金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)作为碳化硅绝缘栅结构的典型器件被广泛使用,然而SiO₂介电常数低的缺点和SiO₂/4H-SiC界面特性差的问题一直制约着4H-SiC绝缘栅结构(金属-绝缘体-半导体, MIS)器件更大规模商业化应用,因此科研工作者一直致力于寻找能够替代或弥补SiO₂的high-k栅介质材料。本文对该科学问题的研究现状进行综述,首先指出合适的high-k栅介质材料应该拥有较宽的禁带宽度、较高的介电常数、良好的界面特性和热稳定性。然后,主要从栅薄膜制备工艺、沉积温度、栅介质界面特性和电学性能等方面对典型high-k栅介质材料的研究结果进行评价,包括氧化铪(HfO₂)、氧化铝(Al₂O₃)、氮化铝(AlN)、氧化钇(Y₂O₃)、氧化铈(CeO₂)、氧化锆(ZrO₂)、氧化镧(La₂O₃)、五氧化二钽(Ta₂O₅)、钛酸钡(BaTiO₃)、氧化钬(Ho₂O₃)和由它们组合而成的堆栈栅介质。最后,对未来该领域的研究方向进行了展望和建议,例如对栅漏电流机理的研究、对新材料的更多尝试、器件在极端环境下的可靠性问题等。

倍半氧化物Lu₂O₃因具有优异的热力学性能、低声子能量和强晶体场等特点,成为近红外和中红外光谱(1~3 μm)范围内的宽带发射高功率激光基体材料的优秀候选者之一,近年来受到人们的广泛关注。Lu₂O₃的熔点高达2 450 ℃,单晶生长极为困难,限制了其应用发展。但Lu₂O₃属于立方晶系,具有光学各向同性,因此制备Lu₂O₃基透明陶瓷成为一种可行的方案。透明陶瓷可以在较低的温度下(晶体熔点的60%~80%)烧结制备大尺寸样品,同时烧结周期相较于晶体生长周期大幅缩减,更有利于大量生产,因此制备Lu₂O₃基透明陶瓷作为新型激光介质材料更有潜力被广泛应用于科学研究、工业生产和日常生活。本文总结了基于稀土离子(Nd³⁺、Er³⁺、Yb³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺)掺杂的Lu₂O₃基激光透明陶瓷的制备工艺及其性能参数的最新研究进展。未来,Lu₂O₃基激光陶瓷的开发将聚焦在大尺寸、高功率输出、低散射特性、高热稳定性、复合结构设计等方面以推动高性能固体激光器的发展。

采用真空热压法制备Er³⁺、Na⁺共掺杂CaF₂透明陶瓷(直径为16 mm, 样品厚度为3 mm),Er³⁺掺杂浓度为3%,Na⁺掺杂浓度为0、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%。所得Er,Na:CaF₂粉体颗粒为球形,平均粒径在28~36 nm。本文研究了Na⁺掺杂对Er³⁺:CaF₂透明陶瓷透过率、显微结构和光谱性能的影响。所有陶瓷样品在波长1 000 nm处的透过率均高于84%。结果表明,在Er³⁺:CaF₂透明陶瓷中引入Na⁺后,形成了电荷中和的Er³⁺-Na⁺结构,阻止了Er³⁺的团簇。通过调节Na⁺的浓度可以调控CaF₂透明陶瓷中Er³⁺在1.5和2.7 μm处的发射光谱,近红外1.5 μm处的荧光寿命随着Na⁺浓度的增加而增加,最高可达56.75 ms。

为开发性能优异的新型热障涂层表面陶瓷层材料,探索Yb掺杂对Sm₃TaO₇热物理性能的影响,采用高温固相反应法,成功制备了(Sm_0.5Yb_0.5)₃TaO₇陶瓷,并对其晶体结构、微观结构、元素含量、热物理和高温相稳定性能进行了研究。结果表明,制备的(Sm_0.5Yb_0.5)₃TaO₇陶瓷具有单一焦绿石结构,致密的显微组织,制备过程中无元素损失现象发生。元素掺杂增加了声子散射程度,(Sm_0.5Yb_0.5)₃TaO₇热导率明显降低,其高温热导率仅为1.02 W/(m·K),远低于Sm₃TaO₇和Yb₃TaO₇的1.31 W/(m·K)和1.14 W/(m·K)。由于掺杂离子Yb³⁺较低的电负性,其在1 300 ℃时的热膨胀系数为9.92×10^-6 K^-1,热膨胀系数明显高于Sm₃TaO₇,与YSZ和La₂Zr₂O₇的热膨胀系数在同一数量级。其热导率和热膨胀系数满足热障涂层的要求,在室温至1 300 ℃表现出良好的高温相稳定性能。

闪烁晶体的光输出性能会受到晶体温度的影响。掺铈钆镓铝石榴石(Gd₃(Ga,Al)₅O₁₂:Ce,GAGG:Ce)闪烁晶体在医学成像、辐射监测、高能物理等领域应用广泛。为研究GAGG:Ce晶体光输出的温度特性,本文设计了晶体温度为单一变量的实验,测量了GAGG:Ce晶体在-30~60 ℃、121.8~1 112.1 keV的7个能量γ射线的全能峰峰位随温度的变化,得到了GAGG:Ce晶体光输出随温度的变化曲线,并分析了晶体光输出与温度的线性关系;采用一次函数拟合了不同温度下121.8~1 112.1 keV的7个能量与γ谱线相应道址的能量线性,其线性拟合的决定系数R²大于0.999 9,证明了GAGG:Ce晶体具备良好的能量线性。

Te夹杂是碲锌镉(CdZnTe, CZT)晶体中的一种常见缺陷。本研究旨在通过改进移动加热器法(THM)生长CZT晶体的工艺参数和设计原位热处理方案,以减少晶体中Te夹杂的数量和尺寸,从而优化CZT晶体的质量和性能。综合考虑了晶体生长速度、生长温度、富Te料的配比及温场之间的相互影响,对工艺参数进行了优化。研究基于Te在不同温度下的溶解度差异,选择800 ℃作为CZT晶体的生长温度,设计了高温溶解-低温脱溶的原位热处理方案,在860 ℃下进行长时间恒温退火,以最大限度地吸收Te夹杂,并采用快速降温以减小大尺寸Te夹杂的数量。结果显示,相较于未经过原位热处理的CZT晶体,经过原位热处理的CZT晶体大尺寸Te夹杂显著减少,小尺寸Te夹杂的浓度有所增加,杂质缺陷和Te间隙(Te_i)减少,但Te反位(Te²⁺_Cd)浓度有所增加。电流-电压特性测试和能谱响应测试结果表明,经原位热处理的CZT晶体具有较高的电阻率和更优的能量分辨率。

采用直流电弧等离子体喷射和微波等离子体化学气相沉积法制备了三片直径为125 mm、厚度大于1 mm的自支撑金刚石膜。通过SEM、XRD、Raman、CT等检测手段对样品进行了形貌、物相表征,进一步通过激光预制裂纹方法研究了缺陷和晶粒尺寸对生长面、形核面及侧面三个方向断裂韧性的影响。结果表明,在金刚石薄膜沉积过程中,许多缺陷(包括孔隙)被引入薄膜中,特别是较厚膜中靠近生长面一侧的孔隙尺寸可以达到微米级,这会影响不同方向载荷下的断裂韧性。由于近生长面的晶粒尺寸最小,自支撑金刚石膜在生长面形成的裂纹具有最大断裂韧性,分别为7.8、8.3和9.2 MPa·m^1/2。对于较薄的样品,侧面裂纹的断裂韧性介于生长面和形核面之间,这与晶粒尺寸关系一致,表明断裂韧性受晶粒尺寸的影响。然而,当厚度超过0.8 mm时,生长侧附近的孔隙数量会增加,导致较厚的金刚石薄膜的断裂韧性最小(5.4 MPa·m^1/2)。本研究为金刚石上施加载荷方向的选择提供了指导。

金刚石独特的性能使其成为声、光、电、热等领域非常理想的应用材料,但其极低的材料去除率导致其加工时间极长,如何在保证抛光质量的前提下提高抛光效率一直是金刚石加工领域的热门课题。本文对常规环境与富氧环境下用金刚石砂轮抛光多晶金刚石进行了对比实验,发现在富氧环境下材料的抛光去除率达2.29 μm/h,是常规环境下抛光去除率0.25 μm/h的9倍以上,且表面质量良好。原子力显微镜表征结果表明,在30 μm×30 μm的测量范围内,富氧环境下抛光后的金刚石表面粗糙度Sa可达2 nm以下,SEM和TEM观测未发现明显的结构损伤。此外,借助XPS分析了金刚石抛光加工过程中的材料去除机制,发现在抛光加工过程中,金刚石在机械作用下表面会发生从sp³到sp²结构的相变,形成的相变层在机械和氧气的作用下被去除。同时发现在富氧环境下,相变层可以更快地被去除,说明氧化在金刚石材料去除过程中扮演着更重要的角色。

本文采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法对高压下4H-SiC的晶体结构、电子特性及光学性能进行了研究。通过分析不同压力条件下4H-SiC的相对体积、Si—C键长及结构能量的变化,发现该结构在70 GPa以内的压力范围内未发生结构相变;大于70 GPa的压力时,具有金属相的RS结构在能量上更具有稳定性。进一步的研究表明,随着压力的不断增加,4H-SiC作为半导体的带隙值呈现增大趋势。同时,其光学性能,包括吸收特性、介电函数和折射率等,均发生了显著变化,揭示了压力在调节4H-SiC电子与光学性质方面具有巨大潜力。本文的研究不仅证实了4H-SiC在高压极端条件下仍具备优异的物理性能和应用潜力,还为其在高压光电材料领域的应用提供了新的理论依据。

WC/Co硬质合金的界面结合强度取决于其界面性质。本文运用基于密度泛函理论的第一性原理,构建了6种WC(0001)/Co(111)界面模型,在此基础上,从电荷转移、成键方式和价电子分布等角度分析了La掺杂对WC(0001)/Co(111)界面稳定性最弱和界面稳定性最强模型的影响机理。结果表明:在6种界面模型中,稳定性最弱的是W-OT-Co界面,有最大的界面距离、最小的黏附功和最高的界面能,裂纹倾向于出现在界面;稳定性最强的是C-HCP-Co界面,有最小的界面距离、最大的黏附功和最小的界面能,裂纹倾向于出现在基体;当稀土La分别替换W-OT-Co模型Co侧第二层的Co原子,以及C-HCP-Co模型WC侧第二层的W原子时,两个界面距离才会都变小、黏附功都增大,但强化界面效果不同;掺杂稀土La后,W-OT-Co界面的键合方式为弱离子键和金属键的结合,C-HCP-Co界面的键合方式为强共价键、离子键和金属键的结合,界面更稳定;La在稳定堆积构型C-HCP-Co上的最优掺杂位点将显著提高WC/Co硬质合金的界面结合强度。

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法研究了ZnSe/石墨烯异质结结构的稳定性、界面相互作用、层间电荷转移情况、肖特基接触类型及外电场的影响。结果表明,ZnSe/石墨烯异质结晶的格失配率小于5%,易于形成,其接触类型为n型肖特基接触。当施加正方向电场时,肖特基接触类型从n型转变成p型肖特基接触;当施加负方向电场时,肖特基势垒明显降低,并由n型肖特基势垒接触转变为欧姆接触。本文研究结果将为设计并制造场效应晶体管、光电探测器等电子光学器件提供理论参考。

SiGeSn合金材料具有高的载流子迁移率和较长的载流子寿命,能够与互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容,并具有独特的光学性质和较高的热力学稳定性,是一类在光电子领域极具应用潜力的半导体材料。本文构建了总原子个数为144,Si、Sn原子个数比接近3.7:1的八种模型,采用密度泛函理论下的广义梯度近似GGA+U方法计算了电子结构及光学性质。结果表明,Si、Sn浓度较高的GeSiSn合金的结合能相对较高,稳定性相对较好。随着Si、Sn浓度的增加,GeSiSn合金的带隙减小,介电函数虚部峰向低能方向移动,静态介电常数减小,吸收光谱在可见光和近红外区域内发生变化,反射率在紫外波段范围内提高,折射率降低,消光系数向紫外区域移动,光电导率向紫外区域延伸。该结果为GeSiSn合金材料在光电材料和器件方面的应用提供了一定参考。

为获得氯化铷工艺设计和建模所需结晶动力学参数,在等温间歇冷却实验装置中,采用浊度计测量氯化铷水溶液体系的介稳区宽度,加入晶种间歇冷却结晶实验测量氯化铷溶液过饱和度变化曲线,研究了氯化铷水溶液体系介稳区宽度和生长动力学。该体系的介稳区宽度随饱和温度升高而变宽,随搅拌速率的增加而变窄,随冷却速率增大而变宽。采用自洽Nvlt介稳区方程计算得到氯化铷成核级数和成核速率常数,成核级数小于3,为瞬时成核;且成核级数和成核常数均随着饱和温度的升高而增大,说明成核速率随温度的升高而增大。当加入晶种的量超过一定数,溶液的过饱和度快速下降;根据过饱和度变化曲线计算得到了氯化铷晶体生长动力学参数。晶体生长指数在实验温度范围内接近2,晶体生长速率常数随结晶温度的升高而增大。

本文采用高温固相法合成新型K₅Gd(MoO₄)₄:xSm³⁺(x=0~0.10)及K₅Gd(MoO₄)₄:0.04Sm³⁺,yEu³⁺(y=0.03~0.15)红色荧光粉,并通过X射线衍射仪(XRD)、荧光粉激发光谱,以及热猝灭分析系统、稳态-瞬态光谱仪等对荧光粉的光致激发光谱及荧光发射光谱、荧光猝灭性能等进行分析。研究表明:掺入Eu³⁺,Sm³⁺后的K₅Gd(MoO₄)₄样品不含杂质相,且晶体的结构没有发生改变。在405 nm紫外光的激发下,K₅Gd(MoO₄)₄:0.04Sm³⁺和K₅Gd(MoO₄)₄:0.04Sm³⁺,0.12Eu³⁺可以发射出色坐标为(0.608 8,0.390 4)和(0.637 3, 0.359 2)的橙红光。在K₅Gd(MoO₄)₄:xSm³⁺ (x=0~0.10)荧光粉样品中,随着Sm³⁺掺杂浓度的增加,荧光粉的发光强度先增强后减弱,最佳的掺杂浓度为x=0.04。在K₅Gd(MoO₄)₄:0.04Sm³⁺,yEu³⁺(y=0.03~0.15)荧光粉样品中,Eu³⁺的发光强度随着掺杂浓度的增加呈先增加后减弱的趋势,且在y=0.12处发生浓度猝灭。当温度达到373 K时,K₅Gd(MoO₄)₄:0.04Sm³⁺荧光粉样品的发光强度是293 K时的94.69%,K₅Gd(MoO₄)₄:0.04Sm³⁺,0.12Eu³⁺荧光粉样品的荧光强度是293 K时的76.3%,表明两种荧光粉样品都具有较好的热稳定性。色坐标图表明随着Eu³⁺掺杂量的提高,色坐标从橙红色区域向纯红色区域发生微量移动。由此可见,K₅Gd(MoO₄)₄:xSm³⁺和K₅Gd(MoO₄)₄:0.04Sm³⁺,yEu³⁺荧光粉样品都具有作为红色荧光粉应用于白光LED的潜力。

以2-吡啶甲酸(2-Hpic)、吡啶-2,6-二甲酸(2,6-H₂pda)为主配体,咪唑(Him)、2-甲基咪唑(2-Hmim)为辅助配体,制备了两例Cu(Ⅱ)配合物[Cu(pic)(im)(Him)]·2H₂O(1)和[Cu(2,6-pda)(2-Hmim)(H₂O)₂](2-Hmim)(2),用元素分析、X射线粉末衍射、红外光谱和热分析对配合物进行了表征。用制得的Cu(Ⅱ)配合物作为前驱体,分别制备了纳米氧化铜,并探究了光催化降解亚甲基蓝(MB)的性能,实验结果表明所得纳米氧化铜均能够很好地降解MB染料,且具有良好的稳定性。此外,研究了Cu(Ⅱ)配合物的抑菌性能,发现它们对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌都有一定的抑菌效果,尤其是配合物1对大肠杆菌的抑菌圈直径达到16 mm,且两种配合物对革兰氏阴性菌表现出高药敏效果。

在溶剂热条件下,以Ni(NO₃)₂·6H₂O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Ni(Ⅱ)有机骨架材料{[Ni₄(MIP)₄(BMIP)₃]·DMF}_n(SNUT-36)。X射线单晶衍射结果表明:SNUT-36呈现一个4,6链接双节点的二重穿插的三维骨架结构,拓扑分析数据为(3²·4⁵·5·6⁷)(3⁴·4⁷·5·6³)。进一步通过粉末X射线衍射、红外光谱、热重分析等手段对得到的配合物进行表征。此外,化学测试结果显示,SNUT-36达到20 mA·cm^-2时的过电位为430 mV,表明其具有良好的电催化性能,Tafel斜率为89 mV·dec^-1,也证实了其对提高析氧反应速率具有良好的效果。

基于自主搭建的超声雾化热解喷涂装置进行静电场作用耦合,通过在反应沉积腔体的上、下壁面间施加非匀强电场,探究了形成静电场所施加的直流电压对喷涂TiO₂薄膜结构与性能的影响。电场作用下雾滴颗粒被极化并获得垂直衬底表面的动量,克服了热泳力作用的影响,提高了钛源前驱体在衬底表面的附着效率,同时增强了薄膜结晶性能及成膜均匀性。结果表明,当加载电压为1.0 kV时,获得了优化锐钛矿相TiO₂薄膜,其(101)晶面半峰全宽为0.29°,平均晶粒尺寸达到94.19 nm,可见光区平均透过率为85%,表面粗糙度为16.70 nm。通过静电场的施加,调控了衬底近表面处入射粒子的动量,构建了更有利于TiO₂薄膜生长的稳定环境,为TiO₂薄膜制备工艺的优化提供了参考。

光催化是目前处理四环素(TC)污染物中的一种重要方法,而在这个过程中光催化材料是关键。TiO₂作为常用的光催化剂,其形貌会极大地影响催化性能。本文采用水热法分别制备了海胆状(TiO₂-U)、纳米颗粒(TiO₂-N)和中空管状(TiO₂-T)的TiO₂,利用XRD、SEM、XPS、UV-Vis DRS、N₂吸附-脱附和EPR等表征手段分析了所制备催化剂的形貌结构,并研究了它们对TC的降解性能。结果表明,TiO₂-U中含有的缺陷最多,其中的阳离子缺陷和阴离子缺陷协同作用使TiO₂-U禁带宽度变窄,因此表现出最好的光催化活性。在光照60 min时TiO₂-U催化TC的降解率可达100%。此外,TiO₂-U独特的海胆状结构,使其具有较大的比表面积,从而有利于TC的吸附,提高降解效率。

一维硒纳米材料因其独特的结构和物理化学性质在纳米电子器件等领域展现出诱人的前景,因此,寻求一种快速、简便、环境友好的一维硒纳米材料的合成方法具有重要的研究意义。本文将采用硒代硫酸钠(Na₂SeSO₃)作为硒源,聚氧乙烯月桂醚为表面活性剂,通过硒代硫酸钠歧化反应首先得到无定形的红色硒单质(α-Se),然后在超声辐射作用下,将无定形硒转化为三方相硒(t-Se)一维纳米结构(纳米管或纳米棒)。实验结果发现:乙酸和表面活性剂用量是影响硒纳米管和纳米棒形貌和粒径的关键因素,乙酸的量超过5.0 mg/mL时,产物为硒纳米棒,将乙酸用量保持在低浓度时,产物为硒纳米管,且硒纳米管的壁厚随聚氧乙烯月桂醚用量的增加有变厚的趋势。α-Se转化成一维t-Se纳米结构遵循“固-溶-固”的生长机制,且表面活性剂导向生长机制在纳米管的形成过程中起着重要作用。

致密的氧化钆掺杂的氧化铈(GDC)薄膜可以被应用于固体氧化物燃料电池(SOFC)的阴极LSCF与电解质YSZ的阻挡层,防止绝缘相SrZrO₃的生成,从而提高电池的耐久性。本文以四(2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酮)铈(Ce(DPM)₄)和三(2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酮)钆(Gd(DPM)₃)为前驱体,采用智能化学气相沉积设备在723~923 K在YSZ陶瓷基板表面制备GDC薄膜,并研究了不同沉积温度对GDC薄膜的相组成、择优取向、宏观表面、微观结构和电化学性能的影响。在748~923 K时制备了具有(200)择优取向的淡黄色GDC薄膜,且GDC晶粒呈岛状生长模式。在873 K时得到了阻挡效果良好的(200)择优取向的淡黄色GDC薄膜。组装LSCF/GDC/YSZ/GDC/LSCF对称电池,在1 073 K下测得电池阻抗为0.08 Ω·cm²,活化能为1.52 eV,表明873 K为化学气相沉积法制备GDC薄膜的最佳沉积温度。