人工晶体学报

王新月, 张胜男, 霍晓青, 周金杰, 王健, 程红娟

2021, 50(11): 1995-2012.

摘要 ( 403 )

PDF (28011KB) ( 761 )

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氧化镓(β-Ga₂O₃)是一种超宽禁带氧化物半导体材料,其相关研究起源于日本。21世纪初,日本东北大学利用浮区法获得了多晶向的高质量β-Ga₂O₃单晶晶圆,京都大学开展了β-Ga₂O₃薄膜外延研究并获得了高质量的同质外延片。在此基础上,日本信息通信研究机构于2012年构建了第一个β-Ga₂O₃金属半导体场效应晶体管(MESFET),证明了β-Ga₂O₃在功率器件领域拥有巨大潜能,开启了β-Ga₂O₃研发的新纪元。此后,国际上众多机构加入了β-Ga₂O₃单晶、外延、器件的研发潮流。随着研发工艺的进步,β-Ga₂O₃基功率器件的耐压上限一次次被刷新。本文梳理了β-Ga₂O₃单晶、外延、器件发展的时间线,汇总分析了β-Ga₂O₃功率器件的研究现状,指出存在的问题和可能的解决方案,并对其未来进行了展望,期望为以后的技术发展提供参考。

钆镱共掺杂铝酸钇晶体的生长及性能研究

谭慧瑜, 汪瑞, 张沛雄, 尹浩, 李真, 陈振强

2021, 50(11): 2013-2018.

摘要 ( 124 )

PDF (1900KB) ( 75 )

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采用单晶提拉法成功生长出优质的Gd³⁺/Yb³⁺共掺铝酸钇晶体。对晶体的结构、分凝系数、光谱和激光性能进行了表征,结果表明:所生长的晶体空间群为Pnma,属于正交晶系,Yb³⁺的分凝系数为1.13。从偏振吸收和荧光光谱发现,b偏振方向时,晶体在980 nm处吸收截面为2.14×10^-20 cm²,适用于InGaAs 激光二极管泵浦;在1 044 nm处的发射截面为0.39×10^-20 cm²,荧光寿命为1.638 ms。此外,对b切向的Gd/Yb∶YAP晶体进行激光实验,在1 μm处实现连续激光输出,斜率效率为23.5%,最大输出功率可达0.51 W。

Ru、Rh、Pd掺杂GaSb的电子结构和光学性质

杨卫霞, 张贺翔, 潘凤春, 林雪玲

2021, 50(11): 2019-2026.

摘要 ( 68 )

PDF (13747KB) ( 37 )

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运用第一性原理计算方法研究了过渡族金属TM(TM=Ru、Rh、Pd)掺杂GaSb的电子结构和光学性质,结果表明:TM掺杂GaSb主要以TM替代Ga(TM @Ga)缺陷存在,并可增强GaSb半导体材料对红外光区光子的响应,使体系光学吸收谱的吸收边红移;TM@Ga所引入的杂质能级分布于零点费米能级附近,这极大地增强了体系的介电性能,促进了电子-空穴对的产生和迁移,因而提升了掺杂体系的光电转换效率;Ru 掺杂对GaSb光学性质的改善最为明显,当掺杂浓度为6.25%(原子数分数)且均匀掺杂时,Ru掺杂GaSb体系对红外光区光子的吸收幅度最大,有效提升了GaSb光电转换效率和光催化活性。

第一性原理研究Ag掺杂及缺陷共存对ZnO光催化性质的影响

张海峰, 王彬, 程彩萍, 伊思静

2021, 50(11): 2027-2035.

摘要 ( 76 )

PDF (9043KB) ( 35 )

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运用第一性原理研究了Ag掺杂及缺陷共存对ZnO光电性质的影响。计算结果表明富O条件有利于Ag的掺杂,贫O条件不利于Ag的掺杂。Ag掺杂浓度较低时有利于模型的稳定,其在富O或贫O条件下都以Ag_Zn为主要掺杂方式。当Ag掺杂浓度较高时,富O条件下以Ag_Zn-Ag_Zn为主要掺杂方式,贫O条件下Ag_Zn-Ag_i是较为有利的掺杂方式。富O条件下Ag掺杂较难引入V_Zn和O_i共存缺陷。贫O条件下优先出现的模型为V_O,V_O在一定程度上会促进Ag的掺杂。Ag掺杂降低了ZnO的带隙宽度,掺杂浓度越大模型带隙宽度越窄。V_Zn、V_O和O_i缺陷共存不同程度地增加了Ag掺杂模型的带隙宽度。Ag掺杂及V_Zn和O_i缺陷共存均使ZnO吸收边红移至可见光区,扩展了ZnO对太阳光的吸收范围,而Ag_Zn-V_O在可见光范围内依然是透明。在低能区紫外-可见光范围内,Ag_Zn-Ag_Zn表现出更高的光吸收率,但是相应形成能也高于Ag_Zn。V_Zn的引入提高了Ag_Zn-V_Zn和Ag_Zn-Ag_Zn-V_Zn对低能区紫外-可见光的吸收,V_O的引入有利于ZnO表面吸附更多的O₂进而产生更多的H₂O₂和·HO强氧化性物质,即V_Zn和V_O缺陷共存都有利于ZnO光催化性能的提高。

(La,Y)掺杂AlN的电子结构和光学性质的第一性原理研究

邹江, 李平, 谢泉

2021, 50(11): 2036-2044.

摘要 ( 90 )

PDF (5787KB) ( 101 )

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采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法对纯AlN、(La,Y)单掺杂以及La-Y共掺杂AlN 超胞进行几何结构优化,计算了稀土元素(La,Y)掺杂前后体系的能带结构、态密度和光学性质。结果表明:未掺杂的AlN是直接带隙半导体,带隙值为E_g=4.237 eV,在费米能级附近,态密度主要由Al-3p、N-2s电子轨道贡献电子,光吸收概率大,能量损失较大;掺杂后使得能带结构性质改变,带隙值降低,能带曲线变密集,总态密度整体下移;在光学性质中,稀土元素掺杂后均提高了静态介电常数、光吸收性能,增强了折射率和反射率,减小了电子吸收光子概率及能量损失;其中La-Y共掺体系变化得较为明显。

氮掺杂对氢终端金刚石射频器件特性的影响

刘晓晨, 郁鑫鑫, 葛新岗, 姜龙, 李义锋, 安晓明, 郭辉

2021, 50(11): 2045-2052.

摘要 ( 77 )

PDF (8772KB) ( 44 )

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采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术,通过改变气源中的氮含量,得到不同结晶质量的单晶金刚石,通过激光切割以及抛光控制样品尺寸为5 mm×5 mm×0.5 mm,然后对样品进行表面氢化处理并研制了金刚石射频器件,系统研究了氮含量对金刚石材料晶体质量和金刚石射频器件性能的影响。随着氮含量的增加,虽然单晶金刚石生长速率有所增加,但是其拉曼半峰全宽(FWHM)、XRD摇摆曲线半峰全宽也逐渐增加,光致发光光谱中对应的NV缺陷逐渐增多,晶体结晶质量逐渐变差,不仅导致沟道载流子的迁移率出现退化,而且也使金刚石射频器件出现了严重的电流崩塌和性能退化问题。通过降低氮浓度,提升材料的结晶质量,沟道载流子迁移率得到显著提升,金刚石射频器件的电流崩塌得到有效抑制,电流增益截止频率f_T和功率增益截止频率f_max分别从17 GHz和22 GHz大幅度提升至32 GHz和53 GHz。

碳酸钙掺杂对Ⅰb型金刚石沿不同晶面生长行为的影响

陈珈希, 张喜云, 李尚升, 郭明明, 胡美华, 宿太超, 黄国锋, 李战厂, 周振翔, 聂媛, 王蒙召, 周绪彪

2021, 50(11): 2053-2059.

摘要 ( 60 )

PDF (3801KB) ( 28 )

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作为天然金刚石生长环境的碳酸盐,研究其掺杂对人造金刚石晶体生长行为的影响具有重要的学术价值。本文运用高温高压下的温度梯度法,将碳酸钙(CaCO₃)按照不同比例掺杂到金刚石合成腔体内的碳源中,用以研究其掺杂对金刚石分别沿(100)或(111)晶面生长行为的影响。利用光学显微成像对掺杂合成金刚石晶体形貌的表征表明:随着碳酸钙掺量的增加,沿(100)面生长的金刚石晶形由塔状变为板状且出现了裂晶、连晶现象,晶体颜色先变浅再变黑,内部出现了包裹体;同样,沿(111)面生长的金刚石晶形由板状逐渐变为塔状且出现了裂晶、孪晶现象,晶体颜色逐渐变黑,内部包裹体增多。用激光拉曼光谱对掺杂金刚石晶体质量的表征表明:随着碳酸钙掺量的增加,沿(100)或(111)面生长的掺杂金刚石的拉曼峰位偏移量均增大,半峰全宽均变大。这说明碳酸钙掺杂使得金刚石晶格畸变增加、内应力变大。本文对碳酸钙掺杂影响沿两不同面生长金刚石的晶形、颜色、内部质量等行为的成因进行了分析,为本课题后续研究奠定了基础。

FeNi、NiMnCo及其复合触媒中Ⅰb型金刚石的生长特性

王蒙召, 许安涛, 李尚升, 高广进, 胡美华, 宿太超, 黄国锋, 李战厂, 周振翔, 聂媛, 陈珈希, 周绪彪

2021, 50(11): 2060-2066.

摘要 ( 73 )

PDF (3402KB) ( 37 )

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本文以Ni₇₀Mn₂₅Co₅和Fe₆₄Ni₃₆合金及其复合合金作为触媒,采用高温高压温度梯度法在5.6 GPa压力下,对不同温度下沿(100)晶面生长的Ⅰb型金刚石的生长特性进行了研究,研究表明:以Fe₆₄Ni₃₆触媒合成出的金刚石在以(111)晶面为主的晶形高温生长范围内出现了一段约50 K范围的裂晶生长区,而以Ni₇₀Mn₂₅Co₅触媒合成的金刚石在生长温度范围内,特别是在以(111)晶面为主的晶体生长高温区域内容易出现连晶缺陷;高温下Fe₆₄Ni₃₆触媒过度熔融可能是晶体容易产生裂晶的原因,Ni₇₀Mn₂₅Co₅触媒熔体黏性较低可能是容易形成连晶的原因;采用两种触媒复合的方式有效避免了裂晶和连晶的产生;拉曼光谱表征发现连晶的晶体内部质量与单晶的晶体质量相近,裂晶中晶格畸变和杂质较多,晶体内应力较大,复合触媒体系合成的金刚石晶体内应力小,质量好。

甲烷浓度对碳化硅基底金刚石薄膜摩擦性能影响

王贺, 沈建辉, 闫广宇, 吴玉厚, 张慧森

2021, 50(11): 2067-2074.

摘要 ( 74 )

PDF (16597KB) ( 104 )

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利用热丝化学气相沉积法(HFCVD)在碳化硅基底上制备金刚石薄膜,采用场发射扫描电子显微镜、拉曼光谱仪、原子力显微镜研究了在不同甲烷浓度条件下制备的金刚石薄膜表面形貌及物相组成,在干摩擦条件下通过往复式摩擦磨损实验测试并计算了已制备金刚石薄膜的摩擦系数和磨损率,结合物相分析及摩擦磨损实验结果分析了甲烷浓度的改变对金刚石薄膜摩擦磨损性能的影响。结果表明,由于甲烷气体含量的升高,金刚石薄膜结晶质量下降,薄膜由微米晶向纳米晶转变。摩擦磨损实验结果显示:3%甲烷浓度条件下制备的金刚石薄膜耐磨性较好,磨损率为2.2×10^-7 mm³/mN;5%甲烷浓度条件下制备的金刚石薄膜摩擦系数最低(0.032),磨损率为5.7×10^-7 mm³/mN,制备的金刚石薄膜的耐磨损性能相比于碳化硅基底(磨损率为9.89×10^-5 mm³/mN)提升了两个数量级,显著提高了碳化硅基底的耐磨性。

二维MoS₂/WSe₂异质结的光电性能研究

皇甫路遥, 戴梦德, 南海燕, 顾晓峰, 肖少庆

2021, 50(11): 2075-2080.

摘要 ( 108 )

PDF (4796KB) ( 77 )

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近年来基于二维半导体过渡金属硫族化合物如MoS₂的光电晶体管被广泛研究。虽然基于单层MoS₂的光电探测器表现出较高的响应度,但是其较低的载流子迁移率也限制了响应时间,约在秒量级。二维半导体的相互堆垛可以形成具有低缺陷态且空间均匀的范德华异质结构,是提高二维光电探测器性能的有效途径。基于此本文通过机械剥离转移法构筑MoS₂/WSe₂垂直pn异质结,其较强的空间电荷区能有效地分离光生载流子,所以在自驱动状态下仍具有较好的光电探测能力,光响应度和探测率分别达到2.12×10³ A/W和2.33×10¹¹ Jones,同时极大地缩短了响应时间,响应时间达到40 ms。这种二维异质结器件制备方法简易,性能优异,在光电子领域具有广阔的应用前景。

白磷钙石型荧光粉Ca_1.8Li_0.6La_0.6-x(PO₄)₂∶xEu³⁺的合成、结构及发光性能

唐菀涓, 郭庆丰, 苏科, 梅乐夫, 廖立兵

2021, 50(11): 2081-2085.

摘要 ( 61 )

PDF (3679KB) ( 23 )

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白磷钙石结构化合物合成温度较低,且具有更加丰富可调变的晶体学格位,是一种优良的发光基质材料。本文采用高温固相法在1 250 ℃条件下合成了白磷钙石型发光材料Ca_1.8Li_0.6La_0.6-x(PO₄)₂∶xEu³⁺(x=0、0.01、0.03、0.06、0.09、0.15),并采用X射线粉末衍射仪(XRD)和荧光光谱仪对其结构和发光性能进行系统表征。结果表明,制备荧光粉均为白磷钙石结构,Eu³⁺的掺杂并未在很大程度上改变其结构。该体系荧光粉发射红光,发射光谱出现了Eu³⁺的特征发射,最强发射峰位于617 nm处,来源Eu³⁺的⁵D₀→⁷F₂跃迁。随着Eu³⁺掺杂浓度的增加,样品的荧光寿命逐渐减小,证明了Eu³⁺离子间能量传递的存在。

TiO₂/Ni₃[Ge₂O₅](OH)₄复合材料的制备及光催化性能

闵涛, 马国华, 刘桂君, 郑玉婷

2021, 50(11): 2086-2092.

摘要 ( 70 )

PDF (10949KB) ( 28 )

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以Ni₃[Ge₂O₅](OH)₄为载体,氟钛酸铵为原料,采用水热辅助液相沉积法制备了纳米TiO₂/ Ni₃[Ge₂O₅](OH)₄复合材料。通过X射线衍射(XRD)、拉曼光谱分析(RM)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、高分辨透射电镜(HTEM)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)等表征手段对样品的物相组成、结构特性及微观形貌做了检测分析,并且探究了不同二氧化钛负载量对纳米TiO₂/Ni₃[Ge₂O₅](OH)₄复合材料光降解亚甲基蓝能力的影响规律。结果表明,实验实现了纳米TiO₂与Ni₃[Ge₂O₅](OH)₄的紧密复合与有效分散,TiO₂为锐钛矿型结构,平均粒径20 nm。该复合材料能够有效抑制光生载流子的复合,改善材料的吸附性能,提高材料的光催化效率。当复合材料中TiO₂与Ni₃[Ge₂O₅](OH)₄的摩尔比为3.1∶1时,材料对亚甲基蓝的光催化效率最高,90 min亚甲基蓝的光降解率为99.81％。

土豆基碳量子点的制备、Mn掺杂及在Ag⁺检测中的应用

李家耀, 韩维杰, 杨周平, 施扬范, 卢世平, 刘新梅

2021, 50(11): 2093-2102.

摘要 ( 56 )

PDF (13636KB) ( 21 )

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以土豆为碳源采用水热法合成了发光碳量子点(CQDs),向体系中加入碳酸锰,合成了锰掺杂的CQDs(Mn-CQDs)。用透射电镜、X射线衍射仪、X射线光电子能谱、紫外-可见吸收光谱、荧光光谱、红外光谱等对样品进行了表征。结果表明:CQDs和Mn-CQDs为球状,平均粒径3~5 nm;Mn掺杂增强了CQDs的荧光强度及稳定性;CQDs和Mn-CQDs最大激发波长分别为435 nm、395 nm,对应的发射波长分别为525 nm、465 nm。将CQDs、Mn-CQDs用于金属离子检测,它们都对Ag⁺具有很好的选择性,对Ag⁺的检测限分别为0.064 μmol/L、0.027 μmol/L,表明CQDs、Mn-CQDs可应用于水介质中Ag⁺的痕量检测,Mn-CQDs具有更高的灵敏度。

一种多吡啶铜(Ⅰ)配合物的合成、结构及DNA光裂解研究

张琴, 黄羽, 李知敏, 胡迈, 廖向文, 王金涛

2021, 50(11): 2103-2108.

摘要 ( 59 )

PDF (2596KB) ( 24 )

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本文以1-甲基-4′-对苯甲基-2,2′,6′,2″-三联吡啶六氟磷酸盐(L)为配体合成了一例新的铜配合物[CuL₂](PF₆)₃·H₂O(配合物1)。通过X射线单晶衍射技术、热重分析和X射线光电子能谱(XPS)对所合成的配合物进行了结构的表征和化学价的分析。单晶衍射分析结果表明,该配合物属于单斜晶系,P2_1/c空间群,晶胞参数为a=1.273 15(10) nm、b=1.902 01(13) nm、c=2.109 55(17) nm、β=101.269(2)°、V=5.009 9(7) nm³。XPS分析结果表明,配合物中的铜离子是以＋1价的形式存在。热重分析表明,该配合物具有较高的热稳定性。琼脂糖凝胶电泳实验表明,该配合物在光照条件下能有效使DNA裂解,表明该配合物具有明显的潜在生物活性。

吡啶-2,6-二甲酸铅配位聚合物的绿色合成与表征

孙大维, 谭思慧, 罗欢, 陈朝晖, 钟国清

2021, 50(11): 2109-2115.

摘要 ( 77 )

PDF (6484KB) ( 37 )

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以吡啶-2,6-二甲酸(H₂pda)和乙酸铅为原料,用室温固相法合成配位聚合物[Pb(μ-pda)]_n (1),用元素分析、X射线粉末衍射和单晶衍射、红外光谱对聚合物1的组成和结构进行了表征,并研究其热稳定性和荧光性能。单晶结构显示,1属于单斜晶系,P2₁/n空间群,晶胞参数为a=0.980 84(11) nm,b=0.554 73(7) nm,c=1.433 62(16)nm,β=105.093(3)°。1的分子结构由2个Pb²⁺和2个pda^2-构成,含2个[Pb(μ-pda)]单元,每个Pb²⁺与来自pda^2-的6个氧原子和1个氮原子配位,形成了七配位的单帽三角棱柱构型。热稳定性研究表明,1在氮气气氛中的热分解反应包括配位聚合物骨架的坍塌和配体的氧化分解,热解残余物为PbO。荧光性能测试结果表明,该配位聚合物具有荧光性,其荧光可能来自配体内部的π^*→π电荷跃迁。

5-溴-2-(4-甲基哌啶-1-基)嘧啶的晶体结构及密度泛函理论研究

叶文君, 陈玉梅, 陈冬梅, 郭倩, 周志旭

2021, 50(11): 2116-2122.

摘要 ( 51 )

PDF (3602KB) ( 22 )

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嘧啶类衍生物在医药、化工和功能材料等领域有着重要应用。在药物研发,特别是抗癌药物研发领域中,5-溴-2-(4-甲基哌啶-1-基)嘧啶是一种含嘧啶环的重要中间体。本文通过一步芳香亲核取代反应合成了5-溴-2-(4-甲基哌啶-1-基)嘧啶,经溶液结晶法获得其单晶体,并进行了晶体学分析(晶系:正交晶系,空间群:P2₁2₁2₁,晶胞:a=10.181 42(6) nm, b=17.620 0(8) nm, c=10.179 02(5) nm,Z=4,ρ_c＝1.478 g·cm^-3,R=0.056 6,wR=0.168 8)。标题化合物的最优结构和前线轨道能量在B3LYP/6-311G(d, p)模式下使用密度泛函理论(DFT)计算得到,经DFT优化的结果与实验确定的数据相近。此外,为进一步揭示标题化合物的物理化学性质,通过DFT进一步研究了分子的静电式和前线分子轨道。

Keggin型多酸基超分子化合物H₃[{H(4-AP)}₆(PMo^Ⅴ₆Mo^Ⅵ₆O₄₀)]的结构和电催化性能

徐娜, 王金玲, 张众, 李晓慧, 常之晗

2021, 50(11): 2123-2128.

摘要 ( 45 )

PDF (4834KB) ( 23 )

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通过水热合成方法,以钼酸铵、氯化镍和4-氨基吡啶为原料成功合成了一个Keggin型多酸基超分子化合物H₃[{H(4-AP)}₆(PMo^V₆Mo^VI₆O₄₀)] (4-AP=4-氨基吡啶)。该化合物的结构单元包含一个[PMo^V₆Mo^VI₆O₄₀]^9-阴离子和6个质子化的配体。而[PMo^V₆Mo^VI₆O₄₀]^9-阴离子与配体之间通过N(1)—H(1)…O(3)、N(2)—H(2A)…O(5)和N(2)—H(2B)…O(1)三种氢键相互作用,进而形成二维超分子层。通过X射线单晶衍射、IR和粉末X射线衍射对其进行表征。晶体结构分析表明:该标题化合物属于三方晶系,R-3空间群,a=2.191 2 (10) nm, b=2.191 2 (10) nm, c=1.042 3(5) nm, α=β=90°, γ=120°, V=4.333 8(4) nm³, Z=3, R₁=0.036 2, wR₂=0.095 6, 电催化性质研究表明该标题化合物对H₂O₂和K₂Cr₂O₇具有良好的电催化还原效果,以及对抗坏血酸具有良好的电催化氧化效果。

基于有机羧酸配体的Co(Ⅲ)/Cu(Ⅱ)配合物的合成、结构及表征

保玉婷, 李海朝, 马琴, 孙赞

2021, 50(11): 2129-2137.

摘要 ( 73 )

PDF (7440KB) ( 73 )

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在溶剂热条件下,以含卤素有机羧酸3-溴-吡啶-2,6-二甲酸(H₂L)为配体,以硝酸钴、硝酸铜为金属源,合成了两例配合物:[Co(L′)₃](1)和[Cu(L′)₂]_n(2)(HL′=5-溴-吡啶-2-甲酸),通过元素分析(EA)、X射线单晶衍射(SXRD)、X射线粉末衍射(PXRD)、红外光谱(IR)和热重分析(TGA)进行结构表征。X射线单晶衍射结果表明,配体H₂L在反应过程中发生脱羧现象,生成单羧酸配体5-溴-吡啶-2-甲酸。在配合物1中,每个Co(Ⅲ)都位于略微扭曲的八面体几何构型中,不对称单元中含有两个单核单元,单核单元通过C—H…O氢键形成三维超分子结构。配合物2的不对称单元中含有一个Cu(Ⅱ),两个脱质子的L′^-配体,每个Cu(Ⅱ)都是六配位的,位于扭曲的八面体几何构型中。Cu(Ⅱ)由配体连接生成1D链结构,通过C—H…O氢键形成三维超分子结构。此外,研究了两例配合物的热稳定性能。

螺芴类空穴传输材料的电荷传输性质研究

胡伟霞, 杨记鑫, 黄凯, 何荣幸

2021, 50(11): 2138-2143.

摘要 ( 81 )

PDF (3195KB) ( 24 )

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螺芴类空穴传输材料因优异的光电性能而备受关注。为了探究其电荷传输机制,本文采用密度泛函理论研究了三种螺芴类小分子空穴传输材料的电子结构、重组能和电子耦合。结合Marcus电荷转移理论,精确计算了所有小分子的载流子迁移率,并与实验数据进行了比较。结果表明,X60和HT2分子的空穴迁移率与实验数据吻合良好,处于同一数量级,说明利用该理论模型精确计算分子的空穴迁移率具有一定的可行性。此外,ST2的空穴迁移率为1.82×10^-4 cm²·V^-1·s^-1,且具有良好的稳定性,说明对螺核杂原子的修饰可进一步提升空穴传输材料的性能。这为开发高效的空穴传输材料提供了重要策略。

溶胶-凝胶软模板法合成锂钛离子筛

孙建科, 陈进, 赵坤, 刘璐, 刘莹莹, 易大伟

2021, 50(11): 2144-2149.

摘要 ( 62 )

PDF (7209KB) ( 19 )

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以乙酸锂和钛酸丁酯为锂源和钛源,十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为软模板,采用溶胶-凝胶法,通过焙烧得到添加CTAB的锂钛化合物(Li₄Ti₅O₁₂),经过盐酸酸洗,制备出锂钛离子筛(H₄Ti₅O₁₂, HTO)。经过热重分析(TG-DTG)、X射线(XRD)、扫描电镜(SEM)、接触角及性能测试,考察了锂钛离子筛的晶相、形貌及时间对吸附容量的影响。对比CTAB的加入量,0.1 g的CTAB的离子筛前驱体杂质更少,晶相比较纯。HTO准二级动力学相关系数R²(0.997 24)大于准一级动力学相关系数R²(0.984 35),该吸附过程符合化学吸附。HTO在Li⁺溶液中24 h的吸附容量达到24.44 mg/g,经过8次吸附脱附后,吸附容量仍保持在23.68 mg/g,仅降低3.1%。因此,HTO有良好的循环吸附性能和稳定性,具有很广阔的市场前景。

锂离子电池CoO多孔纳米片阵列/碳布柔性负极材料

望军, 赵雨, 范保艳, 张均, 邢安, 刘晓燕

2021, 50(11): 2150-2155.

摘要 ( 73 )

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可穿戴、可折叠电子设备日益受到人们的关注,开发与之配套的柔性电极材料成为当下的研究热点。本研究采用水热法制备前驱体/碳布复合材料,将其在高纯氩气气氛下煅烧,得到柔性的CoO多孔纳米片阵列/碳布负极材料。这种多孔与三维网状立体结构能够有效缓解充放电过程中材料的体积效应,而且多孔结构还增加了活性物质CoO纳米片的比表面积,有利于电极材料储锂容量的提升。电化学性能测试表明,该CoO多孔纳米片阵列/碳布负极材料在100 mA·cm^-2的恒电流下, 首次放电容量1 862.8 mAh·cm^-2,首次循环库伦效率87.8%,在700 mA·cm^-2的电流密度下,经过100次的充放电循环后,材料的放电比容量仍保持在1 428.9 mAh·cm^-2。在1 000 mA·cm^-2的电流密度下,仍然有1 353.8 mAh·cm²的容量。该方法简便易行且原料成本低廉,可以降低锂离子电池柔性负极材料的成本。

g-C₃N₄催化石墨化碳质材料的制备及光催化性能研究

李悦, 王博, 朱晓丽, 刘昆

2021, 50(11): 2156-2163.

摘要 ( 73 )

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通常采用以氢氧化物作为造孔剂,过渡金属硝酸盐或氯化物作为石墨化催化剂的传统两步法策略制备多孔石墨化碳材料。然而制备过程中多涉及有毒和腐蚀性试剂,且多步骤的过程耗时较长。本文以双氰胺为原料通过热缩聚反应得到g-C₃N₄,采用高铁酸钾为催化剂一步法实现g-C₃N₄的同步碳化-石墨化,并研究其光催化性能。与传统的两步法相比,该方法耗时少、效率高、无污染。与初始的g-C₃N₄材料相比,石墨化g-C₃N₄衍生碳质材料不仅显著改善了可见光的吸收,而且大大增强了光催化活性。研究了不同石墨化温度对g-C₃N₄衍生碳质材料在可见光下降解甲基橙溶液的影响。700 ℃下制备的衍生碳质材料的降解率为12.4 mg/g。光电化学测试结果表明,多孔g-C₃N₄衍生碳质材料的光生载流子密度、电荷分离和光电流(提高了5.4倍)均得到显著提高。因此,该简便、灵活方法为提高g-C₃N₄衍生碳质材料的吸附和光催化性能提供了一种有前景的、高效的途径。

基于光子晶体的结构色隐形眼镜的构建及应用

王小美, 王昭, 郝凌云, 张小娟, 刘楚

2021, 50(11): 2164-2172.

摘要 ( 99 )

PDF (13763KB) ( 34 )

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光子晶体(photonic crystal, PC)是由不同折射率的介质周期性排列而成的微结构,因独特的对光波传播方式的调控能力,被广泛应用于能源转换、传感、显示和防伪领域。用于视力矫正的隐形眼镜具有长期佩戴安全性,为眼部生理参数(如葡萄糖、眼内压(IOP)、角膜温度和pH值等)的无创连续监测和药物递送提供了可穿戴平台。本文概述了光子晶体及隐形眼镜,主要论述了基于光子晶体的结构色隐形眼镜的构建策略及其在作为眼部传感和紫外防护方面的应用,最后对存在问题和发展前景进行了展望。

有机物结构诱导剂调控WO₃晶体晶面的研究进展

崔佳美子, 郑金友, 张凯迪, 翟自豪, 马炜, 张利利, 禹晓梅

2021, 50(11): 2173-2182.

摘要 ( 103 )

PDF (7572KB) ( 54 )

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太阳能半导体光催化技术由于其绿色无污染、可再生,有利于解决全球变暖问题等优点而受到国内外研究人员的广泛研究。由于半导体光催化剂的催化活性取决于其表面电子结构和原子结构,而这些结构又强烈地依赖于晶体层面,因此光催化剂的催化活性受到反应过程中暴露的晶面的显著影响。近年来,晶面调控工程已成为一种非常重要的半导体理化性质微调方法。三氧化钨(WO₃)半导体催化剂由于具有较好的光催化性能,常用作光电催化系统中的光阳极。本文针对目前国内外使用有机物(有机小分子及有机大分子)作为结构诱导剂对WO₃晶面调控的研究现状进行了综述,分析有机物对晶体晶面调控的规律和原理,寻找新的实验方向以及突破点,总结目前WO₃光电催化在实际生产生活中的应用,例如光电催化分解水、电致变色、气体传感器、有机污染物降解等,并对未来实验发展方向进行展望。

Ti₃C₂T_x MXene制备及在超级电容器中的应用研究进展

牛丽丽, 王培, 张丽, 刘彦彬, 付凤艳

2021, 50(11): 2183-2191.

摘要 ( 65 )

PDF (6045KB) ( 29 )

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二维材料(2D)MXenes因其具有高比表面积、高导电率、可溶液加工等特性,作为超级电容器电极材料受到广泛关注。本文中总结了基于HF和氟化盐的刻蚀、基于碱的刻蚀、电化学刻蚀、路易斯酸熔融盐刻蚀等几种Ti₃C₂T_x MXene的制备方法,综述了真空辅助过滤、阳离子自组装、逐层组装工艺、印刷工艺、组装MXene气凝胶和水凝胶等Ti₃C₂T_xMXene基电极材料的组装策略及其在超级电容器的应用。研究表明,不同制备方法和电极组装策略将会影响电极材料的结构和电化学性能。对Ti₃C₂T_x MXene的制备方法和电极组装策略进行了对比总结,指出了研究中存在的问题,并展望了MXene今后的研究方向。

退役磷酸铁锂电池的梯次利用和正极材料回收方法现状

刘梦宁, 李晓强

2021, 50(11): 2192-2203.

摘要 ( 127 )

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随着纯电动汽车的飞速发展,锂离子电池(LIBs)的消耗量日渐增大。磷酸铁锂电池(LFPBs)因安全性能优越、使用寿命长、原材料价格低廉、环境友好且技术成熟等优势,在市场上存量较大。因此退役磷酸铁锂电池报废量也逐年增加,对于其回收方法的研究迫在眉睫。基于此,文章总结了当前锂电池的梯次利用现状,包括退役磷酸铁锂电池性能测定的多种方法,不同余能适用的场合以及投资回报分析。并对磷酸铁锂电池中金属的回收工艺进行了对比,包括破碎、风选、涡电流、冷激等物理方法,浸出、沉淀、活化等化学方法以及生物浸出方法。介绍了修复再生磷酸铁锂(LFP)的相关技术,以期实现退役磷酸铁锂电池资源利用最大化,并为后续有关回收退役磷酸铁锂电池的研究提供技术参考。

中国半导体材料产业发展(开化)峰会暨半导体材料分会成立30周年庆祝大会成功举办

2021, 50(11): 2204-2204.

摘要 ( 44 )

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