论文摘要

论文名称：TMDs 和黑磷二维材料与器件的制备表征及光电性能调控

论文作者：北京理工大学 / 裴家杰

指导教师：王西彬《研究领域：先进切削磨削、精密微纳制造、绿色制造》

二维材料是厚度只有一个或几个原子层的晶体材料，所有原子都在二维平面内成键，层间只有范德华相互作用力。二维材料家族涵盖了导体、半导体和绝缘体，其众多的家庭成员和丰富的特性构成了组成复杂纳米机电系统的所有基本元素。二维材料前所未有的物理、光电特性使其具有十分广阔的器件应用前景。单原子层的厚度和完美的晶体结构使其具备制造超小纳米器件和超大集成电路的能力。超强的机械强度和机械柔性可以保证器件的工作可靠性和灵活性。以二维材料为核心的器件开发及应用是目前世界各国的研究重心。但是随着新成员的出现和应用领域的拓展，新型二维材料及其器件在结构制备、性能表征和应用开发方面不断涌现出新的机遇和挑战。

针对这些挑战，本文系统地研究了TMDs和黑磷二维材料的制备、表征新方法，并且结合微纳制造技术开发了相关的二维材料光电器件，在此基础上研究了其性能调控方法及理论。主要研究内容与成果如下：

提出了一种基于光相移干涉测量法（PSI）的光学非接触快速测量二维材料的新方法。通过该方法实现了原子层级厚度（0.6 nm）的二维材料的快速高精度测量，通过对测量过程的理论建模，实现了二维材料光程差值的仿真预测。基于该方法首次正确表征了单层磷烯及其光学性能研究。

提出了一种基于氧等离子体刻蚀黑磷纳米片及其器件制备的新方法。实现了逐原子层刻蚀黑磷纳米片的超精密加工，实现任意层数样品及其器件的制备，并且将其使用寿命提升了两个数量级，解决了制备稳定高质量的少层或单层黑磷样品的困难，促进黑磷的基础研究和光电器件应用研究。

基于二维材料器件的微纳制造技术，提出了关键的工艺改进，设计了二维材料金属氧化物半导体（MOS）器件和悬空器件的制作流程，减少了器件制备的周期和效率，提高器件制备的成功率，实现不同种类二维材料器件的干法快速制作。

基于制作的MoS2 MOS器件，通过温度和电场共同调制，首次实现了双层MoS2的能带调控及其激子和三子动力学研究。基于制作的MoSe2悬空器件，通过对介电屏蔽效应、三子密度和激发功率密度三个关键参数的控制，首次在薄层MoSe2上实现双激子发光，并证明了其激发态双激子理论模型。

论文名称：高速切削材料变形及断裂行为对切屑形成的影响机理研究

论文作者：山东大学 / 王兵

指导教师：刘战强《研究领域：切削加工理论与刀具技术》

高速切削技术是先进制造领域的共性关键技术，其以高效率、高精度、高质量、低成本优势已在航空航天等领域获得应用。论文以Ti6Al4V、Inconel 718和7050-T7451为研究对象，研究了高速切削材料变形和断裂行为对切屑形成的影响规律，探明了切屑变形及其形态转变的力学控制机理，实现了塑性材料的脆性域加工和精密加工，获得了切削过程的低能耗和高效率生产，同时为高速精密加工装备与刀具设计提供了理论基础。论文取得的创新性成果包括：

（1）理论方面：提出了高速切削锯齿状切屑形成的绝热剪切-韧性断裂复合机制和碎断切屑形成的裂纹成核-扩展主导的脆性断裂机制，建立了切削变形区应力状态分布和动态断裂应变模型，揭示了高速切削第一变形区材料的常剪切梯度拉伸/压缩复合加载变形与失效机理。

（2）研究方法：提出了基于高速直角切削的高应变率复合应力加载材料动态力学性能测试新方法，可实现材料动态断裂应变、流动应力和断裂韧性随加载条件变化规律的测试。

（3）工艺技术：提出了超高速切削碎断切屑形成的临界判据，实现了塑性材料的脆性域加工和精密加工；构建了声发射信号与切屑形态及切削能耗的映射关系，实现了切削过程切屑形成及能量消耗的实时监测。

研究成果在航空发动机制造企业得到应用，利用高速加工工艺实现了钛合金Ti6Al4V、镍基高温合金Inconel 718和铝合金7050-T7451的高效率低能耗切削，在切削效率提高60%的前提下使切削能耗降低了35%以上。

论文得到国家重点基础研究发展计划（973计划）课题“多场耦合强作用下超高速切削机理研究”（2009C B724401）、国家杰出青年科学基金项目“切削、磨削加工工艺与装备”（51425503）和高档数控机床与基础制造装备科技重大专项课题“基于长服役寿命的航空发动机典型难加工材料零件高性能切削技术”（2014ZX04012014）的资助。