基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器吸收光譜的溫度測量方法研究

許振宇，劉文清，劉建國，等

摘要：目的：溫度是燃燒流場的關(guān)鍵參數(shù)之一，其準(zhǔn)確定量測量對燃燒優(yōu)化控制及新型燃燒器開發(fā)具有重要意義。吸收光譜雙線比值測溫法，近年來隨半導(dǎo)體激光器及光纖器件成熟發(fā)展迅速。而由于測溫依賴的光譜數(shù)據(jù)參考HITRAN2008/HITEMP2010由于光譜來源和不確定度不一，尤其高溫下直接使用會產(chǎn)生測量偏差。本文擬通過實(shí)驗(yàn)室高溫爐和預(yù)混平焰爐上H2O 1398 nm附近測溫線對的高溫光譜試驗(yàn)研究，對比HITRAN/HITEMP，建立適合高溫反演的數(shù)據(jù)模型和處理方法，提高溫度反演精度。方法：選用的H2O測溫吸收線對（7154.354 cm-1& 7153.6 cm-1）由單個DFB激光器掃描覆蓋。首先，根據(jù)高溫爐（最高溫度1200℃）光譜測量特征，建立光譜處理算法并利用標(biāo)定結(jié)果集成TDLAS測量系統(tǒng)；其次，在高溫爐上采用開放爐管進(jìn)行驗(yàn)證溫度臺階測量驗(yàn)證；第三，在實(shí)驗(yàn)室甲烷/空氣預(yù)混平面火焰爐上進(jìn)行實(shí)際燃燒環(huán)境測試，對比更高溫度下測量光譜與HITRAN/HITEMP模擬光譜，確定適合高溫環(huán)境的光譜處理模型；最后，利用修正后光譜模型進(jìn)行平焰爐不同當(dāng)量比溫度測量驗(yàn)證。結(jié)果：考慮實(shí)際燃燒測量環(huán)境下存在輻射背景，同時電子學(xué)可能存在直流偏，控制激光器在每個掃描波形起始段處于出光閾值以下，其均值作為本底扣除，以獲取真實(shí)的吸光度信號。1）首先，根據(jù)高溫爐（最高溫度1200℃）光譜測量特征，選用部分吸收光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，消除7154.354 cm-1高頻方向的疊加光譜干擾，減少擬合參數(shù)從而增強(qiáng)算法穩(wěn)定程度；2）利用高溫爐標(biāo)定吸收池結(jié)果集成的 TDLAS系統(tǒng)，在高溫爐上采用開放爐管進(jìn)行驗(yàn)證，900℃至 300℃降溫過程中每100℃設(shè)置一個臺階，7個溫度臺階的標(biāo)準(zhǔn)差最大約15 K，最大波動幅度約50 K。由于爐管開放，高溫度臺階下由于爐管兩側(cè)熱耗散作用，TDLAS溫度測量結(jié)果較爐管中心設(shè)定值偏低；3）集成系統(tǒng)在甲烷/空氣預(yù)混平面火焰爐上進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，顯示處理溫度顯著偏高。通過增加反射光程，以增強(qiáng)吸收提高信噪。仔細(xì)對照HITRAN2008、HITEMP2010數(shù)據(jù)庫與測量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)中高溫下表現(xiàn)出了多條與HITEMP相符的“熱線吸收”（低態(tài)能級主要在3000 cm-1以上），而HITRAN數(shù)據(jù)庫則不包含這些數(shù)據(jù)；而7154.354 cm-1吸收線實(shí)測波長位置與HITRAN相符，HITEMP則對應(yīng)為7154.47 cm-1，中心頻率存在錯誤；4）利用高溫爐標(biāo)定的結(jié)果，結(jié)合HITEMP熱線吸收譜線信息雜合構(gòu)建光譜處理模型，對平焰爐在當(dāng)量比1.0按0.1遞減至0.7下進(jìn)行連續(xù)測量，并與絕熱燃燒理論溫度值作比較，溫度隨當(dāng)量比遞減呈臺階下降。當(dāng)量比0.7、0.8下理論值與測量值接近，0.7當(dāng)量比不同流量下TDLAS溫度測量不受影響驗(yàn)證了測量的穩(wěn)定性；0.9、1.0當(dāng)量比下，由于火焰到平焰爐的熱傳遞和火焰輻射損耗、所有狀態(tài)均在統(tǒng)一高度測量等因素，測量值較理論值略偏低。結(jié)論：HITRAN/HITEMP數(shù)據(jù)庫是分子吸收光譜研究的重要工具，但由于數(shù)據(jù)來源不一光譜參數(shù)不確定度也存在較大差異，尤其高溫下光譜研究和溫度反演需要實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測量校準(zhǔn)建立準(zhǔn)確吸收模型。本研究對H2O的1398 nm附近吸收光譜研究發(fā)現(xiàn)，HITRAN未收錄高溫下表現(xiàn)出來的熱線吸收而HITEMP存在譜線位置錯誤，綜合實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果和HITEMP熱線信息建立的光譜模型，實(shí)現(xiàn)了甲烷/空氣預(yù)混平焰爐不同當(dāng)量比燃燒溫度測量，提高了反演精度。

來源出版物：物理學(xué)報, 2012, 61(23)： 234204

入選年份：2017

非晶合金的高通量制備與表征

柳延輝

摘要：人類的歷史實(shí)際就是人類使用材料的歷史，每一個新時代的出現(xiàn)都和一種新材料有關(guān)。金屬和玻璃是人們耳熟能詳?shù)膬深惒牧?，它們性能迥異，在不同的領(lǐng)域發(fā)揮著各自的作用。非晶合金卻兼具了金屬和玻璃兩類材料的特點(diǎn)，它們既具有金屬的光澤和導(dǎo)電性，又能夠采用“吹塑”這樣的方式進(jìn)行加工成型。它們在低溫下表現(xiàn)出比鋼鐵材料還要高的強(qiáng)度和硬度，當(dāng)溫度高于軟化點(diǎn)（玻璃轉(zhuǎn)變溫度）時又如同橡皮泥一樣柔軟。從最開始看似毫無用處的“愚蠢的合金”到實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，非晶合金逐漸得到認(rèn)可，并被認(rèn)為是繼鋼鐵和塑料之后孕育著第三次材料技術(shù)革命的新型工程材料。這些成就的取得在很大程度上是因?yàn)槿藗儼l(fā)現(xiàn)了能夠形成塊材的非晶合金體系。非晶合金是典型的多組元合金材料，不同元素的組合和配比對非晶合金的形成有極為重要的影響。過去，新的合金體系的開發(fā)和探索大多采用順序迭代的試錯法。一個新的非晶合金的發(fā)現(xiàn)，往往需要經(jīng)過反復(fù)的成分調(diào)整才有可能獲得優(yōu)化的合金成分。根據(jù)文獻(xiàn)報道，在非晶合金中已經(jīng)用到的元素有幾十個之多，這些元素的排列組合構(gòu)成一個巨大的成分空間。用順序迭代的試錯法顯然很難在短時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)新的材料。因此我們必須改變傳統(tǒng)的材料開發(fā)模式，采用新的材料開發(fā)策略，提高新材料探索的效率，以滿足對非晶合金日益增長的需求。材料基因組是材料研發(fā)的一種新理念，其主要目的是提高新材料探索的效率，縮短從新材料研發(fā)到最終應(yīng)用的時間，降低新材料研發(fā)的成本。一般來講，材料基因組這一理念包含了高通量計算，高通量實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)管理3個方面的內(nèi)容。高通量計算是通過理論和計算機(jī)模擬對材料的相形成和性能進(jìn)行預(yù)測，從而縮小實(shí)驗(yàn)搜索的范圍，縮短實(shí)驗(yàn)時間和成本。高通量實(shí)驗(yàn)則是通過實(shí)驗(yàn)手段實(shí)現(xiàn)大量樣品的快速合成、結(jié)構(gòu)表征、性能測量，從而篩選出性能得到優(yōu)化的新材料。數(shù)據(jù)管理則是將計算和實(shí)驗(yàn)獲取的材料數(shù)據(jù)形成數(shù)據(jù)庫，并通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)從海量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)新的物理規(guī)律，補(bǔ)充現(xiàn)有理論或形成新的理論，進(jìn)一步指導(dǎo)新材料的開發(fā)。本文以非晶合金為例，介紹材料基因組方法，特別是高通量制備和表征技術(shù)，在新型非晶合金探索中的具體應(yīng)用。高通量制備也稱為組合制備，是指采用某種方法在短時間內(nèi)制備出傳統(tǒng)方法難以獲得的大量樣品，形成一個包含了一定成分范圍的材料庫。對于非晶合金而言，目前的高通量制備方法可以歸結(jié)為四類：物理掩膜法、多靶順序沉積法、多靶共沉積法、激光噴涂法。本文以實(shí)例逐一介紹這4種方法在非晶合金中的應(yīng)用。組合材料庫制備完成以后，需要分析材料庫的成分分布以及各個合金的具體化學(xué)組分，同時還需要對材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，以獲得有關(guān)物相形成的信息，實(shí)現(xiàn)相圖的繪制。通過幾個典型案例，本文將介紹測量玻璃轉(zhuǎn)變溫度、晶化溫度、非晶形成能力的高通量表征技術(shù)，這些參數(shù)的測量對理解非晶合金的形成機(jī)制有重要意義。有理由相信，利用高通量制備和表征技術(shù)，一大批新型非晶合金將陸續(xù)涌現(xiàn)出來，針對不同材料性質(zhì)進(jìn)行快速篩選后，有希望發(fā)現(xiàn)具有優(yōu)異綜合性能的特種非晶合金材料，充分發(fā)揮非晶合金的優(yōu)勢和特點(diǎn)，獲得廣泛應(yīng)用。

來源出版物：物理學(xué)報, 2017, 66(17)： 176106

入選年份：2017

二維半導(dǎo)體過渡金屬硫化物的邏輯集成器件

李衛(wèi)勝，周健，王瀚宸，等

摘要：微電子器件沿摩爾定律持續(xù)發(fā)展超過50年, 正面臨著物理尺寸極限與高功耗等挑戰(zhàn)。二維層狀材料可以將載流子限制在界面1 nm以內(nèi)的空間，部分材料表現(xiàn)出高遷移率、能帶可調(diào)性、拓?fù)淦娈愋缘忍攸c(diǎn)，有望給“后摩爾時代”微電子器件帶來新的技術(shù)變革。其中以MoS2為代表的過渡金屬硫化物（TMDC）具有1～2 eV的可調(diào)帶隙、良好的空氣穩(wěn)定性和工藝兼容性，在邏輯集成領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。本文從3個方面綜述了二維過渡金屬硫化物在邏輯器件領(lǐng)域的研究進(jìn)展。1）電子輸運(yùn)機(jī)理和遷移率：TMDC器件的載流子輸運(yùn)主要受制于非本征因素，其實(shí)驗(yàn)遷移率遠(yuǎn)低于本征聲子散射的理論極限值。目前TMDC材料散射源主要有本征聲子散射、介電層表面光學(xué)聲子散射、界面庫倫雜質(zhì)散射以及缺陷散射。此外，缺陷誘導(dǎo)的電荷陷阱會導(dǎo)致材料導(dǎo)帶電子數(shù)目明顯下降。這些因素嚴(yán)重縮短載流子的平均自由程，降低器件性能。本文詳細(xì)介紹了 TMDC中載流子散射機(jī)制對器件輸運(yùn)的影響，分析了目前報道的高性能器件優(yōu)化策略，為器件性能進(jìn)一步提高提供了思路。2）電學(xué)接觸：由于缺乏有效的摻雜手段，二維TMDC器件的接觸電阻遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)硅基器件。隨著器件尺寸的不斷微型化，接觸電阻對器件性能的影響越來越大。目前，TMDC器件接觸電阻的優(yōu)化主要集中在金屬-半導(dǎo)體界面上，本文中我們將目前主流的TMDC接觸優(yōu)化手段分為金屬-TMDC接觸、石墨烯-TMDC接觸、TMDC相變接觸和隧穿接觸四類，分別講述了目前最新的降低接觸電阻的工藝手段和科學(xué)思想。3）邏輯集成器件與電路：TMDC材料在“后摩爾時代”巨大的應(yīng)用潛力，使得其在邏輯集成領(lǐng)域的應(yīng)用備受學(xué)界與業(yè)界關(guān)注。研制基于新材料且與傳統(tǒng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)相兼容的器件結(jié)構(gòu)與工藝是TMDC商業(yè)化的重要前提。本文從邏輯電路、存儲電路和工藝集成3個應(yīng)用領(lǐng)域出發(fā)，綜述了TMDC在邏輯集成方向的研究進(jìn)展以及未來的應(yīng)用前景。二維TMDC具有獨(dú)特的光學(xué)、化學(xué)和物理性質(zhì)，在光電器件、能源存儲和催化反應(yīng)中均展現(xiàn)了極高的應(yīng)用潛力。特別是在電子器件應(yīng)用領(lǐng)域，二維TMDC因?yàn)槠錁O好的理論性能成為后硅時代極具競爭力的“候選者”之一，本文綜述了目前二維TMDC在電子輸運(yùn)、器件工藝與性能、邏輯集成等方面的研究進(jìn)展，總結(jié)當(dāng)前研究的成果以及存在的不足，為今后器件發(fā)展指明方向。TMDC電子器件相關(guān)研究在過去幾年發(fā)展迅速，但是目前報道的綜合性能仍未達(dá)到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的要求。總結(jié)過去若干年研究工作，我們認(rèn)為TMDC的電子器件應(yīng)用在未來主要面臨全面提升器件性能、合成高質(zhì)量材料和發(fā)展集成工藝3大亟需解決的問題。當(dāng)前，伴隨經(jīng)濟(jì)的高速增長，中國的半導(dǎo)體與芯片也保持持續(xù)快速增長，作為“大國重器”的半導(dǎo)體與芯片行業(yè)卻嚴(yán)重受制于發(fā)達(dá)國家，這不僅嚴(yán)重制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展，同時也嚴(yán)重威脅國家的信息安全。而新材料、新器件的研發(fā)與應(yīng)用有望成為我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在全球摩爾定律瓶頸期，實(shí)現(xiàn)“變道超車”的突破點(diǎn)。未來國家層面上研發(fā)經(jīng)費(fèi)的投入以及學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，有望使得當(dāng)前二維半導(dǎo)體器件眾多懸而未決的問題得以解決, 并將新型器件推廣至產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的層面。

來源出版物：物理學(xué)報, 2017, 66(21)： 218503

入選年份：2017