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关键词： 物质结构与性质   全国Ⅰ卷   立足教材   晶体性质   考查目标   选做题   电离能   寻规律  

摘要： 2019年高考全国Ⅰ卷理综化学部分,物质结构与性质试题的核心考点保持了一贯的稳定性和连续性,考查了电离能高低比较、原子杂化类型、配合物成键及稳定性分析、晶体性质比较、晶胞分析与计算等知识,知识点比较分散,试题立足教材并适当拓展,整体难度适中。试题重点考查了考生正确使用所学知识,结合新情境整合新内容处理实际问题的综合能力,很好地体现了高考评价体系中基础性、综合性、应用性的考查目标。

关键词： 成键电子   大π键   离域π键   共轭π键   全国Ⅰ卷   电化学知识   价电子   原子  

摘要： π键是由价电子里两个相互平行的p轨道以肩并肩的方式相互重叠形成的,大π键(由叫共轭π键,或离域π键)是由多个相互平行的p轨道以肩并肩的方式相互重叠形成的,它的成键电子不再局限于两个原子之间的区域,而是在多个原子之间运动,从而把这多个原子键合起来,所以叫大π键或多原子π键。

关键词： 基态结构   光电子能谱   稳定性   HOMO-LUMO能隙   磁矩  

摘要： 稀土金属掺杂硅团簇不但能提高团簇的光化学反应性和热力学稳定性,而且拥有特殊的光学和磁学性质,能广泛的应用在材料,微电子,环境等领域。通过改变稀土金属掺杂硅团簇的形状及大小可以使其成为理想的新型材料的基本单元,对设计不同用途的新型环境友好型材料具有极其重要的意义。本文采用密度泛函方法系统地研究稀土金属铈掺杂硅中性团簇CeSi_n（n=4-20）和阴离子团簇CeSi_n-（n=4-20）的基态结构和物理化学性质。对于CeSi_n（n=4-20）中性团簇而言,使用双杂合密度泛函（m PW2PLYP）方法结合aug-cc-p VTZ/ECP基组系统地研究其基态结构和性质。研究结果表明:（1）对于CeSi_n（n=4-20）中性团簇的基态结构来说,当n≤17时,CeSi_n（n=4-20）的基态结构是铈原子取代纯硅团簇Sin+1中一个硅原子的取代结构;当n=17-19时,基态结构是铈原子连接两个小型硅簇的Ce-连接结构;当n≥20时,基态结构是铈原子被包裹在硅笼团簇中的笼型结构。（2）原子化能和二阶能量差分结果表明将铈原子掺杂进纯硅团簇中可以提高团簇的稳定性,并且CeSi20团簇是中性团簇中最稳定的团簇。（3）HOMO-LUMO能隙结果表明CeSi_n（n=4-20）中性团簇的光化学反应性比纯硅团簇高,而且中性团簇CeSi20团簇的光化学反应性最强。（4）电荷转移结果表明在掺杂团簇中铈原子的4f电子没有发生改变,不参与成键。（5）磁性分析表明CeSi_n中性团簇的磁性没有消失,总磁矩为2μB;在铈原子的价电子中4f提供的磁矩最多,几乎为总磁矩的一半。对于CeSi_n-（n=4-20）阴离子团簇而言,使用双杂合密度泛函方法研究其基态结构和光电子能谱、相对稳定性、光化学反应性和磁性等性质。研究结果表明:（1）当n=4-7时,CeSi_n-（n=4-20）团簇的基态结构是取代结构;当n=8-18时（CeSi9-除外）,基态结构是Ce-连接结构;当n=19-20时,基态结构是笼型结构;额外电子的影响使阴离子团簇的基态构型与中性团簇有明显的差别。（2）预测CeSi_n-（n=4-20）团簇的绝热电子亲和能（AEA）和垂直电子解离能（VDE）,并模拟CeSi_n-（n=4-20）阴离子团簇的光电子能谱。（3）相对稳定性分析表明阴离子团簇比中性团簇更稳定,且CeSi-20是阴离子团簇中最稳定的团簇。（4）HOMO-LUMO能隙分析表明额外电子影响团簇的光学化反应性。（5）电荷转移和磁矩分析表明阴离子团簇中铈原子4f电子不参与成键并且保留磁性,为团簇提供总磁矩1μB。（6）化学键分析结果表明CeSi-20是超原子,价电子壳层排布为1S21P61D101F141G82S21G102P62D103S22F14。CeSi-20不但热力学稳定性高,而且光化学反应性强,它可以成为构建新型多功能环境友好型材料最合适的基础单元。

关键词： 柔性电子   应变工程   薄膜屈曲形态   硅单晶薄膜   PN结  

摘要： 因其在医疗健康、装备结构监测等领域的诱人应用前景,以实现可延展、可弯曲电子器件为核心的柔性电子技术已经成为新型电子器件研究的热点之一。通过在无机器件上引入耐拉伸力学结构实现器件柔性化的无机柔性电子器件,与有机柔性电子器件相比具有高性能与高可靠性的优点。在目前提出的典型耐拉伸力学结构中,通过薄膜屈曲形成的波纹结构是一种简便易行,且得到较为系统的研究与应用的结构。由于薄膜在形成波纹结构后会引入可控的梯度应变,因而波纹结构作为一种向薄膜中引入周期性应变分布的方法,也在应变工程领域中具有应用潜力。然而以往报道的关于无机薄膜波纹结构的研究,都是基于规则矩形条带展开的,关于利用非规则矩形条带薄膜形成的波纹结构的研究鲜有报道。由于条带宽度的变化会导致基底在回缩时产生不均匀的回缩力,薄膜的形状变化可能对最终形成的波纹结构形态会造成影响。因此探究具有梯度屈曲形态的无机半导体薄膜的制备工艺及其形貌与工艺参数间的关系,不仅是对波纹结构研究的进一步完善,也可为功能薄膜的应变工程提供一种引入梯度应变分布的方法。本课题以单晶硅薄膜为研究对象,利用光刻、反应离子刻蚀等工艺将薄膜图形化为对称梯形结构。利用转印技术将薄膜从生长基底上剥离后转移至预拉伸的PDMS基底上,通过释放预拉伸基底形成的回缩力使薄膜受力发生屈曲,得到了具有梯度波纹结构的薄膜。基于三维轮廓显微镜对不同工艺参数下制备的样品的波纹结构参数表征数据,对不同工艺参数与样品形貌的关系进行了探讨。通过理论计算,对梯度波纹结构的应变分布进行了分析,并与均匀波纹结构形成对比。为了研究梯度波纹结构拉伸下的电学性能稳定性,对梯度波纹结构不同宏观拉伸下的光电特性进行了测试。最后,在梯度波纹结构上构筑了硅基PN结结构,探究了梯度波纹结构在器件上的应用。研究结果表明,通过本文介绍的制备方法,可以得到波长、振幅呈梯度分布的梯度屈曲形态硅单晶薄膜,且具有波峰、波谷处的应变梯度分布的特征。通过改变预拉伸量、形状几何梯度参数G、基底力学参数,可以调控其波长、振幅的分布梯度。梯度屈曲形态与均匀屈曲形态一样,具有一定的耐拉伸能力。具有梯度屈曲形态的PN结结构,可以在承受高达3.56%的拉伸应变的同时保持电学性能稳定,且转印对PN结电学性能没有影响,显示了梯度屈曲形态在柔性电子领域的应用潜力。

关键词： 单层石墨烯   反常霍尔效应   单壁碳纳米管场效应晶体管   电滞回   磁矩  

摘要： 石墨烯和碳纳米管具有许多优异的物理性质,是理想的纳米器件材料。随着碳基磁学的蓬勃发展,石墨烯和碳纳米管成为新一代电子器件的重要研究对象。石墨烯和碳纳米管在自旋输运方面具有优异的特性,自旋扩散长度能达到微米量级,所以其在碳基磁学及其器件上具有很高的研究价值。本论文主要是对石墨烯和碳纳米管的电子器件的物理特性进行研究,尤其是与碳基磁性相关的物理现象。首先我们构建了一种基于单层石墨烯的霍尔器件,并研究其反常霍尔效应;其次我们通过研究碳纳米管场效应晶体管的电滞特性,发现其能受到磁场调控。论文的两个主题,如下所述:1.构建了一种基于单层石墨烯的霍尔器件,并观测到反常霍尔效应。无外加磁场情况下,在石墨烯霍尔器件中测得霍尔电阻(R),并且随着石墨烯无序度的增加而霍尔电阻增大。对比热处理前后器件中石墨烯条带的拉曼光谱,D峰强度增强并且I/I从0.31升高为0.58。同时,器件热处理后,器件的霍尔电阻R从热处理前的0.3 kΩ变成了6.9 kΩ,这表明单层石墨烯的反常霍尔效应是由器件中石墨烯条带上的缺陷诱导产生。器件的霍尔电阻可以利用栅压进行调控,最大可达到11.4 kΩ,霍尔角约为0.26。此外,横向电阻率ρ与纵向电阻率ρ成正比,实验结果与反常霍尔效应的斜散射机制相符合。2.研究了一种与磁性相关的单壁碳纳米管晶体管的电滞回特性,其机理可能与单壁碳纳米管中存在磁矩有关。在室温大气条件下,测量单壁碳纳米场效应晶体管的电学性质,发现其具有明显的电学滞回现象。于此同时,对器件施加外加磁场,这种电滞特性能利用外部磁场进行调控,并且在正、负磁场下器件的电滞特性存在很大差异,这或许与单壁碳纳米管的磁各向异性有关。因此,此类单壁碳纳米管晶体管在自旋电子器件中具有巨大的潜力,为高密度、低功耗的非传统集成电路的发展提供了新的方法。

关键词： 氮化镓   纵向结场效应管   肖特基势垒二极管   逆导特性   PN结  

摘要： GaN作为第三代宽禁带半导体材料的代表,由于其禁带宽度大、临界击穿电场高、导热率高等优势,使其在功率半导体领域表现出巨大的潜力。一方面,GaN-on-Si的发展使得GaN器件的成本显著下降,这对于GaN材料的应用和发展是具有里程碑意义的。另一方面,由于GaN HEMT器件属于平面器件,与现有的Si基半导体制造工艺兼容性较强,这使其更容易与其他半导体器件集成。正因如此,对于GaN器件的研究也越来越受到人们的关注。然而GaN器件发展30几年来,对于横向AlGaN/GaN HEMT器件的研究相对比较成熟,因此横向器件的缺点也越来越被大家熟知。1)传统横向GaN HEMT器件会导致电流崩塌等一系列稳定性问题。2)横向GaN HEMT器件由于沟道电场分布集中而导致击穿现象。针对横向器件存在的缺陷,本论文从纵向JFET器件的角度出发分别研究了具有逆导特性的GaN VJFET器件和GaN VJFET器件的耐压机理与结构优化设计。1.提出一种集成了反向恢复肖特基势垒二极管（SBD）的增强型纵向GaN JFET功率器件新结构。通过嵌入反向恢复二极管,利用正向导通与反向续流路径相分离的方法,实现了GaN纵向JFET的逆导特性。基于Sentaurus TCAD仿真软件对提出的新型GaN VJFET的正向特性和反向特性进行仿真分析,结果显示器件的阈值电压为2.0 V,击穿电压为1720 V,比导通电阻为2.79 mΩ·cm2,反向SBD的开启电压为0.7 V。该新型纵向GaN功率器件在功率半导体领域具有很大潜力。2.深入研究了传统GaN VJFET器件的耐压机制,并基于此提出了PI-VJFET（P-GaN Island-Vertical Junction Field Effect Transisitor）新结构。PI-VJFET器件的特点有:（1）在JFET区域引入P岛结构,有效降低了器件的导通电阻,从仿真结果可知,PI-VJFET结构的导通电阻大约是传统GaN VJFET的50%;（2）将P岛结构从JFET沟道区一直延伸到器件的漂移区,使得器件体内电场分布更加均匀,从而有效的提高了器件的击穿电压。从仿真结果可知,提出的PI-VJFET的击穿电压为1400 V较传统结构提高了约500 V。此外,本文还对P岛的结构参数进行了优化分析,提出的PI-VJFET结构对于GaN纵向JFET击穿电压的提升具有指导意义。

关键词： 高熵合金   第一性原理   点缺陷   局部原子环境   磁矩  

摘要： 与传统能源相比,核能由于具有清洁无污染的特点被认为是解决未来人类能源问题的有效方法。新型核裂变堆和核聚变堆的发展和部署依赖于具有抗辐照能力的先进高性能反应堆结构材料的发展,而高熵合金（HEAs）作为新型抗辐照材料引起了广泛的关注。在极端核环境条件下,反应堆结构材料的辐照力学性能会出现劣化,而原子尺度的点缺陷性质研究是探索材料在辐照条件下宏观辐照性能的基础。大量的实验研究表明,HEAs在宏观性质方面具有良好的抗辐照能力。然而,由于复杂的局部无序和独特的晶格畸变效应,目前对HEAs原子尺度的研究很少。本研究利用第一性原理系统地探讨了三种等原子比合金的局部化学环境和近邻磁矩对点缺陷形成的影响。为了避免有限的原子点位对计算结果的影响,研究对大量的原子进行了计算统计分析;同时为了保证原子环境近邻分布的均匀性,采用了相似原子环境的方法构建超胞模型以及Widom的方法对化学势进行了修正。计算结果发现,CoCrNiFeMn HEAs中的空位形成能明显大于CoCrNi和CoCrNiFe合金。空位的局部环境尤其是最近邻环境中Ni和Cr原子的数目是影响空位形成能的关键因素,空位更倾向于聚集在Ni原子较多和Cr原子较少的环境。间隙类型的缺陷主要以Co和Mn原子为主。此外研究还发现点缺陷的形成能和最近邻原子的反铁磁磁矩的变化成负相关。研究结果表明,HEAs中较低的空位形成能,即较少空位的形成对于提高材料的抗辐照性能具有重要意义,局部元素的反铁磁磁矩对点缺陷形成能的影响为抗辐照材料的设计提供了思路。

关键词： 安培力   电流源   正离子   价电子   洛伦兹力   霍尔电场   导体表面   霍尔效应  

摘要： 首先,由于许多读者对于载流子为电子的常规情况有所误解,所以先对其进行解释。下面是几种常见的解释,但其中或多或少都存在一些问题:1通过碰撞来传递的解释由于导体中的电流是由自由电子的定向移动形成的,在磁场中电子受到洛伦兹力作用而向侧向漂移,与晶格上的正离子进行碰撞,把力传给导线,所以载流导线在磁场中也要受到磁力的作用,把这个力叫做安培力。对于这种解释有以下几个比较矛盾的地方:首先,电子手洛伦兹力,而洛伦兹力并不能改变电子动量的大小,所以

关键词： 超薄玻璃衬底   GaN基薄膜   pn结   脉冲激光沉积法   低温生长  

摘要： 柔性器件因其便携性、形状可变性、人体适用性等诸多优点,已成为国际前沿课题之一。研发柔性器件的关键在于柔性衬底的选择和pn结的制备。本论文选取超薄玻璃作为衬底材料,它是极可能规模应用的柔性衬底材料;pn结材料选用的是光电性能突出的Ga N;由于玻璃是非晶态的,为实现高质量Ga N基薄膜的生长,利用Ga N与Zn O晶体结构相同、晶格失配小的特点,以及Zn O可在玻璃上沿c轴高度取向生长的优势,引入Zn O作为缓冲层;考虑到玻璃的软化温度较低,利用脉冲激光沉积(PLD)法对靶材的脉冲式供给,提高薄膜前驱体在衬底上的表面迁移率,从而降低生长温度。本论文通过探索并优化n-Ga N和p-Ga N薄膜的低温生长条件,获得了“p-Ga N/(In Ga N/Ga N)多量子阱/n-Ga N/Zn O/超薄玻璃”柔性pn结结构。具体利用X射线衍射、扫描电子显微镜、原子力显微镜、能谱、X射线光电子能谱、荧光分光光度计、应力平台等对薄膜和pn结的结构及性能进行表征,取得了以下主要研究结果:1.采用PLD法,以沿c轴高度取向生长的高质量Zn O薄膜为缓冲层,在超薄玻璃衬底上低温生长Si掺杂的n-Ga N薄膜,形成“n-Ga N/Zn O/超薄玻璃”结构。通过生长条件的调控,包括缓冲层厚度、薄膜生长时间、衬底温度、激光重复频率,较系统地研究了n-Ga N薄膜的晶体结构、表面形貌、界面结构、化学成分、离子价态、光学和力学性能,从而优化生长工艺,改善微观结构与物理性能。结果表明,通过优化生长条件,在超薄玻璃衬底上实现了n-Ga N薄膜的低温生长,薄膜沿c轴高度取向,具有较好的结晶质量,膜面较为光滑平整、均匀致密,紫外发光较强,力学性能良好,应力作用下的光学性能稳定性高。2.在实现“n-GaN/ZnO/超薄玻璃”结构的低温生长的基础上,进一步生长Mg掺杂的p-Ga N薄膜,获得柔性pn结。改变多量子阱结构中In Ga N和Ga N的生长顺序,制备出两种Ga N基pn结:p-Ga N/(Ga N/In Ga N)/n-Ga N/Zn O/超薄玻璃、p-Ga N/(In Ga N/Ga N)/n-Ga N/Zn O/超薄玻璃。通过研究pn结的晶体结构、表面形貌、离子价态、光学和力学性能,初步探究其较优的生长条件。结果表明,先沉积In Ga N的pn结结晶质量更高,晶粒尺寸更大,表面较为致密,紫外发光更强,力学性能良好,应力作用下的光学性能稳定性更高。本论文的研究工作可为在超薄玻璃衬底上制备GaN基pn结提供实验参考,从而为未来大面积柔性无机发光显示器件的研发提供科学依据与技术支持。

关键词： 尖晶石铁氧体   价电子态密度   磁矩   晶体结构   电离度  

摘要： (A)[B]2O4型尖晶石铁氧体材料具有许多有趣的特征,其晶体结构、磁性、催化性能和半导体性能等随着掺杂不同的元素和掺杂元素含量不同而变化,这种独特的可调节性质可以让其具有很高的研究价值和广阔的应用前景。近年来的大量电子谱实验结果表明,包含尖晶石铁氧体在内的氧化物中并非所有氧离子都具有负二价状态,即除负二价氧离子外还含有负一价氧离子。这对于正确理解尖晶石铁氧体材料的性质具有至关重要的作用。其中负二价氧离子的含量比可用电离度f来描述。设氧离子的价态全部都是负二价时,f=1.0,其数值随着负一价氧离子含量比的增加而减小。本文采用第一性原理计算了尖晶石铁氧体MFe2O4（M=Mn,Fe,Co,Ni）的价电子态密度。对态密度曲线积分,计算出各种阳离子的3d电子数目,进而计算离子的平均化合价和材料的电离度。计算出的电离度数值与X射线光电子谱给出的实验结果很接近。我们使用维也纳Ab-initio模拟软件包（VASP）进行第一性原理计算。用Kohn-Sham（KS）方程进行自旋极化量子力学计算,其核心是对KS方程求解。计算采用的Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函为广义梯度近似（GGA）的改进版本。为描述尖晶石铁氧体中价电子的强相互作用,引入Hubbard U参数,使用PBE+U的方法对d轨道电子进行计算。采用缀加平面波方法（PAW）来描述内层电子与其价电子之间的相互作用。本文的主要计算结果如下:（1）分别使用PBE+U的方法和杂化泛函方法计算了（A）[B]2O4型尖晶石铁氧体Fe3O4的态密度。用两种方法得到的电离度略有不同。使用PBE+U的方法得到其（A）和[B]位上平均每个Fe离子的3d电子数分别为5.903和5.933;平均化合价分别为2.097和2.067。假设Fe原子中其它3d电子和4s电子都被氧原子得到,则O离子的平均化合价为-1.558[=（2.097+2.067?2）/4],可得到Fe3O4的电离度f=0.779。使用杂化泛函方法得到其（A）、[B]位上平均每个Fe离子的3d电子数分别为5.780和5.818;平均化合价分别为2.220和2.182。假设Fe原子中其他3d电子和4s电子都被氧原子得到,则O离子的平均化合价为-1.646[=（2.220+2.182?2）/4],可得到Fe3O4的电离度f=0.823。（2）使用PBE+U的方法计算了MFe2O4（M=Mn,Co,Ni）尖晶石铁氧体的态密度。考虑了反尖晶石结构的[B]子晶格上不同情况的阳离子分布对计算的电子态和电离度的影响,得到M离子在[B]位上与Fe离子磁矩平行排列时体系的能量最低。对阳离子的态密度进行积分,得到平均每个Fe和M离子的3d电子数。假设过渡金属原子中的其他3d电子和4s电子都被氧原子得到,计算出氧离子的平均化合价,从而得到MnFe2O4、CoFe2O4、NiFe2O4材料的电离度f分别为0.786、0.770、0.758。