关键词： 表面等离子   人工微结构功能材料   光子晶体   自准直传感器   激光器   调控光子行为  

摘要： 光子晶体和亚波长金属微结构材料属于人工微结构功能材料领域，它们分别利用介质的介电常数周期性分布和金属或金属-介电微结构来调控光子的行为。人工微结构功能材料给人们调控光和相关元激发的能带结构和传输性质提供了新的材料体系和物理原理。本论文研究了基于人工微结构功能材料的新效应、新器件以及新性能。针对光学器件中对光场局域的特殊要求，研究了表面等离子体的局域增强效应及光子晶体自准直、带边共振效应对光场的调控作用;基于上述效应研究了新月传感器、光子晶体自准直传感器及光子晶体新型面发射激光器;结合介电材料与金属材料，构建了新型的人工超材料，该材料具有传统功能材料所不具备的性能。\n 本文的主要研究内容和创新点为:\n 1.研究了基于纳米新月结构的表面等离子波的相干调控及其在化学传感和位置探测中的应用。采用粒子外侧向激发表面等离子体的方式，从TM光三个分量的角度详细分析了纳米新月结构的电磁场局域。发现了纳米新月结构存在显著的表面等离子波的干涉效应，利用相长干涉可增强探测信号和扩大可探测区域。单个新月结构的灵敏度达到940 nm/RIU，FOM值约为7，与最近国际报道的局域表面等离子共振传感器的指标可比拟。而新月对结构虽然只有450 nm/RIU，但其可实现不同功能区的分离和可控传感。还研究了引入其他金属纳米粒子对单个新月结构灵敏度的影响。另外，首次从理论上研究了新月结构在位置探测中的应用，加入探测光的相位作为探测参数可提升位置探测的准确度。这些研究使得纳米新月结构有望用在生物化学医疗传感、信息存储及处理、纳米非线性以及太阳能电池中。\n 2.首次提出了光子晶体自准直传感器的概念及设计，为光子晶体传感器家族增添了新的一员。光子晶体自准直效应具有光束传输不发散、交叉无串扰的显著优势，有望应用于光路集成、光子及量子芯片。利用此效应，我们首先设计了可调的光子晶体Michelson自准直干涉仪，理论上采用液晶调谐其开关比可达12 dB，机械调谐的带宽可达8nm。然后，基于光子晶体折叠型Michelson自准直干涉仪设计了一种新型的折射率传感器。引入两个传感功能区，其中干涉臂区适用于小折射率变化范围的精确探测，而反射镜区适用于大折射率变化范围的粗略探测，从而可实现先定折射率变化区间再做精确确定的通用型传感。粗略探测时的FOM*最大为14.7，精确探测时灵敏度达到157.5nm/RIU，FOM为13.3，与最近国际报道的光子晶体传感器的指标可比拟。此外，我们还给出了一种单片集成的并行传感器阵列的灵活设计。光子晶体自准直传感器概念的提出以及新设计，有望用在单片集成、廉价、高灵敏度、无标签、实时的并行传感中。\n 3.将FP激光器及光子晶体融合集成在一起，设计了新型的横向腔光子晶体面发射激光器。在无DBR结构的商业外延波导晶片上，利用深孔刻蚀技术使光子晶体穿透或接近有源区来直接或间接调制有源区的激射模式，以获得Γ2-1模式的横向振荡、垂直输出特性。在光子晶体未穿透有源区时，室温下获得了电注入1575 nm的面发射激光。与光子晶体穿透有源区的激光器相比，在出光功率、边模抑制比及阈值电流方面都有显著改善。此外，还创新性地应用光子晶体Fano共振理论分析了刻蚀的圆台形空气孔的模式特性及等效孔径。理论得到的等效Γ2-1模式与实验符合得很好，而且三维等效激光器结构的能量分布也展示了激光器的光振荡及传输特性。这种新型的激光器为电注入面发射激光器的研制提供了新的思路，为该类激光器的批量生产提供了可能。\n 4.构建了介质波导光栅和金属光栅套构的超材料结构，其对1.55μm的光具有单向吸收和单向反射的特异性能。我们通过理论研究结构的吸收谱来间接反应器件的辐射性能。当采用Au光栅与SiO2波导光栅套构时，单向吸收的吸收率达到96.34％，峰宽度比仅为0.0037。吸收角谱表明，反向入射时吸收率高于90％的角度范围为0.3°，正向入射时仅为0.03°。采用Au/SiO2多层光栅取代Au光栅后，单向吸收的吸收率提高到98.71％，峰宽度比降为0.0033。正向入射时吸收率高于90％的角度范围为0.462°，反向入射时为0.102°。这些指标部分与国际现有报道可比拟，同时说明器件有望用在光信息处理和隐身技术上。而就辐射而言，两种结构类型的超材料呈现窄带、高方向性辐射，且前一种结构还具有单边辐射的特性，这些可用于器件的高效定向加热及热辐射型探测器。通过调整结构参数，辐射体的辐射波长可扩展至近中红外，有望与功率有限或高成本的红外LED和量子级联激光器媲美。这种套构的超材料结合了表面等离子体效应与光子晶体效应，是未来构建新型功能材料的发展方向之一，在此基础上的器件也将有望表现出更加优异的特性。\n 总之，本论文的研究主要围绕人工微结构功能材料对光场的调控

关键词： 微波场   温度场   材料性能   微结构演化   有限元法  

摘要： 微波烧结由于具有快速高效、有效改善材料微观结构和宏观性能等诸多优点而被广泛应用于材料制备过程。然而由于多场耦合以及材料微观组织演化的复杂性，微波场改善材料微观结构，加快材料制备过程的机理还并不完全清楚。本文对微波场和温度场耦合作用下的微结构演化进行模拟，并与SR-CT技术原位观测实验结果进行对比分析，对于研究微波与物质的相互作用机理、调控和优化材料制备过程具有重要意义。\n 本文基于物质在热动力学作用下的传输机制和微观结构演化特征及理论模型，分析了微波电磁场附加驱动力对微结构演化的促进作用，在此基础上，对现有的有限元算法进行改进，实现了微波场与温度场耦合下的微结构演化有限元模拟。并用改进后的算法针对不同的材料在不同耦合场下的演化情况进行模拟。最后用同步辐射原位观测实验结果，对模型进行验证，同时通过模拟过程和结果分析实验当中的微结构演化现象，研究不同材料与微波相互作用的微观机理。主要研究工作总结如下:\n 1、改进了有限元算法，实现了微波场与温度场耦合作用下的材料微结构演化有限元模拟。从微波场与温度场对物质扩散激活能以及扩散系数影响的角度出发，对现有有限元模型进行改进，实现了单一机制表面扩散作用下以及表面扩散、晶界扩散、晶界迁移机制综合作用下的微结构演化模拟。模拟结果显示微波场的存在促进了微结构演化过程，且不同方向的电场对微结构演化的促进程度不同。\n 2、模拟了陶瓷和金属在不同耦合场下的微结构演化。分析不同物质如陶瓷和金属在微波外场作用下的电磁场与温度分布，针对SiC和Al双球模型模拟其在耦合场下的微结构演化情况，讨论在不同耦合场下各自的烧结颈生长、中心距收缩等的演化规律。\n 3、结合陶瓷和金属的微波烧结SR-CT实验结果，用模拟过程和结果分析陶瓷和金属的微结构演化差异以及各自与微波作用的微观机理。得出结论:陶瓷材料与微波的耦合加热机制为整体介质损耗加热，在颗粒间的接触区域会产生电场的微区聚焦效应，促使靠近颈部表面和界面的微结构演化。金属材料其耦合机制为涡流损耗加热，表面的感应电场和较高的温度促进表面的微结构演化。\n 本文通过算法实现、实验观测、机理分析在一定程度上揭示了微波促进微结构演化的物理机制以及不同物质与微波的相互作用机理，这些研究成果为微波制备材料微结构的调控和性能提高提供了一定的支持。

关键词： 钒酸盐   稀土掺杂纳米材料   微结构   发光性能  

摘要： 与有机荧光材料和半导体量子点等传统的发光材料相比，稀土离子掺杂纳米发光材料凭借其化学稳定性高、抗荧光猝灭能力强，发射峰窄、低毒性、长寿命以及可调谐荧光发射波长等优点，在绿色照明光源、发光二极管(LED)、液晶显示、纳米生物标记和传感器等领域得到了广泛应用。目前，稀土掺杂纳米发光材料的研究主要集中在形貌调控、尺寸控制、发光机理研究、多色发光调控、表面修饰等。但是，关于微结构（晶格畸变、表面化学结构和缺陷特征等）与发光性能的内在关系尚不清楚。考虑到钒酸盐稀土纳米发光材料具有优异的发光性能，且Y3+、Gd3+离子不会产生f-蹶迁而消耗能量。本论文选取YVO4和GdVO4发光基质为研究对象，探索稀土掺杂(Y, Gd)VO4纳米晶的成核过程、各向异性生长和形貌演变情况，考察晶格缺陷和表面效应对稀土发光中心离子的局域微结构影响;分析稀土离子掺杂对(Y,Gd)VO4纳米晶电子跃迁的作用机制，揭示带隙变化对发光效率的影响;最终揭示纳米荧光材料的微观结构与发光性能的内在联系，实现稀土掺杂(Y, Gd)VO4纳米晶微观结构的可控，为开发高性能的稀土纳米发光材料提供新思路。主要结果如下:\n (1)采用室温共沉淀法合成YVO4纳米晶，研究了pH值对样品相结构的影响。当pH=0.5～6.0时，钒离子主要以V10O286-的亚稳态形式存在，导致生成的YVO4纳米晶存在少量的非晶态V2O5，形成缺陷能级，使YVO4纳米晶的带间隙下降。在碱性条件下，Y3+与OH-和钒酸根离子存在竞争反应，同时生产非晶态的Y(OH)3和晶态的YVO4。延长反应时间，Y(OH)3逐渐转化为YVO4，但是高浓度的OH-会阻碍该反应的进行。因此，在弱碱性环境(pH=9.0～11.0)下，可以得到纯相的YVO4，而在高pH值时，会出现少量Y2O3杂相。\n (2)研究了反应pH值和柠檬酸络合剂对合成YVO4∶Eu3+和GdVO4∶Eu3+纳米荧光粉形貌及表面微结构的影响，并探究了引起发光性能变化的本质原因。研究发现，对于YVO4∶Eu3+纳米材料而言，组装球形样品的发光性能最好;对于GdVO4∶Eu3+纳米材料而言，未组装的纳米颗粒也可以表现出优异的发光性能。这说明形貌并不是引起发光性能变化的本质原因。考虑到稀土掺杂纳米晶表面态的离子状态与其颗粒内部的离子有很大的差别，所以纳米颗粒可以看成由体相和表层原子两部分组成。表面效应和晶格缺陷是引起发光性能变化的本质原因。\n (3)采用水热法，以柠檬酸钠为络合剂，通过控制水热时间获得了不同粒度的GdVO4∶Eu3+纳米颗粒。研究发现，纳米颗粒表面吸附水和柠檬酸产生的表面缺陷偶极作用，将会导致纳米晶随粒度减小异向晶格膨胀和品格对称性下降;而高温烧结处理后样品表面缺陷偶极的减弱以及晶格缺陷（氧空位）引起的静电相互作用，会进一步导致纳米晶随粒度减小发生晶格收缩。纳米颗粒表面吸附的水、有机物等杂质引起的表面荧光猝灭效应是导致GdVO4∶Eu3+发光性能降低的主要原因。\n (4)采用水热法，以柠檬酸钠为络合剂，在pH=10的条件下得到了单分散、尺寸分布均匀的YVO4∶Eu3+组装微米球。EPR证实了YVO4∶Eu3+微米球存在晶格缺陷，即为低价钒和氧空位缺陷。随着反应时间的延长，YVO4∶Eu3+的晶格缺陷浓度先增加后减小，在t=24h时达到最大值。研究表明，晶格缺陷的引入是导致发光性能变化的主要原因。\n (5)通过直接沉淀水热法合成了气泡结构YVO4∶Eu3+纳米颗粒。EPR测试表明，样品的晶格缺陷浓度很低。气泡结构提高YVO4∶Eu3+纳米颗粒对紫外光的吸收能力，增强了晶格畸变程度，提高Eu3+离子猝灭浓度，提高了YVO4∶Eu3的发光性能。当掺杂浓度为5 mol％时，气泡结构YVO4∶Eu3+纳米颗粒的外量子效率高达40％，荧光猝灭浓度高达10 mol％。\n (6)研究了稀土Ln3+离子掺杂对YVO4基质材料带隙和发光性能的影响，当分别掺杂Eu3+、Dy3+、Sm3+、Er3+能够产生较强的Ln3+-O电荷转移跃迁，降低了YVO4基质带隙，实现了稀土离子的特征发射;而掺杂Ho3+、Pr3+或Tb3+对YVO4带隙影响可以忽略，能量传递非常低，难以实现稀土离子的特征发射。

关键词： SiAlON材料   荧光粉   发光性能   微结构   稀土掺杂  

摘要： 近年来，以稀土掺杂的SiAlON荧光粉为代表的（氧）氮化物发光材料由于其良好的发光性能、高热稳定性和化学稳定性以及在白光LED(LightEmitingDiode)照明领域的巨大应用价值而受到广泛关注。荧光粉的性能直接影响到白光LED器件的性能，因此，对高性能荧光粉的开发和研究具有重要意义。众所周知，材料的微结构会对材料的性能产生直影响。虽然对SiAlON发光材料的研究已经开展了十余年，但是其中仍然有不少的微结构问题还有待进一步研究。本论文系统地研究了Ce3+、Eu2+掺杂的α-SiAlON和β-SiAlON基发光材料的合成、性能和微结构，并将材料的微结构与发光性能相联系，最终为通过调控材料微结构来提高其发光性能提出了有益的建议。\n 提高α-SiAlON粉体的结晶性和其晶格中的Ce浓度都能有效增加Ca-α-SiAlON∶Ce3+发光强度。层错的产生有利于实现Ce的高掺杂，从而对发光起到积极作用。可以确定M-Ce-α-SiAlON材料体系不存在明显的浓度猝灭现象。但是杂相的产生、粉体的团聚等因素会对材料的发光产生不利影响。α-SiAlON晶格中Ce含量的升高会显著提高晶粒内层错缺陷的密度以及改变畴界的形状。增加α-SiAlON内部层错缺陷的密度将可以有效提高Ce的掺杂浓度，从而提高材料的发光性能。\n 结晶性越好的Ca-α-SiAlON∶Eu2+具有越好的发光性能。当Eu2+掺杂浓度（即x值）超过0.08时样品出现明显的浓度猝灭。Ca-Eu-α-SiAlON晶格中存在与M-Ce-α-SiAlON中类似的由1/3<210>点阵滑移而形成的层错缺陷，但是表现形式上与M-Ce-α-SiAlON中的层错有明显区别，大多是属于锯齿状或无定形的缺陷结构，而在某一特定的晶面上形成的平整层错非常少。Ca-Eu-α-SiAlON中的这种层错形貌由于含有大量的断键、失配等缺陷，形成能量陷阱，势必会导致发光猝灭。使用适当的制备工艺参数减少层错的产生将有利于提高材料的发光性能。\n z值的变化对β-SiAlON∶Ce3+的发光性能影响很大，0.2≤z≤0.5的β-SiAlON∶Ce3+荧光粉由于其具有较好的结晶度、高的相纯度和均一的晶粒尺寸而拥有最好的发光性能。Ce在β-SiAlON晶格中的溶解度非常有限，x值为0.02时对材料发光最有利。β-SiAlON∶Ce3+的发光来自晶格整体，而并非只是表面。原子分辨扫描透射显微镜发现Ce3+离子可以掺杂进入β-SiAlON结构中，而且其在晶格中的占位不止一种情况，可以确定的有Si/Al位置上的取代占位和晶粒表面或晶界附近的通道中的填隙占位两种。z≤2和z≥3两类样品表现出迥异的发光性能，说明z值的改变会影响Ce3+在晶格中的配位情况。\n 0.2≤z≤0.5的β-SiAlON∶Eu2+荧光粉具有良好发光性能。由于Eu在β-SiAlON基体中的溶解度和猝灭浓度都比较低，所以相对较低的Eu2+掺杂浓度(x≤0.02)更有利于材料的发光性能。在z≥2的时样品出现的绿色和紫色双峰发光现象说明在z值较高的β-SiAlON晶格中同时存在两种不同配位情况的Eu2+离子，它们有可能是在同一格点而O/N配位比不同，也有可能是处于不同的格点。

关键词： 独角仙   鞘翅   微结构   中空轻质结构   纳米力学性能  

摘要： 利用SEM对独角仙鞘翅的微结构进行了观测,并借助纳米压痕仪测试分析了鞘翅的纳米力学性能。SEM试验表明独角仙鞘翅是一种具有拱形空腔的中空轻质生物复合材料,其断面占空比为26.36%。鞘翅由外表皮和内表皮构成,而内表皮又通过11～12层纤维层采用45°角正交叠加铺设,层间辅以许多微纤维丝交叉连接方式编织在一起,形成层合板结构。试验测得鞘翅外表皮纳米力学性能分别为:硬度(0.28±0.13)GPa,弹性模量(5.62±1.21)GPa,接触刚度(1.67±0.14)×104 N/m。其纳米力学性能呈现拓扑分布规律,由头部至尾部区域有增大趋势。试验测试结果为后续研究中设计一种基于独角仙鞘翅的新型轻质仿生结构提供了仿生学模型和理论参考。

关键词： 微结构调控   二氧化钛   可见光响应   Ti基层状化合物   分等级结构  

摘要： 现阶段能源危机和环境污染已成为人类面临和亟待解决的重大课题。光催化技术为我们提供了一种有效的解决能源和环境问题的有效手段。从本质上说,光催化技术是利用光来激发半导体,利用它们产生的电子和空穴来参加氧化-还原反应。氢是理想的清洁能源,其热效率是汽油的3倍,而且使用后不会产生任何污染。在众多氢能开发的手段和途径中,利用半导体光催化材料,直接把太阳能转换为以H2为载体的化学能的太阳能光解水制氢过程具有清洁、廉价、低能耗的特点,是最为理想和最有前途的氢能开发手段之一。除此之外,光催化材料能利用太阳能降解和矿化环境中的污染物,或将其变废为宝,转变为其他如甲醇、乙醇等有用的工业原料。因此光催化技术在解决能源和环境问题方面有重要的应用前景。 二氧化钛作为一种优良的宽禁带半导体材料,具有优良的光催化活性,自上世纪70年代以来,一直都是光催化领域研究的重点,目前已经初步实现了产业化。然而,由于其禁带宽度较宽,仅能吸收利用占太阳光谱不足5%的紫外光,严重影响了其光催化效率。因此,拓展二氧化钛等宽禁带半导体的光谱响应范围,对进一步提高光催化材料,推动光催化技术的发展及其实用化都具有重要的意义。 基于人们对纳米材料结构与性能关系的研究,人们发现,材料的性能不仅取决于材料本身的组分,还跟材料的微结构,如：形貌、表面状态、电子结构等微观因素有关。因此,结合纳米材料的调控手段,对材料的这些微结构参数进行调节,从而改善材料本身的性能,具有重要的研究价值和实际意义。 因此,本论文以Ti基半导体光催化材料作为主要研究对象,结合微结构调控手段,对Ti02的晶相、形貌、尺寸以及Ti基层状化合物的晶体结构进行调控,从而拓展这些宽禁带半导体光催化材料的光谱响应范围并提高光生载流子的分离效率,提高它们的光催化性能。具体研究内容主要分为以下几部分： 第一章中,简要介绍了半导体光催化技术的基本原理、主要应用及研究现状。随后介绍了几种常见的微结构调控手段,以及材料的微结构调控对光催化性能的影响,并介绍了TiO2和几种Ti基半导体光催化材料的晶体结构、电子结构及其研究现状和存在的问题。本章最后提出本论文的选题意义及主要研究内容。 第二章中,我们研究了TiO2晶相和形貌对光催化性能的影响。通过简单的水热方法合成了暴露{110}晶面的分等级金红石TiO2微米球,系统研究了微米球的形貌、结构,通过观察不同反应阶段产物的形貌演变规律探讨了其生长过程。通过调节实验参数对其进行微结构调控,以光催化分解水制取氢气来评价其光催化性能,得出不同微结构样品的光催化活性差异,分析了达到较高光催化活性的原因。利用TiCl3在有机溶剂乙二醇中的水解反应制备了具有可见光响应的混合相TiO2。研究了不同原料比例所制备的样品的结构及形貌变化,分析了产生不同晶型产物的原因,对不同样品的光吸收性质进行了研究,实验结果表明,所合成样品有效扩展了TiO2的可见光响应范围。以2,4-二氯苯酚为降解对象表征其在可见光下的光催化活性,证明其具有良好的可见光降解特性。 第三章中,通过对TiO2进行改性,如：氢化、氮化及直接水热等不同处理方法对TiO2进行表面改性,拓展其光谱响应范围,获得一系列具有较强可见光吸收的TiO2材料,并研究了其相应的光催化性质。 以TiOF2立方块为前驱体模板,氢气氛中退火制备出氢化TiO2样品。通过改变氢化温度、时间分析研究最佳反应条件。利用XPS,红外等表征手段对其进行表面分析,发现在氢气中退火后,TiO2中存在少量Ti3+,并且其表面含有更多的Ti-OH键。通过对比氢气中和空气中退火样品的光催化分解水制氢实验,发现H-TiO2体现出更高的光催化活性。利用直接水热方法,以TiSi2为原料在HF调控下合成出具有高活性晶面{001}晶面暴露的蓝色TiO2。研究了反应温度、时间以及HF浓度对反应产物的影响。样品在可见区域的吸收显著增强。通过降解染料研究了其可见光下的光催化性能。微结构调控合成了NH4TiOF3前驱体微米片,将其在氮气氛中退火得到黄色N掺杂片层状TiO2粉末。XPS测试结果表明,N元素成功掺杂入TiO2中。经氮化处理的样品,其可见光吸收显著增强,氮化时间延长,光吸收增强程度加剧。 第四章中,研究了Ti基含铋层状化合物光催化材料和合成及其光催化性能。通过水热方法合成了具有分等级结构的Bi4Ti3O12微米球。通过观察不同反应阶段的产物晶相结构及形貌演变,探讨了其生长过程。研究了使用不同的钛源作为原料和不同矿化剂浓度对产物微结构的影响,对比了不同微结构样品光催化活性差异。通过简单的一步水热法合成出新型光催化材料Bi2TiO4F2纳米片,并首次研究了其光催化性质。通过第一性方法计算了其电子结构,得到其带隙跃迁类型。以光催化降解罗丹明B染料和苯酚溶液来评价其光催化性能,并提出一种可行的光催化反应机

关键词： 溶胶凝胶法   氧化铝   稀土发光   共掺杂   微结构调制  

摘要： 氧化铝作为掺铒发光材料的基体,具有可允许较高浓度的Er3+掺杂、制备技术成熟等优点,引起了研究者的广泛关注。但是较高浓度的Er3+掺杂时,Er3+之间的能量迁移及-OH猝灭效应等问题限制了其进一步应用。根据Judd-Ofelt理论,稀土离子的光致发光(PL)特性与其所处的局部晶体场环境密切相关。因此本论文采用不同半径的非稀土离子与稀土离子共掺杂,来提高Er3+在基体中的分散度及周围配位场的不对称性和多样性,调制Er3+所处的晶体场,以期提高掺铒Al2O3体系的PL性能。通过XRD、TEM、FTIR、PL等研究手段,系统地研究了不同量的In3+, Sc3+, Ti3+分别与Er, Y, Yb共掺杂Al2O3粉末的微结构变化及其对体系PL特性的影响机制。采用溶胶-凝胶法(sol-gel)制备了Er-Al2O3粉末,研究了焙烧温度对其物相的影响。900℃焙烧时,获得了S-Al2O3相。在相同条件下制备了Er, Y-Al2O3及Er, Y, Yb-Al2O3粉末。XRD和PL结果表明,Al2O3结晶度逐渐变差但均保持为6相,且PL性能依次得到显著提高。In3+(0.080 nm)的半径与Er34 (0.089 nm)相近,将不同量的In3+共掺于Er, Y, Yb-Al2O3体系中,结果表明,掺入适量的In3+提高了Er3+在基体中的分散度,减少了-OH含量,改善了体系的PL性能。In3+的掺杂量为3 mol%时,体系在1.53μm处的发光最强,是未掺杂In3+时的1.24倍。In3+的掺杂量>3 mol%时,新相In2O3增多,且较多的Er3+进入In2O3晶格而产生上转换发光,导致1.53 μm处的PL强度下降。Sc3+(0.0745 nm)的半径介于Er3+(0.089 nm)与Al3+(0.0675 nm)之间,将不同量的Sc3+共掺入Er, Y, Yb-Al2O3体系中,有效提高了Er3+,Y3+,Yb3+在基体中的分散度,调制了Er3+局部晶场不对称性及周围配位场多样性,促进了超敏跃迁,体系的PL性能随着Sc+掺杂量的增多而显著提高。尤其当Sc3+的掺杂量为10 mol%时,其PL强度是未共掺Sc3+时的4.7倍,积分半峰宽(FWHM)和荧光寿命也均得到提高。通过共掺杂不同量的Sc3+可以调控Er,Y,Yb-Al2O3体系在1.53 μm处的PL强度、FWHM和荧光寿命。Ti3+(0.067 nm)的半径与Al3+(0.0675 nm)接近,采用同样方法制备了一系列Er, Y, Yb, Ti-Al2O3粉末,结果表明Ti3+的最佳掺杂量为3 mol%,此时适量的Zr3+进入新相Y2Ti207,并发出1.53μm的光,同时减少了-OH含量,使其PL强度达到最大,是未共掺Ti3+时的1.78倍。Ti3+掺杂量>3 mol%时,较多的Er3+进入Y2Ti207相发生团聚,导致其PL强度下降。

关键词： 纳米材料   银纳米立方   Ag@CdS   Ag@Ag2Se   非线性光学   Z扫描  

摘要： 金属银金属纳米颗粒有着多种多样的光学响应近些年来吸引了许多研究工作者对其进行研究。尤其是表面等离子激元响应这一特点使得其在光探测器,传感器,光波导和表面增强拉曼散射等领域有着新颖的应用。目前银金属纳米颗粒的光学响应中一个最吸引人的特点是局域电磁场增强,尤其是局域场增强对非线性光学特性有着至关重要的作用。单个银纳米颗粒所具有局域表面等离子激元特性受到周围介质影响,从而构造出金属与非线性介质的纳米复合材料可以获得更加明显的非线性响应,这已成为目前研究一个热点。 本文主要内容分六个部分,主要内容如下： 第一章全面介绍了论文的研究背景、研究意义和研究方法,并且提出了本文的具体研究内容和目标。 第二章介绍了本文研究工作中所用到的重要装置,合成装置包括油浴锅,水浴锅以及干燥箱。重点介绍了研究材料三阶非线性特性的重要手段Z扫描技术,我们利用飞秒激光器按照Z扫描系统设计方案自行搭建了高斯光束Z扫描系统。 第三章合成了Ag@SiO2同轴纳米线,并且研究Ag@SiO2同轴纳米线和覆盖银膜的Ag@SiO2同轴纳米线的光波导特性。分析了纳米线中场强分布的特点。 第四章利用AgCF3COO为银源合成银纳米立方颗粒,进而构造Ag@CdS核壳结构纳米颗粒,利用SEM、TEM等手段对银纳米立方和Ag@CdS核壳结构纳米颗粒进行了表征。利用Z扫描系统对Ag@CdS核壳结构纳米颗粒与纯CdS纳米颗粒的非线性吸收与折射进行研究。 第五章合成了Ag@Ag2Se复合纳米线,并运用SEM、TEM等手段对Ag@Ag2Se复合纳米线进行了表征。利用Z扫描系统对Ag@Ag2Se复合纳米线的非线性吸收与折射进行研究。分析讨论了Ag和Ag2Se比例不同对复合纳米线非线性吸收和折射的影响。 第六章对本课题的工作进行了总结,并对未来的研究工作进行了展望。

关键词： 氧化锌   层状碱式醋酸锌   混合溶剂沉淀法   水热法   纳米结构  

摘要： ZnO是一种宽禁带、高激子束缚能的半导体材料,其具有优异的光学、电学、磁学和力学等性能。因此,其被广泛应用于光电子器件、传感器、液晶显示器、太阳能电池和表面声波器件等。由于ZnO具有独特的极性晶体结构,使其晶体具有各向异性,并且拥有各种丰富多彩的微观形貌。目前,有关ZnO纳米结构的生长及其特殊性能的研究和应用依旧受到了国内外科研单位及研究人员的高度重视。 本文以有机锌盐为原料在乙醇/水混合溶剂体系下经过水热反应制备ZnO纳米结构材料并研究其生长机制,目的在于寻找影响形貌变化的关键实验参数,为以后能够实现形貌可控生长提供理论和实验依据。实验采用X射线衍射、SEM、TEM以及AFM研究了产物的晶体结构和形貌特征,并使用傅里叶变换红外光谱仪和热重-差热分析仪,分析了产物的化学成分与相变过程。实验通过对前驱物层状碱式醋酸锌(LBZA)生长规律的探索以及对ZnO生长过程的细致跟踪,主要得到了以下主要结果。 (1).LBZA在乙醇/水混合溶剂体系下的形成机理与在水溶液体系中的不同。在混合溶剂沉淀法制备LBZA中,乙醇主要改变了游离锌离子的溶剂化效果,不仅使锌离子与乙酸根离子的结合更加稳定,而且还减少了锌离子与锌离子间团聚的机会,进而在含有少量水的情况下,促进乙酸锌水解形成LBZA。而在水溶液体系下,向溶液中氢氧根离子浓度增加时,在溶液还是酸性条件下,锌离子与多余的氢氧根离子以及醋酸根离子形成溶解度更低,自由能更低的LBZA。 (2). LBZA的化学式为Zn(OH)1.6(AC)0.4,且存在不同的结晶水。其在温度的变化下主要经历3次相变。在温度100℃左右,LBZA脱去结晶水;当温度达到130℃左右时,LBZA结构中的羟基脱水,形成ZnO晶体,但是乙酸根还存在于ZnO颗粒之间;而当温度继续升高到300℃左右时,LBZA中乙酸根进一步分解,而ZnO结晶性变好。 (3).对LBZA的生长规律的研究发现,表面活性剂CTAB对LBZA的构晶离子在c轴方向的堆叠生长有限制作用,同时增加其a轴方向的生长。而乙醇胺能使LBZA在各个方向上的生长都受到大大限制,使其晶粒更小。此外,在低温水热制备下,LBZA构晶离子能够在非c轴方向共用羟基定向排列生长成带状,而且CTAB的加入能使带状形貌更宽,而乙醇胺的加入往往使带状变得更加细长。并且,这些带状LBZA,经过煅烧热分解反应后,在保持形貌不变的情况下,形成ZnO纳米带。 (4).在各种形貌的ZnO中,棒状形貌的ZnO生长是由负离子多面体[Zn(OH)4]2生长基元按ZnO原有的结晶习性从过饱和溶液均匀形核并堆替脱水长大;哑铃状和双锥状的ZnO生长是基于原有沉淀通过异质形核生长。此外,实验发现水热反应中醋酸根离子能通过吸附作用影响ZnO在轴方向上的生长速度,进而获得比较平整的六边形平面。 (5).通过正交试验分析,归纳总结了水热制备法中影响ZnO结晶形貌的最主要的两个实验参数：乙酸锌的浓度和乙醇胺的含量。乙醇胺的作用有两方面：其一为体系提供碱性环境,降低临界转变温度：其二在ZnO生长过程中有络合吸附现象.起到表面修饰和抑制生长作用。乙酸锌浓度的变化主要改变了临界反应温度时溶液的过饱和度。此外,实验发现反应温度的增加也能提高溶液的过饱和度。在分析水热反应后形貌各异的ZnO纳米结构的生长机制时,必须同时考虑溶液过饱和程度和乙醇胺的作用,根据其不同的影响情况,溶解-再结晶过程也不同进而影响ZnO晶体的形核与生长方式.

关键词： Magnesium alloys   Microstructure Magnesium alloys   Hot working  

摘要： In order to achieve recycling of resources, enhancing of fuel efficiency and reduction of carbon dioxide emission, development of new materials and relevant technologies is necessary. Magnesium (Mg) is the lightest structural metal and its use in various products leads to reduced energy consumption. Magnesium alloys have many advantages over steel, such as high strength to weight ratio, electromagnetic immunity, recyclability, and absorption of vibrations. Thus, they are regarded as important next generation materials for automobiles, electronic products, aerospace, defense equipment, and so on. Wrought magnesium alloys have many advantages over cast ones, such as low level of porosity, higher mechanical strength, smaller grain size, etc. However, magnesium alloys have been typically used in their cast form before 2000. This is because they suffer from poor plasticity due to their hexagonal close packed (HCP) crystal structure, which offers limited number of slip systems for deformation. Activation of additional slip systems requires high temperature for deformation, but undesirable deficiencies, such as grain coarsening and flow localization, need to be overcome. Complex metallurgical phenomena occur during high temperature deformation, necessitating metal forming processes that should be carried out within proper ranges of parameters. The technique of processing map, which is based on the dynamic materials model (DMM), has been proven to be accurate in identifying "safe" processing windows (called "domains" in this research). Processing map is an explicit representation of the response of a material to the imposed processing conditions (i.e., temperature, strain rate, and strain,) which are critical to its workability. This technique has been adopted by several researchers in obtaining important information on microstructure and deformation mechanisms towards optimizing hot workability of metallic materials for bulk forming processes. However, limited researches