人工晶体学报

8英寸氟化钙单晶生长

徐悟生, 彭明林, 杨春晖

2021, 50(3): 407-409.

摘要 ( 380 )

PDF (2924KB) ( 410 )

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氟化钙(CaF₂)晶体是一种性能优良的光学晶体材料。本研究用坩埚下降法生长了8英寸(20.32 cm)氟化钙单晶,晶体外观完整,无开裂及散射等宏观缺陷。定向切割后得到ϕ40 mm×6 mm的透明圆柱形晶体毛坯,对毛坯样品进行二次退火处理后进行研磨抛光得到最终样品。对该系列样品进行紫外可见透过率、光学均匀性、应力双折射等测试。结果显示在200 nm波长处晶体透过率达到90%,平均应力双折射小于0.5 nm/cm,光学均匀性达到2.63×10^-6。

CsI-LiCl共晶材料的坩埚下降法生长与闪烁性能研究

颜欣龙, 石肇基, 彭晨, 王瑞, 杨帆

2021, 50(3): 410-415.

摘要 ( 170 )

PDF (6480KB) ( 145 )

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本文采用坩埚下降法,在真空密封的石英坩埚中成功生长出CsI-LiCl与CsI-LiCl:Na共晶闪烁体。通过扫描电子显微镜(SEM)观察晶体微结构表明该共晶中LiCl相与CsI相存在周期性的层状排列,CsI相的厚度在5 μm左右。共晶样品的X射线激发发射谱显示在CsI-LiCl和CsI-LiCl:Na共晶样品存在缺陷发光,在CsI-LiCl样品中还观察到了纯CsI的自陷激子(STE)发光。CsI-LiCl样品在α粒子激发下的多道能谱中观察到明显的全能峰,这一结果证明CsI-LiCl共晶可用于热中子探测的潜力。

宽周期掩膜法HVPE侧向外延自支撑GaN的研究

陈王义博, 徐俞, 曹冰, 徐科

2021, 50(3): 416-420.

摘要 ( 110 )

PDF (7760KB) ( 112 )

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GaN膜在传统生长过程中主要通过异质外延获得,这往往会产生晶格失配和热失配,给GaN带来严重的位错和应力。目前降低位错最广泛的方法是使用侧向外延技术。在这项工作中,首先在蓝宝石基GaN衬底上沉积了一层SiO₂,并用光刻的方法将其制备成高掩膜宽度(窗口宽度20 μm/掩膜宽度280 μm)的宽周期掩膜,再通过氢化物气相外延(HVPE)侧向外延了厚度为325 μm的GaN厚膜,通过胶带可以将其进行剥离形成自支撑衬底。同时通过二维的Wulff结构图研究了GaN生长过程中晶面的变化趋势。宽周期掩膜法对于生长可剥离的低位错密度自支撑GaN有着重大意义。

铌锌酸铅-钛酸铅单晶的生长及性能

陈慧挺, 赫崇君, 朱俊, 李自强, 高慧芳, 路元刚

2021, 50(3): 421-427.

摘要 ( 100 )

PDF (3703KB) ( 53 )

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本文系统地研究了(1-x)Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-xPbTiO₃(PZN-PT)单晶的光学透过率与结晶取向和组分的关系,发现四方相单晶的透过率明显大于三方相和准同型相界(MPB)。[001]方向极化的四方相PZN-12%PT单晶在0.5~5.8 μm的波段范围内,未镀增透膜的晶片透过率约为65%;准同型相界处PZN-8%PT单晶沿[011]方向极化的单晶透过率高于[001]和[111]方向。随着PT含量变高,单晶带隙逐渐变小。本文中还测量不同组分单晶的折射率,和大多数ABO₃型钙钛矿结构化合物相似,PZN-PT单晶的折射率较大,随着波长的减小其值迅速增大。晶体的色散现象明显,拟合得出各组分晶体的色散方程。利用塞纳蒙补偿法和双光束干涉法测量了电光系数,PZN-PT单晶的电光系数较大,在准同型相界附近其值达到极大,[001]方向极化PZN-8%PT单晶有效电光系数为460 pm/V,比广泛应用的铌酸锂高出20倍。四方相PZN-12%PT单晶有效电光系数为138 pm/V,在20~80 ℃范围内其值变化不大。良好的透光性能和优异的电光性质,使PZN-PT单晶可以满足高速低功耗电光器件的要求。

开口圆环类声子晶体传播禁带特性研究

唐荣江, 潘朝远, 郑伟光, 何宏斌, 唐经添

2021, 50(3): 428-434.

摘要 ( 81 )

PDF (8317KB) ( 51 )

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为衰减中低频振动噪声,本文设计了一种非严格对称的开口圆环类声子晶体结构,基于有限元法和弹性波理论分析了其禁带特性和各方向的振动衰减性能;结合系统的振动模态解释了带隙打开和关闭的原因,并分析了几何参数对带隙宽度的影响规律。结果表明:由于晶体的非严格对称,仅ΓX方向的传输损耗和禁带特性吻合,且衰减性能优于MΓ方向,禁带内平均衰减27.8 dB,同比提升了5.5 dB。禁带内几乎没有产生位移变形量,而通带因无法抑制弹性波传播导致变形量显著增大;芯体的水平和旋转运动是带隙起始、截止的明显标志。以钨为芯体,能获得起始频率和带宽均为500 Hz的低频带隙,增大芯体的材料密度、填充率和晶格尺寸有助于获得较低频率的完整带隙。

Eu:Lu₂O₃透明闪烁陶瓷的制备与性能

王静, 葛烨, 解伟锋, 陈昊鸿, 李江

2021, 50(3): 435-440.

摘要 ( 76 )

PDF (4847KB) ( 70 )

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采用湿化学法合成了Eu原子掺量5%的Lu₂O₃陶瓷前驱体,通过SEM、XRD研究了煅烧前后前驱体和1 100 ℃煅烧4 h后粉体的形貌、结构以及物相。结果表明煅烧后的粉体为纳米类球形、高分散且结晶性良好的颗粒。颗粒尺寸为68.5 nm。使用煅烧后的粉体为原料,在1 650 ℃真空烧结30 h制备了高透过率的Eu:Lu₂O₃陶瓷,晶粒尺寸为46 μm,在611 nm处的直线透过率可以达到66.3%。此外对陶瓷的吸收曲线、光致激发和发射光谱特性以及X射线激发发射光谱进行研究。可观察到,Eu:Lu₂O₃陶瓷存在基质和激活离子两类吸收,光致发光光谱和X射线激发发射光谱均可以看出Eu:Lu₂O₃陶瓷存在极强的⁵D₀→⁷F₂跃迁发光,位于611 nm处。对比商业的BGO单晶的X射线发射光谱,可得本实验中制备的陶瓷的光输出为85 000 ph/MeV。Eu:Lu₂O₃陶瓷本身有着高X射线以及高能粒子的阻止能力,结合高光输出特性,表明Eu:Lu₂O₃陶瓷在X射线成像等领域具有巨大的潜在应用价值。

GaN单晶衬底上同质外延界面杂质的研究

邵凯恒, 夏嵩渊, 张育民, 王建峰, 徐科

2021, 50(3): 441-446.

摘要 ( 156 )

PDF (4192KB) ( 147 )

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氮化镓单晶衬底上的同质外延具有显著的优势,但是二次生长界面上的杂质聚集一直是困扰同质外延广泛应用的难题,特别是对电子器件会带来沟道效应,对激光器应用会影响谐振腔中的光场分布。本文通过金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)生长的原位处理,实现了界面杂质聚集的有效抑制。研究发现,界面上的主要杂质是C、H、O和Si,其中C、H、O可以通过原位热清洗去除;界面Si聚集的问题主要是由衬底外延片保存过程中暴露空气带来的,其次是氮化镓衬底中Si背底浓度,在外延过程中,生长载气对氮化镓单晶衬底不稳定的N面造成刻蚀,释放的杂质元素会对二次生长界面产生影响,本文较系统地阐明了界面杂质的形成机制,并提出了解决方案。

Bi₄Ge₃O₁₂:Er³⁺晶体中的高阶混合效应对EPR g因子的影响

郝丹辉, 柴瑞鹏, 梁良

2021, 50(3): 447-453.

摘要 ( 57 )

PDF (1239KB) ( 43 )

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通过对角化364×364完全能量矩阵的理论方法,对掺杂在Bi₄Ge₃O₁₂晶体中的Er³⁺的Stark能级和EPR参数进行了研究,同时,定量分析了高阶晶体场混合效应和J-J混合效应对EPR g因子的影响。研究结果表明:对Er³⁺来说,最主要的J-J混合效应来源于多重态谱项²K_15/2,其对EPR g因子的贡献约占2.5%,而最主要的高阶晶体场混合效应来源于第一激发多重态⁴I_13/2和基态多重态⁴I_15/2之间的晶体场混合,其对各向异性g因子中g_⊥的贡献大致是g_//的两倍(即g_⊥约占 0.21%,g_//约占0.092%),其他更高阶的晶体场混合和J-J混合效应可以忽略不计。因此,对于Er³⁺掺杂的络合物系统来说,只考虑基态多重态⁴I_15/2对EPR g因子的贡献应该是一个很好的近似。

碱式磷酸锌光学性质的理论计算及其实验验证

罗楠楠, 曹国炜, 郄元元, 张然, 王春晓, 公丕富, 李志华, 林哲帅

2021, 50(3): 454-460.

摘要 ( 83 )

PDF (2224KB) ( 43 )

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Zn₂(OH)PO₄ (ZPOH)属于正交晶系,其空间群为P2₁2₁2,该结构没有对称中心。基于赝势平面波方法,计算了ZPOH的电子结构,线性折射率和倍频(SHG)系数,并拟合了色散方程。为了验证计算值,使用水热法合成了ZPOH微晶,实验测得其SHG效应与理论计算相符,同时测试了ZPOH的紫外(UV)吸收边及其热稳定性。

不同位置Mg掺杂ZnO电荷转移和光学性质的第一性原理研究

王宁, 孙为, 苏津, 郭丰志, 宋伟利, 吴海城, 周广刚, 卢贵武

2021, 50(3): 461-468.

摘要 ( 109 )

PDF (8886KB) ( 67 )

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基于密度泛函理论计算了本征氧化锌、6.25%Mg以及同位、邻位、间位12.5%Mg原子掺杂氧化锌晶体的几何结构、原子轨道电子布居、静电势和电子结构特征;探究了Mg原子掺杂对氧化锌能带结构、态密度以及对应的光学性质和电学性质的影响。结果表明Mg掺杂会导致氧化锌晶体的晶格体积变大,载流子迁移率降低和吸收边蓝移;邻位双原子掺杂(ZnO+2Mg-ac、ZnO+2Mg-ad)可以显著降低氧化锌的光吸收系数和反射率,提升对太阳光的透过率;Mg掺杂氧化锌晶体适用于制作高质量光学透射膜。

GaN-MOVPE气相自由基反应的量子化学研究

刘国峰, 左然

2021, 50(3): 469-476.

摘要 ( 50 )

PDF (2814KB) ( 39 )

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利用量子化学的密度泛函理论(DFT),对TMG/NH₃/H₂体系中自由基参与的金属有机气相外延(MOVPE)反应进行计算分析,特别针对H、NH₂自由基对Ga(CH₃)₃(简称TMG)热解路径、氢解路径以及加合路径的影响进行研究。通过计算不同反应路径的吉布斯自由能差ΔG和能垒ΔG^*/RT,确定了自由基参与的气相反应在不同温度下不同的反应路径。研究发现:当T<683 K时,TMG与NH₃反应生成加合物TMG:NH₃。当T>683 K时,TMG:NH₃重新分解为TMG和NH₃。TMG在MOVPE温度下很难直接热解,在H自由基作用下则易热解产生Ga(CH₃)₂(简称DMG)、GaCH₃(简称MMG)和Ga原子。当T<800 K时,TMG与NH₃的氨基反应速率大于自由基参与的热解反应,故氨基反应占主导;当T>800 K时,自由基参与的TMG热解反应速率大于氨基反应,故热解反应占主导。氢解反应由于能垒很高,因此可忽略。TMG及其热解产物与NH₂自由基反应很容易产生氨基物。氨基物DMGNH₂可以与H自由基继续反应,最终生成表面反应前体GaNH₂。

MoS₂/SnS异质结太阳能电池的模拟研究

赵航航, 袁吉仁, 邓新华, 黄海宾

2021, 50(3): 477-483.

摘要 ( 71 )

PDF (3427KB) ( 50 )

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硫化亚锡(SnS)是一种Ⅳ-Ⅵ族层状化合物半导体材料,其禁带宽度与太阳能电池最佳带隙1.5 eV非常接近,并且在可见光范围内光的吸收系数很大(α>10⁴ cm^-1),因此SnS是一种很有应用前景的材料。本文利用太阳能电池模拟软件wxAMPS模拟了MoS₂/SnS异质结太阳能电池,主要研究SnS吸收层的厚度、掺杂浓度和缺陷态等因素对太阳能电池性能的影响。研究发现:SnS吸收层最佳厚度为2 μm,最佳掺杂浓度为1.0×10¹⁵ cm^-3;同时高斯缺陷态浓度超过1.0×10¹⁵ cm^-3时,电池各项性能参数随着浓度的增加而减小,而带尾缺陷态超过1.0×10¹⁹ cm^-3·eV^-1时,电池性能才开始下降;其中界面缺陷态对太阳能电池影响比较严重,界面缺陷态浓度超过1.0×10¹² cm^-2时,开路电压、短路电流、填充因子和转换效率迅速下降。另外,通过模拟获得的转换效率高达24.87%,开路电压为0.88 V,短路电流为33.4 mA/cm²。由此可知,MoS₂/SnS异质结太阳能电池是一种很有发展潜力的光伏器件结构。

n-In_0.35Ga_0.65N/p-Si异质结的制备及其电学性能研究

王婷, 赵红莉, 郭世伟, 姚娟, 李爽, 符跃春, 沈晓明, 何欢

2021, 50(3): 484-490.

摘要 ( 60 )

PDF (4733KB) ( 37 )

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采用双光路双靶材脉冲激光沉积(PLD)系统在p-Si衬底上外延生长InGaN薄膜,研究了InGaN薄膜的显微组织结构和n-InGaN/p-Si异质结的电学性能。研究表明,InGaN薄膜为单晶结构,沿[0001]方向择优生长,薄膜表面光滑致密,In的原子含量为35%。霍尔(Hall)效应测试表明In_0.35Ga_0.65N薄膜呈n型半导体特性,具有高的载流子浓度和迁移率及低的电阻率。I-V曲线分析表明In_0.35Ga_0.65N/p-Si异质结具有良好的整流特性,在±4 V时的整流比为25,开路电压为1.32 V。In_0.35Ga_0.65N/p-Si异质结中存在热辅助载流子隧穿和复合隧穿两种电流传输机制。经拟合,得到异质结的反向饱和电流为1.05×10^-8 A,势垒高度为0.86 eV,理想因子为6.87。

一步CVD法制备WS₂-MoS₂垂直异质结及其表征

钱叶铮, 丁凯旋, 余佳俊, 肖少庆

2021, 50(3): 491-496.

摘要 ( 70 )

PDF (5704KB) ( 45 )

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本文主要研究了WS₂-MoS₂垂直异质结的制备及其光电性能。以氧化钼(MoO₃)、氧化钨(WO₃)、硫粉(S)作为反应物,采用改良的一步化学气相沉积法(CVD)实现高质量的WS₂-MoS₂垂直异质结的制备。使用拉曼光谱仪(Raman)、光致发光光谱仪(PL)、光学显微镜(OM)、原子力显微镜(AFM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)等设备,对异质结的形貌、元素组成等进行了表征。最后制备了基于WS₂-MoS₂异质结的光电探测器,测量了包括输出特性曲线、转移特性曲线、光电流曲线等光电特性。经测试,WS₂-MoS₂异质结光电探测器在532 nm激光模式下展现了良好的光响应特性,使其能应用于高效率的光电子器件的制备,在微电子学领域具有广阔的应用前景。

基于第一性原理的掺杂单层WS₂的光电效应

袁秋明, 陈妍, 徐中辉, 罗兵, 陈圳

2021, 50(3): 497-503.

摘要 ( 92 )

PDF (6573KB) ( 65 )

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基于非平衡态格林函数-密度泛函理论,采用第一性原理方法,计算了VA族元素(N、P、As或 Sb) 掺杂单层WS₂的光电效应,并解释了掺杂提高光电效应的微观机理。结果表明:在线性极化光照射下,单层WS₂中可以产生光电流。由于掺杂降低了单层WS₂的空间反演对称性,导致N、P、As或 Sb分别掺杂的单层WS₂的光照中心区产生的光电流明显提升。其中N掺杂的效果最好,掺杂后的单层WS₂在光子能量3.1 eV时获得最大光电流(1.75),并且偏振灵敏度达到最大(18.1),P、As、Sb分别掺杂的单层WS₂在光子能量3.9 eV时取得较大的光电流,并且有较高的偏振灵敏度。研究结果表明通过掺杂能够有效增强光电效应,获得更高的偏振灵敏度,揭示了掺杂单层WS₂在光电子器件领域潜在的应用前景。

单层2H-MoTe₂光电效应的理论研究

罗兵, 陈妍, 徐中辉

2021, 50(3): 504-508.

摘要 ( 80 )

PDF (3367KB) ( 51 )

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材料的禁带宽度是影响光电探测器探测范围的重要因素。单层2H-MoTe₂因具有合适的禁带宽度引起了科研人员广泛的研究兴趣。本文基于非平衡态格林函数-密度泛函理论,采用第一性原理方法,研究了单层2H-MoTe₂的光电效应。结果表明:在线性偏振光照射下,MoTe₂产生的光电流函数与唯象理论相吻合;在光子能量范围1.6~1.8 eV (690~770 nm),对应于红光,能产生较大的光电流。利用能带结构和态密度分析了产生较大光电流的原因主要来自第一布里渊区S点的电子受激跃迁。同时发现在锯齿型方向偏压为0.8 V时,光电流达到峰值;然而在扶手椅型方向偏压为0.4 V时,光电流就达到峰值。这些计算结果可用于指导基于MoTe₂光电探测器的设计,尤其是红外光电探测器的设计。

沉积温度对等离子体化学气相沉积制备硅氧薄膜微结构的影响

由甲川, 赵雷, 刁宏伟, 王文静

2021, 50(3): 509-515.

摘要 ( 60 )

PDF (5260KB) ( 51 )

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利用13.56 MHz的射频等离子体化学气相沉积设备(RF-PECVD)在不同沉积温度(50~400 ℃)下制备了一系列氢化硅氧(SiO_x:H)薄膜材料,并研究了薄膜材料性能与微结构的变化规律。随着沉积温度的增加,薄膜内的氧含量(C_O)下降,晶化率(X_C)也下降,折射率(n)上升,此外,薄膜的结构因子(R)下降,氢含量(C_H)先上升后下降,由此在合适的中间温度下可以获得最大的氢含量。通过实验结果分析提出了不同沉积温度下制备硅氧薄膜的内在微结构模型:低温下沉积的硅氧薄膜是以氢化非晶硅氧(a-SiO_x:H)相为主体并嵌入氢化纳米晶硅(nc-Si:H)的复合材料,而在高温下沉积的硅氧薄膜则是以氢化非晶硅(a-Si:H)相为主体并嵌入越来越少的nc-Si:H相和a-SiO_x:H相的复合材料。由上可知,要制备太阳电池通常采用的晶化率X_C高、氧含量C_O高的氢化纳米晶硅氧(nc-SiO_x:H)材料,需要采用相对较低的沉积温度。

不同形貌TiO₂薄膜的可控制备及其光电化学性能研究

王鑫伟, 车致远, 张兴, 李玲薇, 张伟, 苏适, 马晋文

2021, 50(3): 516-522.

摘要 ( 70 )

PDF (9908KB) ( 57 )

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采用水热法在FTO(fluorine-doped tin oxide)基底上制备不同形貌的锐钛矿结构TiO₂薄膜。通过不断增大反应前驱物中盐酸浓度,TiO₂薄膜由球状颗粒薄膜逐渐演变生长成大面积高能(001)面裸露的TiO₂纳米片阵列薄膜。通过对形貌演化规律及X射线衍射图谱变化规律进行分析,提出了不同形貌TiO₂薄膜的生长演化机制,并对盐酸在其中的作用进行了说明。为了进一步改善TiO₂薄膜的性能,采用连续离子层吸附反应法对不同形貌的TiO₂薄膜进行CdS量子点敏化。采用紫外可见吸收光谱分析法和三电极体系对复合薄膜的光吸收性能和光电化学(PEC)性能进行了研究,实验数据显示CdS/TiO₂复合薄膜的光电化学性能皆明显优于单纯TiO₂薄膜,而且纳米片阵列薄膜的性能明显优于其他形貌薄膜,说明了大面积高能(001)面裸露的TiO₂纳米片阵列薄膜的性能优越性。

3-叔丁基-1-(3-羟基苯基)脲的晶体结构及密度泛函理论研究

陈冬梅, 陈玉梅, 吴清梅, 周志旭

2021, 50(3): 523-529.

摘要 ( 69 )

PDF (4597KB) ( 64 )

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脲类及其衍生物在化学、农业、医学等多个领域有重要用途。而芳基脲类化合物是一类重要的医药化工中间体,本文经酰化和氧化两步反应制备3-叔丁基-1-(3-羟基苯基)脲,并于室温下经溶剂挥发法获得其单晶体,对晶体的堆积及分子间作用模式进行了分析。其结构经核磁共振氢谱(¹H NMR)、红外光谱(FT-IR)、核磁共振碳谱(¹³C NMR)、质谱MS和X射线单晶衍射等方法确证,在B3LYP/6-311+G(2d, p)模式下使用密度泛函理论(DFT)进行了最优结构以及前沿轨道能量计算,对比了晶体与理论计算的分子结构。结果表明,经DFT优化的分子结构与X-射线单晶衍射确定的晶体结构基本一致,该化合物为单斜方P2₁/n空间群,晶胞参数为a=1.181 42(6) nm,b=1.762 00(8) nm,c=1.179 02(5) nm,Z=8。

双甜菜碱为客体包合物的三维氢键网格的构筑

杨媛, 申婧, 秦好丽

2021, 50(3): 530-535.

摘要 ( 45 )

PDF (4999KB) ( 33 )

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利用硫脲和双甜菜碱制备了一种新型的包合物 [^-OOCCH₂N⁺(CH₃)₂]₂(CH₂)₃·4(NH₂)₂CS,用X射线单晶衍射方法测定其晶体结构。结果表明,晶体属三斜晶系,P1ˉ空间群, 其中a=0.884 5(2) nm,b=0.936 7(2) nm,c=0.946 4(3) nm,α=91.591(2)°,β=91.591(2)°,γ=91.591(2)°,Z=1,R₁=0.039 9, wR₂=0.100 6(I>2σ(I))。在标题化合物的晶体结构中,硫脲分子通过N-H…S氢键肩并肩相连形成四聚体,客体分子的羧基通过N-H…O氢键连接硫脲四聚体形成氢键层,客体阳离子部分夹在相邻的氢键层中,形成三明治晶体结构。

ZnO超细纳米线阵列的制备及其电化学性能

周阳阳, 张子英, 翁滢

2021, 50(3): 536-541.

摘要 ( 62 )

PDF (7893KB) ( 41 )

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以Zn(NO₃)₂· 6H₂O和C₆H₁₂N₄为原材料,采用二步水热法在碳纤维布上合成了形貌尺寸均匀的ZnO超细纳米线阵列。用 X 射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)对其晶体结构和形貌进行了表征,利用恒流充放电测试等手段对其进行电化学性能测试。测试结果表明,材料表现出优异的电化学性能。在200 mA/g的电流密度下循环150次后,ZnO超细纳米线阵列仍然约有730 mAh/g的充放电比容量,库伦效率保持在95%以上。在1 200 mA/g的大倍率条件下,材料的充放电比容量依旧可达481 mAh/g左右,表现出十分良好的循环稳定性和可逆性能,是一种较为理想的锂离子电池负极复合材料。

碳纳米管负载RuO₂纳米颗粒的制备及其Li-CO₂电池性能

顾洋, 王朕, 李雪, 肖杰, 曾晓苑

2021, 50(3): 542-547.

摘要 ( 55 )

PDF (8238KB) ( 38 )

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本文以水合三氯化钌溶液作为前驱体,通过简单的水热法将二氧化钌(RuO₂)纳米颗粒均匀负载在碳纳米管(CNT)基底上,成功制备出二氧化钌纳米颗粒分散均匀且具有三维多孔结构的RuO₂-CNT催化阴极。在相互交联的碳纳米管构成的三维多孔结构和RuO₂纳米颗粒高效的催化活性的双重作用下,显著提高了Li-CO₂电池的放电容量和循环性能。在100 mA·g^-1的电流密度下,首次放电比容量可达1 912 mAh·g^-1。此外,在电流密度100 mA·g^-1和恒定容量为500 mAh·g^-1的条件下,可稳定循环120个周期。本工作为Li-CO₂电池催化阴极的设计和制备提供了一种新的思路。

高性能刷状ZnO介晶的制备及其对复合树脂性能的增强作用

秦阳, 张青红, 王瑞莉, 刘梅

2021, 50(3): 548-557.

摘要 ( 44 )

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无机填料作为齿科复合树脂的主要成分,对其性能影响最为显著。本文以阿拉伯胶为结构导向剂,用热水解法合成了多孔、分级结构的刷状ZnO介晶,其厚度和直径分别为1.2 μm和1.0 μm。通过微流控制法在其表面包覆了4~6 nm无定形SiO₂,以利于其表面硅烷化。通过场发射扫描电镜(FE-SEM)、X射线衍射仪(XRD)、热重分析仪(TGA)等对其进行了表征。对ZnO@SiO₂进行硅烷改性处理后,将其作为辅助填料,与改性纳米SiO₂主填料一起添加到Bis-GMA/TEGDMA树脂体系中,光固化得到齿科复合树脂。力学测试表明,ZnO@SiO₂填充质量分数控制在5%以内时可有效提高复合树脂力学性能。与单一二氧化硅填料的复合树脂相比,添加填充质量分数3% ZnO@SiO₂,复合树脂的力学性能表现最佳,其弯曲强度、弯曲模量和压缩强度分别提高了12.9%、6.6%和3.7%,同时还表现出优良的抗菌活性,对变异链球菌抗菌率达98.7%。此外,添加了ZnO@SiO₂介晶填料的复合树脂还具备更好的耐磨性。

基于单磨粒微米划刻的单晶硅精密切削机理研究

王龙, 汪刘应, 刘顾, 唐修检, 阳能军, 油银峰, 刘国浩

2021, 50(3): 558-564.

摘要 ( 61 )

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为了探究硅片器件精密磨削加工的切削特征与机理,运用三棱锥形状的金刚石磨粒以不同加载压力划刻单晶硅材料表面模拟磨削加工过程,分析了划痕形貌特征、切削力与切削深度的演变规律,阐释了单晶硅的微米级切削加工机理。单晶硅微破碎去除发生的临界条件为法向切削力80 mN,临界切削深度2.03 μm;剥落去除发生的临界条件为法向切削力800 mN,切削深度5.65 μm。切削深度、切削力比在不同切削机理条件下具备可区分的差异化特征。平均切削深度随加载压力的变化规律呈现出鲜明的自相似性特征。此外,还分别构建了塑性去除、微破碎去除、剥落去除三个阶段的切削力方程,更准确地描述了切削力与切削深度的密切关系。

Sb₂O₃掺杂BiFeO₃-BaTiO₃压电陶瓷的结构及电性能研究

黄志强, 何秀将, 何新华, 符小艺, 王歆, 卢振亚

2021, 50(3): 565-571.

摘要 ( 82 )

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采用传统固相烧结法合成了0.7BiFeO₃-0.3BaTiO₃+x%Sb₂O₃(质量分数)陶瓷(BFO-BTO+xSb, x=0.00~0.20),研究了Sb₂O₃掺杂对BFO-BTO陶瓷的晶相结构、介电、导电以及压电和铁电性能的影响,并对影响机理进行探讨。结果表明:Sb掺杂导致陶瓷的晶体结构由伪立方相向菱形相转化。Sb的B位取代增加了BFO-BTO+xSb陶瓷的铁电弛豫性,降低高温损耗,并使居里温度T_c有所降低。导电特性的研究表明,Sb掺杂改变了$V_O^×$和Fe²⁺的浓度,降低了电导率,但没有改变陶瓷的导电机制,其主要载流子是氧空位。Sb掺杂量x=0.05时,BFO-BTO+xSb陶瓷表现出最佳的综合电性能:d₃₃=213 pC/N,k_p=28.8%,Q_m=38,T_c=520 ℃,P_r =24.7 μC/cm²。

还原氧化石墨烯增强碳化硼陶瓷的制备与表征

许森, 方宁象, 张善伟, 张虹, 林文松

2021, 50(3): 572-577.

摘要 ( 60 )

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采用球磨混合、雾化造粒方法制备了氧化石墨烯/碳化硼(GO/B₄C)复合粉体,并将其在2 100 ℃和30 MPa压力下真空热压,得到了还原氧化石墨烯/碳化硼(rGO/B₄C)复合材料,使用扫描电镜(SEM)、热重分析(TG)和X射线衍射(XRD)等表征方法和三点弯曲法以及排水法等测试方法对复合材料进行表面相分析和力学性能表征,研究了GO添加量对rGO/B₄C复合材料的弯曲强度和断裂韧性等力学性能的影响。结果表明,将稳定分散的GO/水悬浮液逐步加入到球磨中的B₄C浆料中,可以得到混合均匀的GO/B₄C复合粉体。在粉末浆料中加入质量分数为1.5%的GO, rGO/B₄C复合材料的弯曲强度和断裂韧性分别为535 MPa和5.2 MPa·m^1/2,分别比B₄C陶瓷提高了72.6%和136%,有利于碳化硼陶瓷在军事防护领域的应用。并从石墨烯拔出、裂纹偏转和桥接等方面解释了rGO/B₄C复合材料的增韧机理。

低维第五主族纳米材料的研究进展:从结构性质到制备应用

刘奇超, 张会

2021, 50(3): 578-586.

摘要 ( 78 )

PDF (4320KB) ( 55 )

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石墨烯的零带隙和二硫化钼载流子迁移率低的性质阻碍了它们在电子器件中的应用。单层黑磷的成功制备和磷烯的直接带隙、较高的载流子迁移率和负的泊松比等性质弥补了石墨烯和二硫化钼的不足,引发了人们对低维第五主族纳米材料的研究兴趣,使低维第五主族纳米材料在材料科学和光电子等领域快速发展。本文总结了近几年第五主族低维纳米材料的一些研究成果,结合理论计算和实验合成两个方面进行研究,分析了材料的结构和性能之间的关系,最后对上述材料的制备方法及应用情况进行了总结。低维第五主族纳米材料呈现出多种晶体结构、较高的动力学稳定性、丰富的电子结构性质和较高的载流子迁移率等特性。上述性质使得低维第五主族纳米材料在低维光电子器件等方面具有广泛的应用前景。

光学超晶格晶体——实现激光频率转换的无限可能

2021, 50(3): 587-588.

摘要 ( 127 )

PDF (3460KB) ( 99 )

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