金刚石优异的物理性质使其成为下一代最有发展潜力的半导体材料之一。目前来看, 基于微波等离子体化学气相沉积的异质外延可能是未来制备大尺寸单晶金刚石的最佳方法。在过去的三十年间, 铱复合衬底上异质外延生长单晶金刚石取得了一定进展, 特别是近几年实现了2英寸(1英寸=2.54 cm)以上的大尺寸自支撑单晶金刚石的生长。本文总结了金刚石异质外延用的衬底, 简要介绍了异质衬底上的偏压增强成核, 详细介绍了目前最成功的铱/氧化物、铱/氧化物层/硅复合衬底, 最后对金刚石异质衬底和异质外延进行了总结, 指出目前存在的问题并给出了一些可能的解决思路。

成核作为结晶的初始阶段, 直接影响着晶体产品的结构、手性、纯度、晶型和粒径分布等性质。但由于成核具有随机性, 通过实验成核不仅耗时耗力而且很难洞悉分子间的相互作用。本文选择结构相似的对羟基苯甲酸乙酯(EP)、对羟基苯甲酸丙酯(PP)和对羟基苯甲酸丁酯(BP)为模型物质, 计算了EP、PP和BP在四种不同的有机溶剂(乙醇、乙酸乙酯、丙酮、乙腈)中单个溶质分子和单个溶剂分子的结合能。不论是EP、PP还是BP与各溶剂的相互作用大小都服从乙醇>乙酸乙酯>丙酮>乙腈。因此, 可以预测EP、PP和BP在乙醇中成核最慢, 在乙酸乙酯和丙酮中成核较慢, 在乙腈中成核最快。当溶剂相同的时候, EP最难成核, 其次是PP, BP容易成核, 预测的结果与实验结果一致。本研究证明利用溶质-溶剂(1∶1)模型可以预测成核的难易, 进而有利于筛选溶剂, 提高实验效率。

在石墨烯的化学气相沉积工艺中, 铜箔是决定石墨烯薄膜质量的重要因素。传统铜箔由于制备工艺的限制, 存在大量的缺陷, 导致石墨烯薄膜的成核密度较高。本工作选用抛光铝板、抛光不锈钢板、微晶玻璃和SiO2/Si作为基材, 用热蒸镀法制备了不同粗糙度的铜箔, 并详细讨论了以该系列铜箔生长高平整度石墨烯薄膜的条件及铜箔对石墨烯薄膜品质的影响。实验结果表明, 铜箔以(111)取向为主, 与基材分离后, 表面具有纳米级平整度。在生长石墨烯后, 从SiO2/Si剥离的铜箔成核密度是4种基材中最小的。同时, 从SiO2/Si剥离的铜箔晶体结构变化最不明显, 具有良好的结晶性, 表面几乎不存在铜晶界缺陷。当压强为3 000 Pa, 氢气和甲烷流速分别为300 mL/min和0.5 mL/min时, 可以获得约1 mm横向尺寸的石墨烯单晶晶畴。

本文模拟了半水法湿法磷酸生产过程中α型半水硫酸钙(α-HH)的结晶过程。在30%P2O5，反应温度95 ℃，过饱和度S=1.64~2.10条件下，通过浊度仪监测溶液中浊度变化，测定了不同F-及SiF2-6浓度下α-HH结晶诱导时间，采用经典成核理论公式计算了α-HH的临界晶核半径及成核速率，并通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)表征分析了F-及SiF2-6对α-HH结晶过程的影响。结果表明：随着F-、SiF2-6浓度的升高，α-HH晶体的结晶诱导时间延长，表面能和临界晶核半径都增大，然而成核速率减小。当过饱和度S=1.64时，加入0.06 mol·L-1 F-，α-HH结晶诱导时间延长了465 s，成核速率减小到0.403×1029 晶核数·cm-3·s-1，然而，加入0.06 mol·L-1 SiF2-6，α-HH结晶诱导时间延长了710 s，成核速率减小到0.339×1029晶核数·cm-3·s-1。SiF2-6对α-HH晶体抑制成核作用大于F-。F-、SiF2-6阻碍了α-HH晶体沿C轴方向生长，使得晶体长径比减小，晶体形貌向短柱状变化。F-、SiF2-6影响了α-HH晶体(200)、(310)、(400)晶面衍射峰强度和结晶度。控制半水法湿法磷酸中F-及SiF2-6浓度水平，可以得到短柱状的α-HH晶体，有利于过滤洗涤。

通过进行水化热测试、非蒸发水含量测试、X射线衍射分析、扫描电镜分析、压汞测试及强度试验，研究了钴铁镁铝水滑石-碳纳米管复合材料(CoFeMgAl-LDHs/CNTs)对水泥水化过程、硬化水泥净浆孔结构及强度的影响。结果表明，CoFeMgAl- LDHs/CNTs复合材料通过成核作用显著提升了水泥3 d内的水化程度，从而显著提高了水泥净浆3 d内的抗压强度，3 d后强度提高效果逐渐减小，7 d后复合材料对硬化水泥浆体强度没有明显的提高作用。掺入CoFeMgAl-LDHs/CNTs复合材料的水泥净浆与空白净浆相比，胶凝孔和毛细孔含量明显增多，大孔含量有所降低，同时复合材料的桥联作用进一步优化了水泥净浆的微观结构，从而提高了水泥基体薄弱部位的应力承载能力。因此在同一龄期，复合材料掺入后硬化水泥净浆的强度有所增大。由于复合材料掺量的变化对孔径分布没有明显的影响，改变复合材料的掺量对同龄期硬化水泥净浆强度提升影响较小。

水泥中掺入大量矿物掺合料易造成其早期强度低、施工周期长等问题。本文研究了C-S-H晶核对含矿物掺合料的复合胶凝材料体系水化性能的影响规律; 通过热力学计算阐述了C-S-H晶核降低水化产物成核势垒的机理, 并通过离子溶出与沉积探讨大掺量矿物掺合料胶凝体系水化机理。结果表明: 矿物掺合料复合胶凝材料体系水化能力较弱, 这是由于Ca2+溶出受到制约, C3S的水化反应缓慢; 当加入晶核后, 水泥中硅酸盐相溶解-结晶能力得到大幅提升, 使得矿物掺合料水泥体系的水化反应活性接近纯水泥体系。研究表明, C-S-H晶核可解决大掺量矿物掺合料胶凝体系所带来的水化能力严重不足问题。

建筑工业化的不断推进需要混凝土的强度尽早、尽快形成。相较于传统的蒸汽或蒸压养护, 在水泥基材料中加入一定的成核剂, 除了能够有效促进水化、加速凝结外, 还有助于改善界面结构和提高耐久性, 因而被广泛用于实际工程中, 受到了国内外学者的极大关注。本文对比归纳了无机盐类成核剂、有机物类成核剂、纳米成核剂和复合成核剂的成核作用机理, 详细分析了成核行为的热力学与动力学特性, 概括总结了成核效应的影响因素以及对水泥基材料性能的综合影响。最后探讨了成核剂发展面临的挑战, 并对需进一步研究的可能方向提出了建议, 旨在为水泥基材料成核剂的高效利用与深入研究提供借鉴与参考。

气溶胶通过散射或吸收长波和短波辐射影响着地球的气候系统。2-甲基甘油酸是一种气溶胶示踪剂, 在大气观测和成核实验中被多次观测到。而硫酸和甲磺酸作为非常重要的气溶胶前体物, 也受到广泛的关注。基于 DF-MP2-F12/VDZ-F12 结合 M06-2X/6-311++G(3df,3pd) 理论方法对 2-甲基甘油酸-硫酸/甲磺酸团簇进行了计算模拟, 分析了其在大气中的物理化学性质。结果表明 2-甲基甘油酸-硫酸团簇和 2-甲基甘油酸-甲磺酸团簇的吉布斯自由能具有相同的温度依赖性。2-甲基甘油酸-硫酸/甲磺酸团簇会优先蒸发 2-甲基甘油酸分子而不是硫酸/甲磺酸分子, 且随着尺寸增加,2-甲基甘油酸分子的蒸发速率迅速增加。此外, 还计算了 2-甲基甘油酸-硫酸/甲磺酸团簇的瑞利散射强度和极化率, 有助于理解此类团簇对大气光辐射的影响。