人工晶体学报

黄昌保, 胡倩倩, 朱志成, 李亚, 毛长宇, 徐俊杰, 吴海信, 倪友保

2024, 53(4): 551-553.

摘要 ( 9 )

PDF (3666KB) ( 11 )

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本文采用自主研发的双温区真空石墨加热单晶炉,通过钼坩埚密封布里奇曼法成功生长出了Cr²⁺∶CdSe晶体和Fe²⁺∶CdSe晶体,晶体尺寸达ϕ51 mm×110 mm。Cr²⁺∶CdSe晶体和Fe²⁺∶CdSe晶体分别在1 400~2 400 nm和2 500~5 200 nm波段存在明显的吸收,同时,Cr²⁺∶CdSe晶体和Fe²⁺∶CdSe晶体在7~15 μm波段透过率均接近CdSe晶体透过极限(~70%),换算吸收系数约为0.005 cm^-1。采用钼坩埚密封布里奇曼法制备的Cr²⁺/Fe²⁺∶CdSe晶体具有过渡金属离子掺杂浓度可控、掺杂均匀、晶体品质高等优点,可同时作为中波红外激光晶体和长波红外非线性光学晶体材料。

基于溶液法制备卤化铅钙钛矿的直接型辐射探测器研究进展

秦峰, 吴金杰, 邓宁勤, 焦志伟, 朱伟峰, 汤显强, 赵瑞

2024, 53(4): 554-571.

摘要 ( 8 )

PDF (23610KB) ( 8 )

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X射线和γ射线探测在医学成像、安防检查、国土安全、无损检测等各个领域得到广泛应用,钙钛矿材料具有高辐射吸收系数、高载流子迁移率-寿命乘积、特殊的缺陷容忍特性而成为辐射探测器件优异的候选材料。溶液法在制备钙钛矿材料方面具有显著的优势,溶液法的成本较低,能在低温或环境条件下制备,更易推行工业化生产,是未来优化材料体系,制备高质量、大尺寸晶体材料的关键技术。本文从溶液法制备卤化铅钙钛矿材料的角度出发,分析晶体生长及材料组成对辐射探测性能的影响,重点介绍从优化晶体生长质量和器件结构设计等方面提升辐射探测性能,最后总结钙钛矿材料在辐射探测领域面临的挑战,并展望了未来研究的发展方向,期望为钙钛矿材料在辐射探测领域走向工业化提供参考。

溶液空间限域法制备有机-无机杂化卤化铅钙钛矿单晶薄膜及其器件应用研究进展

张庆文, 单东明, 张虎, 丁然

2024, 53(4): 572-584.

摘要 ( 10 )

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近年来,有机-无机杂化卤化铅钙钛矿材料因其出色的光电特性在国际上备受瞩目,并已成功应用于太阳能光伏、光电探测、电致发光等多个领域。目前绝大部分器件研究都集中在钙钛矿多晶材料上,但钙钛矿单晶材料拥有更低的缺陷态密度、更高的载流子迁移率、更长的载流子复合寿命、更宽的光吸收范围,以及更高的稳定性等优异的性质,可有效减少载流子传输过程中的散射损失,以及在晶界处的非辐射复合,并抑制离子迁移所引起的迟滞效应。采用钙钛矿单晶薄膜作为器件有源层有望制备性能更高效且更稳定的钙钛矿光电器件。目前,已报道的多种钙钛矿单晶薄膜制备方法包括溶液空间限域法、化学气相沉积法、自上而下加工法等,其中溶液空间限域法的发展和应用最为广泛。本文聚焦利用溶液空间限域法制备高质量钙钛矿单晶薄膜的相关方法,以及钙钛矿单晶薄膜在光电探测器、太阳能电池、场效应晶体管和发光二极管等相关器件应用中的研究进展,并对钙钛矿单晶薄膜及其光电器件的未来发展趋势进行了展望。

碳化硅化学机械抛光中材料去除非均匀性研究进展

孙兴汉, 李纪虎, 张伟, 曾群锋, 张俊锋

2024, 53(4): 585-599.

摘要 ( 12 )

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化学机械抛光已经成为半导体制造中关键的工艺步骤之一,该技术是目前实现碳化硅晶片超精密加工的一种常用且有效的方法,可用于加工晶片表面,以获得高材料去除率、高表面质量和高表面平整性的晶片。然而,在碳化硅晶片化学机械抛光中,晶片表面材料去除非均匀性一直是一个具有挑战性的问题,减小晶片表面材料去除非均匀性对确保半导体器件的高性能和稳定性至关重要。本文介绍了碳化硅材料的性质及应用与化学机械抛光工艺,研究了不同碳化硅化学机械抛光技术的材料去除机理、不同化学机械抛光技术的发展状况和性能及优缺点,综述了碳化硅晶片化学机械抛光中材料去除非均匀性影响因素,如:抛光压力、抛光液(磨粒)和转速等因素,最后对未来碳化硅化学机械抛光中材料去除非均匀性研究做出了展望。

二硫化钼纳米材料的制备方法及应用研究进展

张家豪, 王德修, 李玉琦, 徐英, 梁士明, 宋学省

2024, 53(4): 600-619.

摘要 ( 7 )

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本文深入探讨了二硫化钼(MoS₂)纳米材料的合成策略及其在能源转换与存储等领域的应用前景,综合分析包括溶剂热法、溶胶-凝胶法在内的多种合成方法,揭示了这些方法对MoS₂纳米结构形态和性能的具体影响。研究表明,通过精确控制合成条件,可以制备出具有优化电子性质和表面活性的MoS₂纳米材料。在锂离子电池和光电探测器等应用中,这些材料展现了卓越的性能,特别是在增强电池充放电循环稳定性和提升光电转换效率方面。本文进一步讨论了MoS₂应用发展面临的挑战,特别是在材料合成可扩展性和性能一致性方面。最后,文章对未来的研究方向进行了展望,提出了创新合成策略和优化材料结构的研究方向,进一步拓宽MoS₂在高性能能源设备中的应用潜力。

Yb∶Ca₃(NbGa)₅O₁₂晶体的坩埚下降法生长及光学性能研究

赵涛, 艾蕾, 梁团结, 钱慧宇, 孙志刚, 潘建国

2024, 53(4): 620-626.

摘要 ( 10 )

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使用坩埚下降法成功生长出了镱离子掺杂钙铌镓石榴石晶体(Yb∶Ca₃(NbGa)₅O₁₂)。通过XRD测试分析了晶体的结构,该晶体为立方晶系,晶胞参数a=b=c=12.471 Å。对该晶体进行了拉曼光谱、透过光谱、吸收和发射光谱、荧光寿命等测试,计算了该晶体的吸收截面、发射截面、增益截面等。研究了在空气中退火对该晶体吸收光谱、发射光谱、荧光寿命的影响,退火前在935 nm处吸收截面为1.82×10^-20 cm²,退火后降低为1.40×10^-20 cm²,退火前在1 031 nm处的发射截面为0.56×10^-20 cm²,退火后降低为0.40×10^-20 cm²,退火前荧光衰减时间为1.42 ms,退火后为1.32 ms。结果表明,Yb∶Ca₃(NbGa)₅O₁₂单晶在空气中退火会对晶体的激光性能造成不利影响。

Cs₄EuI₆∶Sm近红外闪烁晶体的生长及发光性能研究

杨江浩, 黄欣帅, 蓝陈慧, 魏钦华, 秦来顺

2024, 53(4): 627-633.

摘要 ( 12 )

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随着长波敏感硅基光电探测器的发展,近红外闪烁晶体逐渐成为研究热点,其中Sm²⁺掺杂的Eu²⁺基卤化物晶体表现出优异的近红外发光性能。本文利用布里奇曼法成功制备了尺寸达到厘米级别的Cs₄EuI₆∶Sm近红外闪烁晶体,通过XRD、XPS和ICP-OES等手段研究了晶体的组分和结构。结果表明,Sm²⁺成功掺入Cs₄EuI₆基质,且对基质的晶体结构无明显影响。在紫外和X射线的激发下,晶体主要呈现两个发光中心(Eu²⁺和Sm²⁺),发光峰位于450和840 nm左右,分别对应于Eu²⁺和Sm²⁺的5d→4f的跃迁发光,紫外激发下的Eu²⁺和Sm²⁺的荧光衰减寿命均处于微秒级别。结果表明,随着Sm²⁺掺杂浓度的增加,发光波长由蓝光逐渐变为近红外光。同时系统研究了不同Sm²⁺浓度掺杂对晶体发光性能、Eu²⁺-Sm²⁺能量传递及荧光寿命的影响,实验结果表明,改变Sm²⁺掺杂浓度可以调控晶体的发光性能。

硅基钽酸锂异质晶圆键合工艺研究

陈哲明, 丁雨憧, 邹少红, 龙勇, 石自彬, 马晋毅

2024, 53(4): 634-640.

摘要 ( 11 )

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5G移动通信的发展对声表面波滤波器提出了高频、小型化、集成化的要求。相较于传统压电体单晶材料,采用硅基压电单晶薄膜材料制备的声表面波滤波器具有高频、低插入损耗、高温稳定性等优势,是高性能声表面波器件发展的核心基础材料。Smart-Cut^TM是制备硅基压电单晶薄膜材料的主要方法,键合工艺是其中的核心工序,键合质量决定了硅基压电单晶薄膜晶圆材料的质量,并影响器件性能。本文通过低温直接键合工艺,对等离子活化、兆声清洗、预键合、键合加固四道工序展开优化,最终实现了键合强度高达1.84 J/m²、键合面积超过99.9%的高质量硅基钽酸锂异质晶圆键合。

碲锌镉晶体生长温度梯度与界面形状稳定性关系的研究

曹聪, 刘江高, 范叶霞, 李振兴, 周振奇, 马启司, 牛佳佳

2024, 53(4): 641-648.

摘要 ( 11 )

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碲锌镉晶体被广泛用作红外探测器碲镉汞薄膜的外延衬底和制造室温核辐射探测器。在晶体生长过程中,界面形状与热量传输状态密切相关。本文结合数值模拟技术控制碲锌镉晶体生长过程中温度场分布,设计了垂直布里奇曼法和垂直温度梯度凝固法微凸固液界面的晶体生长程序,并根据实际晶体生长实验,分析了晶体生长方法差异与碲锌镉晶体单晶率之间的关系。通过光致发光谱进行成分测试获得了碲锌镉晶体等径段纵截面中Zn值分布谱图,以研究固液界面温度场分布与晶体Zn值宏观偏析之间的关系。结果表明,在晶体生长过程中固液界面两侧温场梯度分布对界面的形状选择和稳定性有重要影响,更大的固相侧温度梯度有助于实现稳定的凸界面晶体生长,从而提高晶体成晶率。

高热稳定CaGdAlO₄∶Er³⁺/Yb³⁺荧光粉的上转换发光及其温度传感性能

李玉强, 杨健, 王帅, 郑基源, 赵炎, 周恒为, 刘玉学

2024, 53(4): 649-655.

摘要 ( 6 )

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获得具有良好热稳定性和发光性能的非接触式光学温度传感材料是目前的研究热点之一,本工作通过高温固相法制备了Er³⁺/Yb³⁺共掺CaGdAlO₄∶Er_x,Yb_0.10(x=0.006、0.008、0.010、0.012、0.014)荧光粉,尺寸大小分布在0.6~4.2 μm。在980 nm激光激发下,该荧光粉在500~700 nm发射谱由两个发射带组成,528和550 nm处两个较强的绿光发射带,归属于Er³⁺的²H_11/2→⁴I_15/2、⁴S_3/2→⁴I_15/2能级跃迁,663 nm处较弱的红光发射带,归属于Er³⁺的⁴F_9/2→⁴I_15/2能级跃迁。上转换发光强度最大组分为CaGdAlO₄∶Er_0.010,Yb_0.10。300~573 K变温发射谱表明,基于荧光强度比FIR_528/550参数,温度传感绝对灵敏度S_A从44.4×10^-4 K^-1(@300 K)先增大到52.0×10^-4 K^-1(@445 K)随后减小到49.0×10^-4 K^-1(@573 K)。相对灵敏度S_R则从0.95×10^-2 K^-1(@300 K)单调减小到0.27×10^-2 K^-1(@573 K)。冷热循环实验表明该材料的热重复性优于98%。结果表明,CaGdAlO₄∶Er_0.010,Yb_0.10荧光粉在光学温度传感领域具有潜在的应用前景。

高压下三元层状氮化物M₂AlN(M=Ti, Zr)的结构、力学、电子及光学性质的第一性原理研究

吴礼海, 于普良, 钟敏

2024, 53(4): 656-668.

摘要 ( 6 )

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本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,优化了三元层状氮化物M₂AlN (M=Ti, Zr)的几何结构,研究了高压下三元层状氮化物M₂AlN (M=Ti, Zr)的结构、力学、电子及光学性质。结构和力学性质研究表明,Ti₂AlN的压缩性优于Zr₂AlN,弹性常数证实了高压下的力学稳定性。延展性和弹性各向异性随着压力的增加而增强,Zr₂AlN对压力更加敏感。电子性质研究表明,两种三元层状氮化物均表现为金属性,共价性随着压力的增加而增强。Ti₂AlN和Zr₂AlN的多晶体和不同轴上的静态介电函数ε₁(0)以及静态折射率n(0)表明光学性质存在较低的各向异性,两种三层状氮化物都表现出较强的光吸收能力和反射率。本文的理论研究阐述了高压下三元层状氮化物Ti₂AlN和Zr₂AlN的相关性质,为今后的实验研究提供了比较可靠的理论依据。

GaSe/ZnS异质结的结构和界面性质的第一性原理研究

鲍爱达, 马永强, 郭鑫

2024, 53(4): 669-675.

摘要 ( 8 )

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本文设计了一种GaSe/ZnS范德瓦耳斯异质结构(vdWH),并用第一性原理计算系统地分析了该异质结构的几何、电子、输运性质。通过结合能、声子谱、从头算分子动力学(AIMD)模拟验证了所构建GaSe/ZnS范德瓦耳斯异质结构的稳定性。详细计算了GaSe/ZnS vdWH界面性质中的平面平均电子密度差和平均静电势。结果表明,GaSe/ZnS vdWH是一种直接带隙为2.19 eV,载流子迁移率较高的异质结构。其中,沿x方向的电子迁移率可达1 394.63 cm²·V^-1·s^-1,而沿y方向的电子迁移率可达1 913.18 cm²·V^-1·s^-1,性能优异,有望应用于电子纳米器件。

单层SnS的光电效应及应变工程的第一性原理研究

徐中辉, 许晟源, 刘川川, 刘国港

2024, 53(4): 676-683.

摘要 ( 7 )

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光电探测器在工业制造和军事国防等各领域用途广泛。近年来,研究者在寻找一种兼具极化灵敏度高与光响应强的特点的光电探测器。在可见光范围内,SnS是一种制作具有各向异性光电探测器的半导体材料。本文基于第一性原理,采用非平衡态格林函数(NEGF)与密度泛函理论(DFT)结合的方法对单层SnS两个器件方向(Armchair和Zigzag)的光电性质进行理论计算。研究发现,在零偏压下,两个方向的光电流数值均较小,通过加偏压的方法可以获得稳定的光电流。计算了小偏压0.1~1.0 V(间隔0.1 V)、线性偏振光照射下最大光响应随光子能量的变化,发现单层SnS在光子能量为2.4与3.2 V时最大光响应数值较大且十分稳定,并结合能带图和态密度图分析了光响应产生的微观机制。本文通过计算消光比,发现单层SnS具有极强的偏振灵敏度。最后,通过施加双轴应变的方法,器件的不对称性显著增加,极大增强器件在零偏压下的光电流,其中压缩应力数值为-6%时对光电流的提升十分明显。希望以上结果能为单层SnS设计用于光电探测器提供理论参考。

腐蚀法制备SiC量子点粒径调控及尺寸对其光学性能的影响

康杰, 丁紫阳, 王晓燕, 李连荣, 孙为云, 焦璨, 宋月鹏

2024, 53(4): 684-691.

摘要 ( 10 )

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以氢氟酸、硝酸及分析纯硫酸组成的混合液为腐蚀剂,通过化学腐蚀法制备碳化硅量子点。对腐蚀混合液进行超声空化破碎,而后将其置于浓度梯度溶剂中进行高速离心层析裁剪,获得光学性能优异且粒径尺寸可控的碳化硅量子点。本文研究了腐蚀进程中碳化硅量子点微观形貌的演变过程,对SiC量子点的微观结构及发射光谱进行检测分析后,以发射光谱为纽带,建立量子点尺寸、光谱、颜色的关联机制。结果表明,超重力系数设定a=1 000、离心时间120 min条件下,距液面位移0、30、60 mm处量子点平均直径约为2、5、7 nm,单一波长激发下随着碳化硅量子点直径由2→5→7 nm的变化,其光致发光相对强度峰值出现由417→435→445 nm的红移,而且发光颜色也相应呈现蓝绿色→绿色→黄绿色的变化规律;进一步研究发现,三种尺寸量子点发射光谱的半峰全宽随取液深度的增加而呈现81→97→106 nm增加的现象,初步分析这是由高速离心层析裁剪后靠近上层液面量子点粒径分布均匀性高于远离上层液面所致。

基于4-羟基间苯二甲酸和含氮杂环配体的Zn(II)配合物的合成、晶体结构与荧光性质研究

李波, 王霏宇, 沈红, 毛逢银, 李勇辉

2024, 53(4): 692-700.

摘要 ( 7 )

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在水热法条件下,4-羟基间苯二甲酸(H₂HPHA)和锌离子分别与1,2二(吡啶-4-基)乙烯(dpee)及4,4′-联吡啶(4,4′-bpy)反应得到了2个三维的配位聚合物[Zn(HPHA)(dpee)·(DMA)₂]_n(配合物1)和[Zn(HPHA)₂(4,4′-bpy)₂·DMA]_n(配合物2)。用X射线单晶衍射测定了配合物的晶体结构,结果显示:配合物1属于单斜晶系,C2空间群,每个不对称单元由一个锌离子,一个4-羟基间苯二甲酸配体及一个1,2-二(吡啶-4-基)乙烯组成;配合物2属于单斜晶系,P12/c1空间群,每个不对称单元由两个锌离子,两个4-羟基间苯二甲酸配体及两个4,4′-联吡啶配体组成。荧光光谱分析结果表明:配合物1的最强激发峰和发射峰在分别在251和397 nm,配合物2的最强激发峰和发射峰分别在415和513 nm。热重分析表明两个配合物在室温下稳定。

蒸氨法制备绿铜锌矿晶体的工艺研究

邱诗铭, 闫冠杰, 李春流, 王胜杰

2024, 53(4): 701-706.

摘要 ( 7 )

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本文以碱式碳酸铜、碱式碳酸锌和浓氨水为原料,采用蒸氨法合成绿铜锌矿。通过XRD、TGA、SEM-Mapping、FT-IR等表征手段,研究工艺条件对绿铜锌矿晶体结构的影响规律。实验表明,铜浓度为120 g/L,铜锌摩尔比分别为3∶2、1∶1、2∶3时,沉淀产物中的晶体由绿铜锌矿与孔雀石组成,且孔雀石数量随铜锌摩尔比的降低而减少。当铜锌摩尔比为2∶3,铜浓度由120 g/L降低至80 g/L时,孔雀石晶体的数量进一步减少。在铜锌摩尔比为2∶3,铜浓度为80 g/L的条件下,沉淀得到单一物相的绿铜锌矿晶体,为蒸氨法控制合成绿铜锌矿提供了数据支撑。

F掺杂SrTiO₃的制备及光电化学阴极保护性能研究

王建省, 孔存辉, 曾雄丰, 赵英娜

2024, 53(4): 707-713.

摘要 ( 8 )

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SrTiO₃因合适的能带结构和稳定的物化特性,在光电化学阴极保护领域有很大的应用潜力,但是对太阳光的利用率低和光生电子-空穴对复合率高等问题限制了其进一步发展。基于此,利用阴离子(F)掺杂对SrTiO₃改性,以得到高效、稳定光电转换性能的SrTiO₃光阳极材料。通过溶剂热法制备了不同F掺杂浓度的SrTiO₃光阳极材料,UV-Vis DRS和PL测试结果表明,F掺杂提高了SrTiO₃对太阳光的利用率和光生电子-空穴对的分离能力。光电化学阴极保护测试结果表明:光照条件下,当F掺杂量为2.0%(原子数分数)时,F-2.0%-SrTiO₃与304不锈钢偶联后其光电流密度达到3.7 μA/cm²,使304不锈钢的开路电位负移至-0.42 V,在模拟海水中为304不锈钢提供有效保护。

新型磷酸二氢铝镓金属无机骨架结构的合成及其催化乙醛制备丁醇醛的研究

曹宇鹏, 张汉杰, 黄继庆, 郭伟, 公绪滨, 方涛

2024, 53(4): 714-720.

摘要 ( 8 )

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通过水热法制备了一种新型磷酸二氢铝镓(GAHPO)金属无机骨架结构,并通过单晶XRD、粉末XRD、红外,以及TG-DSC等分析手段对其进行充分表征。单晶XRD解析表明,该晶体属于三方晶系、Rc3空间群。Al(Ga)O₆八面体与PO₄四面体结构交替连接形成一维链状金属骨架,并由氢键堆叠成三维金属无机骨架结构。TG-DSC分析显示,GAHPO热稳定性良好,初始分解温度达到240 ℃。相比磷酸铝,Ga³⁺的引入使磷酸铝晶格畸变,削弱了Al—O的强度,增大了Al—O键长,使更多酸性位点暴露,从而提高GAHPO的催化活性。实验结果表明,反应温度在60 ℃,催化剂用量为10%时,GAHPO催化乙醛缩合制备丁醇醛具有良好的转化率(47%)和优异的选择性(>99%)。酸/碱中和催化剂、NH₃-TPD,以及大位阻基团取代乙醛反应位点的实验验证了GAHPO的催化乙醛缩合的反应机理。本工作为新型铝基无机骨架结构及其催化应用提供了可行途径。

碳化温度对CF/Pd催化剂电催化氧化甲醇性能的影响

王晨星, 刘禹松, 胡泳池, 胡家俊, 赵钰淳, 宋旭辉, 宋衍滟

2024, 53(4): 721-729.

摘要 ( 7 )

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为了探究碳化温度对CF/Pd催化剂电催化氧化甲醇性能的影响,本文采用静电纺丝-热处理碳化-浸渍法制备了一系列CF/Pd催化剂,碳化温度分别设定为800、1 000和1 200 ℃,并对所得CF/Pd催化剂样品进行了微观形貌表征、成分分析及电化学测试。研究发现,800 ℃时,PAN/CA纤维已完全碳化,但随着碳化温度的升高,CF/Pd催化剂的纤维化程度逐渐降低,黏结现象逐渐明显,电催化氧化甲醇性能呈现先增加后降低的趋势。当碳化温度为1 000 ℃时,CF/Pd催化剂的电催化氧化甲醇性能最佳,其催化活性是商用Pd/C催化剂的5.4倍,稳定性是商用Pd/C催化剂的16.2倍。

高价态硼磷COFs材料理论设计与储氢性能研究

王耀东, 李晓东, 杨朋辉, 张慧东, 刘秀英, 于景新

2024, 53(4): 730-738.

摘要 ( 7 )

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采用分子力学方法,从理论上设计了五种具有lta拓扑结构的高价态硼磷共价有机骨架(BP-COFs)材料。研究结果表明五种材料均具备有利于储氢应用的结构特性,如低密度(0.52~1.17 g·cm^-3)、大比表面积(1 274.12~4 033.95 m²·g^-1)和高孔隙率(0.55%~0.78%)等。使用巨正则蒙特卡罗(GCMC)方法预测298和77 K温度下五种材料对氢气分子的物理吸附性能,并分析了材料结构与氢吸附性能之间的构效关系,结果表明五种BP-COFs材料具有较强的氢气吸附能力。尤其是在77 K时,BP-COF-10和BP-COF-11在储氢性能方面的表现最为优异,BP-COF-10具有最高的体积储氢量52.86 g·L^-1,BP-COF-11具有最高的质量储氢量9.90%,而且随着压强的增加,BP-COF-11的质量储氢量仍然保持较好的上升趋势,这表明本文所设计材料具有优异的储氢应用潜力。本研究将为实验上开发新型高性能储氢材料提供一定的理论参考。

半导体晶圆检测关键连续波深紫外激光光源研制

徐国锋, 王正平, 王树贤, 武奎, 梁飞, 路大治, 张怀金, 于浩海

2024, 53(4): 739-739.

摘要 ( 10 )

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