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控

論文作者：北京理工大學 / 裴家杰

指導教師：王西彬《研究領域：先進切削磨削、精密微納制造、綠色制造》

二維材料是厚度只有一個或幾個原子層的晶體材料，所有原子都在二維平面內成鍵，層間只有范德華相互作用力。二維材料家族涵蓋了導體、半導體和絕緣體，其眾多的家庭成員和豐富的特性構成了組成復雜納米機電系統的所有基本元素。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用前景。單原子層的厚度和完美的晶體結構使其具備制造超小納米器件和超大集成電路的能力。超強的機械強度和機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及應用是目前世界各國的研究重心。但是隨著新成員的出現和應用領域的拓展，新型二維材料及其器件在結構制備、性能表征和應用開發方面不斷涌現出新的機遇和挑戰。

針對這些挑戰，本文系統地研究了TMDs和黑磷二維材料的制備、表征新方法，并且結合微納制造技術開發了相關的二維材料光電器件，在此基礎上研究了其性能調控方法及理論。主要研究內容與成果如下：

提出了一種基于光相移干涉測量法（PSI）的光學非接觸快速測量二維材料的新方法。通過該方法實現了原子層級厚度（0.6 nm）的二維材料的快速高精度測量，通過對測量過程的理論建模，實現了二維材料光程差值的仿真預測。基于該方法首次正確表征了單層磷烯及其光學性能研究。

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。實現了逐原子層刻蝕黑磷納米片的超精密加工，實現任意層數樣品及其器件的制備，并且將其使用壽命提升了兩個數量級，解決了制備穩定高質量的少層或單層黑磷樣品的困難，促進黑磷的基礎研究和光電器件應用研究。

基于二維材料器件的微納制造技術，提出了關鍵的工藝改進，設計了二維材料金屬氧化物半導體（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，實現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，通過溫度和電場共同調制，首次實現了雙層MoS2的能帶調控及其激子和三子動力學研究。基于制作的MoSe2懸空器件，通過對介電屏蔽效應、三子密度和激發功率密度三個關鍵參數的控制，首次在薄層MoSe2上實現雙激子發光，并證明了其激發態雙激子理論模型。

論文名稱：高速切削材料變形及斷裂行為對切屑形成的影響機理研究

論文作者：山東大學 / 王兵

指導教師：劉戰強《研究領域：切削加工理論與刀具技術》

高速切削技術是先進制造領域的共性關鍵技術，其以高效率、高精度、高質量、低成本優勢已在航空航天等領域獲得應用。論文以Ti6Al4V、Inconel 718和7050-T7451為研究對象，研究了高速切削材料變形和斷裂行為對切屑形成的影響規律，探明了切屑變形及其形態轉變的力學控制機理，實現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，同時為高速精密加工裝備與刀具設計提供了理論基礎。論文取得的創新性成果包括：

（1）理論方面：提出了高速切削鋸齒狀切屑形成的絕熱剪切-韌性斷裂復合機制和碎斷切屑形成的裂紋成核-擴展主導的脆性斷裂機制，建立了切削變形區應力狀態分布和動態斷裂應變模型，揭示了高速切削第一變形區材料的常剪切梯度拉伸/壓縮復合加載變形與失效機理。

（2）研究方法：提出了基于高速直角切削的高應變率復合應力加載材料動態力學性能測試新方法，可實現材料動態斷裂應變、流動應力和斷裂韌性隨加載條件變化規律的測試。

（3）工藝技術：提出了超高速切削碎斷切屑形成的臨界判據，實現了塑性材料的脆性域加工和精密加工；構建了聲發射信號與切屑形態及切削能耗的映射關系，實現了切削過程切屑形成及能量消耗的實時監測。

研究成果在航空發動機制造企業得到應用，利用高速加工工藝實現了鈦合金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。

論文得到國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）課題“多場耦合強作用下超高速切削機理研究”（2009C B724401）、國家杰出青年科學基金項目“切削、磨削加工工藝與裝備”（51425503）和高檔數控機床與基礎制造裝備科技重大專項課題“基于長服役壽命的航空發動機典型難加工材料零件高性能切削技術”（2014ZX04012014）的資助。