真空电子器件的频率正向太赫兹频段发展, 折叠波导慢波结构是行波管的核心部件, 由于真空器件的尺寸与波长具有共渡性, 频率越高, 互作用结构的尺度越小, 加工误差的要求越严格。传统的加工方法很难实现如此微小尺寸的结构, UV-LIGA技术对于制造这种微型结构是一种很有前途的方法。用UV-LIGA方法制备真空器件的慢波结构, 涉及到两个主要的问题: 一是SU8厚胶匀胶过程中如何确保其厚度及其一致性;二是横向贯穿折叠波导中心的电子注通道如何成型。以220 GHz折叠波导为研究对象, 针对上述两个问题开展了相关的工艺试验, 使用特制的PDMS模具, 采用重力匀胶法, 实现了大厚度SU8胶匀胶, 表面平整, 高度一致。在SU8光刻胶中通过专用夹具, 嵌入透明有机丝, 形成细长电子注通道。而后, 采用脉冲电铸电源, 在硫酸铜电铸液中电铸, 获得了表面平整的无氧铜微结构。

基于激光刻蚀技术, 提出了一种新型单晶金刚石微杯形谐振子的三维制造方法。由于高弹性模量、低热弹性阻尼以及较大的声波传递速度等优异的性质, 单晶金刚石是一种理想的谐振子加工材料, 但是金刚石硬度大且化学性能稳定, 难以采用传统的加工方法成形加工。激光刻蚀因精度高, 加工结构对称性好以及破损率低等特点, 是一种较好的单晶金刚石加工方法。采用紫外激光加工机, 研究了不同激光参数对单晶金刚石刻蚀质量的影响, 通过合理设计微杯形谐振结构, 规划激光刻蚀加工的轨迹, 采用优化后激光刻蚀参数, 实现了结构对称性较好的微杯形谐振子的加工, 有望应用于高性能微杯形谐振陀螺。

集成紫外固化胶NOA73微球与SU-8微柱制造的亚毫米探针, 可以作为关键部件应用于三坐标测量机。NOA73微球通过NOA73对其他溶液的界面张力形成, 柱子由深紫外光穿过微球曝光SU-8形成。这种新技术利用甘油补偿NOA73与空气折射率差, 使得紫外光透过NOA73微球后保持接近平行。最终得到高深宽比的探针结构, 高度超过1 200 μm, 微柱侧壁与基底呈89°。

为了提高太赫兹行波管的输出功率, 提出了多个传输信号进行功率合成的方法。首先, 对D波段多注慢波结构进行设计及功分器的优化;然后, 通过微铣削工艺完成了两注THz折叠波导结构的加工, 加工精度满足实际设计要求;最后, 利用CST软件对该结构的冷测与互作用特性进行了分析。仿真结果表明: 该结构的S11值小于-20 dB, 实际测试值在-20 dB左右, 两者较吻合。冷测分析表明该结构具有22 GHz(16%)的冷带宽, 3 dB增益带宽为12.5 GHz。在各电子注的电压、电流、峰值输入功率大小分别为15.79 kV, 12 mA, 10 mW时, 单注结构获得了1.58 W的输出功率及22 dB的增益;而两路信号在互作用完成后, 获得了2.91 W的合成功率输出, 合成效率不低于90%。通过合成的方法可以有效提高THz行波管的输出功率。

研究了不同脉冲次数强流脉冲电子束表面改性对CuFe10合金组织及性能的影响。强流脉冲电子束处理CuFe10合金的重熔表面出现了火山坑和直径为100 nm到1 μm的富铁球,表明了强流脉冲电子束处理CuFe10合金表面发生了液相分离。强流脉冲电子束脉冲轰击30次后,CuFe10合金表面的显微硬度与耐蚀性能均得到显著改善,主要是由于强流脉冲电子束轰击处理CuFe10合金表层引发的快速熔凝过程中表面发生了液相分离及晶粒细化的缘故。

光学光刻技术已广泛应用于微电子机械系统(MEMS)以及集成电路(IC)领域。由于光刻工艺设备的价格十分昂贵, 因此利用光刻仿真这一技术来预期工艺结果并优化工艺中存在的问题就显得很有必要。研究了一种基于严格电磁场模型的求解方法——波导方法, 并将此方法拓展应用于模拟MEMS领域中的厚胶曝光场景。通过这一模型, 可以模拟光刻胶内部的光强分布, 并进一步预测出显影后的光刻胶形貌。最后, 针对某些特定掩模版结构, 给出它们的仿真结果并验证其正确性。

单晶金刚石刀具切削单晶硅时后刀面会发生剧烈沟槽磨损, 严重影响零件加工质量和刀具寿命。为了从金刚石石墨化转变角度揭示沟槽磨损生长扩展机制, 建立了金刚石刀具后刀面具有初始沟槽的分子动力学模型, 模拟了切削单晶硅时初始沟槽处的工件材料流动行为与金刚石刀具晶体结构变化情况。结果表明, 初始沟槽的存在改变了工件材料的流动状态;并且这种材料流动引起了刀具初始沟槽附近温度和能量的变化, 温度升高了8%, 势能提高了1.4%;通过分析金刚石刀具晶体结构发现, 初始沟槽处的刀具材料发生了石墨化转变, 并通过计算采样点处原子间键角, 得到了石墨化转化率随着切削的进行不断升高, 并最终趋于恒定的规律, 当切削进入到稳定切削阶段时, 石墨化转化率约为6%。

开关技术是影响爆炸箔起爆系统可靠作用、微型化、低能化、集成化的关键技术。电爆炸平面开关是利用强脉冲电流使触发极金属桥箔发生电爆炸,产生高温高压等离子体,使爆炸桥区两侧的电极导通。基于微加工技术,采用Al/CuO复合薄膜材料作为触发电极,设计制造了微型平面复合薄膜电爆炸开关。采用扫描电子显微镜、差示扫描量热法和光谱谱线测温研究了触发极Al/CuO复合薄膜的形貌、反应性和电爆炸等离子体温度,通过放电电流测试研究了开关性能。结果表明,在主回路电压2000 V时,开关输出电流峰值约为1938 A,上升时间390 ns,性能优于仅以铜薄膜为触发电极的电爆炸平面开关。

在片上光互连系统中, 电光调制器起到将电信号调制为光信号的作用, 是光互联系统中的核心部件之一。调制器的3 dB带宽决定着载波所能携带的最大信息量,是衡量调制器性能的核心参数。利用石墨烯和高Q环形谐振腔设计成具有CMOS结构的新型调制器, 其集成了石墨烯的宽带吸收、载流子迁移率高等材料优势和高Q值环形光学谐振腔的光程放大的结构优势, 通过理论计算, 其3 dB调制带宽可以达到100 GHz。同时, 基于微环谐振腔的石墨烯电光调制器结构可以方便的与光互联系统中的波分复用器相集成, 从而提升片上光互联系统的集成度和降低技术复杂性。

紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工技术利用紫外光场对入射纳米颗粒的催化作用实现对工件表面材料的高效去除。为掌握紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工过程中紫外光束在纳米二氧化钛胶体中的传输特性, 基于纳米二氧化钛胶体对紫外-可见光的吸收及散射理论, 通过系列实验得到紫外-可见光束在不同浓度、吸收层厚度的二氧化钛纳米颗粒胶体中的传输特性及衰减关系。结果表明, 为保证足够强度的紫外光能通过纳米二氧化钛胶体照射在工件表面, 胶体浓度宜控制在500 mol/m3以下, 光-液耦合区胶体吸收层的厚度不宜超过20 mm。

为了获得具有均匀的倒金字塔表面微结构的多晶硅,提出了一种新腐蚀加工方法。通过建立一个相互正交的超声驻波场,来协助硅的化学侵蚀并改善其对光的吸收能力。首先对硅片表面结构进行一些比较,在二维上建立网格状的数学模型。然后建立网格中粒子运动的控制理论模型,并进行仿真验证。最后设计实验用于检验超声驻波对粒子的运动控制效果。多晶硅侵蚀结果说明将超声驻波应用在网格化微加工上是可行、可靠的。

钴掺杂氧化锌是室温稀磁半导体的重要候选材料,其磁学特性和钴掺杂浓度、显微结构及光学性质密切相关。磁控溅射具有成本低、易于大面积沉积高质量薄膜等特点,是广受关注的稀磁半导体薄膜制备方法。利用磁控溅射方法制备了不同浓度的钴掺杂氧化锌薄膜,并对其显微结构、光学性质和磁学特性进行了系统分析。结果表明: 当掺杂原子分数在8%以内时,钴掺杂氧化锌薄膜保持单一的铅锌矿晶体结构,钴元素完全溶解在氧化锌晶格之中;薄膜在可见光区域有很高的透射率,但在567, 615和659 nm处有明显吸收峰,这些吸收峰源于Co2+处于O2-形成的四面体晶体场中的特征d-d跃迁。磁学特性测试结果表明钴掺杂氧化锌薄膜具有室温铁磁性,且钴的掺杂浓度对薄膜的磁学特性有重要影响。结合薄膜结构、光学和电学性质分析,实验中观察到的室温铁磁性应源于钴掺杂氧化锌薄膜的本征属性,其铁磁耦合机理可由束缚磁极化子模型进行解释。

针对微电子器件,提出了一种简单、低成本、便于批量加工的硅尖阵列制备方法。分析了各向异性和各向同性湿法腐蚀的特点,研究了不同腐蚀液中硅尖的形成机理和腐蚀速率,采用扫描电子显微镜(SEM)观测硅尖形貌。结果表明: 在质量分数40%KOH 腐蚀液中添加I2 和 KI,显著减小了削角速率,得到了呈“火箭尖”的硅尖阵列。各向同性腐蚀采用HNA腐蚀液,腐蚀的硅尖呈埃菲尔铁塔形。通过调整腐蚀液配比,氧化锐化后,硅尖尖端曲率半径小于15 nm。该硅尖阵列已成功应用于真空微电子加速度计之中。

介绍了一种在大气压环境下产生超细Ar/O2等离子体射流的装置。为了降低等离子体射流的尺寸, 一种特制的玻璃微针被用于制作等离子体射流源。当施加在电极上的电压为4.0 kV时, 该装置能产生基本均匀和稳定等离子体射流, 且等离子体射流的线宽仅有几μm。此外, 探究了该超细等离子体射流选择性去除聚氯代对二甲苯薄膜的可能性。实验结果表明, 该超细Ar/O2等离子体射流能有效地选择性去除聚氯代对二甲苯薄膜, 去除速率可达2.4 μm/min。因此, 这种超细Ar/O2大气压等离子体射流有可能用于材料的超细加工。

为了解决光纤光栅作为应变传感器使用时的温度应变交叉敏感问题, 提出了一种全新的光纤光栅温度补偿方法, 该方法最大特点是利用一个光纤光栅同时实现了温度自动补偿与应变测量。该方法基于材料的热应力原理, 简称为基于材料热应力的光纤光栅温度补偿方法。通过理论分析表明: 温度灵敏度系数与应变灵敏度必须精确测定, 否则会影响结构设计;应变元件与温度补偿元件的面积之比对温度补偿效果很大, 原则上应小于0.5, 因此结构半径的加工误差对温度补偿影响很大。应变元件与温度补偿元件的长度比对温度补偿效果基本可忽略, 因此, 原则上在不影响温度补偿效果的前提下, 尽量提高温度补偿元件与应变元件的长度比。

实现了使用光子带隙光纤的一体化谐振式光纤陀螺方案, 设计并制作了谐振腔中基于微光学结构的耦合器。实验测得制作的谐振腔清晰度为3.7。搭建了基于该谐振腔的陀螺系统, 并对其主、次偏振态的谐振曲线进行了实际测量。实验结果测得该系统60 s零漂为2.45 (°)/s, 及1 h长期稳定性为7.11 (°)/s。同时, 实现了对应陀螺输出±50 (°)/s(积分时间10 s)及±100 (°)/s(积分时间10 s)的模拟转速实验, 验证了该陀螺系统的Sagnac效应。分析得到耦合损耗是影响该陀螺系统性能的主要因素。验证了该谐振腔结构具有应用于陀螺系统的可行性, 为谐振式光纤陀螺性能进一步提高提供了参考。

薄膜体声波谐振器(FBAR)力传感器作为一种新型的谐振式传感器, 力敏特性是其设计原理。以FBAR微加速度计为例研究了工作在纵波模式, 采用具有纤锌矿结构的AlN作为压电薄膜的FBAR, 施加应力载荷后, 其弹性常数改变导致FBAR谐振频率偏移的力敏特性。首先, 采用有限元(FEA)静力学仿真, 得到惯性力载荷作用下集成在硅微悬臂梁上的压电薄膜的应力分布;选取最大应力值作为载荷, 基于第一性原理计算纤锌矿AlN的弹性系数与应力的关系式, 预测惯性力载荷作用下AlN弹性系数的最大变化量。其次, 采用谐响应分析, 对比空载和不同惯性力载荷作用下FBAR微加速度计的谐振频率和偏移特性, 预测FBAR微加速度计的加速度-谐振频率偏移特性。最后仿真分析得到: 惯性力载荷作用下, FBAR微加速度计的谐振频率向高频偏移, 灵敏度约为数kHz/g;其加速度增量-谐振频率偏移特性曲线具有良好的线性度。

根据位置敏感探测器的原理, 设计了p-i-n型的谐振腔结构, 研究谐振腔提高横向光电效应的量子效率。以一维缺陷光子晶体作为顶部光学镜, 底部为分布式Bragg反射镜(DBR), 中间为激活介质谐振腔。利用传输矩阵法计算了一维缺陷光子晶体的透射特性。由于顶部和底部结构的高反作用, 一维缺陷光子晶体的透射谐振导模将被有效地限制在激活介质中。通过对谐振腔模型的分析, 得出了激活介质的量子效率, 并进行了数值仿真。结果表明, 一维缺陷光子晶体的谐振导模能有效提高谐振腔中激活介质的量子转换效率。

为克服既有原子力显微镜(AFM)悬臂式探针的谐振频率难以超过3.5 MHz, Q值低、成像速度低及在液体中成像效果欠佳等缺点, 设计并制作了一种基于微机电系统(MEMS)谐振器的I2形探针, 并成功实现了成像实验。为更进一步提高I2形探针的力灵敏度, 从结构设计和检测方法入手, 对原有探针进行改进。设计了简单有效的电阻差分检测方法, 成功去处了输入端与输出端的耦合现象;采用局部离子注入的方法, 提高了压阻敏感的传输效率。实验结果显示, 在输入信号相同的条件下, 改进后探针的输出信号与原有探针相比, 输出信号得到了明显提高。计算结果表明, 采用新方法制作的探针可使力灵敏度提高10倍以上。

为改善分布反馈式(DFB)光纤激光器水声探测性能, 利用有限元软件ANSYS, 以相对加速度灵敏度为目标函数, 结构尺寸参数为设计变量, 结构第一阶固有频率和探头声压灵敏度为状态变量, 对夹层式封装结构进行了优化设计, 对其声压探测及抗加速度机理进行了分析。分析表明, 基于优化结果设计的探头在采用100 m非平衡干涉仪时, 其声压灵敏度约为-135.1 dB, 相对加速度灵敏度可达到-19.6 dB。结果表明, 基于封装结构敏感部分分别承受声压激励和加速度激励时的不同响应机理, 对夹层式封装结构关键部位尺寸进行优化设计后, 通过合理选择承压梁与中间变形梁的厚度以及上下连接点的位置, 封装制得的光纤激光水听器具有较高的声压灵敏度和良好的抗加速度性能。

基于绝缘体上硅材料(SOI)的微环谐振腔作为各种集成微光学器件的核心部件, 其传输特性的好坏直接决定微光学器件的性能优劣。结合微环谐振腔理论和多光束干涉原理对微环谐振腔测试信号中纹波的产生原因和影响因素进行了分析, 通过耦合实验测试得到了纹波信号的特征参数并进行了分析, 实验结果与仿真分析吻合。进一步分析了耦合光栅刻蚀深度对纹波幅值的影响及原因, 为微环谐振腔结构参数的进一步优化和微环谐振腔传感系统误差分析提供了依据。

许多水域含有过量的硝酸根, 会诱发许多问题。采用微机电系统工艺, 制备出一种基于铂叉指微电极阵列的硝酸根离子(NO-3)检测微传感电极。通过电化学恒电位沉积法在铂叉指微电极阵列上修饰, 得到多孔、簇状铜敏感膜。采用线性扫描伏安电化学检测方法, 考察该微传感电极对NO-3的响应性能, 在0~2 mg/L浓度范围内, 线性度为0.999, 灵敏度为-3.15 μA·L·mg-1 。在相同沉积修饰条件下, 叉指微电极比同等敏感面积(1 mm2)的圆盘微电极表现出更强的催化活性和更高的灵敏度, 分析其原因, 认为主要是叉指微电极的结构和边缘效应造成的。

针对硅基光波导与单模光纤在光耦合过程中存在耦合效率低, 对准难度大的问题, 提出了一种新型基于绝缘体上硅(SOI)结构的纳米光栅耦合器。运用有限时域差分法探究了纳米光栅耦合器的结构特性, 结合光纤准直器的准直原理, 系统分析了纳米光栅耦合器的结构模型。研究了入射光波长、入射角度、光栅占空比等因素对光栅耦合效率的影响, 得出了基本纳米光栅耦合器的最佳结构参数;在基本耦合光栅结构的基础上进行了改进, 增加了后反射器、增透膜和底层介质膜, 并运用Optiwave OptiFDTD 8.0软件优化了各部分结构的设计参数, 得到了优化的耦合光栅结构。纳米光栅耦合器的耦合效率提高至59.37%, 3 dB带宽达到65 nm。

由于大部分环境样品的浓度非常低, 为了实现其直接检测, 提出将一种集成化的微型富集器应用到色谱系统中。富集器可实现色谱系统的进样与样品富集,能将色谱仪的检测限提高1~2个数量级。设计的富集器采用了高容量4平行通道结构,沟道内填充了高吸附率的Tenax-TA吸附材料,来实现对环境样品中挥发性有机化合物组分的富集。此外,为了密闭热解吸过程中所释放的组分,在微型富集器后集成了微型阀。试验结果表明,研制的微型富集器取得了15倍以上的富集因子。而且,通过微阀的控制,色谱峰的拖尾和峰展宽得到了有效的控制。因此,该微型富集器可广泛应用到环境样品的快速检测中,提高各检测器对复杂环境的适应能力。

结合压电原理和仿生学理论, 利用MEMS工艺制作的仿生矢量水听器, 具有高灵敏度、宽频带、矢量性及高信噪比等特点。为了进一步提高水听器预测水下环境中声学特性的准确性并提高其固有频率, 利用有限元方法对MEMS水听器仿生微结构进行优化分析。首先, 对仿生微结构固有频率和灵敏度与其结构尺寸关系作了理论分析并画出不同微结构尺寸下的固有频率和最大应力曲线。其次, 运用ANSYS软件对仿生微结构进行有限元仿真并画出固有频率和最大应力响应曲线。对比分析理论与仿真结果, 得出当悬臂梁长、宽、厚及仿生纤毛的高度和半径分别为400, 80, 50, 1000和80 μm 时, MEMS矢量水听器的性能得到最优化, 同时对理论与仿真结果的差异进行了分析。

提出并实现了一种可增强微球谐振腔热非线性效应的方法。通过在微球谐振腔表面涂覆低折射率紫外胶形成并制备了混合谐振腔。通过分析混合谐振腔结构的热光系数, 从理论和实验论证了混合谐振腔结构可获得更大的热非线性效应, 同时验证了混合谐振腔的品质因素对热非线性的影响。应用此混合谐振腔结构于温度传感实验, 结果表明通过增强方法制备的谐振腔其检测灵敏度提高了2.8倍。因此, 此方法在传感应用、生物化学检测、通讯等领域也有广泛的应用前景。

研制了一种基于自组装技术的静电驱动微机电系统(MEMS)倾斜镜,并利用表面硅工艺PolyMUMPs制备了样品。倾斜镜主要由一个中心镜面,两个偏转梁和两个可实现自组装的复合悬臂梁组成。中心镜面离衬底的高度可通过增大金和多晶硅复合悬臂梁的残余应力梯度得到提升。热退火技术被用于提高金层的残余应力。器件结构利用有限元仿真软件进行了优化并通过实验进行了验证。经过200 ℃热退火后,倾斜镜的偏转角度可以达到3.6°。该倾斜镜可运用于微光机电系统。

为了解决MEMS技术制备具有超厚、高深宽比电极结构的射流发生器中三角柱电极尖端部分出现的弧形缺陷以及脱模时缝隙电极易脱落等问题, 提高射流发生器的制作质量以及电共轭流体微型泵的输出性能。结合理论分析与反复试验提出了一系列改进措施: 优化涂胶、热处理、显影等工艺的参数以及缝隙电极的形状, 采用新型KMPR光刻胶去除方法等。通过应用上述方法获得的射流发生器中, 三角柱电极-缝隙电极对厚度约500 μm, 深宽比高, 三角柱电极尖端结构完整, 缝隙电极附着率有很大提高。同时, 利用制备的射流发生器, 设计、装配了电共轭流体微型泵的样机。

针对传统微带天线带宽窄和增益低等问题, 设计了一种易与射频(RF)前端集成的硅基微带天线。该天线设计结合MEMS工艺, 将高阻硅和低阻硅通过键合工艺形成双层硅基底, 来改善微带天线介质基板的等效介电常数, 有效增大了天线的带宽。同时通过在地面引入缺陷地结构(DGS), 有效的抑制谐波的产生。在此基础上设计了中心频率为10 Hz, 2×2天线辐射阵列。仿真结果表明, 天线相对阻抗带宽达到15.9%, 增益超过10.9 dB, 比传统微带天线有明显提升, 同时满足引信中天线抗干扰的要求。

芯片级原子钟主要包括射频模块、物理封装模块以及其他的外围控制模块。射频模块的设计关系到芯片级原子钟的短期稳定度, 所以射频模块在芯片级原子钟的设计时是非常重要的一部分。本文利用数字锁相环技术实现频率为4.596 GHz的射频源, 射频源由三部分组成, 包括小数分频频率综合器、压控振荡器和环路滤波器。数字锁相环具有相位噪声低, 频谱稳定度高等特点。此外, 由于小数分频频率综合器是可编程的, 可以通过配置N分频器与R分频器实现输出频率的快速扫描。与此同时, 根据相关公式, 可以计算出三阶无源环路滤波器的近似参数值, 所设计的环路滤波器具有300 kHz的环路带宽以及55°的相位裕度。最后, 整个基于数字锁相环技术实现的射频源通过仿真、硬件实现以及测试。测试结果显示, 射频源的相位噪声为-74.02 dBc/Hz@300 Hz, 符合芯片级原子钟射频源的设计要求。

超透镜光刻技术是一种很有前景的纳米结构成像技术, 由于其具有可以克服衍射极限的能力, 直到2005年, 张翔和他的同事在365 nm紫外线波长下成功的对一排纳米线和刻在高分子膜上的四个字母“NANO”实现了超分辨成像, 分辨率高达1/6入射波长。通过传递矩阵方法优化出超透镜结构, 并通过选择适当的材料和设计在超透镜结构中的每个层的厚度以及合理的优化实验等方法制备一个新的超透镜结构, 利用这种超透镜结构实现了周期性纳米结构及孤立纳米结构的亚波长成像。实验结果表明, 对于周期性的纳米结构, 其图像分辨率达到100 nm, 而孤立结构的分辨率低于50 nm, 小于入射波长的1/7。

插入损耗是射频微机电系统 (RF MEMS) 开关的关键性能指标之一。电容式RF MEMS开关是一种适合高频应用的开关器件, 对其损耗机制进行了研究。电容式RF MEMS开关的射频损耗主要包括四部分: 信号线的导体损耗、衬底损耗、辐射损耗以及MEMS桥损耗。对电容式RF MEMS开关建立了损耗模型并进行了数值计算, 同时在HFSS有限元软件中进行了电磁仿真, 数值计算结果和有限元仿真结果较好的吻合。此外, 对影响电容式RF MEMS开关插入损耗的因素进行了分析, 结果表明, 高阻抗的衬底、200 μm左右的导体宽度、较小的导体厚度以及较小的up态电容能够降低开关的插入损耗, 提高开关的射频性能。

通过射频磁控溅射在氧化硅片表面沉积ZnO/Au薄膜,并通过不同的热处理方式对薄膜进行退火。为了研究退火对ZnO/Au薄膜结构和压电特性的影响,采用X射线衍射分析(XRD)、光学显微镜、场发射扫面电镜(FESEM)和压电力分析仪对薄膜退火前后的材料特性进行了分析。研究发现,热处理能够改善ZnO/Au薄膜的结晶质量。特别是在氮气保护氛围下慢速退火后,薄膜结晶质量有明显改善。但是,热处理导致了薄膜的压电系数d33和d31降低。分析认为,热处理过程中Au原子在ZnO中的易迁移特性破坏了ZnO/Au薄膜的压电性能。

采用RF-PECVD系统在SOI材料上制作α-Si: H TFT,纳米非晶硅薄膜厚度为98 nm,沟道长宽比为10 μm/40 μm。用扫描电子显微镜、X射线衍射和拉曼光谱等检测方法对不同退火温度下的氢化非晶硅薄膜形貌进行了表征。采用CMOS工艺、各向异性腐蚀溶液EPW、射频溅射技术和等离子体刻蚀等工艺实现α-Si: H TFT的制作。在给出一般α-Si: H TFT特性分析和实验结果的基础上,又采用建模方式对α-Si: H TFT出现的负阻特性进行研究。提取纳米氢化非晶硅薄膜与栅氧化层界面处能带图的结果表明,在靠近漏端0.5 μm范围内,漏压由6 V增加到30 V时,随漏压的增加,价带能量逐渐下降。研究结果表明,距离漏端0.5 μm范围内的压降导致负阻特性产生。

采用离子束辅助磁控溅射方法沉积出了纳米晶LaNiAl膜和纳米晶渗氦LaNiAl膜(膜厚约10 μm), 通过调节Ar-He气氛的比例可控制纳米晶膜中的含氦量(He/LaNiAl的原子分数5.7%~13.8%), 通过该方法引入到LaNiAl金属薄膜中的氦量远高于采用球磨法制备的纳米LaNiAl粉中的含氦量。研究结果表明: 渗氦LaNiAl膜中的氦含量(原子分数)可达139%, 氦在膜的深度方向分布均匀;热解析分析恒温条件下沉积的渗氦膜的起始释放温度为848 K, 最高释放温度为1407 K, 主释放峰为1080 K, 初步确定了氦主要是以团簇的形式存在于在纳米晶膜中。

采用自行设计的液相法沉积装置,以甲醇有机溶剂作为碳源,利用液相电化学沉积技术在不锈钢及Si基底上制备了类金刚石薄膜;用扫描电镜、Raman光谱仪表征了沉积薄膜的表面形貌和结构;用UMT-2M摩擦磨损试验机对两种沉积薄膜进行了摩擦性能测试。结果表明: 经电化学沉积的类金刚石薄膜均匀、致密,表面粗糙度小;Raman光谱在1 332 cm-1处有强的谱峰,与金刚石的特征峰相吻合,其中不锈钢基底上薄膜的sp3含量更高;不锈钢基底沉积膜的摩擦系数为0.12,Si片基底沉积膜的摩擦系数为0.10;不锈钢基底沉积膜的耐磨性较Si片沉积膜高。

纳米金刚石膜具有高耐磨能力和低摩擦系数, 在多个领域有广阔的应用前景。纳米金刚石膜可通过热丝化学气相沉积方法进行制备。其中, 系统压力是关键的参数, 适当的压力下可生长纳米金刚石膜, 而改变压力则金刚石膜的表面形态将发生变化。实验通过不同压力下制备金刚石膜, 采用扫描电镜进行形貌观察, 并通过拉曼光谱确定纳米金刚石结构。实验表明, 金刚石膜形态随压力变化而改变, 一定压力下生长出纳米金刚石膜, 降低压力则晶体颗粒变粗。分析其原因是与氢原子的运动密切相关。

为了获得高保真的电容式RF MEMS开关自驱动失效阈值功率模型,必须弄清开关膜片上电场分布的边缘场效应。由于受到边缘场效应的影响,在计算开关自驱动失效阈值功率时,不能使用开关与中心导体的正对面积(A)取代受到射频信号频率的开关膜片面积(ARF)。否则,会出现射频信号功率等效电压(Veq)的计算偏差。因此,使用Veq的计算值与开关膜片上的均方根电压值(VRMS)来表征ARF。从而构建一个优值(ARF/A)来表征开关膜片上电场分布的边缘场效应强度。采用HFSS软件构建开关自驱动失效3D电磁模型,针对同一种开关构型,通过仿真得到不同射频信号功率下和不同开关气隙高度下膜片上边缘电场的分布。并与优值计算结果进行比较,初步验证了使用该优值表征开关膜片上电场分布的边缘场效应强度的合理性。

以膨胀石墨为原料, 采用不同溶剂, 通过液相超声直接剥离法制备多层石墨烯, 利用透射电子显微镜、原子力学显微镜对其形貌进行了表征, 在多功能往复摩擦磨损试验仪上研究了石墨烯石蜡分散体系的摩擦学性能。通过扫描电镜、能谱仪分析了磨痕形貌及表面元素组成。结果表明: 多层石墨烯作为液体石蜡添加剂表现出良好的减摩抗磨性能, 主要是因为多层石墨烯在磨损表面形成的物理吸附膜与摩擦化学反应膜的共同作用。

基于脱脂棉为牺牲模板,采用碳辅助法制备了内嵌碳的八面体形貌Co3O4,对其在模拟阳光下的光解水制氢气的能力进行了研究。X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)表征分析表明,制备的产物是具有规则正八面体形貌、粒径约为10 μm的具有良好晶型的Co3O4。能谱(EDS)和光射线光电子能谱(XPS)结果表明,制备的产物内嵌无定形碳,碳源来自于脱脂棉制备过程中的不完全燃烧。实验结果表明制备的内嵌碳八面体形貌Co3O4具有良好的光解水制氢能力。

通过再沉淀法制备了富勒烯C60/酞菁的复合纳米微粒。这种复合纳米微粒由于C60分子和酞菁分子间的π-π相互作用而具有电子给体-受体(donor-acceptor)结构,而且这种微粒的尺寸可通过选择再沉淀过程中使用的溶剂来进行控制。此外,这种微粒与Nafion结合后,表现出去除三甲胺的光催化性能,而且其光催化活性优于C60微粒/Nafion或酞菁微粒/Nafion复合物。该结果表明电子给体-受体结构可通过促进有机半导体的电荷分离来增强光催化的性能,从而揭示了一种新颖的基于电子给体-受体结构的有机光催化剂。

以不同含水量的乙二醇溶液为电解液, 采用阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列。通过记录反应过程中电导率、粘度及回路电流随时间的变化曲线, 研究含水量对电解液粘度、电导率及电流等过程参数的影响, 分析了纳米管形貌尺寸与TiO2溶蚀所耗电荷量的关系。粘度初始值和初始电导率均与含水量呈三次关系, 相关系数分别为0.992 5和0.977 8。在反应过程中, 溶液粘度值有缓慢增加的趋势。由于不同含水量的电解液粘度的不同, H+和OH-数量不同, F-迁移速率不同, 电导率-时间曲线及电流-时间曲线具有不同的变化趋势, 并对其进行了理论分析。当水体积分数为4%, 5%, 6%和10%时, 纳米管的形貌较为有序并且TiO2纳米管阵列表面的碎片较少, 纳米管直径变化范围为50 nm至72 nm, 长度变化范围为0.85~1.90 μm。F-腐蚀氧化膜时所消耗电量与TiO2氧化膜被腐蚀掉的体积呈一次函数关系, 即腐蚀电量越大, 腐蚀掉的体积越大, 为制备一定形貌尺寸的纳米管提供了一定的控制方法。

在SF6气氛下, 分别利用钛宝石飞秒脉冲激光与掺钕钇铝石榴石纳秒脉冲激光对单晶硅表面进行了微构造和重掺杂, 以用于光伏材料。对制备的单晶硅表面微结构的形貌、结晶性和硫元素杂质含量与分布进行了研究。实验结果表明纳秒脉冲激光制备的单晶硅表面微结构的薄层电阻较小, 缺陷密度较低(结晶性高), 硫元素杂质含量较高且在表面分布的范围较广, 深度较大(约1 μm)。此外, 材料的可见-近红外波段吸收率可接近80%。基于纳秒脉冲激光微构造的单晶硅的优异性能, 在样品表面制备了有效光照面积达8 cm2的太阳能电池。其中, 最佳太阳能电池的串联电阻、开路电压、短路电流密度分别为0.5 Ω, 503 mV, 35 mA/cm2, 转换效率约12%。上述太阳能电池性能还可通过优化制备工艺进一步提高。

选用硅橡胶为基材, Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9非晶纳米晶软磁合金粉体为磁性功能填料, 采用机械共混的方法制备非晶粉/硅橡胶力敏复合材料。采用自制测试夹具测试非晶粉/硅橡胶复合材料的阻抗值, 采用扫描电镜分析非晶粉颗粒形貌及其在硅橡胶基材中分散情况, 在此基础上研究了复合材料界面绝缘性、单层与多层叠加复合薄膜、加入导电层及其层数对复合应力阻抗性能的影响。研究结果表明: 铜箔作为界面强化导电层的加入是提高复合薄膜力敏特性的有效途径之一, 设计实验中的复合薄膜/铜箔/复合薄膜结构相当于聚合物/金属/聚合物三明治多层膜结构, 对敏感性具有增强效应。

利用超声波的分散和粉碎作用,对纳米Al粒子进行了表面疏水处理。然后,以无水乙醇为反应介质,苯乙烯为单体,偶氮二异丁腈为引发剂,聚乙烯吡咯烷酮为分散剂,在氮气保护环境下,利用超声波的活化和引发作用,引发苯乙烯单体在纳米Al粒子表面进行分散聚合反应,制备出了纳米铝粉/聚苯乙烯包覆粒子。最后,运用多种测试手段对纳米Al/PS包覆粒子形貌、粒径大小及分布、表面特性、化学组成及结构等进行了表征。测试结果表明,所制备的纳米Al/PS包覆粒子已经形成了完整的球型核壳包覆结构,表面完整无缺陷,粒径大小约为2.0 μm。

谐振光学环型腔作为光学陀螺的核心敏感单元, 其光学调制谱和与之对应的鉴频曲线的特性成为提高光学陀螺系统检测灵敏度的关键。为了研究光学陀螺的调制和鉴频谱线特性, 优化陀螺性能, 设计并搭建了实验测试系统, 光纤环形谐振腔采用分光比为50∶50、直径17 cm的保偏光纤, 总长2.2 m。使用直流高压放大器扫描窄线宽激光器(线宽小于1 kHz)的压电转化模块,扫描频率和电压分别选取20 Hz和1 V, 使用模拟比例积分电路进行锁频并反馈给激光器的压电转化模块, 使激光器的输出频率跟踪谐振腔实时变化。研究分析了光纤环型谐振腔在两种情况下所对应的透射谱和鉴频曲线: 第一种情况为调制电压分别为2 V和4 V, 对应调制频率从100 kHz到4 MHz变化;第二种情况为当调制频率为900 kHz, 调制电压从2 V到10 V变化。通过实验, 得到了不同调制参数下光学陀螺谱线的谐振深度、半高全宽、线性带宽、动态范围、品质因数、标度因数以及对应的锁频精度七种物理量的详细变化情况, 并进一步得到了静态测试条件下三种陀螺的最佳调制频率及与之所匹配的调制电压。为进一步研究激光调制对光纤环型谐振腔光谱的影响提供指导。

介绍了一种以微米衍射光栅为敏感元件的微机电加速度计敏感头的加工和性能。硅质量块底部加工有铝反射膜, 透明玻璃基底上制作有金微米光栅, 中间为空气腔, 经硅玻璃阳极键合, 构成敏感头的核心敏感部件。光源透过透明基底, 照射在光栅上, 在反射场内会产生一系列衍射级次, 且各级次衍射光强与外界加速度之间呈函数关系。完成了微米光栅加速度计敏感头的加工, 搭建了实验测试平台, 完成了加速度计的灵敏度以及静电驱动性能测试。为未来新型集成式微米光栅加速度计设计和加工提供参考。

谐振式微光学陀螺是一种新型的惯性传感仪器, 与传统的机械陀螺与其他光学陀螺相比具有很多理论上的优势。通过分析抑制载波和提高信噪比, 深入地研究了三角波调制频率和幅度对谐振式微光学陀螺偏置稳定性的影响。通过理论计算和仿真分析, 考虑得到更好的载波抑制效果, 调制幅度应选为15.44 V;考虑提高信噪比, 调制频率应设为1 MHz。搭建了谐振式微光学陀螺系统, 实验测试结果与理论分析吻合较好。此外, 采用优化的调制参数, 陀螺的偏置稳定性由0.39 (°)/s提高到0.18 (°)/s(10 s积分时间)。研究结果表明: 选择优化的调制三角波参数可以将陀螺偏置稳定性提高一倍, 对于其他调制方案, 如正弦波相位调制方案, 同样可以通过分析载波抑制和信噪比优化调制参数, 改善陀螺偏置稳定性。

提出一种用于分析硅纳米梁动态特性的改良型半连续体模型,对比传统的连续体理论,这种新模型使用了Keating势,并考虑了纳米梁在宽厚两个维度的分立特性。依据Sun-Zhang模型思想和能量守恒定律,建立了改良型Keating模型,并进行了双端固支梁的基频计算。在这个过程中,对一些表面效应也进行系统分析。结果表明,该改良模型一方面在纳米尺度下与Material StudioTM软件仿真结果较为符合,另一方面也能在微观尺度下较好的接近连续体模型的计算数据。同时,该模型还反映了基频随纳米梁宽度变化的特性,这也符合一些实际实验。

基于分子动力学方法,对石英玻璃进行了三维的纳米划痕仿真,用来研究其纳米加工性能。采用熔融-淬火的办法建立了石英玻璃的模型,并通过观察模型的截面图,分析了在制备过程中内部微观孔隙的形成过程和原因。在仿真过程中,观察了石英玻璃的变化和孔隙周围原子的运动,得到了切削力的曲线,重点研究了内部的微观空隙对划痕过程的影响。仿真结果表明: 当石英玻璃冷却时,由于内部共价键的重组,会形成平均半径为0.25 nm的微观的孔隙,而且其降低了石英玻璃的纳米加工性能,使得切削力的曲线发生一定程度的波动。当磨粒划过表面后,会在表面以下形成厚度为2 nm的原子密集堆积区。由于稠密区的原子共价键键长的变化,失去了原有共价键的强度,所以会形成加工的损伤层。因此在对石英玻璃超精密加工时,应采用少量多次的加工方法来提高材料的加工性能。

固液界面的表面电荷会影响微纳流体系统的流体阻力, 因此如何测量固液界面的表面电荷密度以及分析表面电荷的产生机理对于研究表面电荷对流体阻力的影响具有较大的意义。提出了一种基于接触式AFM的固液界面表面电荷密度测量方法。基于该方法测量了浸在去离子水和0.01 mol/L的NaCl溶液中的高硼硅玻璃和二氧化硅样本的表面电荷密度, 并研究了溶液pH值对表面电荷的影响。研究结果表明高硼硅玻璃和二氧化硅由于表面硅烷基的电离带负电。溶液pH值和离子浓度的增加都会增加浸在去离子水和0.01 mol/L的NaCl溶液中高硼硅玻璃和二氧化硅的表面电荷密度的绝对值。

基于一种将具有电荷传输性的双极性主体材料与蓝、黄光客体材料共蒸的单层结构的同质结结构, 制备了色温可调的白光有机电致发光器件(OLED)。由于不存在激子阻挡层, 单层结构容易发生漏电流现象, 致使OLED器件具有较高的工作电压和较低的电流/功率效率。在空穴/电子传输层进行p/n型掺杂的同质结结构则大大改善了器件性能。研究表明: 该种器件结构获得了相对较低的起压5.6 V, 较高的电流效率2.64 cd/A和低效率滚降, 其色坐标则随着亮度的增加沿着普朗克轨迹变化, 产生类似于太阳光的发光特性。另外, 对主体材料和共蒸层的电荷载流子的传输特性和复合机制也进行了一系列分析研究。

基于纳米球光刻技术制备了一种花状纳米金结构阵列, 经过PS509 nm球旋凃和ICP氧刻蚀, 再通过镀金膜与高温退火工艺, 纳米球阵列的表面被粗糙化, 进而形成了一种鳞状的花状阵列 。FDTD仿真结果表明, 制备的这种阵列具备很高的电磁场增强特性, 主要的增强集中于纳间隙的边缘处。以罗丹明 6G染料为探针分子测试基底的拉曼效应, 与金基底的拉曼信号相比, 该纳米结构阵列拉曼增强效应明显, 对罗丹明 6G的检测极限达到了10-6 mol/L的水平。

研制了一种用于硝酸根检测的小型电化学测量系统。该系统利用由微机电系统(MEMS)技术制备在玻璃基底上的铜簇修饰工作电极(WE)和铂对电极(CE), 实现对水中硝酸根离子的浓度检测。设计了一个低噪声、高精度的恒电位仪模块来实现工作电极表面铜层的自更新、线性扫描电压的产生以及μA~mA级响应电流的检测。应用STM32F407微控制器控制测量过程并将检测结果显示在电容触摸屏上。实验结果表明, 在0~71.4 μmol·L-1浓度范围内, 系统对硝酸根的检测具有较好的线性度(0.996)。与电化学工作站的检测结果进行对比, 该小型系统表现出良好的性能。

研究了粒径10~100 nm的二氧化硅纳米颗粒在非水基液中的表面活性剂辅助分散。结合颗粒表面特定官能团结构,针对性选择了合适的表面活性剂,氢键桥梁作用和长链分子空间位阻作用抑制了颗粒团聚行为。当表面活性剂体积分数6%的时候,动态光散射测试结果表明颗粒中位尺度30.2 nm,与透射电镜测试结果吻合,展现了良好的分散性。

利用辐照还原法在500 kGy辐照剂量下制备了Au掺杂MF有机气凝胶。通过X射线衍射(XRD)、能量色散光谱仪(EDX)和透射电子显微镜(TEM)测试证实了辐照法成功地制备出Au掺杂MF有机气凝胶复合物。EDX和TEM照片表明辐照处理后Au纳米颗粒均匀地分布在MF气凝胶骨架中, 并且Au纳米颗粒的平均尺寸为5.8 nm。N2吸附数据分析表明掺入Au纳米颗粒后, MF气凝胶的比表面积、总孔体积、微孔体积和介孔体积都有所下降。

电偶腐蚀会导致受载结构中内力的变化, 从而改变结构性能。研究电偶腐蚀对结构内力的影响规律, 利于提高相关结构的设计水平。设计接触端面为圆平面的圆柱形电极, 采用恒位移加载方式使两个接触面相互压紧, 同时将电极浸泡在质量分数3.5%的 NaCl溶液中进行腐蚀, 测试给出了压紧力随腐蚀时间的变化曲线。与实验状态相对应, 用电极表层腐蚀区的径向和轴向尺寸以及等效弹性常数表征电偶腐蚀效应, 根据实验观察近似取定腐蚀区尺寸, 建立微观尺度的材料性能模拟模型和宏观尺度的结构力学模拟模型, 计算给出了腐蚀区的材料性能参数和腐蚀一定时间后电极之间的压紧力, 计算结果与实验结果大致吻合。该项研究同时为数值模拟电偶腐蚀对结构力学行为的影响提供了新的方法。

采用配方均匀设计法,配制了SiO2-MnO2-CaO-TiO2-CaF2-NaF多组元活性剂,利用微型脉冲激光器对500 μm厚GH4169高温合金进行了活性剂激光焊接试验。分析并讨论了焊接接头的显微组织和力学性能。试验结果表明,与传统激光焊相比,所配制的20种活性剂均增加了焊缝熔深,并且其中F12系混合活性剂增加熔深能力最为显著,使焊缝深宽比增加了159%,证明通过使用活性剂来增加微激光焊焊缝熔深,降低高温合金板激光焊接的成本是可行的。在活性剂作用下,焊缝显微组织仍由柱状晶和等轴晶组成,接头抗拉强度达到927 MPa,为母材强度的92.7%。