氫致金剛石表面載流子輸運(yùn)溝道形成與穩(wěn)定機(jī)制研究

針對(duì)當(dāng)前氫終結(jié)金剛石表面導(dǎo)電溝道存在表面性質(zhì)不穩(wěn)定、導(dǎo)電溝道遷移率低以及器件耐壓不足等問題，依照項(xiàng)目設(shè)定的研究目標(biāo)系統(tǒng)開展了氫終結(jié)金剛石表面 P 型導(dǎo)電溝道形成的實(shí)驗(yàn)研究、氫終結(jié)金剛石的能帶結(jié)構(gòu)圖譜繪制、氫終結(jié)金剛石表面鈍化及相關(guān)器件研制等研究?jī)?nèi)容，最終揭示了氫終結(jié)金剛石表面載流子輸運(yùn)溝道形成的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力，建立了金剛石表面缺陷相關(guān)的載流子散射模型，確立了合適的鈍化層體系。研究表明氫終結(jié)金剛石表面導(dǎo)電溝道源于氫終結(jié)金剛石表面負(fù)的電子親和勢(shì)與大氣電化學(xué)環(huán)境共同作用的界面電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制，二者是氫終結(jié)金剛石表面導(dǎo)電的充分必要條件。氫終結(jié)金剛石表面導(dǎo)電溝道中載流子遷移率與表面粗糙度的平方成反比關(guān)系,同時(shí)受金剛石體表雜質(zhì)散射影響。通過對(duì)氫終結(jié)金剛石表面粗糙度的修復(fù)與外延層的凈化，能夠顯著提高表面導(dǎo)電溝道的載流子遷移率。原子層沉積的Al2O3膜對(duì)于氫終結(jié)金剛石表面鈍化效果良好，界面的缺陷密度在1011-1012cm-2eV-1量級(jí)，同時(shí)可以在200℃以上仍然穩(wěn)定?；贏l2O3鈍化的氫終結(jié)金剛石電子器件顯示出良好的耐壓特性。鈍化層的選擇不僅需要其本身的能帶結(jié)構(gòu)與氫終結(jié)金剛石能夠匹配，而且還需要在實(shí)際制備過程中盡可能少的引入界面缺陷，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電溝道的穩(wěn)定與性能提高。本項(xiàng)目的實(shí)施將為氫終結(jié)金剛石表面鈍化層的篩選與優(yōu)化、金剛石基電子器件研究打下基礎(chǔ)。

氫終結(jié)金剛石由于在近表面形成穩(wěn)定的P型導(dǎo)電溝道，如方塊電阻104-106 Ω/□，成為未來寬頻帶、超大容量無線通訊領(lǐng)域最有前景的半導(dǎo)體選擇。然而該導(dǎo)電溝道中載流子遷移率遠(yuǎn)低于金剛石的理論值，且載流子輸運(yùn)極易受到環(huán)境變化的影響，為此針對(duì)溝道中載流子輸運(yùn)形成及穩(wěn)定化的研究，對(duì)優(yōu)化半導(dǎo)體性質(zhì)、構(gòu)建極高頻超大功率電子器件至關(guān)重要。本項(xiàng)目基于氫原子終結(jié)金剛石能帶結(jié)構(gòu)出發(fā)，從表面導(dǎo)電溝道中載流子輸運(yùn)對(duì)大氣環(huán)境的響應(yīng)入手，探索氫致金剛石表面P型導(dǎo)電溝道的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力。本項(xiàng)目擬結(jié)合勢(shì)壘激發(fā)電荷轉(zhuǎn)移原理，構(gòu)建氫終結(jié)金剛石表界面電子轉(zhuǎn)移模型；基于表面溝道載流子輸運(yùn)規(guī)律，建立與金剛石表面缺陷相關(guān)的載流子散射模型，提出利于載流子遷移的優(yōu)化調(diào)控措施；依據(jù)鈍化層對(duì)金剛石表面導(dǎo)電溝道的穩(wěn)定化規(guī)律，基于界面極化理論，揭示鈍化層對(duì)導(dǎo)電溝道的內(nèi)在調(diào)制機(jī)理。本研究將為指導(dǎo)開發(fā)可靠的極高頻超大功率電子器件奠定理論基礎(chǔ)。

本書通過相似分析及模型試驗(yàn)的驗(yàn)證，提出了溝道壩系模型試驗(yàn)的方法，并從試驗(yàn)的角度研究論述了裸地溝坡模型的降雨產(chǎn)沙特性；研究了黃河下游河道沖淤及河床形態(tài)變化對(duì)侵蝕產(chǎn)沙區(qū)的響應(yīng)機(jī)理；論證了黃土高原典型小流域壩系布局的攔沙效果及其發(fā)展規(guī)律；論述并運(yùn)用溝道的自平衡機(jī)制，對(duì)壩系相對(duì)穩(wěn)定原理進(jìn)行了理論闡釋和深入研究，并通過模型試驗(yàn)研究了淤地壩(系)的相對(duì)穩(wěn)定過程與效應(yīng)；研究論證了淤地壩攔沙減蝕的力學(xué)機(jī)理及保持相對(duì)穩(wěn)定的原理。另外，還創(chuàng)造性地提出淤地壩的壩體新結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)區(qū)劃黃土高原粗沙粒徑進(jìn)行了理論探索；列舉了應(yīng)用相對(duì)穩(wěn)定原理指導(dǎo)流域壩系建設(shè)實(shí)例。

本書可供水土保持學(xué)、地理學(xué)、環(huán)境科學(xué)、泥沙動(dòng)力學(xué)等專業(yè)的研究和管理人員及高等院校相關(guān)專業(yè)師生閱讀參考。

奧氏體不銹鋼表面處理得到的S相具有優(yōu)異的綜合性能，然而其形成機(jī)制及其在使用和服役條件下的穩(wěn)定性缺乏研究。 首先按原定研究方案，利用三維原子探針和內(nèi)耗技術(shù)研究奧氏體不銹鋼形成S 相的納米團(tuán)簇形成機(jī)制。證明了S相中過飽和碳是種偏聚并沒有析出，偏聚過程是可逆的（碳濃度從高到低），而且碳的偏聚和其它合金元素沒有直接的關(guān)系。在奧氏體中的碳擴(kuò)散系數(shù)隨碳含量增加而增大的原因除了考慮合金元素對(duì)碳的擴(kuò)散系數(shù)影響及擴(kuò)散導(dǎo)致的彈性應(yīng)力場(chǎng)的作用以外，主要原因是面缺陷（孿晶與層錯(cuò)）成為碳原子的快速擴(kuò)散通道。納米團(tuán)簇機(jī)制的揭示有助于增加對(duì)S相形成機(jī)制的理解。 其次，研究S 相在外加應(yīng)力場(chǎng)（等靜壓和拉應(yīng)力）和溫度場(chǎng)等多物理場(chǎng)作用下的S 相穩(wěn)定規(guī)律。證明了等靜壓作用下碳擴(kuò)散受到抑制，通過不同溫度下擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系計(jì)算其擴(kuò)散激活能，結(jié)果表明受等靜壓作用的碳的擴(kuò)散激活能大于無壓力情況，且擴(kuò)散激活能在碳含量較高時(shí)由于面缺陷（孿晶與層錯(cuò)）與碳原子的相互依存作用突然降低。在拉應(yīng)力作用下S相的厚度隨著拉應(yīng)力的增加而增加，拉應(yīng)力可以促進(jìn)碳原子在S相中的擴(kuò)散，同時(shí)能夠形成許多納米尺度的孿晶，從而增加表層的硬度。 第三，研究了S相在高載荷下磨損性能。奧氏體不銹鋼基體在壓應(yīng)力與滑動(dòng)切應(yīng)力作用下發(fā)生了劇烈的塑性變形，甚至?xí)l(fā)生馬氏體相變；而在大載荷磨損后S相沒有發(fā)生明顯的塑性變形和馬氏體相變，具有很好的機(jī)械與相穩(wěn)定性。 最后，運(yùn)用電化學(xué)充氫、慢速率拉伸與EBSD、氣相氫滲透等實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了S相的氫脆行為。S相能夠提高抗氫脆能力且滲碳S相的抗氫脆效果比滲氮S相更好。分析其原因是穩(wěn)定的S相能抑制亞穩(wěn)奧氏體不銹鋼表面氫致馬氏體相變，減小裂紋形核的可能性，并有效降低氫的滲透。 項(xiàng)目對(duì)于S相形成機(jī)制的研究達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，研究外加應(yīng)力場(chǎng)與溫度場(chǎng)作用下的穩(wěn)定性的結(jié)果以及在特殊環(huán)境下的服役性能（重載磨損、氫脆）的探索具有理論創(chuàng)新和實(shí)用價(jià)值。

Ti-Al合金密度低、高溫力學(xué)性能優(yōu)良，在航空航天工業(yè)中展現(xiàn)出令人矚目的發(fā)展前景。但其本征脆性、熱加工能力差嚴(yán)重限制了它的工程應(yīng)用，因此本項(xiàng)目基于置氫增塑機(jī)理，提出將熱氫加工技術(shù)應(yīng)用于鈦鋁合金板材軋制及成形過程中，以改善其塑韌性和加工性能。本項(xiàng)目研究了置氫Ti-Al合金的高溫變形行為，建立了置氫Ti-Al合金高溫變形本構(gòu)關(guān)系；提出了氫致擴(kuò)散層片分解機(jī)制和氫致相變層片分解機(jī)制，闡明了氫致動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制；研究了置氫Ti-Al合金鑄錠開坯鍛造工藝，獲得了晶粒均勻細(xì)小的板坯，闡明了板坯初始組織及退火熱處理之間的關(guān)系；研究了板材軋制性能與氫含量、軋制參數(shù)（軋制溫度、道次變形量和總變形量）之間的關(guān)系，揭示了板材熱軋過程中的氫致改性機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，置氫可以降低Ti-Al合金鍛造溫度約50℃，氫致峰值應(yīng)力平均下降率約為25%，合金熱加工窗口增大，并可獲得細(xì)小均勻的組織。置氫后Ti2AlNb合金板材熱成形塑性提高約一倍，載荷降低最大達(dá)50%，成形性能提升明顯。因此，本項(xiàng)目的研究為熱氫加工技術(shù)在Ti-Al合金熱加工領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)，為提高Ti-Al合金的塑韌性、改善其加工性能、推進(jìn)其實(shí)用化進(jìn)程提供一條新途徑，具有重要的理論和工程意義。