高质量氮化镓(GaN)材料是发展第三代半导体光电子与微电子器件的根基。大失配、强极化和非平衡态生长是GaN基材料及其量子结构的固有特点, 对其生长动力学和载流子调控规律的研究具有重要的科学意义与实用价值, 受到各国科学界与产业界广泛高度重视。本文对大失配、强极化氮化物半导体材料体系外延生长动力学和载流子调控规律进行了研究, 旨在攻克蓝光发光效率限制瓶颈, 突破高Al和高In氮化物材料制备难题, 实现高发光效率量子阱和高迁移率异质结构, 制备多波段、高效率发光器件和高频率、高耐压电子器件, 实现颠覆性的技术创新和应用, 带动电子材料产业转型升级。

为了解决现有光催化剂对太阳光响应性能不佳且可见光响应型光催化剂制备条件苛刻等问题, 研制了以TiO2同时作为上转换材料基质和半导体光催化剂的光催化材料, 并对不同n(Yb3+)∶n(Tm3+)掺杂下的光催化材料的上转换发光性能进行了研究。首先, 设置一系列的n(Yb3+)∶n(Tm3+)比值, 采用溶胶-凝胶法制备相应光催化材料。然后, 对材料进行性能表征及降解实验, 以亚甲基蓝为目标污染物, 测试材料的实际催化降解效果。最后, 通过分析材料的发光性能及降解性能, 确定最优的n(Yb3+)∶n(Tm3+)比值。实验结果表明: 当n(Yb3+)∶n(Tm3+)=4时, 材料的发光性能最好, 上转换现象最明显, 可见光照射条件下的光催化降解效率最高, 目标污染物降解率可达72.87%。所制备材料集上转换材料及光催化剂为一体, 简化了制备程序, 提高了能量利用效率。研制出的TiO2∶1%Tm, 4%Yb光催化材料最为理想, 光谱响应范围向可见光区拓展, 降解效果良好, 能够实现对太阳光能量的高效利用。

采用溶胶-凝胶法制备了纯的和Mg2+-Ni2+掺杂的LaFeO3, 并对它们在近红外波段的发射率进行了研究和比较。结果表明, 34%(摩尔分数)的Mg2+和23%(摩尔分数)的Ni2+掺杂的LaFeO3即LaMg0.34Ni0.23Fe0.43O3在0.2~2 μm波段的红外发射率达到了0.966, 远高于未掺杂LaFeO3的0.446。Mg2+-Ni2+共掺杂能够显著提高LaFeO3在近红外波段的发射率的原因在于Mg2+、Ni2+进入铁酸镧的晶格中取代Fe3+, 引入了杂质能级, 氧空位浓度增加, 提高了杂质能级吸收以及氧空位吸收, 掺杂引起的晶格畸变使得晶格振动吸收增强; 此外, 电子在Fe3+和Fe4+之间的极化跃迁, 也增强了化合物在相应光谱区域的吸收性能。

Yb3+离子掺杂YAG晶体(Yb∶YAG)作为一种性能优良的激光晶体已广泛应用于高效、高功率激光领域。最新研究表明, Yb∶YAG晶体响应时间可达0.411 ns, 其优良的超快闪烁特性在超快脉冲辐射探测、惯性约束核聚变、空间辐射探测、核反应动力学等领域的应用引起了广泛关注, 使得Yb∶YAG晶体成为超快闪烁材料研究的热点。关于Yb∶YAG的闪烁特性, 文章在系统介绍Yb∶YAG作为超快闪烁晶体研究进展和发光机理的基础上, 归纳总结了掺杂种类、浓度、后处理工艺、辐照、格位尺寸大小、温度等对Yb∶YAG晶体闪烁性能的影响。 然后, 针对Yb∶YAG目前存在的问题, 给出相应的解释并提出通过离子共掺调控来改善其闪烁性能的方法。最后, 对Yb∶YAG超快闪烁晶体未来的发展方向进行了展望。

采用高温固相法制备了一系列γ-Ca2SiO4∶xCe3＋,yAl3+黄色荧光粉, 通过X射线衍射仪、扫描电镜、激光粒度仪、荧光光谱仪对荧光粉的结构、形貌和光学性能进行了表征。结果表明, 1 200~1 300 ℃温度下生成β-Ca2SiO4, 在1 350~1 500 ℃下生成γ-Ca2SiO4, Al3+和Ce3＋ 的掺入未改变Ca2SiO4的结构。在1 450 ℃下合成的γ-Ca2SiO4∶0.5%Ce3＋ ,4%Al3+样品的相对发光强度最强。在450 nm激发下, 在565 nm处存在一个宽带发射峰, 主要源于Ce3＋ 的5d→2F7/2和5d→2F5/2跃迁。荧光粉受热影响较大, 在450 nm激发下, 样品在475 K时的发光强度降为室温的63%。监控波长为565 nm时, Ce3＋ 的衰减曲线符合单指数衰减规律, 荧光寿命为104.2 ns, 与其跃迁类型和离子价态基本相符。

通过有效控制合成液配比, 合成出了形貌规则、结晶度高且具有不同长径比的LTL型分子筛晶粒。采用“瓶中造船法”, 在不同长径比的LTL型分子筛晶粒孔道中组装稀土有机配合物,制得LTL分子筛/Eu-TTA主-客体荧光材料。荧光光谱表征结果表明, 在激发波长为350 nm时, 长径比为0.2的LTL分子筛/Eu-TTA晶粒在617 nm处的5D0→7F2发光强度最大, 而长径比为3的晶粒发光强度最小。最后, 将长径比为0.2的LTL分子筛/Eu-TTA晶粒在PEI修饰的玻璃表面快速擦涂10 s后, 就制得厘米尺寸的一维取向LTL型分子筛荧光阵列。SEM表征结果证实, 该分子筛荧光阵列中几乎所有的LTL分子筛晶粒都沿着与底基表面垂直的c轴方向一维高密度、单层有序排列。在激发波长为365 nm时, 该一维取向LTL分子筛荧光阵列发出鲜艳的红色荧光。

合成了两个蓝光材料2-苯基-1H-［9,10-d］菲并咪唑(Phen-PI)和2-吡啶-1H-［9,10-d］菲并咪唑(Pyri-PI), 光物理分析表明Phen-PI和Pyri-PI的最大发射峰分别位于371.5 nm, 388.5 nm和403.5 nm, 相对量子效率分别为0.383和0.528, 激发态衰减寿命分别为3.87 ns和3.68 ns。通过密度泛函理论(DFT)对化合物的前线分子轨道成分和能级分布分析表明, 当把Phen-PI中的苯基被吡啶环取代后, Pyri-PI的HOMO能级和LUMO能级分别下降0.09 eV和0.23 eV, 同时Pyri-PI的HOMO轨道和LUMO轨道的能级差比Phen-PI减少0.14 eV, 在理论层面上解释了Pyri-PI发射光谱的红移。

采用两段级联单模光纤对高阶孤子脉冲进行压缩。两段光纤具有不同的反常色散值, 当高阶孤子脉冲在第一段光纤中获得最大程度压缩时, 通过转换色散值不同的光纤, 使压缩脉冲继续以高阶孤子的形式在第二段光纤中再次被压缩。每段光纤的长度都进行了优化, 使得脉冲在每段光纤中都获得最大程度的压缩。基于非线性薛定谔方程, 数值研究了初始啁啾对高阶孤子脉冲压缩的影响。研究结果表明, 初始啁啾对高阶孤子脉冲的压缩有重要影响。与无初始啁啾时的情形相比, 正的初始啁啾能增强每段光纤中脉冲的压缩效果, 降低压缩脉冲的基座能量, 而负初始啁啾的影响则相反。随着初始啁啾参量Cp的增大, 脉冲在每段光纤中的压缩因子均增加, 而基座能量、最优光纤长度均减小。

研制了输出功率达瓦级的351 nm准连续紫外激光器。激光器采用激光二极管(LD)端面抽运Nd∶YLF晶体和声光调Q技术, 实现了1 053 nm准连续基波振荡。在结构简单的V型腔中, 两块LiB3O5(LBO)晶体对基频光进行二倍频和三倍频, 获得了高功率351 nm准连续紫外激光输出。在LD抽运功率为14 W、声光调Q激光器的调制频率为 1 kHz 的工作条件下, 得到351 nm紫外激光平均输出功率为1.12 W、脉冲宽度为34 ns、单脉冲能量为1.12 mJ、峰值功率达32.94 kW。 LD抽运光到351 nm紫外激光的光-光转换效率达到8%, 电光效率为3.4%, 光束质量良好。

针对目前大多数氧化物薄膜晶体管都需要采用热退火工艺来提高其性能不利于其在柔性显示器件中应用这一问题, 提出了一种采用室温工艺制备的新型TFT器件, 无需退火处理即可获得较好的器件性能。该器件采用脉冲激光沉积技术制备的AZO/Al2O3叠层结构作为沟道层。与单层AZO-TFT器件相比, 叠层TFT器件具有更优异的性能, 其迁移率为2.27 cm2·V-1·s-1, 开关比为1.43×106。通过对AZO/Al2O3叠层薄膜的厚度、密度、粗糙度、物相、界面特性及能带结构等进行分析, 发现这种叠层结构能够使电子的运动被限制在AZO薄膜平面内, 即形成了二维电子传输, 从而提升TFT器件的性能。

通过双向热阻模型描述LED系统内部双向散热路径, 进而构建光电热一体化模型。基于双向热阻模型参数, 光电热一体化模型可高精度预测LED系统的结温以及光通量。实验验证结果表明, 基于所提出的双向热阻模型的结温计算值和实验值的平均误差在5.3%之内, 而采用传统的单向热阻模型的结温计算值和实验值的平均误差达到11.2%。基于双向热阻模型的光电热一体化理论, 光通量的计算值与实验值的平均误差在6.3%之内。

采用司辰节律因子模型, 通过计算三基色白光LED光源在不同工作电流下的司辰节律因子, 对可调色温的三基色白光LED光源进行非视觉效应研究。为了获取与自然光非视觉效应类似的LED白光, 建立了司辰节律因子和相关色温分别相对于工作电流的关系模型, 从而已知自然光的司辰节律因子和相关色温, 就可以确定三基色LED的工作电流。通过测试一天内不同时刻的自然光光谱, 根据上述模型推算出了三基色LED的工作电流。在所推算的三基色电流下, 测试了白光LED光谱参数并计算了相应的司辰节律因子。与自然光司辰节律因子的对比结果表明, 理论值和实验值的误差在1.1%以内, 证实该方法具有可行性。本文所呈现的方法对于利用三基色白光LED模拟自然光具有一定的指导意义。

为了改善小电流LED屏的显示效果, 基于新型LED灯珠光学性能测试数据, 采用变量控制法, 首先, 分析了单色RGB色坐标及亮度分别对白平衡色温的影响, 接着, 从单变量分析中找到影响色温偏差较大的参数进行双偏分析, 最后, 进行变量分析结论的数据验证。研究结果表明, 红光芯片亮度(Lr)、蓝光芯片亮度(Lb)及蓝光芯片坐标(Yb)是影响LED屏白平衡色温的主因, 要使白平衡色温偏差控制在±500 K范围内, 单偏条件下, 要求Lr偏差不超过11%, Lb偏差不超过14%, Yb偏差不超过0.006; 同时, 也给出了双偏条件下相应的控制指标。该研究有望在LED分光机芯片分选, 白光照明及小电流、小间距LED显示屏色偏差调节等方面获得相关的应用。

将300 μm×300 μm LED芯片阵列化为间隔为20 μm的3×3个80 μm×80 μm的子单元, 阵列化后, 总饱和光输出功率是未阵列化前的5.19倍, 最大注入电流提高近7倍, 表明阵列可以注入更大的电流和输出更高的饱和光功率。此外, 采用多颗阵列化后的LED芯片形成的芯片组照明, 得知芯片组间距为最大平坦条件dmax时, 接收面上照度均匀性最佳; 芯片组数越多, 接收面上均匀照度的面积越大。同时, 9颗300 μm×300 μm的芯片阵列化为9个80 μm×80 μm LED芯片后, 以dmax排列照明相对于9颗未阵列化的300 μm×300 μm芯片以dmax排列照明时, 接收面上的光照度均匀性不变, 照度值提高了3倍。

在有效质量近似下, 利用打靶法和费米黄金定则计算出GaxIn1-xAsyP1-y/InP阶梯量子阱中两个及多个电子从第一激发态子带到基态子带的散射率及平均散射率。计算结果表明, 电子-电子的散射率和平均散射率随Ga组分和阱宽的增大而升高, 随As组分的增大而降低。散射率随电子初态能和外加电场强度的增大而降低, 平均散射率随载流子浓度的增大而升高。电子温度对平均散射率的影响不明显, 平均散射率随着电子温度的升高而稍微降低。

将转铁蛋白(TRF)的荧光变化作为研究对象, 在298, 310, 318 K下采用紫外吸收、传统荧光、同步荧光、圆二色谱法, 对TRF与头孢噻肟钠(CEM)的结合进行综合分析。数据处理和分析结果显示: TRF的荧光伴随CEM浓度的提高而呈现规律性猝灭, 猝灭方式是静态的。两者借助静电作用结合, 反应生成新物质。结果的准确性通过上述方法进行了验证。此外, 同步荧光和圆二色谱也表明CEM影响了TRF的构象。

为了检验软件模拟道路照明特性的可行性, 从几种不同配光曲线的LED路灯的仿真结果出发, 按照规范的方法实测了它们的路面照度。比较发现, 同一路面上各点的照度与仿真值之间有着相同的比值。进一步计算发现, 两者的照度均匀度相等。这表明仿真软件能比较准确地反映路灯的路面照明效果。另外, 还研究了路灯的光衰性能, 发现散热性能好的灯具光衰更慢, 寿命更长。

可见光/近红外光谱模型是土壤属性预测的有效工具。波长优选在光谱建模过程中起着重要作用。文中首先利用从安徽省涡阳县采集的130个砂姜黑土土壤样本获得可见光/近红外光谱, 然后利用平滑与多重散射校正联合的光谱预处理方式消除光谱中的无关变量和冗余信息以提高模型预测结果的相关性, 再利用SPXY方法挑选建模集样本, 分别利用连续投影算法和遗传算法进行波长优选, 最后利用留一法进行交互验证建立有机质含量的主成分回归模型。研究结果显示: 连续投影算法和遗传算法都可以有效地减少参与建模的波长数并提高模型的准确度, 尤其是遗传算法能够更好地提高土壤有机质含量预测精度, 其相关系数、预测均方根误差和相对分析误差分别达到0.931 6, 0.214 2和2.319 5。通过合适的特征波长选取, 不仅计算量可以大大减少, 预测精度也会有效提高。

石油是一种成分复杂的混合物, 通过常规的检测方法很难对其进行定性识别。本文用汽、煤、柴油的混合物来模拟环境中的油类污染物。汽、煤、柴油在特定波长范围的激发下可以发出含有物质自身信息的荧光, 根据朗伯-比尔定律可知荧光强度与物质浓度成正比, 利用该性质对特定物质进行识别。通过FS920稳态荧光光谱仪对样本进行测量, 将实验所得的三维数据拓展为五维数据, 提出了一种将展开偏最小二乘耦合到残差四线性的五维数据处理方法, 同时采用五维平行因子法和该算法分解数据, 实现了对汽、煤油的定量分析, 并恢复出了其激发和发射光谱。结果表明, 展开偏最小二乘法的分析效果更好。