物理学

基于可调谐半导体激光器吸收光谱的温度测量方法研究

许振宇，刘文清，刘建国，等

摘要：目的：温度是燃烧流场的关键参数之一，其准确定量测量对燃烧优化控制及新型燃烧器开发具有重要意义。吸收光谱双线比值测温法，近年来随半导体激光器及光纤器件成熟发展迅速。而由于测温依赖的光谱数据参考HITRAN2008/HITEMP2010由于光谱来源和不确定度不一，尤其高温下直接使用会产生测量偏差。本文拟通过实验室高温炉和预混平焰炉上H2O 1398 nm附近测温线对的高温光谱试验研究，对比HITRAN/HITEMP，建立适合高温反演的数据模型和处理方法，提高温度反演精度。方法：选用的H2O测温吸收线对（7154.354 cm-1& 7153.6 cm-1）由单个DFB激光器扫描覆盖。首先，根据高温炉（最高温度1200℃）光谱测量特征，建立光谱处理算法并利用标定结果集成TDLAS测量系统；其次，在高温炉上采用开放炉管进行验证温度台阶测量验证；第三，在实验室甲烷/空气预混平面火焰炉上进行实际燃烧环境测试，对比更高温度下测量光谱与HITRAN/HITEMP模拟光谱，确定适合高温环境的光谱处理模型；最后，利用修正后光谱模型进行平焰炉不同当量比温度测量验证。结果：考虑实际燃烧测量环境下存在辐射背景，同时电子学可能存在直流偏，控制激光器在每个扫描波形起始段处于出光阈值以下，其均值作为本底扣除，以获取真实的吸光度信号。1）首先，根据高温炉（最高温度1200℃）光谱测量特征，选用部分吸收光谱数据进行处理，消除7154.354 cm-1高频方向的叠加光谱干扰，减少拟合参数从而增强算法稳定程度；2）利用高温炉标定吸收池结果集成的 TDLAS系统，在高温炉上采用开放炉管进行验证，900℃至 300℃降温过程中每100℃设置一个台阶，7个温度台阶的标准差最大约15 K，最大波动幅度约50 K。由于炉管开放，高温度台阶下由于炉管两侧热耗散作用，TDLAS温度测量结果较炉管中心设定值偏低；3）集成系统在甲烷/空气预混平面火焰炉上进行进一步验证，显示处理温度显著偏高。通过增加反射光程，以增强吸收提高信噪。仔细对照HITRAN2008、HITEMP2010数据库与测量结果，发现试验中高温下表现出了多条与HITEMP相符的“热线吸收”（低态能级主要在3000 cm-1以上），而HITRAN数据库则不包含这些数据；而7154.354 cm-1吸收线实测波长位置与HITRAN相符，HITEMP则对应为7154.47 cm-1，中心频率存在错误；4）利用高温炉标定的结果，结合HITEMP热线吸收谱线信息杂合构建光谱处理模型，对平焰炉在当量比1.0按0.1递减至0.7下进行连续测量，并与绝热燃烧理论温度值作比较，温度随当量比递减呈台阶下降。当量比0.7、0.8下理论值与测量值接近，0.7当量比不同流量下TDLAS温度测量不受影响验证了测量的稳定性；0.9、1.0当量比下，由于火焰到平焰炉的热传递和火焰辐射损耗、所有状态均在统一高度测量等因素，测量值较理论值略偏低。结论：HITRAN/HITEMP数据库是分子吸收光谱研究的重要工具，但由于数据来源不一光谱参数不确定度也存在较大差异，尤其高温下光谱研究和温度反演需要实验室进行测量校准建立准确吸收模型。本研究对H2O的1398 nm附近吸收光谱研究发现，HITRAN未收录高温下表现出来的热线吸收而HITEMP存在谱线位置错误，综合实验测量结果和HITEMP热线信息建立的光谱模型，实现了甲烷/空气预混平焰炉不同当量比燃烧温度测量，提高了反演精度。

来源出版物：物理学报, 2012, 61(23)： 234204

入选年份：2017

非晶合金的高通量制备与表征

柳延辉

摘要：人类的历史实际就是人类使用材料的历史，每一个新时代的出现都和一种新材料有关。金属和玻璃是人们耳熟能详的两类材料，它们性能迥异，在不同的领域发挥着各自的作用。非晶合金却兼具了金属和玻璃两类材料的特点，它们既具有金属的光泽和导电性，又能够采用“吹塑”这样的方式进行加工成型。它们在低温下表现出比钢铁材料还要高的强度和硬度，当温度高于软化点（玻璃转变温度）时又如同橡皮泥一样柔软。从最开始看似毫无用处的“愚蠢的合金”到实现工程应用，非晶合金逐渐得到认可，并被认为是继钢铁和塑料之后孕育着第三次材料技术革命的新型工程材料。这些成就的取得在很大程度上是因为人们发现了能够形成块材的非晶合金体系。非晶合金是典型的多组元合金材料，不同元素的组合和配比对非晶合金的形成有极为重要的影响。过去，新的合金体系的开发和探索大多采用顺序迭代的试错法。一个新的非晶合金的发现，往往需要经过反复的成分调整才有可能获得优化的合金成分。根据文献报道，在非晶合金中已经用到的元素有几十个之多，这些元素的排列组合构成一个巨大的成分空间。用顺序迭代的试错法显然很难在短时间内发现新的材料。因此我们必须改变传统的材料开发模式，采用新的材料开发策略，提高新材料探索的效率，以满足对非晶合金日益增长的需求。材料基因组是材料研发的一种新理念，其主要目的是提高新材料探索的效率，缩短从新材料研发到最终应用的时间，降低新材料研发的成本。一般来讲，材料基因组这一理念包含了高通量计算，高通量实验，数据管理3个方面的内容。高通量计算是通过理论和计算机模拟对材料的相形成和性能进行预测，从而缩小实验搜索的范围，缩短实验时间和成本。高通量实验则是通过实验手段实现大量样品的快速合成、结构表征、性能测量，从而筛选出性能得到优化的新材料。数据管理则是将计算和实验获取的材料数据形成数据库，并通过数据挖掘技术从海量数据中发现新的物理规律，补充现有理论或形成新的理论，进一步指导新材料的开发。本文以非晶合金为例，介绍材料基因组方法，特别是高通量制备和表征技术，在新型非晶合金探索中的具体应用。高通量制备也称为组合制备，是指采用某种方法在短时间内制备出传统方法难以获得的大量样品，形成一个包含了一定成分范围的材料库。对于非晶合金而言，目前的高通量制备方法可以归结为四类：物理掩膜法、多靶顺序沉积法、多靶共沉积法、激光喷涂法。本文以实例逐一介绍这4种方法在非晶合金中的应用。组合材料库制备完成以后，需要分析材料库的成分分布以及各个合金的具体化学组分，同时还需要对材料的结构进行表征，以获得有关物相形成的信息，实现相图的绘制。通过几个典型案例，本文将介绍测量玻璃转变温度、晶化温度、非晶形成能力的高通量表征技术，这些参数的测量对理解非晶合金的形成机制有重要意义。有理由相信，利用高通量制备和表征技术，一大批新型非晶合金将陆续涌现出来，针对不同材料性质进行快速筛选后，有希望发现具有优异综合性能的特种非晶合金材料，充分发挥非晶合金的优势和特点，获得广泛应用。

来源出版物：物理学报, 2017, 66(17)： 176106

入选年份：2017

二维半导体过渡金属硫化物的逻辑集成器件

李卫胜，周健，王瀚宸，等

摘要：微电子器件沿摩尔定律持续发展超过50年, 正面临着物理尺寸极限与高功耗等挑战。二维层状材料可以将载流子限制在界面1 nm以内的空间，部分材料表现出高迁移率、能带可调性、拓扑奇异性等特点，有望给“后摩尔时代”微电子器件带来新的技术变革。其中以MoS2为代表的过渡金属硫化物（TMDC）具有1～2 eV的可调带隙、良好的空气稳定性和工艺兼容性，在逻辑集成领域展现出巨大的应用潜力。本文从3个方面综述了二维过渡金属硫化物在逻辑器件领域的研究进展。1）电子输运机理和迁移率：TMDC器件的载流子输运主要受制于非本征因素，其实验迁移率远低于本征声子散射的理论极限值。目前TMDC材料散射源主要有本征声子散射、介电层表面光学声子散射、界面库伦杂质散射以及缺陷散射。此外，缺陷诱导的电荷陷阱会导致材料导带电子数目明显下降。这些因素严重缩短载流子的平均自由程，降低器件性能。本文详细介绍了 TMDC中载流子散射机制对器件输运的影响，分析了目前报道的高性能器件优化策略，为器件性能进一步提高提供了思路。2）电学接触：由于缺乏有效的掺杂手段，二维TMDC器件的接触电阻远高于传统硅基器件。随着器件尺寸的不断微型化，接触电阻对器件性能的影响越来越大。目前，TMDC器件接触电阻的优化主要集中在金属-半导体界面上，本文中我们将目前主流的TMDC接触优化手段分为金属-TMDC接触、石墨烯-TMDC接触、TMDC相变接触和隧穿接触四类，分别讲述了目前最新的降低接触电阻的工艺手段和科学思想。3）逻辑集成器件与电路：TMDC材料在“后摩尔时代”巨大的应用潜力，使得其在逻辑集成领域的应用备受学界与业界关注。研制基于新材料且与传统半导体产业相兼容的器件结构与工艺是TMDC商业化的重要前提。本文从逻辑电路、存储电路和工艺集成3个应用领域出发，综述了TMDC在逻辑集成方向的研究进展以及未来的应用前景。二维TMDC具有独特的光学、化学和物理性质，在光电器件、能源存储和催化反应中均展现了极高的应用潜力。特别是在电子器件应用领域，二维TMDC因为其极好的理论性能成为后硅时代极具竞争力的“候选者”之一，本文综述了目前二维TMDC在电子输运、器件工艺与性能、逻辑集成等方面的研究进展，总结当前研究的成果以及存在的不足，为今后器件发展指明方向。TMDC电子器件相关研究在过去几年发展迅速，但是目前报道的综合性能仍未达到产业应用的要求。总结过去若干年研究工作，我们认为TMDC的电子器件应用在未来主要面临全面提升器件性能、合成高质量材料和发展集成工艺3大亟需解决的问题。当前，伴随经济的高速增长，中国的半导体与芯片也保持持续快速增长，作为“大国重器”的半导体与芯片行业却严重受制于发达国家，这不仅严重制约经济发展，同时也严重威胁国家的信息安全。而新材料、新器件的研发与应用有望成为我国半导体产业在全球摩尔定律瓶颈期，实现“变道超车”的突破点。未来国家层面上研发经费的投入以及学术界与工业界的产学研结合，有望使得当前二维半导体器件众多悬而未决的问题得以解决, 并将新型器件推广至产业应用的层面。

来源出版物：物理学报, 2017, 66(21)： 218503

入选年份：2017