論文摘要

論文名稱：TMDs 和黑磷二維材料與器件的制備表征及光電性能調(diào)控

論文作者：北京理工大學(xué) / 裴家杰

指導(dǎo)教師：王西彬《研究領(lǐng)域：先進(jìn)切削磨削、精密微納制造、綠色制造》

二維材料是厚度只有一個(gè)或幾個(gè)原子層的晶體材料，所有原子都在二維平面內(nèi)成鍵，層間只有范德華相互作用力。二維材料家族涵蓋了導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體，其眾多的家庭成員和豐富的特性構(gòu)成了組成復(fù)雜納米機(jī)電系統(tǒng)的所有基本元素。二維材料前所未有的物理、光電特性使其具有十分廣闊的器件應(yīng)用前景。單原子層的厚度和完美的晶體結(jié)構(gòu)使其具備制造超小納米器件和超大集成電路的能力。超強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度和機(jī)械柔性可以保證器件的工作可靠性和靈活性。以二維材料為核心的器件開發(fā)及應(yīng)用是目前世界各國(guó)的研究重心。但是隨著新成員的出現(xiàn)和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，新型二維材料及其器件在結(jié)構(gòu)制備、性能表征和應(yīng)用開發(fā)方面不斷涌現(xiàn)出新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

針對(duì)這些挑戰(zhàn)，本文系統(tǒng)地研究了TMDs和黑磷二維材料的制備、表征新方法，并且結(jié)合微納制造技術(shù)開發(fā)了相關(guān)的二維材料光電器件，在此基礎(chǔ)上研究了其性能調(diào)控方法及理論。主要研究?jī)?nèi)容與成果如下：

提出了一種基于光相移干涉測(cè)量法（PSI）的光學(xué)非接觸快速測(cè)量二維材料的新方法。通過該方法實(shí)現(xiàn)了原子層級(jí)厚度（0.6 nm）的二維材料的快速高精度測(cè)量，通過對(duì)測(cè)量過程的理論建模，實(shí)現(xiàn)了二維材料光程差值的仿真預(yù)測(cè)?；谠摲椒ㄊ状握_表征了單層磷烯及其光學(xué)性能研究。

提出了一種基于氧等離子體刻蝕黑磷納米片及其器件制備的新方法。實(shí)現(xiàn)了逐原子層刻蝕黑磷納米片的超精密加工，實(shí)現(xiàn)任意層數(shù)樣品及其器件的制備，并且將其使用壽命提升了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，解決了制備穩(wěn)定高質(zhì)量的少層或單層黑磷樣品的困難，促進(jìn)黑磷的基礎(chǔ)研究和光電器件應(yīng)用研究。

基于二維材料器件的微納制造技術(shù)，提出了關(guān)鍵的工藝改進(jìn)，設(shè)計(jì)了二維材料金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）器件和懸空器件的制作流程，減少了器件制備的周期和效率，提高器件制備的成功率，實(shí)現(xiàn)不同種類二維材料器件的干法快速制作。

基于制作的MoS2 MOS器件，通過溫度和電場(chǎng)共同調(diào)制，首次實(shí)現(xiàn)了雙層MoS2的能帶調(diào)控及其激子和三子動(dòng)力學(xué)研究?；谥谱鞯腗oSe2懸空器件，通過對(duì)介電屏蔽效應(yīng)、三子密度和激發(fā)功率密度三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的控制，首次在薄層MoSe2上實(shí)現(xiàn)雙激子發(fā)光，并證明了其激發(fā)態(tài)雙激子理論模型。

論文名稱：高速切削材料變形及斷裂行為對(duì)切屑形成的影響機(jī)理研究

論文作者：山東大學(xué) / 王兵

指導(dǎo)教師：劉戰(zhàn)強(qiáng)《研究領(lǐng)域：切削加工理論與刀具技術(shù)》

高速切削技術(shù)是先進(jìn)制造領(lǐng)域的共性關(guān)鍵技術(shù)，其以高效率、高精度、高質(zhì)量、低成本優(yōu)勢(shì)已在航空航天等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。論文以Ti6Al4V、Inconel 718和7050-T7451為研究對(duì)象，研究了高速切削材料變形和斷裂行為對(duì)切屑形成的影響規(guī)律，探明了切屑變形及其形態(tài)轉(zhuǎn)變的力學(xué)控制機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了塑性材料的脆性域加工和精密加工，獲得了切削過程的低能耗和高效率生產(chǎn)，同時(shí)為高速精密加工裝備與刀具設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。論文取得的創(chuàng)新性成果包括：

（1）理論方面：提出了高速切削鋸齒狀切屑形成的絕熱剪切-韌性斷裂復(fù)合機(jī)制和碎斷切屑形成的裂紋成核-擴(kuò)展主導(dǎo)的脆性斷裂機(jī)制，建立了切削變形區(qū)應(yīng)力狀態(tài)分布和動(dòng)態(tài)斷裂應(yīng)變模型，揭示了高速切削第一變形區(qū)材料的常剪切梯度拉伸/壓縮復(fù)合加載變形與失效機(jī)理。

（2）研究方法：提出了基于高速直角切削的高應(yīng)變率復(fù)合應(yīng)力加載材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試新方法，可實(shí)現(xiàn)材料動(dòng)態(tài)斷裂應(yīng)變、流動(dòng)應(yīng)力和斷裂韌性隨加載條件變化規(guī)律的測(cè)試。

（3）工藝技術(shù)：提出了超高速切削碎斷切屑形成的臨界判據(jù)，實(shí)現(xiàn)了塑性材料的脆性域加工和精密加工；構(gòu)建了聲發(fā)射信號(hào)與切屑形態(tài)及切削能耗的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了切削過程切屑形成及能量消耗的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

研究成果在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)得到應(yīng)用，利用高速加工工藝實(shí)現(xiàn)了鈦合金Ti6Al4V、鎳基高溫合金Inconel 718和鋁合金7050-T7451的高效率低能耗切削，在切削效率提高60%的前提下使切削能耗降低了35%以上。

論文得到國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）課題“多場(chǎng)耦合強(qiáng)作用下超高速切削機(jī)理研究”（2009C B724401）、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目“切削、磨削加工工藝與裝備”（51425503）和高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備科技重大專項(xiàng)課題“基于長(zhǎng)服役壽命的航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型難加工材料零件高性能切削技術(shù)”（2014ZX04012014）的資助。