人工晶体学报

兰飞飞, 刘莎莎, 房诗舒, 王英民, 程红娟

2024, 53(6): 913-921.

摘要 ( 132 )

PDF (6619KB) ( 91 )

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GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)在雷达、5G通信、航空航天等领域发挥了重要作用,随着GaN HEMT功率密度的提升,器件热效应显著,散热成为了GaN HEMT性能提升的瓶颈。解决GaN HEMT器件散热问题的有效途径是采用高导热的衬底材料取代现役的SiC、Si衬底。金刚石是目前已知热导率(＞2 000 W·m^-1·K^-1)最高的材料,高导热金刚石衬底能够全面解决GaN HEMT器件的热效应,成倍提升GaN器件的功率密度。本文阐述了金刚石基GaN的技术优势、主要实现途径,以及界面热阻对金刚石上GaN器件性能的影响。综述了国内外金刚石基GaN界面热阻控制的最新研究进展,分析了金刚石上GaN界面热阻研究过程中面临的主要问题和发展趋势。明确了在介质层材料选择有限的条件下,需要从GaN和金刚石的界面质量入手进一步降低界面热阻,提升GaN器件的性能。

硫属钙钛矿BaZrS₃及其制备的研究进展和展望

丁涛, 李晴雯, 徐玉琦, 钟敏

2024, 53(6): 922-929.

摘要 ( 88 )

PDF (1981KB) ( 61 )

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铅卤钙钛矿的毒性和稳定性仍然是当前待解决的研究难题,有必要寻求无毒、稳定的“神似”铅卤钙钛矿的新型光电材料。硫属钙钛矿ABX₃(X=S,Se)由于高度稳定、组成元素丰富且无毒,具有良好的光学和电学特性,可用于各种光电材料,成为关注的焦点。当前研究最广泛的硫属钙钛矿BaZrS₃具有合适的直接带隙、优异的光吸收、良好的载流子传输性能、优异的化学稳定性和环境友好性,极具发展潜力。本文综述了BaZrS₃在理论计算、粉体及薄膜材料制备方面的最新进展,尤其对BaZrS₃的制备做了深入分析,并对BaZrS₃研究中的关键问题进行了分析和展望。本综述将为新进入这一领域的研究者提供重要借鉴,促进安全、稳定、环境友好的新一代光电材料的进一步发展。

氧化铟基气敏材料的研究进展

李玉琦, 徐英, 梁士明

2024, 53(6): 930-946.

摘要 ( 54 )

PDF (15797KB) ( 29 )

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本文系统回顾了氧化铟(In₂O₃)基气敏材料的研究进展,并着重探讨了其在环境监测和安全领域的潜在应用。通过对氧化铟的结构、性质及其气敏传感机制的深入分析,详细介绍了不同合成方法(如水热法、化学气相沉积法等)对材料微观结构及性能的影响。本文还讨论了元素掺杂、材料负载、半导体复合等改性手段在提高气敏性能方面的应用,并分析了当前的研究挑战及未来发展方向,为氧化铟基气敏材料的进一步研究和应用提供了重要的视角和方向。

大尺寸优质Cr³⁺∶BeAl₂O₄晶体生长与性能研究

王鸿雁, 王世武, 聂奕, 张行愚, 张芳, 许辉, 李瑞茂, 匡永飞

2024, 53(6): 947-952.

摘要 ( 140 )

PDF (2488KB) ( 132 )

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本文采用感应加热提拉法结合上称重自动控径技术,成功生长出大尺寸、高质量的翠绿宝石(Cr³⁺∶BeAl₂O₄)晶体。晶坯等径圆柱体尺寸达到70 mm×140 mm,晶坯质量超过2 800 g。通过冷光源照射晶坯,发现晶坯中心区域10~15 mm存在气泡。采用5 mW绿光激光照射8 mm×130 mm的翠绿宝石晶体棒,晶体内部无散射颗粒。利用Zygo激光平面干涉仪对晶体棒进行测试,波前畸变为0.3λ@632.8 nm。用电感耦合等离子体原子发射光谱法测定了翠绿宝石晶体的铬离子掺杂浓度,并计算出轴向浓度梯度为0.5×10^-4~1.9×10^-4 cm^-1(摩尔分数)。用Perkin Elmer Lambda-950紫外可见近红外分光光度计测试了不同掺杂浓度的翠绿宝石晶体在室温下的吸收光谱,并计算了吸收系数。这些研究结果为翠绿宝石晶体的应用提供了重要的基础数据。

极化调控PIN-PMN-PT铁电单晶压电性能的均匀性

梁敏, 熊瑞彬, 陈淑丽, 王祖建, 苏榕冰, 苏彬, 刘颖, 何超

2024, 53(6): 953-958.

摘要 ( 99 )

PDF (3994KB) ( 58 )

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弛豫铁电单晶具有优异的压电性能,在医学超声换能器、水声器件等领域有重要应用。坩埚下降法生长的弛豫铁电单晶不可避免地存在组分偏析,导致材料利用率极低。本工作测试了0.24PIN-0.46PMN-0.30PT铁电单晶沿生长方向压电系数(d₃₃)和介电常数(ε₃₃^T/ε₀)的变化,结果显示d₃₃和ε₃₃^T/ε₀沿着生长方向变化极大,能保持性能接近的区域不足20 mm。通过针对不同区域的极化设计,对铁电-铁电相变温度接近的区域进行极化调控,使超过60%晶体部分的d₃₃和ε₃₃^T/ε₀分别维持在(1 500±140) pC·N^-1和4 900±350。为了验证极化调控后的晶体谐振区域是否一致,测试了两端区域的k₃₃振子的谐振谱,结果显示两者的机电耦合系数接近,谐振和反谐振的峰位置也接近,而且不存在额外的寄生振动,说明采用极化调控PIN-PMN-PT铁电单晶沿生长方向的均匀性是可行的。本工作为提高PIN-PMN-PT铁电单晶的利用率提供了一种参考方案。

Ib型金刚石单晶生长及合成腔体温度场分布研究

肖宏宇, 李勇, 田昌海, 张蔚曦, 王强, 肖政国, 王应, 金慧, 鲍志刚, 周振翔

2024, 53(6): 959-966.

摘要 ( 97 )

PDF (4431KB) ( 70 )

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本文利用六面顶压机,在5.7 GPa、1 560~1 600 K的压力温度条件下,分别采用15 mm和30 mm两种尺寸合成腔体,系统开展了Ib型金刚石单晶的晶体生长工作,并借助于有限元法对两种尺寸合成腔体的温度场分布进行了研究。首先,借助于有限元法分别对两种尺寸合成腔体的触媒温度场分布进行了模拟。模拟结果揭示了30 mm合成腔体温度场的均匀性要明显优于15 mm合成腔体。其次,金刚石晶体生长实验结果表明,采用15 mm合成腔体很难实现质量超过1.2 ct(1 ct=0.2 g)的优质Ib型金刚石单晶的生长,而30 mm合成腔体更适合用于生长大尺寸优质Ib型金刚石单晶。再次,扫描电子显微镜表面形貌测试结果表明,合成腔体尺寸的扩大不会对Ib型金刚石单晶的表面结晶质量产生显著影响。最后,拉曼光谱的测试结果表明,除了多晶金刚石的结晶质量较差,本研究两种腔体合成的其他金刚石单晶测试样品均具有较好的结晶质量。本研究对宝石级金刚石单晶大尺寸合成腔体的设计、大尺寸金刚石单晶的生长,以及多晶种法金刚石单晶合成技术的完善均具有一定的学术参考价值。

碳化硅晶片减薄工艺对表面损伤的影响

谢贵久, 张文斌, 王岩, 宋振, 张兵

2024, 53(6): 967-972.

摘要 ( 194 )

PDF (4648KB) ( 121 )

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随着碳化硅功率器件和芯片技术的快速发展,对碳化硅物理强度、散热性及尺寸要求越来越高,因而,对碳化硅晶片的减薄处理逐渐成为晶圆加工的重要课题。由于碳化硅材料断裂韧性较低,在减薄加工过程中易开裂,碳化硅晶片的高效率、高质量加工成为急需突破的瓶颈。本文基于碳化硅晶片的磨削减薄工艺技术,从加工过程及基础原理出发,通过研究磨削减薄工艺中四个主要参数(砂轮粒度、砂轮进给率、砂轮转速和工作台转速)对晶片表面的损伤,如崩边和磨痕的影响,提出前退火减薄工艺,以提高晶片加工质量,降低晶片表面损伤。本研究工作揭示了晶片减薄工艺技术调控表面质量的方法,并在实验加工过程中验证成功,相关研究结果对加工难度大的硬脆材料晶片减薄技术具有重要的指导意义。

尺寸效应对坩埚下降法生长氟化钙晶体影响机制的数值模拟分析

施宇峰, 王鹏飞, 穆宏赫, 苏良碧

2024, 53(6): 973-981.

摘要 ( 85 )

PDF (6815KB) ( 80 )

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高质量大尺寸氟化钙晶体是深紫外光刻、空天相机等高端应用不可或缺的光学材料,同时制备高质量大尺寸晶体也是晶体生长领域的难题。本文以数值手段分别模拟了3、7和20英寸(1英寸=2.54 cm)氟化钙晶体在不同生长阶段的传热、流动及相变过程。结果表明,晶体尺寸增加大幅加强熔体流动强度,而且造成坩埚外壁散热部分的面积急剧增加,由此引发固液界面局部凹陷、径向温差增大、晶体边缘-中心温差翻转、生长界面附近的轴向温梯大幅衰减等问题。此外,本文还就大尺寸氟化钙晶体生长中的坩埚下降速率和发热体功率的优化控制策略进行了探讨。

蓝宝石晶体纳米压入本构方程

刘婷, 李先昊, 郭耀军, 康森, 鲁雅荣, 何力军

2024, 53(6): 982-990.

摘要 ( 68 )

PDF (11041KB) ( 37 )

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应用有限元方法(FEM)结合神经网络优化及无量纲模型,建立了可统一描述蓝宝石不同晶面纳米压入行为的本构方程。采用纳米压痕方法对蓝宝石晶体的四个典型晶面(C、A、R、M)的表面微力学行为进行了研究,本构方程计算结果与实测结果对比表明:加载、卸载曲线均可由压入深度h的二次函数表达;加载曲线是压入面弹性模量E、屈服应力Y和加工硬化指数n的函数,卸载曲线则除此三个因素之外还与卸载位置(最大深度)h_max有关;对同一晶面而言,残余深度h_r正比于h_max,塑性功正比于h_max的三次方。结果还表明,对蓝宝石晶体这类难以应用常规力学性能试验研究手段的超硬高脆材料,利用本构方程结合纳米压痕试验,可以比较有效地获得其基本力学性能。

基于斯卡那维模型的离子晶体介电性能的研究

罗昊, 成鹏飞, 党子妍, 耿可佳, 孔存存, 秦新瑞, 苏耀恒

2024, 53(6): 991-998.

摘要 ( 66 )

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本文采用玻恩圆周轨道极化模型、双原子分子离子位移极化模型,分别计算了NaCl晶体中各离子的电子位移极化率和离子位移极化率。进一步采用点偶极子近似和双原子分子平均场近似,考虑在极化离子所产生的附加电场的作用下,基于斯卡那维模型计算出包含不同离子数目的NaCl晶体的有效电场结构系数,得到了与实测值更为接近的介电常数,与将晶体内部的有效电场视为外施宏观平均电场的Born理论计算值进行对比,误差值从11.4%降至4.3%。研究结果提供了通过斯卡那维模型精确计算离子晶体介电性能的新思路。

碱金属钼酸盐结构与性能关系的第一性原理研究

张博, 王云杰, 齐亚杰, 丁家福, 和志豪, 苏欣

2024, 53(6): 999-1007.

摘要 ( 71 )

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基于第一性原理比较研究Li₂MoO₄、Na₂MoO₄、K₂MoO₄和Rb₂MoO₄四种晶体的晶体结构、电子结构、原子布居、电荷密度分布和双折射率。研究结果表明四种晶体的带隙为直接带隙,禁带宽度相差不大,均在4.3 eV附近。随着碱金属原子半径增加,其电子轨道对能带的贡献会向高能侧靠近。键布居数和电子密度分布情况表明, Mo与O之间形成共价键,碱金属原子与O形成离子键。四种晶体中双折射率最高者为Rb₂MoO₄,其在1 064 nm处的双折射率为0.022 5。晶体折射率数据表明碱金属原子半径与双折射率正相关。本文研究可为钼酸盐在非线性光学晶体方面的应用提供一定的参考。

双频圆极化器

黄楷焱, 李阳, 李翔宇, 姚夏元

2024, 53(6): 1008-1015.

摘要 ( 47 )

PDF (5402KB) ( 16 )

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本文提出了一种新型的双频圆极化器,可以在22.1~24.2和30.1~33.2 GHz将入射电磁波分别转化为左旋圆极化波和右旋圆极化波。这两个通道正好覆盖了大气遥感中(23.8±0.2)和(31.4±0.1) GHz的两个观测通道,且此圆极化器在遥感观测通道内的插入损耗小于1 dB,轴比优于1.26,完全满足现有大气遥感在(23.8±0.2)和(31.4±0.1) GHz两个通带中的探测要求。该圆极化器使用了电路谐振的理论构建通带,以等效电路的方式进行初步分析,使用电磁仿真软件进行优化,最终完成了设计。

Sm³⁺掺杂Na₅Y(MoO₄)_4-y(WO₄)_y高热稳定性荧光粉的制备及发光性能研究

胡正开, 杨伟斌, 熊飞兵, 郭益升, 白鑫, 李明明

2024, 53(6): 1016-1025.

摘要 ( 50 )

PDF (8556KB) ( 30 )

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本文采用高温固相法合成了一系列Na₅Y_1-x(MoO₄)_4-y(WO₄)_y∶xSm³⁺(x=0~0.10, y=0~4)橙红色荧光粉。通过粉末衍射、透射电镜、常温/变温荧光发射谱、荧光激发谱、荧光动态衰减曲线和CIE色度坐标等光谱手段对荧光粉样品的光谱性能进行了研究。粉末衍射结果表明,合成的样品相位与Na₅Y(MoO₄)₄的标准相一致,Sm³⁺掺杂与引入(WO₄)^2-均未改变材料的相结构。在波长为406 nm光源的激发下,Na₅Y_0.92(MoO₄)₃WO₄∶0.08Sm³⁺荧光粉在643 nm附近橙红色荧光发射强度最高,继续增加Sm³⁺的掺杂浓度,存在荧光猝灭现象,浓度猝灭的主要原因归为电偶极-电偶极相互作用。研究发现,Na₅Y(MoO₄)₄基质中掺杂Sm³⁺会引起电负性改变和晶格畸变,在Na₅Y_1-x(MoO₄)₄∶xSm³⁺中引入(WO₄)^2-阴离子基团,可以弥补因掺杂Sm³⁺出现的缺陷,改善Na₅Y(MoO₄)₄∶xSm³⁺荧光粉的发光性能。在300~440 K,样品具有优异的热稳定性,荧光发射强度均超过室温时的96%;其CIE色度坐标均位于橙红光区域。以上结果表明新型Na₅Y_1-x(MoO₄)_4-y(WO₄)_y∶xSm³⁺橙红色荧光粉在WLED应用上有潜在价值。

一例吡嗪基联吡啶镍配合物的合成、晶体结构及性质研究

周云龙, 宋娟, 吴苗, 任传清, 靳玲侠

2024, 53(6): 1026-1033.

摘要 ( 50 )

PDF (5768KB) ( 33 )

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本文以多氮类化合物2,6-双(2-吡嗪基)-3,4′-联吡啶(dpyb)和Ni(NO₃)₃·6H₂O为原料,采用溶剂热合成法得到了一例新的镍配合物[Ni(dpyb)₂](NO₃)₂·(H₂O)₃,通过X射线单晶衍射、红外和拉曼光谱对配合物的结构进行了表征。结果表明,此配合物为单核结构,单核单元通过分子间氢键的连接作用形成双核结构。通过Crystal Explorer 21程序对该配合物进行了Hirshfeld表面分析,结果表明配合物中存在较强的氢键作用。采用Gaussian 09W和Gauss View 5.0软件,运用B3LYP/6-311G(d, p)法计算了配体和配合物的前线分子轨道及能带间隙,计算结果证明此配合物具有较高的稳定性。此外还对自由配体及配合物[Ni(dpyb)₂](NO₃)₂·(H₂O)₃的荧光性质进行了研究,研究结果发现,自由配体和金属Ni(Ⅱ)离子的配位,导致配合物的荧光强度减弱。

纳米Ag修饰S掺杂g-C₃N₄的制备及其光催化抗菌性能

祁君, 李嘉乐, 胡珊, 于小凤, 廖薇星, 黄世文, 徐秀泉

2024, 53(6): 1034-1041.

摘要 ( 45 )

PDF (6066KB) ( 20 )

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光催化灭活是公认的控制病原微生物最具前景手段之一。本文以尿素和硫代巴比妥酸为起始原料,通过热聚合反应制备S掺杂g-C₃N₄(SCN),随后采用光还原法将Ag纳米粒负载于SCN表面获得新颖的可见光响应型Ag/SCN抗菌材料。对所制备纳米材料进行XRD、SEM、TEM、XPS及UV-Vis DRS表征,并深入探讨其在可见光下灭活大肠杆菌(E. coli)的性能和机制。结果表明,Ag纳米粒均匀且牢固地负载在SCN表面,纳米材料表现出显著增强的可见光响应能力。当负载量为6%时,Ag/SCN-6呈现出最佳的光催化灭菌活性,60 min内能够将6.2 lg CFU·mL^-1 的E. coli全部灭活。自由基捕获实验结果表明,超氧自由基(·O^-₂)是灭活过程中最主要活性物种,它协同光生空穴(h⁺)和羟基自由基(·OH)主导了光催化抗菌的进程。

氧化亚铜改性四针状氧化锌晶须表面及其光催化性能研究

刘红, 刘花蓉, 范希梅

2024, 53(6): 1042-1050.

摘要 ( 46 )

PDF (5496KB) ( 12 )

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本文采用简便的液相还原法以乙二醇(EG)为还原剂,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为表面活性剂,制备了Cu₂O/T-ZnOw复合半导体催化剂样品,对样品的物相、微观形貌、禁带宽度、光致发光性能、光催化性能,以及可回收利用性能进行了详细研究。结果表明:随着PVP添加量的增加,四针状氧化锌晶须(T-ZnOw)表面沉积的Cu₂O由立方体形逐渐向球形转变;T-ZnOw表面沉积Cu₂O后可使半导体催化剂的禁带宽度(E_g)变窄,且能有效减少光生电子和空穴对的复合,使其光催化活性得到明显改善,紫外光照100 min时复合半导体催化剂对甲基橙(MO)溶液的降解率均提高到90%以上;复合催化剂中Cu₂O形貌不同其光催化活性有所差异,同等条件下,立方体形Cu₂O/T-ZnOw复合催化剂比球形Cu₂O/T-ZnOw表现出更好的光催化活性;同时复合催化剂样品展现出良好的可回收利用性能,经过六个周期的回收循环光催化降解试验后,样品对MO溶液的降解率仍能保持在80%以上。

基于密度泛函理论的NaTaO₃的结构设计及光催化抗菌性能研究

汪涛, 张于浩, 殷海荣

2024, 53(6): 1051-1060.

摘要 ( 39 )

PDF (17970KB) ( 40 )

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NaTaO₃光催化剂因高的化学稳定性和热稳定性,以及环境友好性可以满足不同领域的需求。通过离子掺杂可以调节NaTaO₃的电子结构和性能,本文基于密度泛函理论研究了钙钛矿型Na_0.75B_0.25TaO₃(B=Cr, Mn, Fe, Cu, Zn)的电子结构和光学性质,分析了不同过渡金属掺杂对NaTaO₃的能带结构和电子态密度的影响。研究发现Cr、Mn、Fe和Zn掺杂使NaTaO₃呈现金属性质,Na_0.75Cu_0.25TaO₃则呈现半导体性质并且禁带宽度缩小到1.35 eV。掺杂Cu后会引起新的能级(Cu 3d和Cu 4s)在禁带中出现,这些新的能级位于禁带的中心,会导致禁带向导带移动。此外,Cu掺杂体系的吸收光谱发生了红移并且可将光吸收波长扩展到800 nm。接着,探索了NaTaO₃和Na_0.75Cu_0.25TaO₃的光催化抗菌性能,结果表明Cu离子调控后的光催化剂对金黄色葡萄球菌(S. aureus)的杀菌效率为99.99%,并对杀菌机理进行了分析。

基于水热合成法制备的MoO_3-x纳米槽SERS基底的特性研究

舒敏, 梁俊辉, 陈达, 陈招, 秦来顺

2024, 53(6): 1061-1068.

摘要 ( 44 )

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表面增强拉曼散射(SERS)技术可以快速检测微量分子,在医药材料分析、有害物残留、食品安全等领域受到广泛关注。而SERS对被检测物质的响应极限则取决于基底性能,并直接影响最终检测效果。本文着眼于增加基底的比表面积及其与被检测物之间的光诱导电荷转移能力,通过简单的水热合成法成功制备出具有氧空位缺陷的MoO_3-x纳米槽。结合X射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见光谱(UV-Vis)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)等手段,对MoO_3-x纳米槽的电子结构、光学性质和表面化学环境进行了分析。使用MoO_3-x纳米槽作为SERS基底,对罗丹明6G(R6G)、结晶紫(CV)和玫瑰红B(RhB)三种有机染料分子进行了检测,实验结果显示,其对R6G的检测极限可以达到10^-10 mol/L,与同类型的半导体基底相比,它具有更好的拉曼增强活性。

电化学沉积法制备ZnO厚膜工艺研究

李岗归, 黄丹阳, 赵小龙, 蔡亚辉, 贺永宁

2024, 53(6): 1069-1077.

摘要 ( 49 )

PDF (19536KB) ( 12 )

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X射线具有较高的光子能量,这使得其在ZnO材料中具有大的穿透深度,因此为了更有效地探测X射线,需要制备出微米甚至百微米厚度的ZnO膜。本文采用电化学沉积法快速制备14.85 μm厚的ZnO膜。实验结果表明,沉积电势和电极材料会显著影响ZnO膜的沉积速率与表面形貌。随着沉积电势的升高,ZnO形貌由六角柱状结构变为片状结构,当电势过大时会有大量氢气生成,导致薄膜孔洞增加而无法成膜。使用金属Pt为阳极电极时,溶液会逐渐酸化,导致ZnO在沉积的同时也会溶解,当二者速率相一致时,ZnO膜厚便不再增加,因此不适合生长ZnO厚膜。而使用金属Zn为阳极电极时,溶液的pH值基本保持不变,更适合生长ZnO厚膜。使用金属Zn作为阳极电极,沉积电势为0.65 V,电解液浓度为0.4 mol/L时,实现了1 h生长14.85 μm的ZnO厚膜。在5 V偏压下,基于ZnO厚膜的探测器对加速电压为40 kV的X射线的响应度可达66.8 μC·Gy^-1·cm^-2。

水系锌离子电池LaF₃涂层对锌负极的改性研究

刘雨秋, 杨娟, 李欣, 龙欢, 吴贤文, 吴湘思

2024, 53(6): 1078-1085.

摘要 ( 45 )

PDF (13245KB) ( 25 )

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氟化镧层是一种绝缘体,其耐腐蚀性和低极化有利于促进锌离子的扩散和抑制析氢,降低电极界面阻抗。本文采用旋涂法将沉淀法制备的氟化镧涂覆到商业锌片上,研究其对锌枝晶及全电池电化学性能的影响。结果表明:氟化镧涂层大幅降低了Zn²⁺的成核能垒和成核过电位。Zn@LaF₃对称电池在1.0 mA·cm^-1的电流密度下具有超长的循环寿命(超过3 000 h)。Zn@LaF₃||VO₂全电池即使在大电流密度下循环3 000次后仍保持75.8%的容量(116 mAh/g),远高于Zn||VO₂全电池(33 mAh/g)。氟化镧作为锌负极涂层,为无枝晶锌负极和高性能水系锌离子电池的构建提供了一种实用的方法。

我国1000 kg级超大蓝宝石晶体生长技术取得重要突破

2024, 53(6): 946-946.

摘要 ( 65 )

PDF (1838KB) ( 104 )

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