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2021年  第53卷  第6期

特约综述
晶圆级二维单晶材料生长的研究进展
徐小志, 张晓闻, 王然, 曾凡凯, 周涛
2021, 53(6): 1-8. doi: 10.6054/j.jscnun.2021085
摘要:
低维材料因其原子级的物理尺寸而拥有独特的物理化学性质. 以石墨烯为代表的二维材料具有优越的光学、电学、力学及热学性能,在电子、光电、能源、催化等领域具有巨大的应用潜力. 大尺寸、高质量的单晶材料是大规模高端器件的应用基础. 为此,研究者们致力于实现晶圆级二维单晶材料的制造研究. 利用化学气相沉积法(CVD)制备二维材料具有薄膜质量高、可控性强、均匀性好等优点,因此,CVD成为制备高质量二维单晶材料的首选. 文章从二维导电石墨烯、绝缘氮化硼和半导体过渡金属硫族化合物入手,总结了近年来利用CVD技术外延制造二维单晶薄膜的研究进展,讨论了大面积二维单晶材料的制备策略与生长机理,指出了目前存在的问题,对未来高质量二维单晶薄膜的制备方法进行了展望. 该综述为进一步推动二维单晶材料的规模化应用提供借鉴.
物理学与光学工程
基于互补辐射器的Q波段宽带半圆形基片集成波导平面天线
王剑莹, 梁振川, 许文涛, 彭业顺, 张涵
2021, 53(6): 9-14. doi: 10.6054/j.jscnun.2021086
摘要:
提出了一种基于E形互补辐射器的宽带半圆形基片集成波导(SIW)天线. 为了提高天线的工作带宽,将天线主体部分设计为与微带馈线呈一定角度的半圆形SIW谐振腔. 互补的E形槽和微带线进一步拓展了天线的阻抗带宽,提高了整个工作频带内的增益. 金属化通孔用于改善阻抗匹配. 结果表明:天线-10 dB阻抗的带宽覆盖37.7~47.8 GHz,在整个工作频带内的增益大于6.4 dBi,在38.2 GHz条件下的最大增益达9.8 dBi,同时具备宽频带和高增益的优势.
城市地块土壤重金属污染的感应电磁法与高密度电阻率法分析
陆海建, 邓一荣, 邓达义, 刘丽丽, 赵岩杰, 李朝晖
2021, 53(6): 15-22. doi: 10.6054/j.jscnun.2021087
摘要:
联合采用感应电磁法和高密度电阻率法对城市污染地块土壤环境进行测评,以华南某典型重金属污染地块为研究对象,通过对重点区域开展电磁扫描,在二维空间刻画出潜在污染区域,然后利用高密度电阻率法进一步刻画污染深度和垂直污染范围. 研究区废渣堆放位置和污水处理池下游的0~8.0 m、3.5~10.5 m深度范围存在多个电阻率小于8 Ω·m的低电阻异常区(疑似重金属污染区域),其中低电阻异常区的砷(As)和铅(Pb)污染严重,最大质量分数分别达1 170.00、2 700.00 mg/kg. 结果表明:感应电磁法和高密度电阻率法联合探测污染地块重金属污染的方法具有较强的可行性,能初步表征重金属污染物的空间分布状况,进而指导后续靶向钻探布点和采样,为污染地块的精准化土壤污染状况调查与修复提供科学依据.
化学与环境
缺陷石墨烯的可控制备及其室温湿敏性能
黄青武, 周芃, 曾大文, 宋武林
2021, 53(6): 23-27. doi: 10.6054/j.jscnun.2021088
摘要:
利用活泼的金属钠还原廉价的糖类,成功实现了一种缺陷石墨烯的可控制备,该石墨烯材料在室温下表现出极佳的湿敏性能. 表征结果显示:蔗糖前驱体使石墨烯片层厚度增加到0.4 nm,并改变缺陷石墨烯表面的修饰基团及缺陷含量(摩尔分数). 蔗糖前驱体制备的缺陷石墨烯,其表面含氧基团的摩尔分数可达24.2%. 不同缺陷含量的石墨烯样品室温湿敏性能表现不同. 相比不加糖类的石墨烯样品,蔗糖前驱体制备的缺陷石墨烯室温湿敏性能最高可提升4.5倍. 研究结果可为石墨烯基材料在室温气敏探测方面的应用提供技术参考.
多孔Ti3C2Tx/SnSe复合材料的制备及其储钾性能
赵杰, 李朝林, 陈刚, 吉飞, 慎义勇, 彭娟
2021, 53(6): 28-33. doi: 10.6054/j.jscnun.2021089
摘要:
采用原位氧化-刻蚀法和水热合成法制备了多孔MXene复合材料(Ti3C2Tx/SnSe),并对所制备的材料进行了结构表征与电化学性能测试. 结果表明:在0.05 A/g的电流密度下,多孔Ti3C2Tx/SnSe电极具有381.9 mA ·h/g的储钾容量,而相同情况下SnSe电极的比容量仅为119.2 mA ·h/g. 在1 A/g的电流密度下,多孔Ti3C2Tx /SnSe电极的初始可逆比容量为118.5 mA ·h/g,循环500次的比容量仍保持在35.4 mA ·h/g. 多孔Ti3C2Tx/SnSe电极材料优异的电化学性能得益于多孔Ti3C2Tx材料的高导电性,它不仅缓解了SnSe的体积膨胀,而且为离子的转移提供了良好的通路.
长链疏水改性苯丙共聚物乳液的合成及固沙性能
曾湘楚, 张光华, 武哲
2021, 53(6): 34-42. doi: 10.6054/j.jscnun.2021090
摘要:
以苯乙烯(St)和甲基丙烯酸甲酯(MMA)为硬单体,丙烯酸丁酯(BA)、丙烯酸(AA)和丙烯酸羟乙酯(HEA)为软单体,丙烯酸十八酯(SA)为功能单体,过硫酸钾(KPS)为引发剂,聚氧乙烯辛基苯酚醚-10(OP-10)和十二烷基硫酸钠(SDS)为复合乳化剂,采用种子乳液聚合,制备了长链疏水改性苯丙共聚物乳液,采用氢核磁共振(1H NMR)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、热重分析(TGA)等对共聚物进行表征并研究其固沙性能. 结果表明:当乳化剂SDS与OP-10的质量比为1 ∶ 1,亲油亲水平衡值(HLB)为27.50时,乳液最稳定,平均粒径为1.423 μm,乳液分散指数(TSI)为0.413. 丙烯酸十八酯质量分数为3%(占单体总质量的比例)时,聚合物热分解温度约为340 ℃,胶膜硬度达到3 H,吸水率降低至3.25%,水接触角提高至78.6°. 改性苯丙共聚物乳液作为固沙剂使用,当固沙剂固含量(质量分数)为15%、添加量为5 g/cm3时,沙柱的无侧限抗压强度为118.32 kPa、内聚强度为16.53 kPa、内摩擦角为8.68°,沙盘的相对冲刷保留率为98.2%,相对风蚀保留率为100%.
环状碳酸酯的固载型离子液体催化合成
卢金凯, 张梦, 初秉宪, 金理健, 肖健泽, 李斌, 董丽辉, 范闽光
2021, 53(6): 43-49. doi: 10.6054/j.jscnun.2021091
摘要:
通过烷基化反应和简单的一锅法将醇胺离子液体(TEA)嫁接到氯甲基聚苯乙烯(PS-Cl)微球上,将形成的嫁接型离子液体催化剂(PS-[TEA]I)用于催化CO2和环氧化物生成环状碳酸酯的反应. 采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和扫描电子显微镜(SEM)表征催化剂的结构和形貌,采用X射线光电子能谱(XPS)、元素分析(EA)和热重分析(TGA)研究了醇胺离子液体的嫁接量和热稳定性. 在环加成反应中,该催化剂无需溶剂和助催化剂,在催化剂用量为0.10 g、温度为120 ℃、CO2压力为2 MPa以及反应时间为4 h的条件下,碳酸丙烯脂(PC)的产率达到93.30%,并且反应后容易分离,可重复使用. 最后提出了羟基形成的氢键可激活环氧化物和I-亲核进攻促进开环的反应机理.
甘蔗渣生物炭对亚甲基蓝的脱除性能
赵浩然, 陈佳玲, 张文博, 郑伟, 何少康, 王光华, 郭立, 吴晓琴
2021, 53(6): 50-60. doi: 10.6054/j.jscnun.2021092
摘要:
以甘蔗渣为原料,采用氯化锌活化法制备了一系列具有不同ZnCl2浸渍比(ZnCl2与甘蔗渣的质量比1~6)的甘蔗渣生物炭样品,用于亚甲基蓝(MB)的脱除研究. X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和N2吸附-脱附(BET)的分析结果表明:与商业活性炭相比,甘蔗渣生物炭的灰分更少,表面孔结构更丰富,具有更大的比表面积和孔容积. 甘蔗渣生物炭样品的孔道结构与浸渍比有关,适当提高浸渍比有利于介孔的形成,浸渍比为4的ZnCl2-4-500-1样品具有最高的介孔率(75%). 与其他样品相比,ZnCl2-4-500-1在宽的温度区间(25~65 ℃)和pH范围(1~9)内均表现出接近100%的MB吸附率,具有最优异的MB脱除性能,说明介孔率的提高有利于MB的吸附. 孔径分布表明:ZnCl2-4-500-1由于存在大量孔径分布在1.36 nm的孔而具有优异的MB吸附性能,符合与MB分子直径有关的吸附理论. X射线光电子能谱(XPS)分析结果表明:ZnCl2-4-500-1具有最高的氮含量以及较高的-OH和C=O官能团的含量,这也是其具有最优异MB脱除性能的重要原因. 等温吸附实验结果表明:ZnCl2-4-500-1对MB的吸附过程符合Langmuir等温吸附模型,在25 ℃下对MB的最大吸附量为1 428.6 mg/g. 此外,ZnCl2-4-500-1在MB吸附-脱附循环5次时仍保持着80%以上的吸附率,对苯胺蓝和碱性红-46 (X-GRL)也表现出优异的脱除性能,说明该材料是一种优秀的染料废水脱色生物质活性炭材料.
生物学与生物工程
加权基因共表达网络分析筛选胰腺癌肿瘤免疫相关基因
李慧月, 王沐榛, 喻叶, 田雪梅
2021, 53(6): 61-67. doi: 10.6054/j.jscnun.2021093
摘要:
分析胰腺癌免疫浸润,以期寻找胰腺癌免疫治疗的潜在靶点. 利用加权基因共同表达网络分析方法和CIBERSORT算法分析TCGA数据库中胰腺癌的基因表达数据,识别与B细胞免疫浸润水平相关的基因模块. 通过共表达网络和PPI交互网络分析,确定了9个枢纽基因CD79BMYCBANK1TIMELESSCD19ATF3ITGALIKZF3RRAGB. 通过TIMER、Kaplan-Meier和差异表达基因等分析, 结果显示ITGAL在B细胞中高表达,在胰腺癌组织中显著上调,且该基因在胰腺癌中高表达与预后良好显著相关.
影响口腔癌发生潜在MicroRNAs的生物信息学分析
赵之新, 卢轩, 杨铭, 赵冰, 唐川
2021, 53(6): 68-73. doi: 10.6054/j.jscnun.2021095
摘要:
为获得口腔癌组织和正常组织之间差异表达的miRNAs,从分子水平研究相关的miRNAs在肿瘤发生发展中的作用,从GEO数据库筛选并下载口腔癌及正常组织的基因芯片,运用GEO2R工具分析筛选口腔癌与正常组织间的差异表达miRNAs. 采用FunRich软件对将所得差异miRNAs进行GO功能注释、KEGG信号通路分析. 通过对GSE124566和GSE113956两个芯片数据进行分析,分别筛选得到109、1 079个差异表达miRNAs,分别包括41、673个上调基因和68、406个下调基因,筛选得到共同差异表达miRNAs有30个,其中上调16个,参与的生物过程主要有细胞间通讯等,细胞成分主要有细胞核等,分子功能主要有转录因子活性等;下调14个,参与的生物过程主要有信号转导等,细胞成分主要有细胞质等,分子功能主要有转录因子活性等. 通过对口腔癌芯片数据的生物信息学分析,发现30个差异表达miRNAs是口腔癌发生、发展的重要miRNAs,囊泡介导的转运,核苷酸的代谢等过程. 最后预测出了13 796个靶基因,并通过PPI互作分析筛选出了联系最紧密的10个靶基因.
AhHDA1影响花生毛状根生长的研究
曾丽丹, 陈容钦, 李晓云, 李玲
2021, 53(6): 74-78. doi: 10.6054/j.jscnun.2021094
摘要:
花生组蛋白去乙酰化酶AhHDA1转到花生毛状根中超表达后,短侧根的毛状根比例增加. 基因表达检测结果显示,AhHDA1超表达后上调了细胞周期相关基因AhCYCD4和生长素信号转导相关基因AhIAA28的表达水平,而AhARF19的表达水平被显著抑制. 进一步通过LUC实验发现, AhHDA1激活AhCYCD4AhIAA28启动子的活性. 说明AhHDA1可能通过调控生长素信号转导和细胞分裂影响花生毛状根侧根的生长.
地理科学与技术
基于无人机高光谱影像的植被覆盖度遥感估算模型比较
韦钦桦, 罗文斐, 李浩, 唐凯丰
2021, 53(6): 79-87. doi: 10.6054/j.jscnun.2021096
摘要:
为了探寻光谱解混模型估算植被覆盖度的精度及适用性,对广东省中山市民众镇义仓村内的一块香蕉林地,利用无人机高光谱数据,比较了3种植被覆盖度估算的经典模型(像元二分模型、Carlson模型和Baret模型)以及目前较为常用的3种光谱解混模型(线性光谱混合模型(Linear Mixed Model, LMM)、后验多项式非线性混合模型(Polynomial Post-nonliner Mixing Model,PPNMM)和考虑光谱变异的正态组分模型(Normal Compositional Model,NCM))估算植被覆盖度的效果. 实验结果表明:像元二分模型高估了植被覆盖度;Carlson模型低估了植被覆盖度;Baret模型在低植被覆盖度区域内高估了植被覆盖度、在高植被覆盖度区域内低估了植被覆盖度;LMM模型在高植被覆盖度区域有较好的估算效果;PPNMM模型在低植被覆盖度出现小幅度高估;NCM模型估算的效果最佳.
顾及自身吸引力的公园时空可达性与变化强度分析
王俊, 李斌, 张焕雪, 邢汉发, 曹端广
2021, 53(6): 88-95. doi: 10.6054/j.jscnun.2021097
摘要:
针对城市公园可达性受多种环境因素影响,以及在时间上存在动态变化特征的问题,通过建立公园吸引力评价模型和引入时间序列实时导航数据,提出了一种顾及公园自身吸引力的城市公园时空可达性研究方法(Spatial-Temporal Accessibility of Attraction-Oriented Urban Parks,STAAOP):首先,基于众源地理信息数据,采用熵权法从多种角度构建公园吸引力评价模型;然后,基于吸引力评价结果与时间序列实时导航数据,运用两步移动搜索法构建可达性度量模型;最后,计算可达性变化结果的标准差,并运用局部空间自相关分析法识别可达性变化的聚类区域和异常区域,从整体和典型区域的角度分析可达性变化强度. 以济南市为例,采用STAAOP方法进行实验,结果表明:STAAOP方法及其所包含的模型可以更好地捕捉城市公园可达性的时间动态变化特征,在整体和区域上都能取得较好的实验结果,该方法为更准确、真实评价城市公园可达性提供了一种新的思路和参考.
广东省市域旅游联系网络结构特征及成因分析
李航飞, 唐承财
2021, 53(6): 96-104. doi: 10.6054/j.jscnun.2021098
摘要:
为有效促进广东省区域旅游协调发展,以2012—2018年百度指数中的网络关注度为依据,利用社会网络分析方法探讨广东省市域旅游联系的网络结构特征,并分析其形成机制. 研究结果表明:(1)广东省市域旅游联系网络密度不断增大,网络集中度不断下降,网络向均衡化方向发展. (2)广东省四大区域旅游网络联系派系结构不明显,“俱乐部”效应不显著,但在空间上呈现较为明显的“核心—边缘”结构特点;珠三角地市,特别是广州、深圳市,一直处于核心区,点度中心度高,为多维尺度(MDS)图中的第一梯队,东莞、佛山、惠州、珠海市为第二梯队,其余地市为第三梯队. (3)影响广东省市域旅游网络联系强弱的因素主要有时间距离、空间近邻效应、经济发展水平及旅游资源.
数学与应用数学
有向部分半群作用下的敏感性
曾眺英
2021, 53(6): 105-110. doi: 10.6054/j.jscnun.2021099
摘要:
在有向部分半群作用下,研究了动力系统的初值敏感性和n-敏感性,得到了初值敏感性和n-敏感性的若干结论:(1)对于紧致度量空间(X, d)上可交换的Λ-拓扑动力系统(X, {Tλ}λΛ),如果(X, {Tλ}λΛ)是传递的C系统,那么这个系统是几乎等度连续的当且仅当它不是敏感的. (2)对于Λ-拓扑动力系统(X, {Tλ}λΛ),如果X是局部连通空间,那么对于任意n≥2,(X, {Tλ}λΛ)是敏感的当且仅当它是n-敏感的.
一类实矩阵对广义奇异值的表达公式
沈卫杰, 汤天宇, 徐玮玮
2021, 53(6): 111-114. doi: 10.6054/j.jscnun.2021100
摘要:
应用双随机矩阵的性质, 首先得到了一类实对角矩阵迹函数优化问题的解析解, 再由该解析解得到了计算实矩阵对第i个广义奇异值的表达公式, 最后数值算例验证了结论的有效性.
计算机科学与软件工程
基于批损失的跨模态检索
刘爽, 乔晗, 徐清振
2021, 53(6): 115-121. doi: 10.6054/j.jscnun.2021101
摘要:
针对跨模态检索中成对或三元组样本的方法构造了高度冗余且信息量少的样本对问题,提出了基于批损失的跨模态检索方法(BLCMR):首先,引入批损失,考虑了嵌入样本的相似性,有效地保持了跨模态样本的不变性;然后,引入迭代方法来修正预测的类别标签,有效地区分了样本的语义类别信息. 在3个公开的数据集(Wikipedia、Pascal Sentence和NUS-WIDE-10k)上的实验结果表明:BLCMR方法能够拉近跨模态样本间的距离,有效地提升最终的跨模态检索精度.
基于双路聚类的在线学习行为分析研究
彭涛, 单志龙
2021, 53(6): 122-128. doi: 10.6054/j.jscnun.2021102
摘要:
为有效地利用日志文件,更有深度地刻画学习者画像,提出了双路聚类建模方法(Two-way Clustering, TWC),分析挖掘了万余人次学习者在某大学网络教育学院的大量学习行为数据,力图更深刻地展现远程教育学习者的风貌. 考虑到教育数据具有隐含性这一特点,该方法以细粒度数据为核心,通过双角度的聚类计算得到了各学习者在不同模型中的类别,最后基于融合后的模型对学习者进行刻画. 4种经典聚类算法与TWC算法的对比实验结果和TWC算法的聚类结果表明:TWC算法能够增强簇的内聚性,更准确地对学习者进行聚类,从而更深刻、更全面地刻画学习者轮廓.