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2025年 第54卷 第12期
刊出日期：2025-12-20

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上一期   

综合评述

立方碳化硅外延生长的研究进展

卢正轩, 李忱, 周超, 卢远豪, 李浩潮, 柯善明, 唐叔贤

2025, 54(12):  2037-2059.  doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0127

摘要 ( 81 )   HTML ( 2)   PDF (8193KB) ( 65 )  

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碳化硅（SiC）作为第三代宽禁带半导体材料，因优异的电学、热学与力学性能，在高温、高压、高频功率电子器件中具有广泛的应用前景。作为SiC的重要多型之一，立方相碳化硅（3C-SiC）具有更高的电子迁移率、更低的界面陷阱密度及更优的沟道性能，在中等电压范围内展现出较强的器件竞争力。本文综述了3C-SiC外延生长的研究进展，重点比较了化学气相沉积与升华外延法在生长工艺、缺陷演化及衬底选择方面的技术特点，分析了点缺陷、堆垛层错、反相畴界、表面凸起和应力等关键结构缺陷的形成机制及其对材料与器件性能的影响。此外，本文还总结了基于3C-SiC的功率二极管、MOSFET及异质结构器件的最新研究成果，展望了通过衬底工程、缺陷调控及工艺优化等手段提升3C-SiC外延质量与器件性能的未来发展方向。

TBC太阳电池技术研究进展

高嘉庆, 屈小勇, 吴翔, 郭永刚, 伍伟雄, 张博, 魏凯峰

2025, 54(12):  2060-2071.  doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0199

摘要 ( 41 )   HTML ( 0)   PDF (1719KB) ( 25 )  

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隧穿氧化钝化背接触（TBC）太阳电池作为第三代高效晶硅光伏技术的代表，深度融合了TOPCon技术的优异界面钝化特性与背接触（IBC）电池的零正面遮光优势，显著降低了光吸收损失与载流子复合，推动实验室转换效率逼近28%。本文系统阐述了TBC电池的核心结构原理与技术特点，重点分析了其在光学性能、钝化性能和接触性能方面的突破机制，详细介绍了背面图形化设计、钝化接触结构制备、金属化工艺等关键制备技术。同时，综述了TBC技术的演进历程与最新研究进展，指出其在产业化过程中面临的工艺复杂度高、双面率提升、成本控制及供应链配套等挑战，以期为后续技术优化与规模化应用提供参考依据。

研究论文

物理气相传输法生长大直径碳化硅单晶多型夹杂缺陷控制研究

卢嘉铮, 胡润光, 郑丽丽, 张辉, 胡动力

2025, 54(12):  2072-2082.  doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0151

摘要 ( 103 )   HTML ( 15)   PDF (4211KB) ( 118 )  

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本文针对物理气相传输（PVT）法生长8英寸（1英寸=2.54 cm）N型4H-SiC晶体过程中的6H-SiC多型夹杂控制问题，通过实验与数值模拟相结合的方法进行了研究。首先采用射频加热系统开展实验得到6H-SiC多型夹杂的出现时刻和位置，并对晶体生长全过程数值模拟，跟踪晶体生长界面边缘的温度及其附近碳过饱和比随时间的变化趋势，构建6H-SiC多型夹杂形成的临界条件判据。再基于该判据，对典型大尺寸多温区电阻加热式PVT生长系统，建立工艺参数与6H-SiC多型夹杂缺陷的相关关系。研究结果发现，对于给定的生长系统，增大上/下加热器功率比和氩气环境压力，有利于抑制6H-SiC多型夹杂形成。

温度梯度对PVT法生长大尺寸SiC断裂应力的影响

许彬杰, 陈鹏阳, 卢圣瓯, 宣玲玲, 王安琦, 王帆, 皮孝东, 杨德仁, 韩学峰

2025, 54(12):  2083-2100.  doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0109

摘要 ( 66 )   HTML ( 6)   PDF (6397KB) ( 49 )  

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断裂应力是制约物理气相传输（PVT）法制备碳化硅（SiC）单晶直径突破200 mm的关键。本研究通过对比计算4°离轴与正轴生长条件下的断裂应力，发现两者的断裂应力行为高度相似：基平面滑移对断裂应力的影响在两种生长条件下可忽略不计，而棱柱面滑移的影响几乎完全相同。此外，研究阐明了温度梯度对断裂应力的影响机制，证实了高温条件下断裂应力几乎全部由径向温度梯度主导，轴向温度梯度的贡献可忽略不计。通过模拟晶体形貌随时间的演化过程及晶体凸度与直径的变化，进一步揭示了断裂应力大小与径向温度梯度之间的关联规律。本研究为理解断裂应力与温度梯度的内在关系提供了新的见解，对预防PVT法生长过程中的SiC晶体断裂具有指导意义。

磁场强度对12英寸Cz单晶硅COP缺陷均匀性的影响

王忠保, 张友海, 刘天培, 倪浩然, 芮阳, 马成, 王黎光, 曹启刚, 杨少林

2025, 54(12):  2101-2111.  doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0130

摘要 ( 46 )   HTML ( 1)   PDF (3795KB) ( 27 )  

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在半导体制造中，直拉（Cz）法生长的单晶硅是微电子器件的核心基材，其晶体完整性及缺陷分布对芯片良品率和可靠性至关重要。然而，Cz法生长过程中晶体原生颗粒（COP）缺陷径向分布不均匀的问题亟待解决。本文通过数值模拟与实验研究，探讨了不同横向磁场强度（500和3 000 Gs）对12英寸（1英寸=2.54 cm）Cz单晶硅拉制过程中熔体对流、熔体温度分布及固液界面温度梯度的影响，并分析了磁场强度对COP分布均匀性的作用机制。结果表明：3 000 Gs磁场强度下的熔体流动、温度分布及固液界面温度梯度更加稳定，有利于形成低密度且均匀的COP分布；而500 Gs磁场强度下，晶棒从头到尾的COP均呈现出高密度且不均匀的分布。实验结果与数值模拟结果一致，验证了磁场强度对COP分布均匀性的显著影响。本研究为优化Cz法单晶硅生长工艺、提高晶体质量提供了理论依据和实践指导。

Gd₃(Al,Ga)₅O₁₂∶Ce闪烁屏的同步辐射X射线成像研究

李铭清, 赵书文, 封晶, 郑祥, 郭瀚, 袁兰英, 丁栋舟, 冯鹤

2025, 54(12):  2112-2118.  doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0176

摘要 ( 70 )   HTML ( 4)   PDF (2736KB) ( 53 )  

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Gd₃（Al，Ga）₅O₁₂∶Ce（GAGG）闪烁体综合性能优异，是高空间分辨率闪烁屏的重要候选材料。探究GAGG闪烁屏空间分辨率的影响因素是一项重要且极具挑战的任务。本工作制备了一系列GAGG单晶闪烁屏，测试了其光学与闪烁性能，通过Geant4模拟计算了理论空间分辨率，在上海同步辐射光源（SSRF）BL13HB光束线站开展了成像试验。结果表明，GAGG闪烁屏对生物组织与工业芯片具有优异的成像效果。GAGG闪烁屏的理论空间分辨率为0.4 μm，本实验最高可实现0.9 μm（555 lp/mm）。对比发现，闪烁屏厚度在0.3~1 mm变化不会对空间分辨率产生显著影响，空间分辨率对闪烁屏的表面状态和光学透过率更敏感。因此，在后续制备GAGG闪烁屏的过程中，可不用过分追求超薄厚度，而应将更多注意力放在如何提高单晶光学质量，比如优化生长工艺，减少包裹体；改进抛光工艺，提升闪烁屏表面光洁度。

压力辅助烧结Gd₂O₂S∶Tb闪烁陶瓷的微结构及性能研究

吴俊林, 黄东, 胡辰, 李廷松, 杨文钦, 蒋兴奋, 周健荣, 孙志嘉, 李江

2025, 54(12):  2119-2126.  doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0134

摘要 ( 51 )   HTML ( 3)   PDF (3338KB) ( 21 )  

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Gd₂O₂S∶Tb闪烁陶瓷具有高的X射线阻止能力、高光输出、优异的光谱匹配性能、低生产成本等优势，是极具应用潜力的安检X射线计算机断层扫描用闪烁材料。本工作以Gd₂O₃粉体、Tb（NO₃）₃及H₂SO₄为原料，通过热水浴还原法合成了Gd₂O₂S∶Tb纳米粉体。采用热压烧结结合热等静压烧结（HIP）后处理制备了纯相Gd₂O₂S∶Tb陶瓷。系统探究了热压烧结温度（975~1 100 ℃）及HIP后处理温度（1 050~1 350 ℃）对Gd₂O₂S∶Tb陶瓷微观结构、光学透过率及闪烁性能的影响。随着热压烧结温度由975 ℃升高至1 100 ℃，热压后陶瓷内的气孔数量减少，相对密度由91.4%提升至98.9%。随着HIP温度从1 050 ℃升高至1 350 ℃，Gd₂O₂S∶Tb陶瓷的相对密度逐渐提高，更高的HIP处理温度促进了陶瓷内气孔的排出。因此，相较于1 050和1 200 ℃ HIP后处理温度，1 350 ℃ HIP后处理的Gd₂O₂S∶Tb陶瓷光学总透过率更高。经过热压烧结（1 050 ℃×1.5 h，60 MPa）结合HIP后处理（1 350 ℃×3 h，176 MPa Ar气氛）制备的Gd₂O₂S∶Tb陶瓷（厚度为1 mm）光学总透过率最高，为20.3%@545 nm，由于对闪烁光的有效提取，其也具有最高的X射线激发发光强度。

三螺旋梁声子晶体的低频带隙仿真研究

薛静怡, 胡启国, 颜招强, 刘瀛, 张丕柱

2025, 54(12):  2127-2135.  doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0138

摘要 ( 40 )   HTML ( 0)   PDF (3181KB) ( 25 )  

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针对工程中的低频振动控制问题，本文设计了一种三螺旋梁声子晶体结构，采用有限元法和等效模型进行深入研究，发现该结构具有良好的低频减振特性。研究结果表明：该声子晶体在47~99 Hz产生带隙；带隙频段内有效质量呈现负值特性，验证了全反射隔振机理；传输损耗数值模拟进一步证实了带隙范围内振动能量的显著衰减；该声子晶体结构对不同工作条件下的线性载荷、点载荷及扭矩均表现出优异的隔振性能。参数优化研究结果表明，通过调节螺旋板厚度、螺旋槽宽度及增大圆柱体振子半径等几何参数，能够实现更低频率和更大带宽。本研究对于解决低频振动控制问题具有一定参考意义和工程应用价值。

微下拉法生长GdAlO₃-Al₂O₃共晶微结构演化机理研究

刘振, 许锦涛, 朱汕林, 廖灿媛, 胡宏伟, 钟幸原, 钟玖平

2025, 54(12):  2136-2145.  doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0141

摘要 ( 43 )   HTML ( 4)   PDF (7437KB) ( 12 )  

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GdAlO₃（GAP）-Al₂O₃氧化物共晶材料因具有高抗弯曲强度、优良的高温抗蠕变性能和抗氧化性能，广泛应用于高温结构材料。共晶的微观结构直接影响共晶材料的性能，而定向凝固技术能使共晶材料的微结构组织按一定方向排列，获得具有特定结构的共晶材料。微下拉定向凝固技术用于生长共晶材料，具有温度梯度大、生长速率调控范围广、生长周期短及生长过程可视等优点。本工作采用微下拉法（μ-PD）生长了GAP-Al₂O₃共晶，通过XRD和SEM对GAP-Al₂O₃共晶微观结构进行了研究。结果表明，共晶生长速率和温度梯度直接影响共晶的微观结构，在共晶生长过程中，随着微下拉生长速率的增加，共晶微结构逐渐从无序变为有序。通过对共晶微观结构演化机理进行研究，优化生长条件，可获得微观结构排列有序的大尺寸共晶材料，促进有序共晶材料在高分辨探测成像、激光显示与照明、光存储与高温荧光探测等领域的应用。

Li⁺掺杂YPO₄∶Dy³⁺荧光粉的诱导相变与发光性能优化

詹畯伟, 阮勇奇, 陈志强, 温磊, 彭思艳, 杨流赛

2025, 54(12):  2146-2155.  doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0179

摘要 ( 27 )   HTML ( 0)   PDF (2894KB) ( 15 )  

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本文以水热法结合高温煅烧制备了一系列不同Li⁺掺杂浓度的YPO₄∶Dy³⁺荧光粉，系统研究了Li⁺共掺杂对YPO₄∶Dy³⁺荧光粉的结构、形貌和发光性能的影响。XRD结果表明，Li⁺掺杂促进了YPO₄·0.8H₂O从六方相到四方相的转变，且Li⁺可以取代Y³⁺的晶格位置或占据间隙位置。SEM结果显示，随着Li⁺掺杂浓度的增加，荧光粉形貌由六棱柱状向球形颗粒转变，同时平均粒径逐渐减小。通过荧光光谱分析，适量Li⁺掺杂能够显著提高YPO₄∶Dy³⁺荧光粉的发光强度，当Li⁺掺杂量为5%时，其发光强度达到最大值，约为未掺杂样品的2.3倍。同时，Li⁺掺杂还可以改善荧光粉的热稳定性。随着Li⁺掺杂量的增加（x=1%~7%），YPO₄∶5%Dy³⁺，xLi⁺荧光粉的CIE色度坐标值从（0.233， 0.283）逐渐变化至（0.238， 0.289）。研究结果表明，Li⁺共掺杂是调控YPO₄∶Dy³⁺荧光粉发光性能的有效手段，并为该荧光粉在白光LED领域的应用提供了理论依据和实验基础。

新型酰基硫脲CCT的合成、晶体结构及与小牛胸腺DNA相互作用的研究

姜敏, 熊梓涵, 张彤, 杨雨茹, 李慧茹, 刘艳, 赵夏

2025, 54(12):  2156-2163.  doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0149

摘要 ( 25 )   HTML ( 1)   PDF (2861KB) ( 13 )  

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以硫氰酸铵、间氯苯甲酰氯、邻氨基苯甲酸为原料，通过“一步法”合成了新型酰基硫脲衍生物N-（3-氯苯甲酰基）-N′-2-羧基苯甲酰基硫脲（N-（3-chloro-benzoyl）-N′-2-carboxy benzoyl thiourea， CCT），采用单晶X射线衍射（SXRD）、核磁共振波谱、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、紫外光谱及荧光光谱等手段进行表征，SXRD结果表明其为单斜晶系，P2₁/c空间群。通过多光谱学（紫外吸收光谱及荧光竞争取代）结合分子模拟对接技术，测定了目标硫脲与小牛胸腺DNA的相互作用，结果表明二者以沟槽作用方式形成了复合物，基本没有破坏DNA完整的双螺旋结构，氢键为其主要作用力。

锗铅合金中非替位点缺陷的第一性原理研究

贾梦江, 黄文奇, 王海, 郑军

2025, 54(12):  2164-2172.  doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0142

摘要 ( 29 )   HTML ( 0)   PDF (3628KB) ( 7 )  

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锗铅合金是当前最有前景的硅基高效发光材料之一，但在生长过程中铅容易发生表面偏析，导致很难获得高质量且高铅组分的合金。本文从铅表面偏析的微观机制入手，采用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算方法，研究不同铅组分锗铅合金中替位铅和非替位点缺陷（VPbV）的性质随铅组分和掺杂条件的变化规律。研究表明，随着铅组分增加，替位铅的形成能升高，VPbV的形成能降低，这表明铅更容易发生表面偏析。当锗铅掺杂氢元素时，替位铅的形成能相对于未掺杂时降低，VPbV形成能相对于未掺杂时升高，这表明掺氢有助于抑制铅的表面偏析。并且，氢浓度越大，抑制铅表面偏析的效果越好。这些理论结果很好地解释了铅表面偏析的实验规律。本研究不仅可为锗铅合金的材料生长提供理论指导，相关的研究思想方法还可以扩展到其他IV族合金的研究中。

SnSe单层对N₂O和HCN吸附行为的密度泛函理论研究

吴家隐, 卫静婷, 黎斌, 李宗宝, 莫秋燕

2025, 54(12):  2173-2180.  doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0163

摘要 ( 21 )   HTML ( 1)   PDF (1984KB) ( 7 )  

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本文基于密度泛函理论，对β-SnSe单层表面吸附N₂O和HCN气体分子的几何构型、电子结构及传感性能进行了全面分析。研究结果表明，SnSe对这两种气体均呈现出物理吸附，其中对HCN的相互作用更强。吸附能分析显示吸附过程具有放热特性，有利于在室温条件下实现气体分子的自发捕获。HCN的吸附显著提升了费米能级附近的态密度，进一步提升了SnSe的电导率。SnSe单层还表现出优异的可逆性，在常温下对两种气体均具备快速恢复能力。此外，该材料在1.2 V偏压下对HCN的响应灵敏度可达61.7%，远高于N₂O，这一结果也优于其他二维材料对HCN的灵敏度，进一步凸显了SnSe在HCN探测中的优异性能。本研究不仅提示了SnSe单层材料对HCN的传感机制，也为开发低成本、高敏感度且可重复使用的现场实时监测的气体传感器提供理论。

Bi³⁺/Eu³⁺共掺杂Zn₂GeO₄荧光粉的制备与光学性能研究

王利, 宋昱轩, 郭会, 杨登涛, 黄旖旎, 杨云伟, 吴冬妮

2025, 54(12):  2181-2189.  doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0131

摘要 ( 30 )   HTML ( 1)   PDF (6069KB) ( 4 )  

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通过水热法成功合成了一系列Bi³⁺/Eu³⁺共掺杂Zn₂GeO₄荧光粉（Zn₂GeO₄∶0.20Eu³⁺，xBi³⁺，x=0.05~0.30），结合X射线衍射（XRD）、激发/发射光谱、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）及第一性原理计算，研究了其结构、形貌、发光性能及能带调控机制。研究结果表明，Eu³⁺和Bi³⁺已成功掺杂进入Zn₂GeO₄基质晶格，其中Eu³⁺占据Zn²⁺的晶格位点，且Bi³⁺掺杂未引起杂相。通过第一性原理计算得出Zn₂GeO₄∶0.20Eu³⁺，xBi³⁺为间接带隙，费米能级（0.368 8 eV）穿越导带，表现出近金属性，增强了发光性能。在最佳Bi³⁺掺杂浓度（x=0.30）时，Bi³⁺作为高效的敏化剂，将吸收的紫外光能量传递给Eu³⁺的激发态能级（⁵D₂和⁵D₁），使Eu³⁺在384 nm（⁷F₀→⁵D₂）和534 nm（⁷F₀→⁵D₁）处的激发响应及特征红光发射（⁵D₀→⁷F₂，616 nm）显著增强。该荧光粉具有的高效红光发射和可调发光能力，为固态照明材料设计提供新思路。

4-氯苯磺酸钠多功能添加剂实现高效碳基CsPbI₂Br太阳能电池

黄成, 钱艳楠

2025, 54(12):  2190-2199.  doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0121

摘要 ( 63 )   HTML ( 2)   PDF (3478KB) ( 21 )  

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碳基无空穴传输层CsPbI₂Br钙钛矿太阳能电池因低廉的制备成本和优异的热稳定性而备受关注。然而，由于CsPbI₂Br薄膜在快速结晶过程会产生高密度缺陷，引起陷阱辅助的非辐射复合与离子迁移问题，显著加剧器件能量损失与性能衰退。本研究采用简单实用的添加剂策略，通过4-氯苯磺酸钠（Na-4Cl-BZS）中阴（4Cl-BZS^-）阳（Na⁺）离子的协同作用调控CsPbI₂Br结晶、钝化缺陷。研究发现，4Cl-BZS^-阴离子通过苯环两端的—SO₃^-和—Cl官能团与Pb²⁺形成配位结合，钝化低配位的Pb²⁺，提高卤素空位缺陷形成能，并促进钙钛矿多晶薄膜沿（100）晶面择优取向生长，从而获得高质量CsPbI₂Br薄膜。此外，金属Na⁺通过间隙位掺杂显著提高了卤素离子的迁移势垒，提升钙钛矿晶体稳定性。得益于阴阳离子的协同作用，所制备的碳基无空穴传输层CsPbI₂Br钙钛矿太阳能电池实现13.07%的光电转换效率，同时显著提升开路电压（1.18 V）和填充因子（74.26%）。

碘化甲脒锡钙钛矿太阳电池光电性能仿真研究

江静雯, 罗苑幸, 王美珍, 黄柯雯, 罗国平, 朱伟玲

2025, 54(12):  2200-2208.  doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0137

摘要 ( 29 )   HTML ( 0)   PDF (2885KB) ( 4 )  

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碘化甲脒锡（FASnI₃）因环境友好、高吸收系数和合适的带隙等优点，成为替代铅基钙钛矿材料的热门候选材料。本文采用SCAPS仿真软件对p-i-n结构为阳极/空穴传输层/FASnI₃/电子传输层/阴极的平面型FASnI₃钙钛矿太阳电池进行仿真研究。基于实验结果构建初始仿真模型，并探讨载流子传输层材料、钙钛矿层参数、界面缺陷态密度和工作温度对FASnI₃钙钛矿太阳电池光电性能的影响。仿真结果表明，采用30 nm厚的CuI作为空穴传输层，将器件能量转换效率从9.56%提升至10.64%。以此为基础分析钙钛矿层厚度、缺陷态密度和电子亲和能，电子传输层厚度，界面缺陷态面密度和工作温度对器件光电性能的影响。优化后FASnI₃钙钛矿太阳电池有望实现26.63%的能量转换效率，相应的开路电压为1.127 V，短路电流密度为28.08 mA·cm^-2，填充因子为84.13%。仿真结果对实验提升FASnI₃钙钛矿太阳电池的光电性能参数提供了理论参考。

Li_1.3Al_0.3Ti_1.7(PO₄)₃包覆LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂正极材料的电化学性能研究

姚年春, 何玉林, 张闽, 王自强

2025, 54(12):  2209-2216.  doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0126

摘要 ( 21 )   HTML ( 1)   PDF (4342KB) ( 4 )  

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本文采用共沉淀法制备Ni_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂（OH）₂前驱体，通过煅烧制备了LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂（NCM811）正极材料，分别采用1%、2%和3%（质量分数，下同）的Li_1.3Al_0.3Ti_1.7（PO₄）₃（LATP）对NCM811进行包覆改性研究。结果表明：当LATP包覆量为2%时，在3.0~4.3 V条件下循环350次后，容量的保持率为84.65%，而未包覆的NCM811在同样条件下的容量保持率为80.58%。倍率性能测试结果表明，在10 C时，2%LATP样品的放电比容量为117.1 mAh·g^-1，未包覆的NCM811样品为101.8 mAh·g^-1。适量的LATP包覆可提高锂离子扩散速率，优化离子传输路径，同时，LATP作为包覆层可以避免正极材料与电解液的直接接触，减少副反应的发生，从而降低界面阻抗，提高循环寿命。