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。     

大尺寸电阻加热式碳化硅晶体生长热场设计与优化

大尺寸低缺陷碳化硅(SiC)单晶体是功率器件和射频(RF)器件的重要基础材料,物理气相传输(physical vapor transport, PVT)法是目前生长大尺寸SiC单晶体的主要方法。获得大尺寸高品质晶体的核心是通过调节组分、温度、压力实现气相组分在晶体生长界面均匀定向结晶,同时尽可能减小晶体的热应力。本文对电阻加热式8英寸(1英寸=2.54 cm)碳化硅大尺寸晶体生长系统展开热场设计研究。首先建立描述碳化硅原料受热分解热质输运及其多孔结构演变、系统热输运的物理和数学模型,进而使用数值模拟方法研究加热器位置、加热器功率和辐射孔径对温度分布的影响及其规律,并优化热场结构。数值模拟结果显示,通过优化散热孔形状、保温棉的结构等设计参数,电阻加热式大尺寸晶体生长系统在晶锭厚度变化、多孔介质原料消耗的情况下均能达到较低的晶体横向温度梯度和较高的纵向温度梯度。     

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。     

立方相KNbO3晶体本征空位点缺陷的电子结构研究

利用第一性原理从头计算方法对立方相KNbO3晶体的肖特基缺陷的稳定性、能带结构、电子态密度和磁性性质进行了研究.发现含本征点缺陷的KNbO3体系结构稳定;K,Nb空位诱导KNbO3缺陷晶体产生铁磁性;O空位则无此性质.K空位诱导KNbO3缺陷晶体磁性源于O原子2p轨道退简并;Nb空位诱导KNbO3缺陷晶体磁性源于O-2p电子极化.     

高压下β-InSe弹性常数、电子结构的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,本文研究了高压对β-InSe弹性常数、机械性能和电子结构的影响.在0～20 GPa范围内,随着压力的增大,β-InSe的晶格常数、晶胞体积逐渐减小,结构参数a/a_0、c/c_0、V/V_0单调减小.在0～12 GPa范围内,弹性模量G、E、B和泊松比v随着压力增大而增大,在16 GPa时大幅减小,G、E、B分别减小了34.9%、53.3%、82.9%.随着压力增大,Se-In和In-In原子之间的电荷密度增大,Se-In原子之间的共价键增强,层间距减小.而且,β-InSe在20 GPa时带隙消失,发生了半导体向半金属的相变.     

三探针方法脉冲放电等离子体特性

基于三探针方法开展了脉冲放电等离子体特性研究,实现了单次脉冲放电等离子体参数的时变特性诊断。采用金属罩屏蔽、示波器锂电池供电等方法降低了电磁信号干扰,利用Labview编制了特定的程序进行三探针诊断数据处理。根据脉冲放电等离子体具有多电荷态离子成分、离子超声速运动等特点,对三探针理论进行相应修正。诊断结果表明,整个放电脉冲内高压引出界面电子温度Te处于2~4eV之间,离子密度ni处于1017~1018 m-3量级之间,与Langmuir单探针诊断结果吻合。     

高雷诺数下非混相Rayleigh-Taylor不稳定性的格子Boltzmann方法模拟

本文采用相场格子Boltzmann方法研究了竖直微通道内中等Atwoods数流体的单模Rayleigh-Taylor不稳定性问题,系统分析了雷诺数对相界面动力学行为以及扰动在各发展阶段演化规律的影响.数值结果表明高雷诺数条件下,不稳定性界面扰动的增长经历了四个不同的发展阶段,包括线性增长阶段、饱和速度阶段、重加速阶段及混沌混合阶段.在线性增长阶段,我们计算获得的气泡与尖钉振幅符合线性稳定性理论,并且线性增长率随着雷诺数的增加而增大.在第二个阶段,我们观察到气泡与尖钉将以恒定的速度增长,获得的尖钉饱和速度略高于Goncharov经典势能模型的解析解[Phys.Rev.Lett.200288134502],这归因于系统中产生了多个尺度的旋涡,而涡之间的相互作用促进了尖钉的增长.随着横向速度和纵向速度的差异扩大,气泡和尖钉界面演化诱导产生的Kelvin–Helmholtz不稳定性逐渐增强,从而流体混合区域出现许多不同层次的涡结构,加速了气泡与尖钉振幅的演化速度,并在演化后期阶段,导致界面发生多层次卷起、剧烈变形、混沌破裂等行为,最终形成了非常复杂的拓扑结构.此外,我们还统计了演化后期气泡与尖钉的无量纲加速度,发现气泡和尖钉的振幅在后期呈现二次增长规律,其增长率系数分别为0.045与0.233.而在低雷诺条件下,重流体在不稳定性后期以尖钉的形式向下运动而轻流体以气泡的形式向上升起.在整个演化过程中,界面变得足够光滑,气泡与尖钉在后期的演化速度接近于常数,未观察到后期的重加速与混沌混合阶段.     

HIRFL–CSR加速器中束流与真空中剩余气体的碰撞损失

研究了重离子加速器中束流与真空中剩余气体的碰撞损失过程和碰撞截面,在依据大量实验数据的基础上,提出了一组计算离子一原子的电荷交换截面的经验公式.以兰州重离子加速器HDRFL及冷却储存环CSR为例,给出了依据碰撞截面的公式计算束流在加速器真空中的传输效率的方法,并计算了在不同真空度下HIRFL的ECR源轴向注入束运线、注入器SFC、前束运线、主加速器SSC和后束运线等不同加速阶段及CSR的传输效率,并提出合理的真空度要求.HIRFL的真空分布测量和束流的损失测量证明了该计算方法的可靠性.