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[硕士论文] 黄世叶
凝聚态物理 广西大学 2017(学位年度)
摘要:真实材料的微观演化行为一直是人们所感兴趣的研究方向,特别是纳观尺度下的缺陷运动情况。受制于设备的限制,一直以来,人们只能通过实验得到的图案,结合一些数据结果,来推测材料的行为。但是当研究的材料结构或材料所属的环境很复杂时,这时候就需要采用计算机模拟实验。晶体相场(PFC,Phase-Field-Crystal)法是一种可以模拟晶体纳米尺度结构的研究方法,通过确定研究对象的密度场和最小化自由能函数,结合相应的动力学方程,即可模拟纳米尺度下晶体材料的演化过程。目前已发展成为一种成熟的模拟纳米材料的研究手段,与传统的相场方法相比,晶体相场方法能够胜任描述原子尺度结构和大的扩散时间尺度的研究。
  工程使用的金属材料一般是多晶体。材料加工过程中,多晶体会受到各种作用,如挤压,腐蚀,高温等,这直接影响到材料内部微结构的变化。所以多晶体的塑性变形研究一直受到人们的广泛关注。鉴于此,本文将采用PFC法研究纯物质多晶材料内部在单、双方向应力和动、静态载荷的作用下晶界演化过程,探究晶界上位错运动、位错反应与温度,应力应变速率大小、方向和应力形式的关系,研究晶界运动的演化过程,分析内部畸变能的变化情况,揭示纳米多晶材料受应力作用的微观机理。得到如下结论:
  1、采用PFC法模拟多晶体塑性变形,观察到晶粒旋转、晶粒吞并、大小角晶界迁移等现象。晶粒旋转主要发生在取向差较小的两晶粒之间,而晶粒吞并现象发生在大晶粒与小晶粒之间。
  2、温度的改变使得晶界出现不同程度的预熔化。低温下的晶粒旋转困难,位错容易滑移进入晶粒内部,补偿了晶粒取向的差异。而温度较高时,晶界迁移速度更快,更容易出现晶粒吞并现象。
  3、应力方向的改变使得晶粒生长方向也随之改变,晶粒生长倾向于向垂直于压力轴的方向发展,而晶界倾向于平行或者垂直于压力轴的方向发展。
  4、增加了应变速率后,晶界迁移与位错运动的速率变快。静态双轴应力作用下,多晶体材料在前期发生剧烈变化,出现位错的发射与分解。对比动态双轴应力作用下样品的演化,静态双轴应力在前期能形成更高的位错密度。
[博士论文] 元海明
光学 哈尔滨工业大学 2016(学位年度)
摘要:物质结构单元的排列方式按照其内部是否存在对称性和相关性可以分为有序和无序两种,同时根据有序结构单元排列的对称性和相关性是否为局域属性而描述为具有长程有序特性和短程有序特性。随着光子晶体的概念的引入,这些概念也同时被拓展到了光学领域中人工微纳结构中结构单元排布的相关设计。论文在具有不同序特征的周期、准周期、无序人工微纳结构中,通过引入金属组分,研究了表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)相关的模式激发、耦合、高效吸收、宽频域多重模式耦合、类电磁诱导透明等过程,并通过引入非线性,理论上讨论了非线性耦合、超低阈值光学双稳等现像。
  论文首先在一维金属光子晶体中系统分析了不同介质厚度下,结构中存在的Bulk等离激元(Bulk Plasmon Polaritons,BPPs)、腔模、长程/短程等离激元(Long-range/Short-range Plasmon Polaritons,LRPs/SRPs)之间的演化关系。研究发现BPP模式分立的等效模式系数是倏逝波Bloch模式在Born-von Karman边界条件影响下的结果。在石墨烯多层周期结构中,同样发现了类似的BPP模式和SRP模式分布特征。在双层石墨烯结构中考虑石墨烯非线性,得到了对称、反对称模式外的非对称模式。非线性模式耦合理论说明非对称模式出现是非线性引起的传播常数的变化同模式耦合对传播常数的补偿作用平衡的结果。
  理论上研究了非对称周期性褶皱金属光栅结构中的SPPs的激发,发现互不干扰的双侧SPPs同时激发的现象,在透过率谱中表现为色散关系曲线的相互交叉。在近THz波段,研究发现了双侧石墨烯包覆二维矩形光栅结构中石墨烯表面等离激元(Graphene Surface Plasmon,GSP)的激发频率主要决定于相位匹配条件,并受到层间GSPs模式耦合的影响。激发强度受到占空比和光栅厚度的控制。在频率范围约5~12THz,具有多层石墨烯的二值光栅复合材料的光能吸收达到了近90%。
  准周期晶格是一种只具备长程有序特性而不具备短程有序特征的结构,其通过牺牲短程有序换取倒格矢更好的对称性和自相似性。长程有序主要根据其衍射特性来确定,强调的是在长距离范围体现出来的关联特性和对称性;而短程有序则侧重于局域范围内的周期性质。本论文在准周期方面的工作包括:在传统的二维严格耦合模式分析(Rigorous Coupled Wave Analysis,RCWA)方法的基础上,通过选择恰当的基矢和材料矩阵的装配方式,改进了RCWA算法以适用于处理2D准周期问题;利用准周期光栅在倒空间具有多重对称倒格矢的特性,研究了二维准周期光栅/金属/基底复合结构中多重宽频带表面模式激发,在0.5~1.2μm,实现了TE/TM模式的多重响应,最后给出了各个模式间的耦合特性。
  无序结构的一个重要分支是一维随机介质,其典型结构为两种组分交替排列,但每层厚度随机的结构。一维随机介质的局域强度主要由特征参数局域长度倒数表征,其正比于结构对光场的局域能力,可以将其定义为局域强度。研究发现弱无序条件下,由两种材料构成一维随机介质中局域强度存在半解析表达式。强无序性条件等价于随机相位近似,存在全解析局域强度。随着厚度的随机分布的变化,弱无序条件下局域长度将围绕强无序极限下的结果波动,且随着无序程度的增大波动减弱,直至局域强度逼近极限值。同时材料折射率的差别越大,局域强度越强。在弱无序条件下,两种以上材料构成的一维随机介质的局域性质还受到材料排列次序的影响;强无序条件下,局域属性决定于界面种类。最后利用一维无序介质的完美反射特性,在金属/一维随机介质结构中激发了Tamm等离激元模式。利用一维随机介质的高Q值属性,在金属/一维光子晶体/一维随机介质复合结构中实现了类电磁诱导透明现象。结合Tamm等离激元的场增强效应和异常共振透射增强,在金属/一维随机介质中得到了超低阈值双稳,转换阈值约44kW/cm2。
[硕士论文] 宋彬
凝聚态物理 安徽大学 2016(学位年度)
摘要:反钙钛矿结构锰基化合物AXMn3(如GaCMn3和SnCMn3)因其晶体结构简单和功能属性丰富而具有很好的研究价值和潜在的应用前景,逐渐地引起了科研工作者的研究和关注。以往调节优化该体系化合物的各种功能属性,主要是通过化学掺杂的方法。通过改变样品晶粒尺寸或颗粒大小来也能有效调控材料的功能属性。在众多的制各纳米晶的方法中,高能球磨法因其设备简单,操作便利,成为制备纳米晶材料是一种很广泛的制备方法。本论文选取反钙钛矿结构锰基化合物GaCMn3和SnCMn3为研究对象,通过高能球磨法制备出GaCMn3和SnCMn3纳米晶材料。通过对比分析,研究了晶粒尺寸对样品的磁性及其磁热效应的影响,为该体系的材料设计提供重要的参考。本论文主要内容如下:
  1、通过高能球磨的方法制备了不同晶粒尺寸的GaCMn3纳米晶样品,研究了其磁性质。当反铁磁态物质的尺寸减小到纳米级别,就会出现弱铁磁性,这是一个普遍的现象,这种弱铁磁性可以用未抵消的表面自旋模型得到很好的解释。但是,低温(5K)的块体GaCMn3是很好的反铁磁态,而GaCMn3纳米晶样品出现了强铁磁性(矫顽力高达HC=6.4kOe),这种强铁磁性的出现不能用未抵消的表面自旋模型来解释。我们提出一个新的解释途径:在GaCMn3纳米晶样品中,由于表面/界面的应力诱发了反铁磁态向铁磁态的转变,在晶粒表面形成了一层铁磁态外壳和在晶粒内部形成了反铁磁态的内核,这种核壳模型很好的解释了其反常的强铁磁性。
  2、制备了不同晶粒尺寸的SnCMn3纳米晶样品,研究了其磁性随晶粒尺寸的变化;对比研究了GaCMn3和SnCMn3纳米晶样品的铁磁到顺磁转变处的磁热效应。SnCMn3在温度279K处是一个一级相变,伴随有晶格变化,晶粒尺寸减小后,磁熵变(-ΔSM)峰值显著减小而磁熵变的半峰高宽稍微增加,造成其相对制冷能力有所降低。另一方面,磁回滞被显著弱化。GaCMn3在温度246K处的转变是一个二级相变,晶粒尺寸减小后,磁熵变峰值有所减小而其磁熵变半峰高宽展宽明显,因此,其相对制冷能力得到稍微的改善。
[硕士论文] 张嵩林
材料科学与工程 浙江大学 2016(学位年度)
摘要:复合钙钛矿微波介质陶瓷在微波通信领域有着广泛的实用价值和研究意义。本论文系统研究了Ca(B'0.5Nb0.5)O3-CaTiO3(B'=Ga,Al)复合钙钛矿陶瓷的B位离子1∶1有序/无序和氧八面体倾转,探讨了其结构演变与微波介电性能之间的关系,得出了以下结论:
  Ca[(Ga1/2Nb1/2)1-xTix]O3具有正交的晶体结构,空间群为Pbnm,其钙钛矿结构具有氧八面体反相倾转(b-)、同相倾转(c+)和A位阳离子反平行位移等畸变特征。由于B位离子半径差过小,Ca[(Ga1/2Nb1/2)1-xTix]O3难以形成稳定的1∶1有序结构。Ti部分置换B位的Ga和Nb,使结构许容因子t增加并趋近于理想值1,有利于增强钙钛矿结构稳定性。随着Ti4+含量增加,分子极化率和阳离子扰动增加,使陶瓷的介电常数增大;τf受εr的影响近似线性增加;陶瓷Qf值的下降主要是由于Ti4+的引入导致晶格失配和结构非谐性加剧增大了本征损耗。
  使用Al置换挥发性的Ga显著改善了Ca[(Ga0.5Nb0.5)0.5Ti0.5]O3陶瓷的Qf值。Al3+具有比Ga3+更小的离子半径,随Al置换量增加,Ca[(Alx Ga1-xNb0.5)0.5Ti0.5]O3的t值从0.958增加到0.968。倾转角数值模拟计算表明b-和c+倾转均随t增大而减弱,但即使t超过了氧八面体同相倾转相变临界值0.965,Ca[(AlxGa1-xNb0.5)0.5Ti0.5]O3中仍然存在同相倾转。由此推断Ca基复合钙钛矿陶瓷同相倾转的临界t值可能比0.965稍大。成分变化和结构演变显著影响了材料的微波介电性能:εr随Al含量增加稍有下降,这与Al3+较小的离子极化率有关;εr减小倾向使τf减小,而氧八面体倾转减弱使τf朝正方向变化,两者共同作用使材料的τf值调至近零值;此外Al置换Ga减少了Ga挥发导致的点阵缺陷,氧八面体倾转减弱改善了结构对称性,有利于形成离子紧密堆垛,抑制了晶格失配和结构非谐性,减小了本征损耗,提高了材料的Qf值。
  研究获得了以下低损耗、温度系数近零的中介电常数微波介质陶瓷:
  1 Ca[(Ga0.5Nb0.5)1-xTix]O3(x=0.47)εr=51.6,Qf=34,100 GHz,τf=-0.3 ppm/℃;
  2 Ca[(AlxGa1-xNb0.5)0.5Ti0.5]O3(x=0.2-0.5)εr=49.2-53.4,Qf=35,900-40,000GHz,τf=0.6-3.5 ppm/℃。
[博士论文] 何朝宇
凝聚态物理 湘潭大学 2015(学位年度)
摘要:碳元素具有极强的成键能力,它能够跟自身和元素周期表中几乎所有元素发生反应。同时,碳元素在化学反应中还体现出极丰富的成键形态,它可以以sp杂化形式形成直线型炔键,也可以以sp2杂化形式形成平面型烯键,同时还能够以sp3杂化形式形成四面体型烷键。因此,碳元素可以形成众多的同素异构体,包括有零维的富勒烯、一维的纳米管、二维石墨烯、三维的石墨和金刚石,以及众多已发现但晶体结构未知的碳同素异构体和尚未被发现的潜在碳同素异构体。近年来,随着第一性原理方法的不断发展和计算机软硬件能力的不断提升,计算机炼金术变得越来越流行;借助计算机和第一性原理方法,人们开始对历史上沉积下来的未知碳晶体结构进行求解,对新型的碳晶体结构进行预测和对潜在功能碳晶体结构进行设计,旨在扩充和完善碳同素异构体家族,为理解实验上已经制备得到的未知碳同素异构体和将来可能制备得到的潜在碳同素异构体提供结构解,为实验上制备和合成新型功能碳晶体材料提供理论指导。本论文基于同样的研究任务和目的,开展了如下工作并取得一些创新性的结果:
  1.为理解冷压石墨致使相变生成超硬碳晶体结构的多样性及其物理机制,我们首先研究了石墨烯可能出现的起伏方式,提出了石墨烷的第六相(石墨烷中第二稳定的tricycle石墨烷)并总结了石墨烯的六种基本起伏方式。随后,我们基于石墨烯的六种基本起伏方式研究石墨层间杂化的各种可能方式,提出了众多全sp3超硬碳晶体结构来理解冷压石墨所生成的超硬相,充分理解了冷压石墨发生相变的多样性。同时,我们还首次提出了可以从 AB-堆垛石墨直接发生层间杂化相变而生成的H-carbon和S-carbon,提出了冷压h-BN发生相变的潜在相bct-BN和Z-BN,提出了冷压液态苯可能生成的三维碳氢晶体结构Hex-CH。
  2.为了解释2003年实验上发现的立方碳晶体结构,我们对前人提出的 C20-sc进行结构改造,得到了两个新相C21-sc和C22-sc;我们的第一性原理方法研究结果表明,C20-sc,C21-sc和C22-sc在动力学上和弹性力学上都是稳定的,在热力学上也比实验上能够存在的石墨丁炔要稳定;它们在晶格常数和XRD的匹配程度上都能很好地解释2003年制备得到的立方碳样品,很有可能在其中共存;特别是 C21-sc同时具有超硬性质和导电能力,可视作难得的多功能材料,将在许多极端条件下得到应用。我们还通过晶体结构推广,将前期工作中提出的五个碳晶体结构推广作为硅晶体结构,并研究了它们的结构、稳定性、电子性质和光学性质;计算结果表明,它们都属于直接带隙或准直接带隙类型的半导体,有着良好的光学吸收能力,良好的热力学稳定性和动力学稳定性,很有希望在实验上合成得到;特别是M585-silicon作为其中唯一的直接带隙半导体,其在能量上十分稳定,仅比金刚石结构的硅高出25 meV/atom,而且其晶体结构与最近合成的Si24十分相似,非常有希望通过类似的方法合成,用作薄膜太阳能半导体材料。
  3.在系统搜索具有结构特征的碳同素异构体方面,我们提出纳米缝纫方法来对双层石墨烯进行结构改造和性质调节,并基于缝合接口P-IL,C1-IL,C4-IL和C6-IL设计了四种全sp2双层孔洞石墨烯新晶体结构。我们发现,四种双层孔洞石墨烯在动力学上都是稳定的,具有良好的热力学稳定性;与富勒烯和碳纳米管类似,这些二维的全 sp2双层孔洞石墨烯新晶体结构可以被看作是二维胶囊用来封装各种功能原子或原子团以制备一系列的多功能材料。随后我们提出了针对三维全sp2碳晶体结构进行系统搜索的独特方法,并将其应用于立方空间群中三维全sp2碳晶体结构的系统搜索,成功地找到了近百个三维全sp2碳晶体结构,其中绝大部分在拓扑学上是全新的;我们以227-96g(sp2-diamond)和224-24i(cubic-graphite)为例,研究了它们的结构、稳定性和电子性质,发现它们都是动力学稳定的、具有良好的热力学稳定性。
  4.为了理解实验上发现的十二重衍射斑点石墨和具有五角星型的金刚石结构,我们首先系统地研究和比较几种基本堆垛序石墨的几何结构,稳定性,电子结构和衍射图样等,并首次提出了 AT-21.8和 AT-30.27石墨,用它们成功解释了实验上观察到的12重衍射斑点。同时,我们还发现了新型的六角石墨相-AB’C’-,它具有正交的-AB’-序石墨的-AB’-对位关系,却有着六角对称性,在晶体结构上和电子性质上很难区别于-ABC-序石墨并且能量稳定性与-ABC-序石墨相当,很有可能共存于石墨样品当中。最后,我们在本章中介绍了构建 n-重孪生晶体结构的简单方法,并以FCC136和 Diamond为例,解释了实验上经常观察到的5-重孪生金刚石现象并预测了可能存在5-重孪生硅和锗晶体结构。
[硕士论文] 黄江
材料工程 湘潭大学 2015(学位年度)
摘要:电子晶体学的发展历史远比X射线晶体学的历史短,然而,由于电子晶体学具有X射线晶体学所不具备的突出优势而变得日益重视。对电子束和样品之间的动力学交互作用进行动力学电子衍射计算,是电子晶体学领域中用来确定晶体结构的最重要的研究手段之一。进行动力学电子衍射计算的理论各种各样,但是当前被广泛采用的计算方法主要是多层法(MS)和布洛赫波法(BW)。多层法有时也被称为传统多层法(CMS)。由于某些深层次的原因,实空间法(RS)和精确多层法(一种改进的多片层法方法,(RRS))一直很少被人采用。本文通过把实空间方法(RS)、传统的多片层方法(CMS)以及BW法进行计算比较,发现RS法具有独特的计算优势;通过采用CMS法模拟的高能电子衍射花样(RHEED)和采用RRS法模拟的RHEED花样进行对比,发现用RRS法更适合模拟RH E ED花样;另外,由于 RS法在计算上有许多优势,采用RS法对会聚束电子衍射(CBED)进行了模拟。
  本研究主要内容包括:⑴通过对CMS法、RS法和BW法等三种动力学电子衍射计算的表达式进行改写,得到一个统一的公式。它们之间唯一的区别就是在模拟过程中计算程序的实现方式不同:BW法是在倒空间进行的,RS法是在正空间进行的,而CMS法是在正空间和倒空间交替进行。通过进行定量的数值计算,分别比较了CMS法、RS法和B W法等三种方法的精确度、计算速度和实用性,发现RS法在这三方面都具有优势。⑵CMS法原本是透射电镜(TEM)中应用最广的动力学电子衍射算法之一,由于其很适合于对样品沿平行于表面方向有周期性偏离的结构进行动力学模拟。因此,CMS法被推广用于进行反射式高能电子衍射(RHEED)计算。然而,我们通过研究发现对于加速电压子在3-100kV的RHEED进行动力学电子衍射计算时,由于CMS法在求解过程中采用了高能近似,导致其已达不到足够的精确度。一种计算时间合理的精确多片层法(RRS)可以代替用于更精确的 RH E ED计算。在本文中,通过考虑不同加速电压、表面结构模型、德拜瓦勒因子和掠射角等因素,对分别采用CMS和RRS法模拟的RHEED花样进行了详细地比较。⑶会聚束电子衍射(CBED)可以确定晶体中尺寸小到几个埃区域的结构、对称信息和原子位置,是透射电子显微学中一种重要的表征物质微结构的手段。C BE D花样中包含有丰富的晶体结构信息,要最大限度地理解从实验中获得的C BE D花样,必须对其动力学电子衍射模拟。本文中,首次采用RS法模拟出了CBED花样,并分析了加速电压、光阑尺寸和德拜瓦勒因子等因素对CBED花样的影响。
[硕士论文] 吕呈龙
材料科学与工程 湘潭大学 2015(学位年度)
摘要:透射电镜和扫描电镜是当今科技工作者对材料显微结构进行表征的两种重要手段。为了正确解释用透射电镜拍摄的高分辨像和用扫描电镜拍摄的电子背散射衍射花样,最大限度地获取样品的结构信息,必须对电子束和样品的相互作用进行动力学电子衍射模拟。多片层方法是当前被广泛采用的一种动力学电子衍射模拟方法。多片层方法包括传统多层法(CMS)和实空间法(RS)。但是为了便于求解,这些方法都采取了高能近似。改进的多片层法(RRS)是在多层法的基础上发展起来的一种新方法。该方法没有采取任何近似,因此理论上分析该方法应该更精确。到目前为止,该方法还只应用在了正交坐标系中,还只对正交晶体进行过动力学电子衍射模拟。然而在许多情况下进行动力学电子衍射模拟时(例如:非正交晶系晶体或者正交晶系晶体沿着某些晶带轴入射),计算公式在非正交坐标系中表达会更方便。因此很有必要推导非正交坐标系下改进的多片层表达式,并对非正交晶系晶体进行电子动力衍射模拟。另外,EBSD衍射花样是在扫描电镜中获得的。扫描电镜的工作电压一般在40-10千伏左右。在如此低的加速电压下,预期用改进的多层法进行EBSD花样模拟,可以获得更为的精确衍射花样。基于以上考虑,本论文的主要研究内容如下:
  第一、推导出了便于非正交晶系晶体或者在电子束入射面内为非正交的正交晶系晶体进行动力学电子衍射模拟的非正交坐标系下改进的多片层表达式;并验证了该表达式的准确性。另外,通过数据处理,探索了获得反映衍射强度变化和晶体结构对称性的衍射花样的图像处理方法。
  第二、以在电子束入射面内具有六次对称的晶体Si[111]和单斜晶系晶体Na2Ti3O7为例,在加速电压从40千伏到10千伏的范围内,把采用非正交坐标系下改进的多片层方法进行计算获得的结果与采用传统多片层方法进行计算获得的结果进行了对比。研究结果表明:在低电压下,改进的多片层方法比传统多层法更适合于对非正交晶系晶体或者电子束入射面内为非正交的正交晶体进行精确的动力电子衍射模拟。
  第三、首次用实空间法和改进的多片层方法模拟出了全尺度的EBSD花样。并且通过考虑入射电子束加速电压,样品温度因子和入射束光阑大小等因素的影响,详细地对用实空间方法和改进多片层方法模拟的EBSD衍射花样进行了比较。研究结果表明:用改进多片层方法模拟的EBSD衍射花样比用实空间法模拟的衍射花样更精确。
[硕士论文] 要佳莹
凝聚态物理 南开大学 2015(学位年度)
摘要:铌酸锂晶体具有优异的电光、声光、铁电、光折变效应等性能,有着广泛的应用前景。在自然条件下,用Czochralski方法生长出的铌酸锂晶体处于缺锂的状态,晶体中含有大量的本征缺陷,同时铌酸锂晶体对众多杂质都有很好的固溶性,这些存在于铌酸锂晶体内的本征缺陷和非本征缺陷,对晶体的光电性能往往起着决定性的影响。实验条件所限,目前人们对这些缺陷结构的认知大多停留在推测的阶段。本文试图从第一性原理出发,从理论上给出这些缺陷结构的基本信息。论文的主要内容如下:
  第一章绪论,从理论计算和实验研究两方面介绍了研究背景:包括铌酸锂晶体的基本晶格结构,晶体的本征缺陷和非本征缺陷,以及计算所涉及的相关理论介绍和VASP软件。
  第二章介绍了近化学计量比铌酸锂晶体模型的建立和铌酸锂晶体的本征缺陷结构计算,包括铌酸锂晶体理论计算流程,模型的建立和计算中参数的选择,以及计算中赝势、截断能以及k点的选择等,同时还介绍了铌酸锂晶体模型的结构优化和电子结构的计算方法。我们给出锂空位模型的稳定缺陷结构,合理解释了畴反转过程中缺陷离子的迁移过程。
  第三章开展了铌酸锂晶体中非本征缺陷的理论计算,得到了掺镁、掺铟、掺锆、掺铁以及掺铜铌酸锂晶体的能态密度图,发现掺铁和掺铜晶体能够在禁带中形成新的缺陷能级,而掺镁,掺铟和掺锆晶体不能。不过,相比于掺镁、掺铟,掺锆明显改变了晶体费米能级附近的电子结构。
  第四章总结了全文的研究工作,并对后续的工作进行了展望。
[博士论文] 杨涛
材料加工工程 西北工业大学 2015(学位年度)
摘要:在材料的加工和服役过程中,晶体结构及其转变在很大程度上决定了材料的力学、物理和化学性能。晶体相场模型可在扩散时间尺度和原子空间尺度下实时地反映界面的演化,在研究晶界和相界的形成与迁移方面具有独特的优势。O点阵理论作为较为全面的晶体学模型,可为分析晶体结构及其转变过程中出现的晶体学特征提供有力的支持。本文通过结合O点阵理论和晶体相场模型,实现了从静态结构分析和动态微观演化两个方面来研究晶体结构及其转变过程。
  本文基于晶体相场模型,分别系统地研究了外应变作用下晶界的演化规律,探讨了调幅分解过程中相畴与晶界相互影响下微结构的演化过程,分析了凝固过程中晶向的择优选择机制及晶粒形貌的演化规律,研究了六方相至四方相转变的形核与生长过程。
  研究表明,小角度对称晶界可由柏氏矢量垂直于晶界的单位错组来描述。在外应变的作用下,晶界的运动机制可描述为:位错沿晶界的攀移、位错的分解和异号位错的相遇及抵消。伴随位错的抵消,晶界上的位错密度减小,晶粒间位向差降低。而且,体系温度的降低、位向差的增加和沿晶界施加拉应变均会阻碍晶界运动。
  为降低调幅分解过程中相界面处逐步积累的弹性应变能,晶界结构会在相变过程中发生改变。当晶粒间位向差增大时,晶界的稳定性提高,同时相畴的分布均匀化,且具有规律性;当提高合金成分时,相界面处的应力场变大,与晶界的相互作用增强,晶界在相变过程中的稳定性减弱,相畴分布较为无序;当提高体系温度时,相界面宽度增大,且其应力场随两相晶格常数差异的较小而减弱,晶界在相变过程中的稳定性提高,相畴分布较为有序。
  在不同的相变驱动力下,四方相和六方相晶粒虽然呈现出不同的形貌演化规律,但却表现出统一的界面迁移机制。当体系的相变驱动力增加时,界面的迁移机制均由单层层状生长机制向多层层状生长机制转变。晶粒的形貌演化则具有各自的规律:四方相晶粒由截角四方形逐步演化为四重对称性的枝晶;六方相晶粒由六方形向六重对称性枝晶转变。
  对于六方相向四方相转变的形核过程,本文通过结合晶体相场模型和自由尾节点-微动弹性带理论,提出了一个可定量研究临界形核的原子尺度模型。对于相变中晶粒的生长过程,本文通过O点阵理论和模拟的比较分析确定了两相间位向关系为[10]S//[10]T,且晶粒的两个惯习面取向分别为与[10]S呈15°和?15°夹角。最后基于界面结构的分析和界面的演化规律,提出了台阶状相界面的迁移机制。
[硕士论文] 孙渤
物理电子学 河北工业大学 2014(学位年度)
摘要:近年来,光子晶体的发展成为信息时代的一场革命,与曾经的半导体技术飞速发展对信息技术的影响类似,在信息处理技术方面,光子晶体的优势尤为明显,迅速发展的科技使光子晶体集成化技术和全光子化技术越来越成熟。由于光子晶体独有的禁带特性,找出一种方法令光子晶体禁带最大程度符合光子器件需求就成为了光子晶体发展的关键。本文基于二维光子晶体作为研究结构,对晶体能带结构优化进行研究和讨论,分为以下三个部分。
  (1)系统地研究光子晶体的概念、能带特性以及实现优化能带结构的重要性及方法,包括光子晶体的主要性质、理论研究、实际应用以及目前研究遇到的主要问题。并通过数学模型的建立,详细阐述了在仿真光子晶体禁带时,基于平面波法的仿真原理。
  (2)详细研究了不同晶格结构二维光子晶体的能带结构对比,在固定了占空比以及介电系数比的基础上,对每一种结构的不同孔洞光子晶体进行能带结构模拟,通过在相同占空比的模拟图对比及数据分析,找出在固定占空比及介电系数比时二维光子晶体的最优孔洞结构。
  (3)针对相同占空比仿真结果的缺陷,在固定介电系数比的基础上,对占空比从0到1变化的不同结构光子晶体进行能带结构仿真分析,验证固定占空比的结果,并分析每种结构的光子晶体横向对比的优缺点,纵向总结出最优占空比数值,从而给不同应用地光子器件制作提供具有实际应用意义的理论指导。
[硕士论文] 易斌
环境工程 湖南大学 2014(学位年度)
摘要:量子点,即一种特殊的准零维的纳米晶粒,外观上看是一个极小的点状物,常见的量子点有CdS、CdSe、CdTe等,纳米金和纳米银等也属于量子点的范畴,尺寸一般在1~10nm之间。由于量子限域效应,量子点具有非常独特的光学和电学性质。近些年,量子点越来越受到关注,关于量子点研究和报道也越来越多。目前量子点的合成方法,主要为物理法和化学法,而对于量子点的生物合成研究得较少。本文探索了一种量子点生物合成的新方法,并对其合成机理进行了研究分析。
  本论文开展的工作和得出的结论如下:
  1.研究了黄孢原毛平革菌对镉的吸附,探索了不同镉源、硫源和稳定剂下的合成效果,最终确定了以四水硝酸镉为镉源、硫代乙酰胺为硫源、巯基乙酸为稳定剂,并确定了三者的最佳添加量,分别为137.5mg、6.68mg和1mL。
  2.对合成的量子点的结构和性质做了如下表征:通过紫外可见分光光度计和荧光光谱仪的分析,研究了硫化镉量子点的生长情况和具有的光学性质,结果表明,量子点的粒径,随着pH的增长而变大;在特定波长的光的激发下,量子点具有蓝色荧光。采用粉末衍射分析仪、扫描电镜和高分辨率透射电镜对量子点的粒径和微观结构进行了分析,结果表明,量子点的晶体结构为面心立方,粒径大小为2nm左右。采用热重分析仪对量子点进行了热重分析,分析表明硫化镉量子点能耐受1300℃的高温,具有非常好的稳定性。利用红外和能谱仪表征了量子点的表面所含的官能团,官能团的变化表明半胱氨酸和蛋白质等物质对量子点的合成具有重要的作用。
  3.本研究中合成的量子点,被半胱氨酸和蛋白质包裹,因而具有较好的稳定性和生物相容性。稳定性和生物相容性决定了量子点在生命科学中应用价值。因此,本研究指出,量子点表面修饰将是未来量子点研究的重点。
[博士论文] 刘啸
材料加工工程 武汉理工大学 2014(学位年度)
摘要:从晶体组成和结构出发预测离子-共价型晶体的本征性质已逐渐成为材料科学领域一个重要方向。晶体本征性质的预测方法包括基于密度泛函理论的第一性原理方法、原子力学方法和化学键性质参数方法等,其中化学键性质参数方法是一种基于晶体组成和结构,采用化学键性质参数预测晶体本征性质的经验方法。这种方法具有简单和准确等优点,已广泛应用于预测简单结构晶体的体模量、热膨胀系数和硬度等本征性质。然而,现有化学键性质参数方法中存在两个亟需解决的关键问题:i)化学键性质参数的选取和定义;ii)复杂组成和结构以及配位环境耦合作用的处理方式。目前为止,大部分研究学者采用一些简单参数如键长、原子价态和配位数等作为化学键性质参数,建立简单结构晶体本征性质的经验预测模型。然而这些化学键性质参数仍存在一些不足,如普适性不够,仅适合于一类或几类晶体;很难处理复杂组成结构与组成耦合作用,仅适用于简单结构晶体;随意性强,无统一使用标准,不同模型往往选取不同的化学键性质参数等。近年来,在电价规则基础发展起来的键价理论已广泛应用于无机晶体化学领域。采用键价理论可以定量计算化学键键价、键力常数和共价键价等化学键性质参数,其具有以下优点:准确反应化学键的键合强度和共价性等化学键性质;普适性,广泛适用于不同类型的离子或共价型晶体;准确和可靠性,已得到大量晶体结构数据验证;化学键键价将原子价态直接分配在化学键上,容易处理复杂结构和组成以及配位环境的耦合作用。因此,本论文采用键价理论计算的化学键键价、力常数和共价键价等化学键性质参数,建立了简单结构晶体,简单立方尖晶石型晶体和复杂立方尖晶石型晶体的体模量、热膨胀系数和硬度经验预测方法与模型。
  简单结构晶体的本征性质与组成晶体的化学键本征性质密切相关。本论文从键价理论计算的化学键性质参数出发建立了简单结构晶体本征性质的经验预测方法与模型。首先,采用键价理论计算出简单结构晶体的化学键键价、键力常数和共价键价等并作为化学键性质参数;然后依据这些化学键性质参数定量计算简单结构晶体中化学键的体模量、热膨胀系数和硬度;最后建立起简单结构晶体本征性质与化学键本征性质的定量关系式。研究表明,不同类型简单结构晶体的体模量与化学键体模量和化学键体积密度乘积呈线性关系;热膨胀系数可近似等于其化学键热膨胀系数;硬度等于其化学键硬度,它与共价键价面密度和化学键体积密度乘积呈线性关系。采用建立的简单结构晶体体模量、热膨胀系数和硬度经验预测模型预测了一系列简单结构晶体的体模量、热膨胀系数和硬度,均与实验值较好吻合,验证了基于键价理论建立化学键性质参数方法的合理性。简单结构晶体的本征性质经验预测方法与模型的建立也为进一步建立复杂组成结构晶体的本征性质经验预测方法与模型奠定了基础。
  与简单结构晶体不同,立方尖晶石型晶体具有四面体和八面体两种配位环境以及两种相应类型的化学键。目前为止,采用化学键性质参数方法研究立方尖晶石型晶体本征性质的研究并未见报道。本文基于简单结构晶体的本征性质经验预测模型,进一步分析四面体和八面体配位环境的耦合作用对立方尖晶石型晶体本征性质的影响,建立起简单立方尖晶石型晶体的体模量、热膨胀系数和硬度经验预测方法与模型。基于四面体和八面体耦合作用的两种处理方式,提出了两种简单立方尖晶石型晶体的体模量经验预测模型,模型 I基于不同配位环境对晶体体模量贡献与化学键数量以及键长三次方乘积成正比而提出;模型II基于四面体和八面体对晶体体模量具有均等贡献而提出。基于四面体和八面体化学键耦合作用的两种处理方式,建立了两种简单立方尖晶石型晶体的热膨胀系数经验预测模型,模型 I基于不同类型化学键对晶体热膨胀系数贡献与化学键数量成正比而提出;模型II基于尖晶石型晶体热膨胀系数主要由八面体化学键决定而提出。简单立方尖晶石型晶体的硬度经验预测模型基于四面体和八面体化学键硬度依据其化学键个数的几何平均值而提出。采用简单立方尖晶石型晶体的体模量、热膨胀系数和硬度经验预测模型对一系列二元立方尖晶石型氮化物和三元立方尖晶石型氧化物的本征性质进行了预测,并得到实验值验证。本文研究表明采用合适处理方式分析配位环境的耦合作用是建立复杂结构晶体各本征经验经验预测方法与模型的关键。
  与简单立方尖晶石型晶体相比,复杂立方尖晶石型晶体的各结晶学位置上均可能由多种不同类型原子混合占据,其化学组成为非化学计量时会出现阳离子空位等缺陷。目前为止,复杂立方尖晶石型晶体本征性质的预测仍然是一大难题,而键价理论提出的化学键键价在处理复杂组成方面具有优势。本文基于简单立方尖晶石型晶体的本征性质经验预测方法与模型,采用键价理论计算的平均化学键性质参数建立起复杂立方尖晶石型晶体的体模量、热膨胀系数和硬度经验预测方法与模型。首先采用多面体中不同种类化学键键价依据化学键个数加权平均值来分别计算四面体和八面体化学键的平均键价,进一步可计算四面体和八面体化学键的平均键力常数和平均共价键价等化学键性质参数;然后基于配位多面体耦合作用的不同处理方式,分析结晶学位置上阴阳离子的混合占位以及阳离子空位等缺陷对其本征性质的影响,提出复杂立方尖晶石型晶体的两种体模量经验预测模型、两种热膨胀系数经验模型和一种硬度经验模型。
  为了验证复杂立方尖晶石型晶体本征性质经验预测模型的预测能力,我们设计和制备了不同组成?-AlON、MgAlON和LiAlON立方尖晶石型固溶体。首先表征了三种立方尖晶石型固溶体的组成并解析其晶体结构;然后依据其晶体组成与结构,采用复杂立方尖晶石型晶体本征性质经验预测方法与模型预测了三种立方尖晶石型固溶体的体模量、热膨胀系数和硬度;最后通过优化合适工艺制备出纯相、高致密度和大晶粒尺寸的?-AlON、MgAlON和LiAlON立方尖晶石型固溶体透明陶瓷,并系统评价了其体模量、热膨胀系数和硬度等性能。三种立方尖晶石型固溶体的性能实验测定值与对应本征性质的预测值相接近且最大偏差小于15%,证明了基于键价理论提出的平均化学键性质参数在处理复杂结构和组成晶体方面的合理性,以及本研究提出的复杂立方尖晶石型晶体本征性质经验预测模型具有较好的预测能力。
  本论文中各本征性质经验预测模型建立的思路和方法尤其是有关配位环境耦合作用以及复杂结构和组成的处理方法可以推广到其它类型的复杂结构和组成晶体中,可望成为建立离子-共价型晶体的组成-结构-本征性质关系的普适方法。
[硕士论文] 罗娟
固体力学 西南交通大学 2014(学位年度)
摘要:本文在晶体塑性框架下,对描述多晶材料的循环本构模型及其数值实现进行了系统研究。主要展开了如下几个方面的工作:
  1.对多晶材料轧制5083H111铝合金板材的单轴循环变形行为进行了实验研究,了解了常见多晶材料循环变形的基本特性,为循环本构模型研究提供实验基础。
  2.基于晶体塑性理论,考虑面心立方(FCC)金属材料的位错滑移特征,针对轧制5083H111铝合金多晶板材的循环变形行为建立了多晶循环本构模型。模拟结果与实验结果的比较发现,建立的本构模型能够合理模拟轧制5083H111铝合金板材的应变循环特性和棘轮行为。
  3.在面心立方多晶金属循环本构模型的基础上,发展了一种描述体心立方(BCC)多晶材料棘轮行为的循环本构模型。发展模型对BCC金属退火42CrMo钢循环变形行为的模拟结果表明,所发展的模型对这类材料应变循环特性和棘轮行为给出了较好的理论描述,同时也揭示了BCC单晶力学响应对晶向的强烈依赖性。
  4.为了便于循环晶体塑性本构模型的有限元实现,在已建立模型的基础上,发展一种简化的、可描述单晶材料棘轮行为的循环本构模型;同时,针对发展的简化模型导出了新的应力积分公式和一致切线刚度矩阵,利用用户材料子程序UMAT完成了本构模型的有限元移植。
  5.建立了充分考虑晶粒几何与取向随机性的多晶有限元模型,对轧制5083H111铝合金板材的循环变形行为进行了有限元模拟。模拟结果表明,相比于通过尺度过渡准则建立的多晶循环本构模型,晶体塑性有限元方法能够模拟出对材料宏观变形起关键作用的、微结构尺度上变形的不均匀性,能更深层地揭示多晶材料塑性变形的内在物理机制。
[硕士论文] 果福娟
理论物理 河北工业大学 2013(学位年度)
摘要:本文采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法,选用局域密度近似(LDA)下的CA-PZ交换相关势,选择超软赝势,对具有正交和菱方钙钛矿结构的LaGaO3晶体的几何结构、电子性质、布居数和弹性性质进行计算和分析。并选用广义梯度近似(GGA)下的PBESOL交换相关势,赝势选择on the fly,对(La7/8Nd1/8)GaO3、(La3/4Nd1/4)GaO3和(La7/8Sr1/8)GaO3晶体的结构与性质进行了研究。这对于新型掺杂LaGaO3材料的开发和应用具有重要的指导意义。
  几何优化得到的晶格参量与实验值吻合较好,说明我们选取的计算方案可靠。能带的计算结果表明正交和菱方LaGaO3晶体都是间接带隙半导体,带隙值分别为3.670eV和3.803eV。费米面处较低的态密度值以及对布居数的分析都表明,正交LaGaO3比菱方LaGaO3具有更好的稳定性。分波态密度和布居数的计算结果表明,两种晶体都是离子键和共价键混合型晶体。O-LaGaO3晶体的延展性比R-LaGaO3的好,R-LaGaO3晶体的硬度稍大。
  对(La7/8Nd1/8)GaO3和(La3/4Nd1/4)GaO3晶体的计算与分析表明,随着化合物中Nd含量的增加,Ga-O键的共价性和La-O键的离子性减弱,GaO6八面体的稳定性减弱。对晶体的结构和电子性质的计算分析表明,(La7/8Sr1/8)GaO3晶体的空间对称性比O-LaGaO3晶体的好。它是间接带隙半导体,带隙值为3.569eV。与O-LaGaO3晶体相比,Ga-O之间的平均布居数值减小,化学键的共价性减弱,即GaO6八面体的稳定性减弱。
[硕士论文] 唐丽丽
机械设计及理论 重庆理工大学 2013(学位年度)
摘要:数字显微全息技术是数字全息和光学显微全息相结合的产物,用CCD代替传统的全息干板记录物体放大的信息实现数字全息显微过程。使全息图实现了数字化并且提高了系统的横向分辨率,能比较快捷记录和重现全息图,可以通过数字图像处理技术改善重现图的质量。在近十年的发展中,数字全息显微术已有了一定的理论基础和在医学、微机电子、流体等领域的应用,但数字显微全息仍有一些关键技术有待进一步研究,例如如何抑制或补偿显微物镜引入的相位畸变、如何精确得到物体的焦平面、如何提高横向分辨率、如何得到物体的实际放大倍数、如何确定重现距离与记录距离之间的关系、如何实现实时稳定的测量等问题,这些问题严重制约了该技术的实际应用。本课题针对上述问题进行研究并在某些问题上加以改善,对微观世界和流体领域的测量有着极其重要的意义。
  本文主要研究记录距离和重现距离之间的关系,首先从点光源球面波放大系统和显微物镜系统开始研究。系统的分析了点光源照射物体的理论知识和重现算法的原理,分析了球面波照射物体的几种实验光路和这几种实验光路的优缺点,选择了最佳实验光路进行实验,并分析记录距离与重现距离之间的关系。本章还分析了直接在数字全息中引入显微物镜成像的一些基本原理,并用理论和实验相结合的方法发现数字显微成像存在的一些具体问题和引起这些问题的原因。
  在数字显微全息中,目标与显微物镜的距离以及物体经显微物镜成像的位置都难以精确获得。所以CCD接收到的全息图像的放大倍数并不是显微镜标示的放大倍数,而是一不确定值。本文通过讨论物体位置固定时,CCD与像之间满足的关系,以及CCD位置固定时,物体位置与CCD之间的关系,得到了在满足清晰重建图像的前提下,放大倍率的函数方程以及全息显微光路中各参数之间的关系函数及优化实验参数。提出实验验证,在满足以上关系函数及优化参数的条件下,CCD能捕获高质量的全息图,并能重现出清晰重建像,当不满足以上关系时,全息图及重现像质量较差。根据上面的研究,本文设计了可调放大倍数实验光路系统,通过调节透镜之间的距离来调节系统的放大倍数,并得到了确定的放大倍数和重现距离,并通过实验验证实验光路的准确性。
[硕士论文] 杨晓红
机械制造及其自动化 江苏大学 2013(学位年度)
摘要:DNA作为一种天然的生物大分子,在构建纳米材料方面具有独特的优势:(1)自下而上(bottom-up)的自组装模式;(2)DNA可组装成周期排列结构;(3)周期排列结构可被预测化及程序化设计。因此,利用DNA制备纳米结构是一项非常有意义的研究。基于DNA自组装技术,利用DNA构建纳米材料的建筑模块,通过模块间黏性末端的互补配对作用,组装形成不同的纳米结构。本文以Seeman教授设计的DX分子瓦(DNATile)为纳米结构的建筑模块制备DNA二维晶体结构。对DX分子瓦改进,实现其他晶体结构的制备,同时探讨了不同因素对晶体结构形貌的影响。
   首先选择DX分子瓦作为构建纳米材料的建筑模块,采用DNA自组装技术制备出DNA二维晶体结构,同时探讨了DNA浓度以及退火时间对DX分子瓦及二维晶体的影响,对制备得到的DX分子瓦采用6%非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳(native-PAGE)进行表征,结果表明在DNA浓度为1μmol/L时,退火时间越短组装的DX分子瓦的结构越稳定,同时也发现电泳条带大部分都在正确的位置,所以DX分子瓦的退火时间不会影响后续二维晶体的制备。对所得到的DNA二维晶体结构采用原子力显微镜(AFM)表征,结果表明不同的起始退火温度会对二维晶体的形成造成影响:起始退火温度为37℃时,可得到片状的二维晶体结构;起始退火温度为50℃和25℃时,二维晶体结构呈现缠绕状。对这种影响做了分析,探讨了组装二维晶体结构的最优退火条件。对DX分子瓦在260nm处进行紫外吸光度测定,发现DX分子瓦在260nm处的吸光度值减小,而在小于240nm处的吸光度显著增加。
   其次通过对组成DX分子瓦的寡核苷酸链长度进行修改,得到六种不同的DX分子瓦:2A,2B,5A,5B,10A,10B。这些分子瓦的黏性末端通过碱基互补配对原则连接形成晶体结构2AB,5AB,10AB。探讨不同因素,包括DNA浓度、退火时间、镁离子浓度对分子瓦以及晶体结构的影响。对分子瓦结构采用6%非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳表征发现:DNA浓度越小,分子瓦的结构越稳定;而镁离子浓度、退火时长对分子瓦的影响则不是很明显。对得到的晶体结构采用原子力显微镜表征发现2AB、5AB结构呈线状,但容易相互缠绕。Mg2+浓度越大,5AB晶体的延展性就越差。而10AB的结构在原子力显微镜下会呈现两种不同的形态。同时也发现2AB晶体结构在原子力显微镜下容易发生坍塌。同时本文还采用一锅法(one-pot)制备了DNA晶体。对所得的结构进行表征发现采用一锅法制备的样品可以在原子力显微镜下观察到晶体结构,但结构容易发生缠绕堆叠,证明一锅法制备的样品结构不稳定。
   最后在10A,10B分子瓦上分别修饰Cy3、Cy5荧光分子,通过荧光显微镜对制备的10AB晶体结构进行表征,结果表明有大量呈红色荧光的片状物质存在,这与原子力显微镜表征结果相符。基于荧光共振能量转移效应(FRET),采用550nm的激发光通过荧光酶标仪对FRET效应进行验证发现在660nm处会出现峰值,证明FRET效应可以发生,但荧光峰值较小,这可能是因为DNA浓度较小。
[硕士论文] 贾国奇
凝聚态物理 河北大学 2013(学位年度)
摘要:本文运用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了缺陷结构对SrTiO3和LaAlO3两种典型钙钛矿结构化合物以及SrTiO3/LaAlO3异质结界面的影响。
  首先,研究了Sr过量和Ti过量的SrTiO3,即Ruddlesden-Popper(RP)结构和Magnéli(M)结构Sr-Ti-O化合物的原子结构、态密度和光学性质,分析两种化合物的结构稳定性。在进行几何优化后,RP和M结构均出现了晶格膨胀现象,其中RP结构的晶格膨胀程度要大于M结构,且晶格膨胀程度都随Sr和Ti原子比例的变化而变化,当Sr/Ti原子比例越接近1时其晶格膨胀程度越小。计算RP和M结构的态密度显示,费米能级附近价带顶电子主要由O原子2p轨道电子提供,Ti原子3d轨道电子在导带占主要地位。分析能带结构得出RP结构的禁带宽度随Sr原子比例的增加而单调增加,M结构的禁带宽度随Ti原子比例的增加而单调减小。对光学性质的计算结果显示出两种化合物的光频介电常数e1(0)和禁带宽度的变化规律相反。通过调节Sr或Ti原子比例,可以获得具有不同禁带宽度和介电性质的化合物。利用热力学分析计算两种结构的形成能,发现RP型的晶体结构较M结构更为稳定,这与已有的实验结果吻合。
  其次,研究了立方相LaAlO3晶体中La和Al原子的空位、反位和间隙原子缺陷结构对LaAlO3晶体结构、电子及光学性质的影响。晶体结构优化的结果表明,随着La/Al比例的增加,c轴晶格常数有逐渐增大的趋势,而禁带宽度没有表现出较为规律性的变化。态密度分析得到空位和反位缺陷结构导致LaAlO3形成p型导电结构,而间隙缺陷导致LaAlO3形成n型导电结构。空位和间隙缺陷在低能区对光学性质的影响较大,而反位缺陷对光学性质的影响较小。结合热力学分析,计算各个缺陷结构的形成能。结果显示La、Al空位缺陷在氧化气氛中最容易形成,反位缺陷受化学环境的影响较小,间隙缺陷形成能在不同条件下均表现出较大的数值。另外,由于LaAlO3在实际应用中常以薄膜形式出现,因此本文还构建了LaAlO3(001)表面LaO和AlO2两种不同终止面的薄膜模型。结合巨热力学势分析,发现LaO终止面的表面结构比AlO2为终止面的表面更加稳定,并且两种表面不会共存。在薄膜中反位缺陷的形成能随化学环境的变化较小,这一结果和体相缺陷结构的结果类似。薄膜中空位缺陷在氧化气氛中较容易形成,而在还原气氛中缺陷形成能增大。两种间隙缺陷在以LaO为终止面的薄膜中形成能较大;但在以AlO2为终止面的薄膜中形成能降低,可能是由于库仑排斥力致使薄膜表面原子产生较大畸变,释放了应力,导致缺陷体系总能量降低。
  最后,研究了SrTiO3/LaAlO3异质结TiO2/LaO(n型)和SrO/AlO2(p型)两种不同界面类型的几何结构和电子性质。进行结构弛豫后,n型异质结构界面处TiO2原子层中的Ti原子向SrTiO3一侧有明显的偏移;p型异质结构界面处各原子均没有产生明显的偏移。分析态密度发现,n型界面的费米能级进入导带内,整个异质结构呈n型;而p型界面费米能级位于价带内,整个异质结呈p型。两种模型上价带电子主要由O原子2p轨道电子提供,并且各层中的O原子对价带均有贡献;导带电子主要来自Ti原子3d轨道电子。密立根电荷的分析结果显示TiO2/LaO界面存在多余的电子,这和态密度分析结果相符合。通过计算平均静电势得到SrTiO3/LaAlO3异质结的价带偏移为0.96eV,导带偏移为1.44eV。另外,为了深入讨论SrTiO3/LaAlO3异质结构界面上二维电子气的产生机制,本文分别在SrTiO3和LaAlO3层结构内引入氧空位及金属阳离子空位等缺陷,研究点缺陷对异质结界面导电性质的影响。分析缺陷结构的态密度发现,n型界面氧空位缺陷表现出施主行为,界面上载流子密度增加,界面导电性增强;p型界面氧空位缺陷表现为施主行为,由于补偿作用导致界面上载流子密度降低。引入Sr,Ti金属阳离子空位发现n型界面Sr,Ti空位缺陷表现出受主行为,强的补偿作用使费米能级降低至价带内;而p型界面Sr,Ti空位缺陷导致p型界面上的空穴浓度有不同程度的增大。这一结果可丰富对缺陷结构引起钙钛矿异质界面二维电子气这一产生机制的认识,对钙钛矿异质结构的研究及其器件开发起到一定的理论指导作用。
[硕士论文] 李瑞琴
理论物理 郑州大学 2013(学位年度)
摘要:本文我们采用平均场近似的方法,得到了石墨烯紧束缚哈密顿量的Bogoliubov-deGennes(BdG)方程,通过对这个BdG方程进行自洽求解,研究了石墨烯的超导配对势和石墨烯SNS(superconductor-normalconductor-superconductor)Josephson结的近邻效应、约瑟夫森电流等。
   文章内容主要包括以下几部分:第一章中首先介绍了最基本的几种碳基晶体材料如石墨、富勒烯、碳纳米管,接着对石墨烯的发现、制备及应用,做了简单的介绍。第二章介绍了单层石墨烯的晶体结构、能带结构、电子特性以及无序对石墨烯性质的影响。第三章是我们研究的主要内容,首先我们通过对S波超导配对势自洽计算,研究了在无掺杂的情况下,化学势与超导配对势的关系,以及无序对石墨烯超导配对势的影响,然后通过改变超导区和正常区域的化学势以及约瑟夫森结中正常区域的长度,研究了石墨烯约瑟夫森结中的近邻效应和约瑟夫森电流。计算结果显示,当超导区和正常导电区的化学势都位于范霍夫奇点附近时,近邻效应最明显,约瑟夫森电流最大。通过缩短约瑟夫森结中正常区域的长度,近邻效应和约瑟夫森电流得到增强。
[硕士论文] 顾侃
等离子体物理 东华大学 2013(学位年度)
摘要:微粒检测是一项多学科、多领域的技术。固体微粒如粉尘、煤粉、催化剂,气态微粒如气泡等,分别是空气污染检测、生产废气排放、石油炼化、纺织纤维强度检测等领域的重要参数指标。微粒粒径的检测是微粒检测中最基本也是最重要的一个方面。目前微粒粒径检测方法有许多,其中光学散射法以干扰小、检测范围广、检测速度快、易于实现自动化等技术优势,成为微粒粒径检测的重要方法。同时图像处理技术的进步也促进了微粒检测技术的发展。
   目前国内微粒检测技术落后于国外相关微粒检测技术。原因在于国内对固体微粒检测技术研究不够深入,而对气态微粒(气泡)检测的研究更少。因此,对于微粒粒径分布检测技术尤其是气态微粒检测技术的研究具有重要意义。
   本论文结合光学散射法和图像处理技术对微粒尤其是气态微粒的粒径分布检测进行了研究。本论文的研究工作主要围绕固体微粒检测技术进行研究,并将固体微粒检测技术研究中相关的一些理论和数据处理方法用于气态微粒检测技术进行研究。论文的主要内容有:
   (一)介绍了微粒检测技术现状,提出可以将固体微粒检测技术中的相关理论、技术和数据处理方法用于气态微粒的检测,从而可以改进目前国内纺织和材料行业中原料溶液气泡粒径分布(影响后续纤维强度)检测流程,优化工艺流程,节约生产成本。
   (二)介绍了光散射基本理论,简单介绍了一般微粒检测技术理论基础,如消光法、Mie散射理论、夫琅禾费衍射、激光全息法等,并根据实验条件确定选用Mie散射理论作为本论文中所阐述实验的理论基础。本论文另外详细介绍了Mie散射理论,并推导并得出Mie散射理论的数值解公式,使其能够被Matlab求解,从而可以利用Matlab进行实验模拟。在假定的实验条件下,模拟得出接收器理论上应当接收到的光强信号,为后续实验提供了理论依据及实验准确性判断依据。
   (三)研究了光强信号反演推导理论依据。介绍了反演算法基础理论,即依据接收器所接收的光强分布信息推算微粒粒径分布规律的反演推算过程及理论依据。介绍了反演算法中的约束算法与非约束算法,并且根据实验条件与实验目的确定采用非约束算法。详细介绍了非约束算法推导过程和Chahine算法,并对光能系数矩阵进行了模拟计算,为后续实验数据处理提供理论依据与算法基础。
   (四)理论分析了微粒在液体中的分布状况与运动状态。分析了光学散射的相关性问题,确定实验样品所产生的散射光为非相关性散射。分析了微粒在液体中的运动状态,建立了微粒群数学模型,为实验数据提供理论基础。
   (五)研究了基于Mie散射理论的微粒粒径分布检测技术。本论文根据Mie散射理论搭建了一台用以检测微粒粒径分布的实验装置,介绍了该装置的光学结构,并论述了实验流程,同时解决了透射光对散射信号的影响。本论文通过5组不同实验对象的实验,验证了微粒检测系统检测固体微粒与气态微粒(气泡)粒径分布的有效性和准确性。实验结果表明,该检测系统可以有效的进行微粒粒径分布检测工作。结合实验结果,验证了本文提出的改进纺丝液强度检测流程方案的可行性和有效性,并根据本论文的研究工作,成功研制了一台纺丝液气泡检测仪。
[硕士论文] 张传友
计算机应用技术 西安科技大学 2013(学位年度)
摘要:显微镜作为人们观测微观世界的必备工具,在各学科的研究及应用领域中发挥着重要作用。随着图像数字化技术和计算机技术的发展,对显微镜的要求也越来越高,从最初直接通过手动调节显微镜观看局部视野,到现在要实现显微镜系统的全自动化,其集成的功能主要包括:自动采集图像序列、自动控制、自动拼接、远程浏览等。本文主要是针对自动显微镜系统中显微图像拼接技术进行的研究,旨在把采集到的局部视野下的微观图像拼接成反应目标全局的完整图像。全自动显微镜系统的图像拼接核心是匹配与融合技术。
  针对显微图像拼接中的匹配问题,通过对0、1模板和灰度模板的研究与分析,提出了一种基于类田字比值模板的匹配算法,该方法是一种改进的灰度模板匹配算法,将矩形四个边和两条对角线相应的比值作为模板的特征,结合金字塔思想实现图像匹配。实验结果表明,该算法运算量小,实时性好,并且可以同时满足低对比度和不同信息量的图像拼接。
  针对显微图像拼接中的融合问题,通过对显微图像的特点进行分析,提出了亮度均衡与渐进渐出思想相结合的图像融合算法。该算法首先对显微图像进行亮度均衡;其次对均衡后的图像采用渐进渐出的方式实现融合;最后对融合后的图像进行后处理,使融合后图像能够达到更好的视觉效果。实验结果表明,该算法与基于金字塔和降维的方式相比算法简单,同时又消除了单纯使用渐进渐出带来的色差效应。
  总之,在图像匹配与融合的基础上,使用基于同行度和同列度的策略实现了显微图像序列的全景拼接。最后对不同信息量和低对比度的显微图像通过VC++实验仿真,验证了本方法的可行性。
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