由于出色的高能射线解析能力和优秀的环境适应性,全无机卤化物CsPbBr₃吸引了众多研究者的关注。然而由于结构相变和热应力的存在,大尺寸CsPbBr₃晶体生长过程中容易产生应力,从而导致晶体表面出现裂纹、亚晶界或孪晶等缺陷,严重影响其性能。目前大尺寸高质量CsPbBr₃晶体仍然无法通过有效的手段进行批量化生产,因此开展大尺寸CsPbBr₃晶体的生长与性能研究具有重大理论意义和实际价值。本文简要综述了CsPbBr₃晶体的基本性质、制备方法及研究进展,主要讨论了垂直布里奇曼法生长CsPbBr₃晶体的影响因素,并对高质量CsPbBr₃晶体的生长提出了新的思路。

氢化物气相外延(HVPE)是制备GaN单晶衬底的关键技术,由于生长速率较高,如何控制大尺寸GaN高速率高均匀性生长对于获得高质量GaN衬底具有重要意义。本文针对自主设计研制的6英寸(1英寸=2.54 cm)GaN衬底用HVPE设备,通过数值模拟和实际生长实验,研究了工艺参数如源气体与衬底距离D、分隔气体、HCl流量、NH₃载气流量等对高速率生长GaN膜厚度均匀性的影响。数值模拟与生长实验结果发现,采用自研HVPE设备生长GaN厚膜具有高生长速率和高厚度均匀性等特点。研究表明,引入分隔气体及适当增大D值可以有效促进GaCl气体向样品边缘扩散,从而显著提升大尺寸外延厚膜的均匀性。采用最终优化工艺条件获得了厚度约11 μm 的6英寸GaN厚膜,其厚度不均匀性约±1.5%,生长速率大于60 μm/h;随着生长时间的增加,生长速率增大,在生长时间为3 h时,6英寸GaN厚膜厚度达到约700 μm,生长速率增大至200 μm/h以上,且厚度不均匀性仍在±5%以内。

随着光伏和半导体行业的快速发展,制备更大直径(12英寸及以上,1英寸=2.54 cm)的硅单晶成为趋势,直拉法作为硅单晶最主要的制备方法备受重视。然而在制备大直径和高质量的直拉硅单晶的过程中,随着晶体直径和坩埚尺寸的增加,熔体体积显著增加,热场、流场及应力场的复杂性显著提升,涡流、热浮力和科里奥利力的相互作用会造成熔体流动的强烈湍流和速度、温度波动,出现诸如固液界面温度分布不均,熔体内热对流复杂等问题,从而影响硅单晶中的缺陷分布。因此,如何实现对工艺参数的控制,以获得理想的大直径硅晶体具有重要的研究意义。本文针对实际生产的滞后性和成本问题,建立了可以实时预测、动态控制和优化工艺参数的40英寸热场制备18英寸硅单晶棒的二维轴对称全局数值模拟模型,考虑了坩埚深度及热传导路径的延长,在主加热器的基础上,增加底部加热器,采用有限元法逐一分析晶体转速、坩埚转速、气体压强的变化对单晶硅热场和硅晶体生长的影响,包括固液界面形状、温度梯度、V/G值、氧浓度及缺陷分布等。通过多次仿真实验,获得了一组较为合适的工艺参数组合:晶体转速15 r/min、坩埚转速5 r/min、炉内气压1 200 Pa,可使固液界面温度梯度较小,且温度分布更加均匀,有效避免了过度湍流化。进一步采用制备18英寸硅单晶棒的验证实验及性能检测发现,采用仿真所得最优工艺参数组合生产的硅单晶棒能将成晶率提升至87.44%。这组针对18英寸硅单晶棒的最佳工艺参数组合(包括晶体转速、坩埚转速及炉内气压等)经过精细优化,主要基于大尺寸(12英寸及以上)直拉硅单晶生长过程中热场和流场的复杂性,对大尺寸硅单晶具有较好的适应性,但在更小尺寸(如4、6或8英寸)的硅单晶生长中,由于热传递和气流扰动的不同,最佳工艺参数组合可以作为参考,但还需要进行具体条件下的验证和调整。本研究建立的数字化模型能够准确预测并优化大尺寸直拉硅单晶的生长过程,提质降本,具有实际应用前景。

高纯锗探测器具有分辨率高、探测效率高、稳定性好等优点,应用越来越广泛,但是其关键原材料超高纯锗单晶需要满足极高的纯度和晶体结构要求,制备难度很大。国内超高纯锗单晶制备技术仍不成熟,制备的晶体质量仍不够高。利用直拉法和自制设备,在氢气气氛下生长了大尺寸的超高纯锗单晶,通过低温霍尔测试、位错测试和深能级杂质测试,对晶体性能进行了分析表征,结果表明其净载流子浓度小于1×10¹⁰ cm^-3,深能级杂质浓度小于4.5×10⁹ cm^-3,位错密度小于5 000 cm^-2,位错线数量小于3条,符合探测器级超高纯锗单晶的要求,最终得到直径85 mm和长度60 mm的合格晶体。

本文使用YSO晶体阵列和MPPC阵列组成核辐射成像探测器,探究了基于MPPC阵列的核辐射成像探测器性能关键影响因素,包括前端电阻网络、光导厚度和光导边缘切割深度。首先,前端电子学实验发现,采用均匀电荷分配电路(SCD)可改善图像变形问题并提高信噪比。接着,在SCD基础上研究了不同厚度光导(0、1.0、1.5、2.0、2.5 mm)对成像性能的影响,结果显示光导厚度为1.5 mm时具有最佳分辨效果,但仍无法区分晶体阵列边缘像素。最后,在1.5 mm光导基础上,对光导外围进行不同深度切割并插入电子自旋共振(ESR) 反射膜,实验表明全部切透且加入反射膜时,可以明显区分出边缘晶体单元。

本文采用垂直沉降法、自然沉降法、磁场辅助法将水热法合成的Fe₃O₄@C纳米粒子排列成Fe₃O₄@C光子晶体薄膜。结果表明:垂直沉降法制备光子晶体薄膜耗时长,制得的薄膜不均匀,且薄膜只能贴合在特定基底材料上,难以分离;自然沉降法相比垂直沉降法制得的光子晶体薄膜更均匀,但表面易存在不平整的现象,仍然易贴合在基底材料表面,强行分离会导致光子晶体薄膜破碎;磁场辅助法不仅能使Fe₃O₄@C纳米粒子在更短时间内排列出鲜艳的结构色,还能使Fe₃O₄@C纳米粒子在光固化聚氨酯丙烯酸酯内部排列形成周期性有序结构,使光子晶体不裸露在空气中,减少外界因素的干扰,提升光子晶体稳定性,制得厚度均匀、表面光滑的Fe₃O₄@C光子晶体柔性复合薄膜。对Fe₃O₄@C纳米粒子进行超声处理对于获得色彩鲜艳的结构颜色至关重要,只有经过超声处理去除表面杂质的Fe₃O₄@C纳米粒子才能在磁场的辅助下排列形成周期性有序结构显现结构色。磁场辅助法一定程度上缩短了光子晶体柔性薄膜的制备时间,通过磁场辅助法制得的光子晶体柔性复合薄膜更均匀且表面光滑,也提升了光子晶体的稳定性,有利于促进光子晶体在安全防伪、伪装涂层、传感器、太阳能电池、生物医学等更多领域的应用。

常见的太赫兹波传感器均是在正入射条件下产生响应,进而区分待测物,如果激励的太赫兹波不是正入射,其区分的线性度将受到影响。本文设计了一种对称结构的齿轮状太赫兹超材料传感器,其整体结构由表面齿轮状金属图案与聚氨酯基底构成。该设计在0.2~1.2 THz上有较高的透射率,且当电磁波入射角在0°~70°发生变化时,传感器谐振点变化稳定,对入射角不敏感,弥补了目前传感器的缺陷,具有良好的抗入射角不确定性的能力。同时此传感单元对入射波的极化也不敏感,扩展了太赫兹传感器的应用范围。本文还推导了灵敏度S与待测物折射率之间的数学关系,用不同折射率的待测物模拟不同液体进行灵敏度检测,结果显示谐振频率变化与待测物折射率变化呈现良好的线性关系。传感器的灵敏度在-0.28~-0.13 THz/RIU,性能较为优越。

本文采用高温固相法制备了CaLa₂(WO₄)₄∶Eu³⁺和CaLa₂(WO₄)₄∶Eu³⁺,Sm³⁺系列红色荧光粉。通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜等对样品的晶体结构、光谱、热稳定性、荧光寿命及色度坐标进行表征与分析。结果表明,Eu³⁺和Sm³⁺的掺入没有改变CaLa₂(WO₄)₄晶体结构,为单一纯相。在394 nm激发下,CaLa₂(WO₄)₄∶Eu³⁺荧光粉在615 nm处红光发射最强,源自Eu³⁺的⁵D₀→⁷F₂电偶极跃迁,最佳掺杂量为0.09。Sm³⁺掺入后,发射峰增强,荧光粉的寿命明显增加,Sm³⁺对Eu³⁺起到敏化作用,共掺杂体系中Sm³⁺向Eu³⁺进行能量传递。CaLa₂(WO₄)₄∶Eu³⁺,Sm³⁺随着温度的升高,Eu³⁺的⁵D₀→⁷F₂跃迁发射的积分面积逐渐减小,当温度升高到100 ℃时,发光强度变为初始温度的53%,出现温度猝灭。在共掺杂体系中,色度坐标随着Sm³⁺掺杂量的增加,向红光区域移动,当Sm³⁺的掺杂量为0.02时,对应的色度坐标为(0.645 8,0.353 8)。基于CaLa₂(WO₄)₄∶Eu³⁺,Sm³⁺荧光粉的特性,可以将其作为潜在的白光LED用红色荧光粉。

WS₂凭借独特的物理和化学性质,在电子和光学领域展现出巨大的应用潜力。基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,本文旨在研究单个4d过渡金属原子X(X=Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd)替代掺杂单层WS₂的电子结构和光学性质。结果表明,过渡金属原子掺杂后的WS₂体系均是放热且稳定的,禁带宽度减小导致电导率增强,电子结构发生显著变化。其中Nb掺杂WS₂表现为金属性,Ru掺杂WS₂表现为半金属性,Tc、Rh和Pd掺杂WS₂诱导了磁性。Nb、Ru、Rh和Pd掺杂WS₂体系的介电常数和光折射率增加,掺杂前、后WS₂体系均具有良好的透明特性,吸收光谱发生红移,Nb、Ru、Rh掺杂WS₂在红外光区的吸收增强,Nb、Rh和Pd在可见光区的吸收增强,特别是Pd掺杂WS₂在可见光区吸收效果最佳,在光电探测器方面具有一定应用潜能。

基于密度泛函理论对P—O配位四面体与Y、Ba、Pb和Bi构成的Ba₃(PO₄)₂、Pb₃(PO₄)₂、BiPO₄和YPO₄的几何结构、电子结构、光学性质进行系统探究。研究表明,通过金属原子替换可以改变化合物结构框架,从而调节其带隙及光学性能,为设计综合性能优异的材料提供了一条有效途径。Ba₃(PO₄)₂、Pb₃(PO₄)₂、BiPO₄和YPO₄均为间接带隙化合物且都具有较宽的带隙,带隙依序为5.188、3.879、3.870和4.886 eV;由Mulliken布居分析可知Ba、Pb、Bi和Y与O键合形成O—X(X=Ba、Pb、Bi和Y)键,其键长相近并呈现较强离子键性质。四种化合物的导带底为金属阳离子的最外层轨道所占据,价带顶的主要贡献者是O-2p轨道,O原子的2p轨道还在费米能级附近表现出较强的局域性,P-3p轨道与O的2p轨道成键,P—O表现为强的共价键。Ba₃(PO₄)₂、Pb₃(PO₄)₂、BiPO₄和YPO₄四种晶体的双折射率分别为0.003 7、0.027 0、0.059 0和0.149 0,其中BiPO₄和YPO₄的双折射率和各向异性在四种体系中较大,这是因为不同阳离子导致不对称的晶体结构框架产生。

本文基于第一性原理对磷酸盐与硫代磷酸盐家族中的GaPO₄、InPO₄、TlPO₄、GaPS₄、InPS₄和Tl₃PS₄进行系统的对比研究,探究[PO₄]^3-基团和[PS₄]^3-基团之间的联系与区别。能带计算结果表明,TlPO₄带隙最小(E_g=0.788 eV),InPO₄、GaPS₄、InPS₄和Tl₃PS₄带隙较大,分别为2.604、2.352、2.360和2.393 eV,而GaPO₄带隙最大(E_g=4.487 eV),发现[PS₄]^3-基团化合物能带结构更加容易预测与调控。态密度计算结果表明,GaPO₄、InPO₄与TlPO₄价带顶均由O-2p轨道贡献,导带底均由阳离子的s轨道及O-2p轨道共同贡献,GaPS₄、InPS₄与Tl₃PS₄在价带顶处均由S原子的p轨道贡献,而在导带部分[PS₄]^3-基团化合物的P原子的p轨道表现更加活跃。通过分析介电函数发现,[PO₄]^3-基团化合物和[PS₄]^3-基团化合物的峰值均随阳离子尺寸增大发生红移,且含[PS₄]^3-基团的化合物具有比含[PO₄]^3-基团化合物更高的静态介电常数。双折射计算结果表明,GaPO₄、InPO₄、TlPO₄、GaPS₄、InPS₄和Tl₃PS₄在波长1 064 nm处的双折射率分别为0.017、0.049、0.057、0.247、0.022和0.038,其中GaPS₄双折射率最大(0.247),这是由于其内部P—S键与Ga原子对能量较敏感。差分电荷密度与布居分析结果表明,六种化合物的光学效应与能带结构主要受到[PO₄]^3-与[PS₄]^3-基团影响。弹性模量分析表明磷酸盐化合物的弹性性质要高于硫代磷酸盐,并且发现In的化合物具有更高的力学稳定性和刚性。

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算,对ReS₂材料吸附SO₂与CO这两种有毒气体的特性进行了研究。研究发现:相较于CO,SO₂与ReS₂之间的相互作用较大,表现为较紧凑的吸附几何构型和较大的吸附能。通过差分电荷密度的计算,进一步解释了ReS₂表面向SO₂分子的电子转移过程,这一过程增强了吸附界面的电子密度重排,为ReS₂对SO₂的高灵敏度检测提供了微观层面的解释。此外,ReS₂在室温条件下对SO₂和CO的吸附展现出快速解吸能力,适合作为室温下检测SO₂和CO的传感材料。因此,ReS₂具备成为气体传感器和吸附材料的潜力,为新型、高性能气体污染检测技术的设计提供了方便。

利用胡椒酸(HBDCA)和4,4′-联吡啶(4,4′-bpy)与Zn(NO₃)₂通过溶剂热反应,成功合成了一例锌配位聚合物[Zn(BDCA)(4,4′-bpy)_0.5]_n(I),并通过X射线单晶衍射(SXRD)、元素分析(EA)、红外光谱(IR)、热重分析(TGA)、X射线粉末衍射(XRD)等手段对其结构进行表征。配合物I属于单斜晶系,I₂/a空间群,晶胞参数为a=1.321 96(11) nm,b=1.019 64(9) nm,c=1.672 83(14) nm和β=100.771(6)°,分子式为C₂₆H₁₈N₂O₈Zn。在配合物I中,中心Zn原子位于扭曲的四面体几何构型中,配体连接金属形成1D链结构。Hirshfeld分析表明,链与链之间可通过π…π堆积和C—H…O相互作用形成3D超分子结构。此外,还研究了配合物I的紫外-可见漫反射光谱及固态荧光性能。

以4,5-咪唑二羧酸(H₃IDC)和四水合硝酸镉(Cd(NO₃)₂·4H₂O)为原料,采用水热法制备了配合物{[Cd(H₂IDC)₂(H₂O)₂]·2H₂O}_n (1)。采用单晶X射线衍射(SXRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、热重分析(TGA)、荧光光谱(FL)对配合物1进行结构测定和表征。SXRD分析表明,配合物1属于单斜晶系P2₁/n空间群。在配合物1中,Cd(II)离子与H₂IDC^-阴离子和水分子配位形成六配位的八面体构型,并通过氢键进一步扩展形成三维结构。室温下的荧光光谱分析表明,当激发波长为296 nm时,配合物1在598 nm处有最强的发射峰。

在溶剂热条件下,以Cd(NO₃)₂·4H₂O为金属源,五甲基间苯二甲酸(H₂MIP)配体和1,3-双(2-甲基-1H-咪唑-1-基)丙烷(BMIP)为混合配体,构筑了一例新型Cd(Ⅱ)有机骨架材料{[Cd(MIP)(BMIP)]·2/3DMF}_n(SNUT-47)。X射线单晶衍射结果表明,SNUT-47呈现出二维双层有机骨架结构,并进一步通过粉末X射线衍射、红外光谱、热重分析等技术手段对得到的配合物进行表征,实验值与模拟值的各衍射峰位置吻合良好,表明所合成SNUT-47材料具有优异的相纯度和可重复性。荧光实验结果表明,SNUT-47具有优异的荧光性能,对水溶液中的Na⁺表现出高度的荧光增强效应,可作为荧光传感器对Na⁺实现高效检测,检测限可达2.56×10^-6 mol/L。此外,SNUT-47在循环实验后仅需水洗即可轻松回收,具有良好的循环使用性能。

为深入研究p型TOPCon结构的制备工艺和钝化性能,本文通过实验研究了隧穿氧化层生长过程中氧气流量、氧化温度和氧化时间对氧化层质量的影响,以及在不同硼扩散温度下p-poly的钝化性能和方块电阻。实验结果表明,氧气流量达到15 slm(标准升每分钟)以上,p-poly的隐开路电压平均值达到730 mV,暗饱和电流密度低至3.5 fA/cm²。氧化温度和时间分别达到620 ℃和30 min时,p-poly的隐开路电压可提升至735 mV;随着氧化温度的提高或者氧化时间的延长,p-poly的隐开路电压趋于稳定。硼扩散温度为960 ℃时,p-poly的方块电阻保持在132 Ω/□,硅基体中的掺杂结深为0.25 μm,获得了良好的钝化性能。本文所确定的工艺参数可制备出具有良好钝化性能的p-poly结构,对未来p型TOPCon结构在高效晶硅电池上的产业化应用提供了一定的数据支撑。

利用无铅介电材料进行机械能收集和能量储存是环境友好型储能设备的必然选择。本文采用固相反应法制备了(1-x)[(K_0.5Na_0.5)(Nb_0.9Sr_0.05Ta_0.08)O₃]-x(CaZrO₃) (KNN-CZ,x=0, 0.05, 0.07, 0.09)陶瓷,并对其相结构、微观形貌、介电及储能性能等进行了系统的研究。结果表明,KNN-CZ陶瓷表现出良好的弛豫性,且P-E电滞回线均较为“细瘦”,这是由于掺杂破坏了体系的长程有序性。其中,0.93KNN-0.07CZ的储能性能最优,有效储能密度为1.98 J/cm³,这是因为x=0.07时材料的储能效率(83.19%)和击穿场强较高(250 kV/cm)。本文研究结果提供了一种环保的、有前途的陶瓷电容器材料。

本文以LiPF₆为基础锂盐,LiDFOB+LiBF₄+LiPO₂F₂为锂盐添加剂,氟碳酸乙烯(FEC)+碳酸亚乙烯酯(VC)+三(三甲基硅基)磷酸酯(TMSP)为成膜添加剂,碳酸乙烯酯(EC)+碳酸二甲酯(DMC)+碳酸甲乙酯(EMC)为溶剂,构建低温电解液,用于提升LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂(NCM811)锂离子电池的低温(-20 ℃)性能。采用多种分析技术研究低温电解液的性能,以及锂盐添加剂和成膜添加剂对锂离子电池电化学性能的影响。结果表明,低温电解液具有循环稳定性好、锂沉积性能好的优点,由低温电解液组装的锂离子电池具有优异的低温电化学性能:在-20 ℃、0.1 C倍率下首次放电比容量为171.5 mAh/g,1 C下循环120次容量保持率为96.33%。循环前、后极片的SEM和TEM分析结果表明,在锂盐添加剂和成膜添加剂的作用下,低温电解液会在正极表面形成均匀致密的CEI膜,抑制正极材料开裂,防止电解液的分解,有效提升NCM811锂离子电池在低温下的电化学性能。

随着全球环境问题的日益突出,化石燃料的日益枯竭,寻找可再生能源成为了一项艰巨的任务。电解水制氢通过析氢反应(HER)和析氧反应(OER)同时产生氢气和氧气,是一种高效、绿色的制氢方法,吸引了越来越多的科研人员的兴趣。但是,目前商用贵金属催化剂(Pt/C和RuO₂/IrO₂)价格贵且储量少,因此,开发具有高性能、低成本、高稳定性的非贵金属电催化剂成为了研究热点。本文通过简单的盐模板热解法成功制备了具有三维(3D)纳米片结构的Ni@Mo₂C/C催化剂。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对Ni@Mo₂C/C的组成、形貌及结构进行了表征,通过X射线光电子衍射仪(XPS)对元素组成及元素价态进行了分析,并考察了Ni@Mo₂C/C的电化学性能。结果表明,在电流密度为10 mA·cm^-2时,Ni@Mo₂C/C催化剂的HER和OER的过电位分别为47和232 mV。在全解水测试中,仅需要1.61 V即可驱动10 mA·cm^-2的电流密度,且可持续稳定工作100 h。

采用X射线粉末衍射仪、热重/差热综合分析仪、扫描电子显微镜等研究了针铁矿(α-FeOOH)粉末在250～650 ℃和900 ℃高温热处理下的结构与形貌演变。结果表明:针铁矿在250 ℃煅烧2~8 h未发生明显的相转变,但是随着保温时间的增加,其针状形貌结构逐渐破碎堆叠成短棒状。当煅烧温度为350 ℃时,α-FeOOH开始脱羟基向赤铁矿(α-Fe₂O₃)转变,且在450 ℃时完全转变为α-Fe₂O₃相。煅烧温度升至450～650 ℃时,虽然产物呈现α-Fe₂O₃相,但都保持了α-FeOOH原有的针状形貌。随着热处理温度和时间的增加,产物的平均晶粒尺寸逐渐增大。当热处理温度升高时,α-Fe₂O₃晶体生长变大,比表面积逐渐降低,颗粒间产生烧结现象,且当煅烧温度达到900 ℃时,破碎棒状结构变成米粒状的α-Fe₂O₃,其在污水处理、光催化和工业颜料等领域具有一定的应用价值。