率和脱附速率的不同,从而导致合成薄膜结晶质量的差异,衬底温度450 ℃时制备的GZO薄膜具有最好的结晶特性;GZO薄膜中载流子浓度随衬底温度升高而单调减小的现象与GZO薄膜中的本征缺陷密切相关,晶界散射强度的变化导致迁移率出现先增大后减小的趋势,衬底温度450 ℃时制备的GZO薄膜具有最小的电阻率~0.02 Ω·cm;随着衬底温度的升高,薄膜载流子浓度的单调减小导致了薄膜光学带隙变窄,所有合成样品的平均可见光透过率均达到85%以上。采用PLD方法制备GZO薄膜,衬底温度的改变可以对薄膜的光电性能起到调制作用。