钆钪铝石榴石单晶缺陷的微观形貌与成因研究

采用提拉法生长了2%Dy³⁺和1%Tb³⁺(原子数分数)共掺的钆钪铝石榴石激光晶体(Gd₃Sc₂Al₃O₁₂, GSAG)。研究了晶体(111)晶面的腐蚀缺陷形貌并对缺陷形成机理进行了解释,讨论了晶体缺陷的特征形貌与晶体结构之间的关系。表征并计算了晶体(111)晶面的维氏硬度和莫氏硬度,在0.2 kgf载荷和10 s保荷时间条件下,晶体(111)面的维氏硬度为1 267 kg/mm²,对应的莫氏硬度为7.3。研究结果对揭示混晶石榴石晶体中缺陷的成因和探索高品质晶体生长与加工工艺具有一定的参考价值。     

纳米金刚石的结构、光学性能和热稳定性研究

纳米金刚石兼具纳米材料和金刚石的双重特性,呈现出与微米金刚石、块体金刚石截然不同的特点。本文以不同尺寸金刚石样品为研究对象,采用扫描电镜、X射线衍射、光谱学、热重分析技术对其结构、光学性能和热稳定性进行研究。结果显示样品尺寸分别为300 μm、30 μm和100 nm,大尺寸样品结晶质量较好,富含孤氮杂质,为Ⅰb型金刚石。纳米金刚石样品结晶较差,含有少量石墨残留,并含有H₂O、N—H和C—H键,说明其表面存在诸多有机活性基团。大尺寸金刚石样品存在中性和带负电荷的氮空位缺陷,产生较强荧光,而纳米金刚石由于存在诸多的有机基团和表面缺陷,形成非辐射中心,导致荧光猝灭。大尺寸样品在300~525 nm具有较强吸收,而纳米金刚石样品在紫外-可见-近红外整个区域均呈现出较强吸收,透过率显著较低。随着颗粒尺寸的减小,金刚石的起始氧化温度逐渐下降,氧化速率降低,因此大颗粒尺寸金刚石样品具有更好的热稳定性。     

Eu3+离子注入β-Ga2O3单晶的应力变化和发光性质研究

采用离子注入法制备了不同剂量的β-Ga₂O₃:Eu³⁺样品,并在空气中进行了退火处理,成功实现了Eu³⁺的光学激活。通过拉曼和X射线衍射表征了β-Ga₂O₃晶体随Eu³⁺注入剂量的应力变化趋势,发现随着Eu³⁺剂量的增加,晶格应力先增加后减少,并对其内在机理进行了分析。利用阴极荧光光谱对晶体的发光性质进行了表征,主要观察到峰值位于380 nm附近、宽的缺陷发光峰以及峰值位于591 nm、597 nm和613 nm的Eu³⁺发光峰。通过高斯拟合发现,该380 nm发光峰主要由360 nm、398 nm和442 nm三个子峰构成,分别与自陷激子和施主-受主对有关。此外,Eu³⁺发光峰位置与强度受到基质局域晶体场的影响。     

GeSe基薄膜太阳电池模拟研究

硫化亚锗(GeSe)具有合适的禁带宽度、高的吸收系数和高的载流子迁移率等优异的光电特性,且组分简单、低毒和储量丰富,特别适合作为光伏吸收材料。本文基于新型太阳电池吸收层材料GeSe构筑了结构为金属栅线/AZO/i-ZnO/CdS/GeSe/Mo/玻璃的薄膜太阳电池,分别模拟分析了缓冲层和吸收层的厚度、掺杂浓度,以及吸收层体缺陷密度对器件性能的影响。经过优化CdS缓冲层厚度和掺杂浓度以及GeSe吸收层厚度和掺杂浓度,器件获得高达27.59%的转换效率。这些结果表明GeSe基薄膜太阳电池有成为高效光伏器件的潜力。     

PVT法生长4H-SiC晶体及多型夹杂缺陷研究进展

作为第三代半导体材料的典型代表,碳化硅因具备宽的带隙、高的热导率、高的击穿电场以及大的电子迁移速率等性能优势,被认为是制作高温、高频、高功率以及高压器件的理想材料之一,可有效突破传统硅基功率半导体器件的物理极限,并被誉为带动“新能源革命”的绿色能源器件。作为制造功率器件的核心材料,碳化硅单晶衬底的生长是关键,尤其是单一4H-SiC晶型制备。各晶型体结构之间有着良好的结晶学相容性和接近的形成自由能,导致所生长的碳化硅晶体容易形成多型夹杂缺陷并严重影响器件性能。为此,本文首先概述了物理气相传输(PVT)法制备碳化硅晶体的基本原理、生长过程以及存在的问题,然后针对多型夹杂缺陷的产生给出了可能的诱导因素并对相关机理进行解释,进一步介绍了常见的碳化硅晶型结构鉴别方式,最后对碳化硅晶体研究作出展望。     

生长气压对分子束外延β-Ga2O3薄膜特性的影响

本文采用分子束外延技术在具有6°斜切角的c面蓝宝石衬底上外延β-Ga₂O₃薄膜,系统研究了生长气压对薄膜特性的影响。X射线衍射谱和表面形貌分析表明,不同生长气压下所外延的薄膜表面平整,均具有(201)择优取向。并且,其结晶质量和生长速率均随生长气压增大而逐渐提高。通过X射线光电子能谱分析发现,生长气压增大使得氧空位的浓度大幅下降,高价态Ga比例增大,最终使得O/Ga原子数之比接近理想Ga₂O₃材料的化学计量比值。利用Tauc公式和乌尔巴赫带尾模型进行计算,结果表明随着生长气压的增大,样品的光学带隙由4.94 eV增加到5.00 eV,乌尔巴赫能量由0.47 eV下降到0.32 eV,证明了生长气压的增大有利于降低薄膜中的缺陷密度,提高薄膜晶体质量。     

基于硫蒸气处理转移的单层二硫化钼的荧光增强

采用化学气相沉积法在SiO2/Si衬底上制备了单层MoS2,再通过300℃硫蒸气处理用聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate,PMMA)转移下的单层MoS2.使用原子力显微镜、真空荧光检测和拉曼光谱等手段表征了样品的形貌和光致发光性能.结果表明:经过硫蒸气处理转移后的单层MoS2的光致发光强度比由化学气相沉积法制备的未处理的单层MoS2的光致发光强度增强了约5倍.光致发光强度增强是由于在硫蒸气处理过程中,单层MoS2的部分硫空位被硫原子纳米团簇所填补,从而提高了光致发光效率.此外,分别将单层MoS2转移到SiO2/Si衬底、石英、三氧化铝及氟化镁衬底再经过硫处理后,也观察到了类似的荧光增强现象.     

考虑周长约束的圆柱薄壳初始几何缺陷随机场建模方法

利用随机场对圆柱薄壳结构的初始几何缺陷进行建模,并据此建立了一种用于含初始几何缺陷轴压圆柱薄壳屈曲分析的随机分析方法。首先,指出已有将圆柱薄壳初始几何缺陷表征为二维高斯随机场的方法会导致与实际不相符的初始几何缺陷,如圆柱周长显著增大或缩小的几何缺陷。其次,提出一种考虑周长不变约束的随机场建模方法,以剔除与实际不相符的随机几何缺陷。最后,基于所建立的初始几何缺陷随机场模型,利用非干涉多项式混沌展开法进行圆柱薄壳的随机屈曲分析,给出临界屈曲载荷的概率分布。数值试验结果表明,基于随机场理论的初始几何缺陷建模方法可有效刻画几何缺陷对结构承载能力的影响,而提出的约束随机场建模方法又能有效减小结果的分散性。     

氢化物气相外延生长氮化镓单晶衬底的研究进展

氮化镓(GaN)晶体是制备蓝绿光激光器、射频微波器件以及电力电子等器件的理想衬底材料,在激光显示、5G通讯及智能电网等领域具有广阔的应用前景.目前市场上的氮化镓单晶衬底大部分都是通过氢化物气相外延(Hydride Vapor Phase Epitaxy,HVPE)方法生长制备的,在市场需求的推动下,近年来HVPE生长技术获得了快速的发展.本论文综述了近年来HVPE方法生长GaN单晶衬底的主要进展,主要内容包含HVPE生长GaN材料的基本原理、GaN单晶中的掺杂与光电性能调控、GaN单晶中的缺陷及其演变规律和GaN单晶衬底在器件中的应用.最后对HVPE生长方法的发展趋势进行了展望.     

刹车片表面缺陷的图像检测方法

针对汽车刹车片表面纹理情况不一、种类繁多的问题,提出一种基于机器视觉的刹车片表面缺陷图像检测方法,该方法结合了灰度共生矩阵与密度聚类。首先提取刹车片的摩擦面,然后确定灰度共生矩阵的构造因子的选取,利用线性相关性选择特征参数。将每个摩擦面切分成若干小窗口,计算各个小窗口的特征值构造特征数据集,通过自适应密度聚类算法进行聚类分析,从而进一步判断是否存在缺陷区域。通过对58块不同型号的刹车片样本进行检测结果统计分析,实验表明,该方法误检率为8%,漏检率为6%,具有较高的检测精度,因此,该方法能够较好地检测刹车片样本是否存在缺陷,具有广泛的适用性。