氢致金刚石表面载流子输运沟道形成与稳定机制研究

针对当前氢终结金刚石表面导电沟道存在表面性质不稳定、导电沟道迁移率低以及器件耐压不足等问题，依照项目设定的研究目标系统开展了氢终结金刚石表面 P 型导电沟道形成的实验研究、氢终结金刚石的能带结构图谱绘制、氢终结金刚石表面钝化及相关器件研制等研究内容，最终揭示了氢终结金刚石表面载流子输运沟道形成的内在驱动力，建立了金刚石表面缺陷相关的载流子散射模型，确立了合适的钝化层体系。研究表明氢终结金刚石表面导电沟道源于氢终结金刚石表面负的电子亲和势与大气电化学环境共同作用的界面电荷转移机制，二者是氢终结金刚石表面导电的充分必要条件。氢终结金刚石表面导电沟道中载流子迁移率与表面粗糙度的平方成反比关系,同时受金刚石体表杂质散射影响。通过对氢终结金刚石表面粗糙度的修复与外延层的净化，能够显著提高表面导电沟道的载流子迁移率。原子层沉积的Al2O3膜对于氢终结金刚石表面钝化效果良好，界面的缺陷密度在1011-1012cm-2eV-1量级，同时可以在200℃以上仍然稳定。基于Al2O3钝化的氢终结金刚石电子器件显示出良好的耐压特性。钝化层的选择不仅需要其本身的能带结构与氢终结金刚石能够匹配，而且还需要在实际制备过程中尽可能少的引入界面缺陷，从而实现导电沟道的稳定与性能提高。本项目的实施将为氢终结金刚石表面钝化层的筛选与优化、金刚石基电子器件研究打下基础。

氢终结金刚石由于在近表面形成稳定的P型导电沟道，如方块电阻104-106 Ω/□，成为未来宽频带、超大容量无线通讯领域最有前景的半导体选择。然而该导电沟道中载流子迁移率远低于金刚石的理论值，且载流子输运极易受到环境变化的影响，为此针对沟道中载流子输运形成及稳定化的研究，对优化半导体性质、构建极高频超大功率电子器件至关重要。本项目基于氢原子终结金刚石能带结构出发，从表面导电沟道中载流子输运对大气环境的响应入手，探索氢致金刚石表面P型导电沟道的内在驱动力。本项目拟结合势垒激发电荷转移原理，构建氢终结金刚石表界面电子转移模型；基于表面沟道载流子输运规律，建立与金刚石表面缺陷相关的载流子散射模型，提出利于载流子迁移的优化调控措施；依据钝化层对金刚石表面导电沟道的稳定化规律，基于界面极化理论，揭示钝化层对导电沟道的内在调制机理。本研究将为指导开发可靠的极高频超大功率电子器件奠定理论基础。

本书通过相似分析及模型试验的验证，提出了沟道坝系模型试验的方法，并从试验的角度研究论述了裸地沟坡模型的降雨产沙特性；研究了黄河下游河道冲淤及河床形态变化对侵蚀产沙区的响应机理；论证了黄土高原典型小流域坝系布局的拦沙效果及其发展规律；论述并运用沟道的自平衡机制，对坝系相对稳定原理进行了理论阐释和深入研究，并通过模型试验研究了淤地坝(系)的相对稳定过程与效应；研究论证了淤地坝拦沙减蚀的力学机理及保持相对稳定的原理。另外，还创造性地提出淤地坝的坝体新结构形式，并对区划黄土高原粗沙粒径进行了理论探索；列举了应用相对稳定原理指导流域坝系建设实例。

本书可供水土保持学、地理学、环境科学、泥沙动力学等专业的研究和管理人员及高等院校相关专业师生阅读参考。

奥氏体不锈钢表面处理得到的S相具有优异的综合性能，然而其形成机制及其在使用和服役条件下的稳定性缺乏研究。 首先按原定研究方案，利用三维原子探针和内耗技术研究奥氏体不锈钢形成S 相的纳米团簇形成机制。证明了S相中过饱和碳是种偏聚并没有析出，偏聚过程是可逆的（碳浓度从高到低），而且碳的偏聚和其它合金元素没有直接的关系。在奥氏体中的碳扩散系数随碳含量增加而增大的原因除了考虑合金元素对碳的扩散系数影响及扩散导致的弹性应力场的作用以外，主要原因是面缺陷（孪晶与层错）成为碳原子的快速扩散通道。纳米团簇机制的揭示有助于增加对S相形成机制的理解。 其次，研究S 相在外加应力场（等静压和拉应力）和温度场等多物理场作用下的S 相稳定规律。证明了等静压作用下碳扩散受到抑制，通过不同温度下扩散系数的关系计算其扩散激活能，结果表明受等静压作用的碳的扩散激活能大于无压力情况，且扩散激活能在碳含量较高时由于面缺陷（孪晶与层错）与碳原子的相互依存作用突然降低。在拉应力作用下S相的厚度随着拉应力的增加而增加，拉应力可以促进碳原子在S相中的扩散，同时能够形成许多纳米尺度的孪晶，从而增加表层的硬度。 第三，研究了S相在高载荷下磨损性能。奥氏体不锈钢基体在压应力与滑动切应力作用下发生了剧烈的塑性变形，甚至会发生马氏体相变；而在大载荷磨损后S相没有发生明显的塑性变形和马氏体相变，具有很好的机械与相稳定性。 最后，运用电化学充氢、慢速率拉伸与EBSD、气相氢渗透等实验系统研究了S相的氢脆行为。S相能够提高抗氢脆能力且渗碳S相的抗氢脆效果比渗氮S相更好。分析其原因是稳定的S相能抑制亚稳奥氏体不锈钢表面氢致马氏体相变，减小裂纹形核的可能性，并有效降低氢的渗透。 项目对于S相形成机制的研究达到预定目标，研究外加应力场与温度场作用下的稳定性的结果以及在特殊环境下的服役性能（重载磨损、氢脆）的探索具有理论创新和实用价值。

Ti-Al合金密度低、高温力学性能优良，在航空航天工业中展现出令人瞩目的发展前景。但其本征脆性、热加工能力差严重限制了它的工程应用，因此本项目基于置氢增塑机理，提出将热氢加工技术应用于钛铝合金板材轧制及成形过程中，以改善其塑韧性和加工性能。本项目研究了置氢Ti-Al合金的高温变形行为，建立了置氢Ti-Al合金高温变形本构关系；提出了氢致扩散层片分解机制和氢致相变层片分解机制，阐明了氢致动态再结晶机制；研究了置氢Ti-Al合金铸锭开坯锻造工艺，获得了晶粒均匀细小的板坯，阐明了板坯初始组织及退火热处理之间的关系；研究了板材轧制性能与氢含量、轧制参数（轧制温度、道次变形量和总变形量）之间的关系，揭示了板材热轧过程中的氢致改性机理。研究发现，置氢可以降低Ti-Al合金锻造温度约50℃，氢致峰值应力平均下降率约为25%，合金热加工窗口增大，并可获得细小均匀的组织。置氢后Ti2AlNb合金板材热成形塑性提高约一倍，载荷降低最大达50%，成形性能提升明显。因此，本项目的研究为热氢加工技术在Ti-Al合金热加工领域的应用奠定了理论基础，为提高Ti-Al合金的塑韧性、改善其加工性能、推进其实用化进程提供一条新途径，具有重要的理论和工程意义。