1 北京工业大学材料与制造学部, 北京工业大学环境与生命学部, 北京 100124
2 中国检验检疫科学研究院, 北京 100123
单位点调控作为一种重要的材料修饰手段, 近年来在催化、 能源、 环境等领域中蓬勃发展。 调控单位点, 可以有效地调控表面电荷、 电子结构、 原子空间构型, 从而实现材料整体性能的提升。 在拉曼检测领域, 表面电荷等关键因素被广泛认可并是当下研究热点。 然而, 单位点对表面电荷调控, 乃至对拉曼灵敏度影响尚无系统研究。 该研究全新提出单位点(包括单分子、 单原子、 单原子中心的配体络合物等)的表面电荷调控作用并研究其对拉曼检测灵敏度的影响。 其中, 利用经典的特异性反应: 4-氨基-3-肼基-5-巯基-1,2,4-三唑(AHMT)与甲醛生成6-巯基-5-三唑啉［4,3-b］-s-四嗪(MTT), 使得经单位点AHMT调控的Ag材料具有极低的检测限10-12 mol·L-1, 低于不经单位点AHMT调控表面电荷的10-9 mol·L-1, 实现了对甲醛分子的超低浓度检测。 还研究了单钨原子氧化物调控, 对于非特异性反应中的标准分子、 农药残留分子检测能力的影响。 其中罗丹明6G的检测限可以从10-12 mol·L-1降低到10-14 mol·L-1, 农药福美双的检测限也可以从10-9 mol·L-1降低到10-11 mol·L-1, 据此提出了单位点调控表面电荷方法的普适性。 此外, 经过Zeta电位的测试, 发现经单位点调控的Ag表面电位都有较大变化, 符合库伦正负电荷吸附理论, 这更有利于对待检测分子的捕捉, 也是拉曼检测灵敏度提升的原因, 同时也在机理上解释了单位点调控的普适性。 对深层机理方面也做了许多猜测与研究: 一方面, 由于单位点与基底材料之间存在电荷转移, 因而存在化学增强(CM)过程。 同时, 在Ag表面有显著的电磁场增强(EM), 两种增强机制和单位点体系的协同, 需要进一步通过实验、 理论等, 研究不同单位点的新物理机制； 另一方面, 单位点可能作为一种新的振动模态, 与基底中存在的表面等离子体共振(SPR)、 待测分子的共振协同作用, 使得拉曼散射共振更强, 从而提升拉曼检测灵敏度。 该实验与结论都证实了单位点调控在拉曼检测中的可行性、 必要性, 使单位点在该领域的深入研究成为可能。
表面增强拉曼散射 单位点 表面电荷 普适性 均匀球状银颗粒 定量化检测 Surface-enhanced Raman scattering(SERS) Single sites The surface charge Universality Uniformly spherical silver particles Quantitative detection 光谱学与光谱分析
2023, 43(4): 1075
1 西安空间无线电技术研究所 空间微波技术重点实验室，西安 710100
2 郑州大学 物理学院，郑州 450001
3 南方科技大学 深圳市电磁信息重点实验室，广东 深圳 518055
微放电是制约航天器微波部件功率容量的主要瓶颈之一。以介质微波部件中典型的介质加载平行板波导为例，基于三维粒子模拟分别对仅考虑外加微波场（情况1）、考虑外加微波场和空间电荷（情况2）以及考虑外加微波场、空间电荷和介质表面电荷（情况3）三种情况下微放电演化过程中电子数目、瞬态二次电子发射系数、归一化反射波电压以及介质表面与上金属板之间的间隙电压随时间的变化进行了仿真，并给出了情况3电子分布和介质表面电荷密度随时间的变化过程。在此基础上，明确了空间电荷和介质表面电荷在微放电过程中所起的不同作用：即空间电荷会使微放电达到饱和状态，介质表面电荷则导致微放电饱和状态无法持续，最后自行熄灭。介质表面电荷导致了微放电过程中介质和金属瞬态二次电子发射系数下降速率不一致，归一化反射波电压幅度随时间变化的包络类似于“眼睛”形状、间隙电压类直流偏置、非对称电子能量分布等特殊现象。
微放电 空间电荷 介质表面电荷 粒子模拟 multipactor space charge surface charge on the dielectric particle-in-cell simulation 强激光与粒子束
2023, 35(3): 033003
强激光与粒子束
2023, 35(3): 035004
1 华北电力大学 电力工程系，河北 保定 071000
2 华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206
等离子体对材料的改性效果随放置时间会有所减弱，即表现出一定的时效性，限制了等离子体改性技术的进一步发展。为了探究等离子体介质阻挡放电（DBD）氟化改性环氧树脂的时效性，利用等离子体介质阻挡放电实现了环氧树脂表面氟化改性，并利用扫描电镜（SEM）、表面轮廓仪、X射线光电子能谱分析（XPS）、接触角测试仪、高阻计和闪络电压、表面电位测试系统对改性前和改性后放置在25 ℃老化箱中0～30 d的环氧树脂表面进行了物理形貌和化学组分的表征以及电气性能的测试。测试结果表明，DBD氟化改性实现了氟元素在环氧树脂表面接枝，这使得环氧树脂表面能降低，表面电阻率减小，陷阱能级变浅，从而加快了表面电位衰减速度，进而提升了沿面闪络电压。同时，等离子体DBD氟化改性环氧树脂表现出一定的时效性，放置30 d后，氟元素含量减少，表面能增大，表面电位衰减速度略有减慢，闪络电压也有所下降，但仍高于未处理的试样。
等离子体 氟化改性 环氧树脂 时效性 沿面闪络 表面电荷 plasma fluorination modification epoxy resin timeliness surface flashover surface charge 强激光与粒子束
2021, 33(6): 065019
1 华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206
2 华北电力大学 电力与电子工程系，河北 保定 071003
结合等离子体表面刻蚀方法与梯度改性方法，实现了氧化铝/环氧树脂表面的等离子体梯度刻蚀。利用扫描电子显微镜(SEM)、表面轮廓仪、X射线光电子能谱分析(XPS)、高阻计、闪络电压和表面电位测试系统，对比了未处理、等离子体均匀刻蚀、等离子体梯度刻蚀三种情况的样片表面形貌、化学元素和电气参数，研究了等离子体梯度刻蚀对沿面闪络性能的提升机理。结果表明，等离子体表面刻蚀可提升环氧树脂表面粗糙度、提高样片表面电导率、浅化陷阱能级以及提升沿面闪络电压。等离子体梯度刻蚀对闪络电压的提升效果要优于等离子体均匀刻蚀，相比于未处理样片最大可提升26.5%。分析认为针-针电极的电场分布可划分为三结合点处附近的高场强区和电极之间的低场强区，加快高场强区的表面电荷消散速率并适当控制低场强区表面电荷迁移速率，可以最大程度地提升样片整体的沿面闪络性能。
等离子体 表面刻蚀 环氧树脂 梯度改性 沿面闪络 表面电荷 plasma surface etching epoxy resin gradient modification surface flashover surface charge 强激光与粒子束
2021, 33(6): 065016
1 中国工程物理研究院 应用电子学研究所，高功率微波技术重点实验室，四川 绵阳 621900；中国工程物理研究院 研究生院，北京 100088
2 中国工程物理研究院 应用电子学研究所，高功率微波技术重点实验室，四川 绵阳 621900
3 中国工程物理研究院 应用电子学研究所，高功率微波技术重点实验室，四川 绵阳 621900；哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨 150001
为了抑制聚四氟乙烯材料表面电荷积聚，采用射频产生氮等离子体对其表面进行等离子体浸没离子注入以改善其表面性能。对注入前后的聚四氟乙烯材料样品进行了X射线光电子能谱分析（XPS）、傅里叶红外光谱测试（FTIR）、水接触角测量、表面电阻率测量以及表面电位衰减测量，并基于等温表面电位衰减理论对其表面陷阱能级和密度分布进行了计算，以分析聚四氟乙烯样品经离子注入处理后其表面成分和物理性能的变化，并研究了这些变化对聚四氟乙烯样品表面电荷积聚和消散特性的影响。结果表明：氮离子注入后，聚四氟乙烯材料表面化学成分的主要变化是自身分子结构的破坏和转化，部分CF2结构转变为CF和CF3结构，导致样品表面陷阱能级变浅；水接触角升至140°左右，比未处理样品上升了约27°，表面电阻率降至3×1015 Ω，比未处理样品下降了两个数量级；表面电晕放电1 min后，经氮离子注入处理的聚四氟乙烯材料表面积聚电荷量减少，消散速度加快，这是因为表面陷阱能级变浅有利于表面电荷脱陷，同时表面电阻率降低也促进了表面电荷沿面传导的消散过程，聚四氟乙烯样品表面陷阱能级分布曲线也证实了这一论点。
聚四氟乙烯 氮离子注入 表面电荷 积聚消散 表面电阻率 表面陷阱特性 PTFE nitrogen ion implantation surface charge accumulation and dissipation surface resistivity surface trap characteristics 强激光与粒子束
2020, 32(7): 075001
厦门大学 材料学院, 福建省特种先进材料重点实验室, 福建 厦门361000
液晶盒内的液晶分子在不同的外加电场作用下重新排布, 其极化指向发生改变, 从而影响液晶盒整体的电学特性。本文考虑液晶材料的挠曲电效应, 分析液晶盒的整体自由能表达式, 包含弹性形变自由能密度、介电自由能密度和挠曲电自由能密度。基于液晶弹性理论和相场方法, 构建描述液晶核指向矢分布及演化的相场方程, 并运用离散方法推导出液晶盒约化电容的表达式。讨论边界强锚定的混合液晶盒(HAN)和平行液晶盒(PAN)表面电荷密度对液晶核指向矢偏转角的影响。进一步分析了挠曲电系数、表面电荷密度以及液晶盒厚度对两种不同初始指向分布液晶盒电容性能的影响。数值分析结果表明, 表面电荷密度越大、挠曲电系数越小, 液晶核指向矢偏角越大。在混合液晶盒中, 约化电容随着表面电荷或液晶厚度的增加而增加, 最终趋于饱和; 而在平行液晶盒中, 当表面电荷密度或液晶盒厚度达到某个临界值时, 液晶核的指向矢才发生改变, 液晶的约化电容才有明显的变化。随着表面电荷密度增加, 液晶核指向矢发生偏转的临界厚度减小。
液晶盒 相场法 挠曲电效应 表面电荷密度 电容 liquid crystal cell phase filed method flexoelectric effect surface charge density capacitance
中国工程物理研究院 流体物理研究所, 脉冲功率科学与技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
气体火花开关作为重要部件被大量地应用于直线感应加速器和Z箍缩等大型脉冲功率装置中。绝缘结构设计不合理会使得气体火花开关中出现局部电场畸变和电荷积聚等现象。在高电压脉冲下长时间或高频次运行时, 火花开关中的绝缘子会发生沿面闪络现象, 直接影响到脉冲功率装置的正常运行。鉴于此, 对气体火花开关中的绝缘结构进行了有限元电场分析, 用表面电荷的积聚定性解释了沿面闪络发生的原因。通过对绝缘子的几何结构和电极尺寸的优化设计, 有效降低了绝缘子表面和电极表面的电场强度, 其中阳极三结合点场强从9.4 kV/mm降至1.5 kV/mm, 阴极三结合点场强从2.95 kV/mm降至0.98 kV/mm, 绝缘子表面最高场强从10.8 kV/mm降至4.95 kV/mm。优化后的绝缘结构电场分布较为合理, 降低了由于表面电荷的积聚而引发沿面闪络的概率。
气体火花开关 沿面闪络 表面电荷 绝缘子 电场分布 绝缘结构优化 gas-filled spark gap switch surface flashover surface charge insulator electric field distribution insulation system optimization 强激光与粒子束
2018, 30(2): 025001
1 上海理工大学 机械工程学院，上海 200093
2 哈尔滨工业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001
考虑磁场对固液界面表面电荷性质的影响与微纳流体系统的流体阻力相关，本文采用原子力显微镜(AFM)研究了静磁场对去离子水黏度以及高硼硅玻璃-去离子水界面表面电荷性质的影响，并分析了静磁场对去离子水性质影响的机理。研究结果表明，将去离子水静置于磁场强度为0~0.6 T的静磁场下30 min时，去离子水的黏度随磁场强度的增加而减小，而高硼硅玻璃-磁化水界面的表面电荷密度随磁场强度的增加而增加；静磁场对去离子水性质影响的机理是磁场引起的去离子水内氢键以及氢氧键的断裂。研究结果同时表明，磁场可以有效地改变固液界面的表面电荷性质。本文的研究结果为利用磁场有效地控制微纳流体系统的流体阻力提供了可能。
微纳流体系统 流体阻力 磁场 固液界面 表面电荷 micro/nano fluidic system fluid drag magnetic field solid-liquid interface surface charge 光学 精密工程
2015, 23(12): 3343
