新型功能碳材料的高压截获

高性能功能材料在诸多领域具有广泛的应用前景,是人们一直关注的研究热点。高压可以有效地改变物质的原子间距和成键方式,是获得新型功能材料的重要途径。在碳材料的高压研究中,许多有趣的功能碳材料,如光学透明碳、高强度弹性碳和超硬非晶碳等,已经通过不同的碳前驱体合成。本文简要介绍了作者近年来在低维碳基纳米复合材料高压研究中取得的进展,基于设计的不同低维碳前驱体,高压下截获了具有超硬特性、新型压致共价聚合及发光增强的碳材料。     

声学超表面的非对称声分束特性研究

非对称声分束超表面是由人工微单元结构按照特定序列构建的二维平面结构,可将垂直入射的声波分成两束传播方向和分束比自由调控的透射波,在声功能器件设计及声通信领域具有广泛的应用前景。本文系统研究了一种实现非对称声分束的设计理论和实现方法,基于局域声功率守恒条件研究了声分束器的设计理论、阻抗矩阵分布、法向声强分布、声压场分布等。利用遗传算法对四串联共振腔结构进行参数优化实现了声分束器所需的阻抗矩阵分布,声压场分布表明声波入射到声分束器后在入射侧激发出两列传播方向相反且幅值和衰减系数均相同的表面波,实现了入射侧与透射侧的局域声功率相互匹配。声波经过声分束器后被分为两束透射波,两束透射波的折射角和透射系数与理论值十分吻合,证明了设计理论及实现方法的正确性和可行性。本文的研究工作可以为新型非对称声分束结构设计提供理论参考、设计方法和技术支持,并促进其在工程领域的实际应用。     

硅和锗纳米线的原子排布和电荷分布的密度泛函紧束缚方法研究

低维硅锗材料是制备纳米电子器件的重要候选材料，是研发高效率、低能耗和超高速新一代纳米电子器件的基础材料之一，有着潜在的应用价值。采用密度泛函紧束缚方法分别对厚度相同、宽度在0.272 nm~0.554 nm之间的硅纳米线和宽度在0.283 nm~0.567 nm之间的锗纳米线的原子排布和电荷分布进行了计算研究。硅、锗纳米线宽度的改变使原子排布，纳米线的原子间键长和键角发生明显改变。纳米线表层结构的改变对各层内的电荷分布产生重要影响。纳米线中各原子的电荷转移量与该原子在表层内的位置相关。纳米线的尺寸和表层内原子排列结构对体系的稳定性产生重要影响。     

Na原子链表面等离激元特性的含时密度泛函研究

本文用含时密度泛函理论研究了线性Na原子链的表面等离激元机理.主要在原子尺度下模拟计算了体系随着原子数增加及原子间距变化的集体激发过程.研究发现线性原子链有一个普遍的特性——存在一个纵模和两个横模.两个横模一般在实验上很难被观测到.纵模随着原子链长度增加,能量红移的同时,该纵模主峰的强度呈线性增长.随着原子个数的增加,端点模式(TE)开始蓝移,能量和偶极强度都逐渐趋向饱和.横模能量被劈裂的原因概括如下:(一)每个位置的电子受到的势不同,在两端的电子受到的势要比在中间的电子受到的势要高,因此两端的电荷积累也比中间多;(二)端点存在悬挂键,所以中间的电子-电子间相互作用与端点的不一样,这两方面又都与原子间距d有关.     

陶瓷基功能材料载体纤维增强效果及机理

以陶瓷基功能材料载体为研究对象,按照其生产工艺配方,研究了纤维种类(莫来石、氧化铝、氧化锆)及其添加量对陶瓷基功能材料载体性能的影响.在相同实验条件且不影响其功能化参数前提下,将其与未添加纤维的空白试样力学性能进行对比.结果表明,试样经1200℃烧成后,相比莫来石与氧化铝纤维增强的陶瓷基功能材料载体,氧化锆纤维的增强效果最好.当氧化锆纤维的添加量为0.8 wt;时,试样的吸水率和气孔率均较低,分别为2.0;、4.0;,相比空白对比试样抗折强度增强了42.4;.     

爆炸加载下混凝土表面的裂纹扩展

为深入研究内爆加载下岩土类材料的破坏机理，提出了一种新的爆炸裂纹检测算法，采用数字图像相关方法测量表面位移场和应变场，建立了裂纹扩展和扩张模型，并通过混凝土内爆试验观测裂纹扩展过程，研究了裂纹长度扩展与宽度扩张规律。结果表明，裂纹长度扩展是应力波和爆生气体共同作用的结果，裂纹最大扩展速度为225.95 m/s，平均速度为122.27 m/s，裂纹总长159.92 mm，长度扩展止于1.75 ms；裂纹的张开由气体主导，最大宽度1.59 mm，作用时间长达4.5 ms；拉应变集中区先于裂纹出现，其形状决定了裂纹的走向和趋势，爆炸加载下断裂过程区长度为骨料粒径的8～9倍。     

Compton散射下等离子体球太赫兹散射特性

为了研究Compton散射对等离子体球太赫兹(THz)散射特性的影响,将多光子非线性Compton散射模型引入到该研究中,提出了将Compton散射作为影响等离子体球太赫兹散射的重要因素,给出了各向异性等离子体球散射场修正方程及介电常数张量、观测方位、极化状态等因素对THz波散射的影响,并进行了仿真实验。结果表明:微分散射截面随THz波频率变化近乎呈准谐振规律变化,较散射前增大了0.001;微分散射截面随观测方位和极化状态的变化较散射前增大了0.002。     

韦伯分布布谷鸟搜索算法颗粒粒径分布反演

韦伯分布在非线性寻优问题中具有较好的寻优精度和全局搜索能力,为此提出一种基于韦伯分布的布谷鸟搜索（WCS）算法来解决颗粒粒径分布反演的问题。使用WCS算法对服从Johnson’s S_B分布、Rosin-Rammler分布和正态分布的单峰颗粒系和双峰颗粒系进行颗粒粒径分布的反演,并分别与其他传统算法的处理结果进行比较。结果表明,WCS算法的整体效果优于人工鱼群算法和人工蜂群算法,且改进后的4种重尾分布CS算法的标准差比原CS算法提升2～3个数量级。目标函数散射光能加入噪声后,WCS算法比其他三种重尾分布的相对均方根误差值至少可降低1/2。使用小角前向散射测量系统对单峰颗粒系和双峰混合颗粒系进行实验研究,发现WCS算法的相对均方根误差比原CS算法降低约为40%。     

衬底对单层二硫化钼光学性质的影响

为了实现二硫化钼器件化应用,通过机械剥离和PMMA纳米转移相结合的方法,研究二氧化硅、氮化硅和蓝宝石衬底对单层二硫化钼拉曼光谱以及光致发光光谱的影响.实验结果表明,单层二硫化钼在二氧化硅、氮化硅及蓝宝石衬底间转移会释放应力.氮化硅和蓝宝石衬底对单层二硫化钼引入p型掺杂,导致转移后拉曼光谱中的403 cm-1处A1g峰发生0.48 cm-1和1.20 cm-1的蓝移,光致发光光谱中的位于662 nm处的I峰有5.44 nm和12.73 nm的红移.本工作对单层二硫化钼的应用具有重要意义.     

限域量子态调控研究

电子、激子和声子等量子态在固体中的行为早已被人们所熟知. 然而，当体系的尺寸只有纳米量级的时候，已有的固体理论常常不能适用，需要新的低维物理理论的建立. 我们系统研究了低维体系限域量子态（包括电子、激子和声子）的行为对环境、应力、压力及光的响应和性质的调控. 较早认识到低维体系之显著的表面-体积比对量子态性质调控之有效性，系统地揭示了低维体系的一系列由表面和应力决定的新颖性质，证明了低维体系的表面和应力效应同量子限域效应同等重要. 本文概况了如下五个方面的结果：（1）一种使用应力效应调控电子能带结构的方法和（2）一种使用表面效应调控电子能带结构的方法（这两个方法都可将低维体系能带从间接能隙调控至直接能隙能带结构）；（3）一种低维体系表面掺杂方法，该方法将在低维体系掺杂中取代传统方法；（4）量子点表面诱导的光致异构现象；（5）基于表面自催化半导体低维结构的形成机理. 希望我们的研究工作有助于促进低维体系在光电子、纳电子、环境、能源、生物和医学等领域的应用.