采用二酮吡咯并吡咯基半导体聚合物PDVT-10与新型碳纳米材料碳量子点(CQDs)复合,通过溶液法制备了平面异质结薄膜有机光电晶体管(OPT)。PDVT-10/CQDs薄膜叠加了PDVT-10和CQDs的光学特性,在紫外至近红外的宽频范围显示了很高的光吸收能力。相较于纯PDVT-10光电晶体管,PDVT-10/CQDs平面异质结OPT展现出更优异的宽谱光电探测性能,在450 nm激光照射下,器件的光响应度达2.6×10⁴ A/W,比探测率达2.4×10¹³ Jones,最大光灵敏度超10⁴;在808 nm光照下,光响应度甚至高达4.4×10⁴ A/W,比探测率达1.2×10¹³ Jones。根据OPT光响应过程的探究,PDVT-10/CQDs异质结器件的性能提升源于界面处合适的能级排布增强了激子的解离效率、促进电荷分离,并有效减少了空穴-电子复合几率,同时PDVT-10高空穴迁移率有助于形成高效的电荷传输通路。研究为发展高性能有机光探测器件中提供了一条重要途径。

医用高频超声换能器广泛应用于人体及生物组织的精细结构成像。1-3型压电复合材料因具有较高的机电耦合系数和较低的声阻抗而成为高频超声换能器的核心材料。基于有限元计算和软模板法设计制备了高性能Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃陶瓷/环氧树脂压电复合材料,并对材料进行了系统的电学性能测试。结果显示该1-3型压电复合材料具有优异的声学综合性能,其厚度伸缩模式机电耦合系数k_t达到70.1%,其声阻抗Z_a达19.05 MRayl。利用该材料制备了高频超声换能器,其-6 dB带宽达85%,插入损耗为17.7 dB。结果表明使用软模板法制备的压电复合材料具有适合于超声成像的优异的综合性能,有望促进高频超声换能器的商业化应用。

利用苯并噻二唑基半导体聚合物PffBT4T-2DT与弹性体聚合物聚二甲基硅氧烷(PDMS)通过溶液相共混,采用旋涂法制备共混薄膜。并采用层压转移法构筑共混薄膜有机场效应晶体管(OFET)来研究薄膜的电荷传输特性随拉伸应变的变化。结果显示,PffBT4T-2DT/PDMS共混薄膜中诱发垂直相分离结构,即PffBT4T-2DT组分富集在薄膜下层而PDMS集中在上层。PDMS引入还导致PffBT4T-2DT骨架链堆垛结构的改变,促使分子链间倾向于edge-on堆积方式。相比纯PffBT4T-2DT薄膜,共混薄膜具有优异的可拉伸性能,使其在100%的高拉伸应变下仍保持较高的载流子迁移率。这源于弹性的PDMS基体有效地耗散拉伸产生的薄膜内部能量。基于柔性薄膜结构表征,分析了薄膜微结构与其力学性质和电荷传输性能间的内在联系。

以初始厚度为50 μm的国产聚丙烯(PP)多孔膜(PQ50)为原材料,通过微结构调控制备了不同厚度的压电驻极体膜,并对比研究了其与芬兰VTT开发的商用PP多孔压电驻极体膜HS70的压电和声学性能。结果表明薄膜的杨氏模量与厚度呈U型依赖关系,杨氏模量在厚度为60~65 μm时出现谷值。PP压电驻极体膜的极化呈现阈值行为,在阈值电压以上,压电d₃₃系数随着极化电压的上升而显著增加。当极化电压为6kV时,厚度为60 μm的PQ50多孔膜d₃₃达355pC/N,而HS70的d₃₃系数为179 pC/N。在1~10N的静态力范围内,两类PP多孔膜驻极体的压电d₃₃系数先下降后趋于平稳。以PQ50(厚度60 μm)和HS70为振膜制作的超声换能器,其振幅分别为170和26 mV,带宽分别为320和180 kHz,因此,国产PQ50薄膜经微结构调控处理后表现出优于商售VTT薄膜的压电与声学性能。

随着环境污染和能源危机的日益严峻,发光纤维的研究与应用引起广大科研人员的关注。发光纤维不仅具有普通纤维良好的机械性能,还具有可发光、环境友好性、生物相容性、抗老化性、以及可持续发光等诸多优点。发光纤维主要分为荧光纤维和夜光纤维两类, 而夜光纤维又可以进一步分为自发光和蓄光纤维。发光纤维可以通过吸收外界能量-储存能量-散发出光子这一周而复始的过程实现发光。发光纤维的使用可缓解资源匮乏的问题也符合我国节能减排的需求。通过对发光纤维的分类及发光机理、制备方法以及应用等方面代表性文献进行了梳理和总结,以期为发光纤维的深入研究提供一定的理论支持。

铁电晶体BaTiO₃已经被广泛应用于介电和压电元件领域中,但BaTiO₃存在多个相变温度,尤其是发生在室温附近的相变,会严重损害晶体质量。为了对BaTiO₃的性能进行改良,考虑对BaTiO₃晶体进行掺杂。基于第一性原理,计算了不同Ca含量掺杂BaTiO₃的电子结构和光学性质,即Ba_1-xCa_xTiO₃(x=0, 0.125, 0.25,0.5)。通过研究发现,在电子结构方面,BaTiO₃是直接带隙半导体,其禁带宽度为1.74 eV,掺杂Ca导致BaTiO₃带隙增加。BaTiO₃掺杂Ca后的态密度比未掺杂的BaTiO₃大,但随着掺杂含量的增加,态密度不断减小。在光学性质方面,BaTiO₃掺杂Ca后,导致介电峰发生明显偏移。BaTiO₃掺杂Ca后,其静态介电常数变小。不同Ca含量掺杂BaTiO₃后对不同波长的光吸收有所不同,当Ca含量为0.125时,对光的吸收能力下降程度较大。本文对Ba_1-xCa_xTiO₃(x=0, 0.125, 0.25,0.5)的研究结果表明其在光电领域具有广泛的应用前景,同时对该系列晶体的生长及性能研究提供一定的理论基础。

光催化被认为是解决全球性能源危机和环境污染问题的有效方法之一,然而光催化剂较低的能量转换效率抑制了光催化的应用。其中,空位作为最常见的晶体缺陷,能够在不引入外来元素的条件下调节光催化剂的电子结构和表面性质,促进光催化剂的光吸收、电荷分离和迁移以及表面反应。因此,概述并总结了半导体光催化剂中空位缺陷的研究进展。首先讨论了在光催化剂中引入空位缺陷的一些主要手段,包括化学还原、高温处理等常见方法和水解、超声等不常见但有效的方法。其次主要从微观表征和光谱表征两方面介绍了目前识别和量化空位的表征技术,这些技术有助于深入理解空位结构与光催化剂性质之间的关系。随后从光吸收、电荷分离和迁移及表面反应三个方面着重介绍了空位在光催化过程中的关键作用。最后,提出了光催化材料空位缺陷的前景和挑战,空位浓度的可控性、复合改性的联合作用和空位的稳定性是亟需解决的问题。这篇综述总结了光催化剂空位改性的有效策略,能为空位缺陷增强光催化的研究提供一定的理论参考。

铁电材料特有的自发极化能够产生极化内建电场。研究采用物理分散法将Ag₂O和CdS纳米颗粒负载于铁电LiNbO₃和玻璃基底表面,选择罗丹明B(RhB)作为代表性有机污染物,评价在不同基底表面的Ag₂O和CdS的光催化降解效率。结果表明,同一种半导体纳米颗粒在不同基底表面的光催化活性依次表现为LiNbO₃(+Z)>glass>LiNbO₃(-Z);在相同基底表面,Ag₂O比CdS表现出更优的光催化活性。基于铁电极化产生的半导体/铁电界面内建电场和光催化降解反应,提出了铁电极化影响半导体光催化降解性能的作用机制。

钙钛矿铁电材料晶体的正负电荷中心不重合引起其内部自发极化产生内建电场,利于光激发载流子的传输与分离。然而钙钛矿铁电材料多属于宽带隙半导体,存在光生电子空穴易复合问题,因此调控其光电化学性能是研究热点。介绍了元素掺杂与取代、表面贵金属沉积、半导体异质结构建和多机制耦合等调控钙钛矿铁电材料光电化学性能的原理与进展。重点关注了近年来该材料在光催化降解污染物、光催化制氢和光电化学分解水制氢等应用现状。

光催化反应在降解有害污染物、转化温室气体、生产氢气、消灭有害菌等领域有重要的应用。近年来,具有自发极化的铁电材料被认为是一种新的候选者,其自发极化能产生内置电场,为光生载流子的传输提供驱动力。这一特性有望解决人们在光催化领域中所遇到的棘手问题:电子-空穴对的复合。也正因为具有这一特性,对铁电材料的光催化性能研究主要集中在了减少空穴和电子的复合。但实际上要提高光催化效率还需要通盘考虑整个催化过程,其中包括光子的吸收、光生电子空穴的分离迁移、终端反应这3个关键阶段。以上述光催化过程的三个阶段为着眼点,整理了近年的典型成果,梳理了在光催化的不同阶段提升铁电材料催化性能的有效手段,希望通过我们的总结能够为后续研究工作提供有益的参考。

近年来,钛酸铋钠(BNT)基压电陶瓷材料因其独特的场致相变效应表现出巨大电致应变响应,并在驱动器方面展现出巨大应用潜力。采用传统固相合成工艺制备了具有优异电致应变性能和温度稳定性的(Bi_0.5Na_0.5)_0.935Ba_0.065TiO₃-xSrMAlO₄ (xSrMAlO₄, M=La、Y)系无铅压电陶瓷材料,并研究了SrMAlO₄ (M=La、Y)组元对陶瓷相结构及电性能的影响。SrMAlO₄组元的引入促使陶瓷的相结构由三方-四方共存相向单一伪立方相转变,并破坏了基体材料的铁电有序性,诱导出弱极性相,进而大幅度提高了材料的电致应变性能。当SrMAlO₄掺杂含量为0.9%(摩尔分数)时,材料获得了最佳的电致应变性能:70 kV/cm电场下,其单向应变值分别为0.39% (M=La)和0.44% (M=Y),对应大信号d^*₃₃常数分别为557 pm/V (M = La)和629 pm/V (M = Y),高应变响应来源于电场驱动下弱极性态到铁电态的转变。此外发现,经0.9%(摩尔分数) SrMAlO₄ (M=Y)改性的陶瓷材料在室温至100 ℃之间表现出优异的温度稳定性,在驱动器等器件方面展现出良好的应用潜力。

采用液滴外延技术在平坦GaAs(001)表面上制备GaAs纳米环结构。利用原子力显微镜对其表面形貌进行表征,发现在As压保护下金属Ga液滴晶化过程中,液滴内Ga原子存在向外迁移和向下刻蚀两种扩散行为,且扩散行为均受到衬底温度和As压力大小的影响。其中As压主要影响Ga原子在表面横向扩散,而衬底温度主要影响Ga原子在纵向刻蚀扩散。根据量子环结构形貌演变趋势分析了圆盘半径ΔR、R_p与沉积量的关系,得出形成扩散盘的Ga临界沉积量为10 mL,并总结出采用降温结晶方式制备GaAs同心量子环的工艺方法。

光作用作为刺激源具有非直接接触、远程控制、快捷等突出优点,使得可逆光致变色材料在信息存储、显示器件和智能窗户等领域有着广泛的应用前景。然而,大多数传统可逆光致变色材料普遍存在热稳定性差、循环寿命低、变色速度慢等问题,严重制约了其在相关领域的发展。近年来,基于半导体纳米颗粒/氧化还原类染料可逆光致变色体系由于将半导体纳米颗粒优异的光催化还原性能和氧化还原类染料独特的变色性质结合于一体,表现出优异的可逆光致变色性能,受到广泛关注,并在无墨“光打印”可擦重写纸、可视化氧气指示器及智能变色织物等领域展现出巨大的应用价值。从半导体纳米颗粒/染料可逆光致变色设计原理、性能和机理研究进展及应用领域等方面进行综述,并提出未来研究展望。

采用新型萘二甲酰亚胺基半导体聚合物FN2200与绝缘聚合物聚苯乙烯(PS)通过溶液相共混,并采用旋涂法制备共混薄膜的有机场效应晶体管(OFET)。发现在FN2200中加入少量PS可显著提升共混薄膜器件的电子迁移率,然而随着PS含量的增加,载流子迁移率将急剧降低。通过氧等离子体刻蚀结合紫外-可见光吸收谱测量发现,FN2200/PS共混薄膜存在清晰的相分离结构,FN2200组分富集在在薄膜表面层而PS成分沉积在薄膜底部区。掠入射X射线衍射(GIXRD)结果发现,在FN2200中添加PS成分促使FN2200骨架链倾向于采取edge-on堆积方式,有利于载流子沿有机/介电层界面的横向传输。基于薄膜微结构表征结果,系统地解释了共混薄膜的OFET性能随PS含量的变化关系和内在机制。

采用粉碎和溶解的方式制备了两种不同的纤维素/ZnO压电纸。通过SEM和压电性能测试对压电纸进行分析,探究了两种压电纸的结构与性能的差别。讨论了ZnO添加量、压电纸的厚度以及压力对压电性能的影响,并与购买的聚偏氟乙烯(PVDF)膜的压电性能进行对比。结果表明,利用溶解的方式制备的压电纸的纤维更加光滑,与ZnO结合的更加紧密,使ZnO均匀的包覆在纤维素表面。压力越大,压电性能越高。压电纸越厚,压电性能越高。用溶解的方式制备的ZnO添加量为20%的压电纸具有较高的压电性能,最大输出电流为52.36 nA/cm²。压电纸的压电性能与购买的PVDF膜相当。

从原子级平坦的GaAs(001)-β2(2×4)重构表面出发,结合Reflection High Energy Electron Diffraction (RHEED) 衍射图像演变和不同尺度的Scanning tunneling microscope (STM) 实空间扫描图像,获取GaAs(001)薄膜表面形貌相变和表面重构的重要信息,深入地研究GaAs(001)表面形貌相变和表面重构的相互促进关系。研究发现表面重构的变化是促使表面形貌发生相变的主要动力,单一表面重构组成的GaAs(001)表面形貌更容易处于有序平坦相,GaAs(001)表面预粗糙相则是由两种同类型或者重构原胞差异很小的表面重构交织混合形成,当表面由两种完全不同类型的表面重构交错混合形成时GaAs(001)表面形貌将进入粗糙状态。研究结果表明GaAs(001)表面重构是表面形貌发生相变过程的微观内在原因,而GaAs(001)表面形貌相变是表面重构发生变化的宏观外在体现。

稀磁半导体(Diluted Magnetic Semiconductor, DMS)是一种兼具半导体性与磁性且具有优异独特磁光、磁电功能的新型半导体材料。首先介绍了DMS的研究进展及其分类,重点阐述了Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族基DMS的磁电性质,在实验方面和理论计算方面所取得的研究进展,包括Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族DMS的制备方法、基本磁性质、磁性起源、输运性质及光学性质等。目前已经证实了某些DMS材料的铁磁性起源机制,一些新型DMS材料的最高居里温度(Curie temperature, T_c)已经可以与(Ga,Mn)As相比拟,并克服了传统稀磁半导体难以解决的问题。最后对Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族DMS的发展和应用前景进行了展望。

近年来由于不可再生资源的日益枯竭,以及环境危机等问题,发光材料的研究和利用受到人们的广泛关注。发光纤维作为发光材料的一种,更是有其独特的性能,具有无毒、无害、色泽光鲜亮丽、材质柔和、抗衰老性优良、可持续发光等诸多优点。发光纤维分为荧光纤维和夜光纤维,夜光纤维又分为自发光型和蓄光型。发光纤维实现了自动吸光-蓄光-发光这一循环功能,发光纤维的开发利用是应对资源匮乏、实现化纤工业可持续发展的需要,同时也是实现节能减排、发展低碳经济的需要。发光纤维材料的应用领域包括但不限于发光印花织物、发光纺织品的应用、玩具和刺绣艺术品、功能服装、防伪等。笔者对发光纤维材料方面的代表性成果进行梳理与总结,主要包括发光材料的分类及其应用、发光纤维简介及制备方法、发光纤维特性及其应用,并且对该领域内存在的问题及未来发展方向作了展望。

挥发性有机胺类物质有毒有害,对生态环境和公共健康安全易造成严重影响,实现有机胺的快速检测对于环境污染防治、食品安全监测乃至医疗诊断都具有重要意义。基于二氧化锡半导体气敏材料在检测有机胺中的应用研究进展,现将最近报道的金属氧化物、金属硫化物、碳材料和有机聚合物与二氧化锡形成异质结及对有机胺气敏性能影响的研究工作进行了总结归纳,并对其它二氧化锡异质结材料及其在气敏领域应用的前景进行了展望。

综述了近年来基于钛酸锶钡(BST)材料的性能研究。讨论了不同制备条件,不同基底以及掺杂不同物质对BST性能的影响,并对提高钛酸锶钡的性能做出了展望。BST的电性能会受到物理特征的影响。可通过控制制备工艺参数或添加掺杂剂来影响BST的致密化和微观结构,从而提高介电性能,并进一步影响材料的储能密度。掺Bi的BST陶瓷表现出典型的弛豫性能。Zr的取代提高了介电常数的频率稳定性,并且明显降低了介电损耗。Mn的掺杂可以有效抑制介电损耗,适量的掺杂可提高可回收能量密度和效率。适度的铈掺杂有利于改善介电性能。叶绿素的掺杂有望减少材料的晶体缺陷并增加强度,同时可提高样品的反射率。

采用聚醚砜(PES)和空心玻璃微珠(HGB)作为填料对环氧树脂进行改性,研究其对环氧聚合相力学和热学性能的影响,研究发现,PES和HGB填充量均为10%(质量分数)制备的环氧聚合相,剪切强度由39 MPa升高到52 MPa,热膨胀系数由8.8×10^-5/K降低为5.8×10^-5/K,材料力学和热学性能明显提高。以PZT-4为压电相,采用切割填充法制备PES和HGB填充量均为10%(质量分数)的1-3型压电复合材料,采用阻抗分析仪测定温度对其谐振频率fs和机电耦合系数kt的影响,结果表明,1-3型压电复合材料的fs为885 kHz,kt为0.65,材料的fs和kt在温度15~0 ℃范围内变化率≤1%,表现出良好的温度稳定性。

我们将P(NDI2OD-T2)等半导体聚合物与石墨烯纳米片通过溶液相共混,制备了薄膜场效应晶体管(OFET)。发现无论是P型还是N型器件,掺混石墨烯都显著地提高其载流子迁移率。并且采用强磁场下的溶液滴涂方法来生长P(NDI2OD-T2)/石墨烯共混薄膜,获得了高取向薄膜。发现相比于“纯”半导体聚合物,加入少量的石墨烯纳米片可显著提高共混薄膜中聚合物主干链取向程度、增强OFET器件的电子迁移率各向异性。此外还利用旋转磁场来调控薄膜中主干链共轭平面的面外方向取向,进一步了提高薄膜的电荷传输性能。我们认为,P(NDI2OD-T2)链聚集体与石墨烯平面构成的组合体可增强主干链取向并在聚合物畴界处形成快速的电荷传输通路,从而提高薄膜的电荷传输。

以化学交联法制备的交联壳聚糖季铵盐为柔性基底,经微拉伸后在其上刷涂PEDOT:PSS导电液制备成柔性电极,再与自制的PVDF-TrFE/ZnO量子点复合压电薄膜贴合组装成全柔性压电传感器件。利用准静态d₃₃测试仪对压电薄膜的压电应变常数d₃₃进行测试,利用万能拉伸机、万用表测试柔性电极的力学性能和导电性能,利用激振器试验对压电传感器的输出性能进行测试。结果表明,交联壳聚糖季铵盐/PEDOT:PSS柔性电极的拉伸强度为3.3 MPa,断裂伸长率为762.3%;经微拉伸-刷涂法制备的柔性电极的电阻为1.68 kΩ;自制旋涂层数为二层的PVDF-TrFE/ZnO薄膜的d₃₃压电常数为26.1 pC/N,与柔性电极组装成的全柔性压电传感器输出电压为4.46 V。

压电与铁电聚合物在换能器、驱动器与传感器中应用广泛,但是铁电聚合物种类稀少,而尼龙类铁电聚合物具有廉价、绿色以及高温稳定的特点,有潜在的应用价值。奇-奇数尼龙1111(PA1111)是一种新型铁电与压电聚合物材料,但其电活性偏低,限制了它的应用。通过与聚偏氟乙烯(PVDF)共混改性进一步提高了PA1111的电活性。研究表明,添加40%PVDF的尼龙1111拉伸薄膜压电应变常数(d₃₃)提高到-6.9 pC/N,剩余极化强度(P_r)增加到52 mC/m²。共混改性后PA1111铁电与压电性能的提高可以归因于PA1111与PVDF偶极子间的相互作用。

采用基于密度泛函理论的广义梯度近似平面波超软赝势法,对不同离子浓度配比的Fe掺杂LiMgP新型稀磁半导体进行结构优化,计算并分析了体系的电子结构、半金属铁磁性、重叠电荷布局及体心离子附近各离子的电参数。结果表明Fe掺杂LiMgP能够得到性能优良的半金属铁磁体,具有大的半金属能隙及可控的电磁性质,有望成为一种极具应用潜力的自旋电子学器件材料。纯LiMgP体系中化学键为极化的共价键,Fe的掺入形成了比Mg-P更强的Fe-P共价键,表现出优异的半金属铁磁性且具有大的半金属能隙0.500 eV,Fe离子与Li、Mg、P3种离子之间的相互作用使得它们的轨道电子数减少。Li过量时,形成能最低,结构最稳定,带隙值较单掺Fe时明显减小,而体系的半金属性明显减弱,填隙的Li原子使得轨道之间的相互作用减弱,Fe-P键的重叠电荷布局和体系净磁矩的值最小。Li不足时体系变为金属铁磁性,体系中离子的轨道电子数最少,参与轨道杂化的电子数最多,Fe和P原子之间的电子云分布最密集且共用电子对偏移程度最小,Fe-P键重叠电荷布局达到最大值0.78,键长达到最小值,体系净磁矩最大。

以Yb³⁺掺杂SiO₂预制棒为原材料,采用不同拉丝速率的高温拉丝工艺成功制备了石英光纤。利用傅里叶变换红外光谱仪、光纤应力分析仪和Model2500等研究了不同拉丝速率制备的石英光纤的结构、抗拉强度以及衰减特性。结果表明, 石英光纤抗拉强度随着拉丝速率的升高先增大后降低,当拉丝速率为1 700 m/min时,其制备的石英光纤抗拉强度达到最大,为5.2 GPa;且拉丝速率越大,辐照后就越容易造成内部损坏,造成光纤失效。这主要因为拉丝速率越大,其在高温区中的时间越短,光纤中Si-O链断裂的频率越低,光纤抗拉强度就越高。但随着拉丝速率的继续升高,炉温逐渐升高,同时增加了光纤内部Si-O链断裂的频率,二者共同耦合作用的结果使得光纤强度随拉丝速率呈现先增后减的趋势。当辐照剂量逐渐增加时,石英光纤的辐致损耗呈直线趋势快速增加,但随着辐照量的继续增大,辐致损耗却增加趋缓,逐渐平稳。

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法,对新型稀磁半导体Li_1±y(Zn_1-xV_x)P(x=0,0.0625;y=0,0.0625)体系进行几何结构优化,计算并分析了各体系的电子结构,形成能,半金属性,磁性及居里温度。结果表明,新型稀磁半导体LiZnP可通过掺入V和改变Li的化学计量数来实现自旋和电荷注入机制的分离。单掺V引入了自旋极化杂质带,表现出强的半金属性,sp-d杂化导致体系产生2.92 μ_B的净磁矩。体系的性质还受Li的化学计量数的影响,Li空位时,半金属性和磁性有所减弱,但居里温度最高;Li填隙时,杂化作用增强,形成能最低,导电能力最强,磁性最大。

介绍了一种利用传统固态烧结法制作的无铅压电陶瓷(1-x)(Na_0.5K_0.5)NbO₃-x(Ba_0.88Ca_0.12Zr_0.12Ti_0.88O₃)((1-x)KNN-xBCZT)。(1-x)KNN-xBCZT是由KNN和BCZT形成的均匀固溶体。随着BCZT浓度的增加,(1-x)KNN-xBCZT的T_c和四方相-正交相的相变温度呈近似直线方式下降。相变温度的降低,有助于提升固溶体的电性能,当x=0.055时(1-x)KNN-xBCZT陶瓷性能达到最优。MnO₂助烧剂可以进一步降低(1-x)KNN-xBCZT陶瓷的相变温度,使(1-x)KNN-xBCZT陶瓷更为致密。0.055BCZT-0.945KNN-0.01MnO₂陶瓷展现出的性能为d₃₃=212 pC/N,d₃₁=-75 pC/N,k_p=45%,ε=875,tanδ=0.02和T_C=340 ℃,T_O-T=127 ℃。

基于密度泛函理论第一性质原理平面波超软赝势法, 对理想新型稀磁半导体Li_1±y(Mg_1-xMn_x)As (x=0,0.125;y=0,0.125)进行几何结构优化,计算并分析了体系的电子结构、磁性和光学性质。结果表明,掺杂体系的磁性和电性可以分别通过Mn的掺入和Li计量数的调控来改变,掺Mn后形成Mn—As极性共价键,且引入与Mn有关的自旋极化杂质带,体系为半导体磁性材料。Li不足时,p-d杂化使体系变为半金属性,表现为100%的自旋注入,Mn—As键的重叠电荷布局最大,键长最短。而Li过量时,sp-d杂化则使体系变为金属性,居里温度最高,形成能最低,导电能力最强。对比光学性质发现,Li不足和过量时,介电函数和光吸收谱在低能区出现新峰, 增强了体系对低频电磁波的吸收。掺杂体系的能量损失峰均向高能方向偏移, 呈现明显的蓝移特征, 且峰值急剧减小, 表明其等离子共振频率显著降低,而Li过量的等离子振荡范围最宽。

在基于数字光处理(DLP)技术的3D打印过程中,紫外波段光敏树脂的光固化性能将直接影响工件的打印精度、速度和形貌。选用改性双酚A型环氧丙烯酸酯和脂肪族聚氨酯丙烯酸酯作为低聚物,配合三丙二醇类二丙烯酸酯(TPGDA)和乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸(TMPEO3TA)作为稀释剂和自由基-阳离子杂化体系作为光引发剂,配置了面向405 nm波段的DLP-3D打印系统的混杂型光敏树脂。研究结果表明,所制备的光敏树脂的体积收缩率控制在2.3%内,室温下的粘度为244 MPa·s,固化速度缩短到0.063 mm/s。相比较于其它国内外光敏树脂,该树脂整体表现出优良的力学性能。在此基础上,通过在树脂中掺杂1%左右的纳米ZnO颗粒助料,材料的力学性能得到进一步改善,体积收缩率降低至2.1%。这一混杂型光敏树脂将可有望应用于对精度要求较高的光电子器件的DLP-3D打印中。

采用传统固相制备工艺,在烧结温度960～980 ℃成功制备了致密度较高、综合电学性能优异的Li_0.06(Na_0.535K_0.48)_0.94Nb_0.94Sb_0.06O₃+x%(质量分数)ZnO+B₂O₃(LNKNS-xZB₂)无铅压电陶瓷。研究了ZnO+B₂O₃掺杂量对LNKNS-xZB₂陶烧结性能、相结构、微观结构及电学性能的影响。结果发现,ZnO+B₂O₃的掺杂不仅改善了LNKNS-xZB₂陶瓷的烧结性能,而且改变了陶瓷的相结构,在掺杂量x=1.2～1.6范围内形成四方-正交两相共存的多晶型相界(PPB)。在准同型相界处(x=1.6),陶瓷具有优异的电学性能:压电常数d₃₃、机电耦合系数k_p、介电常数ε_r、机械品质因数Q_m、剩余极化强度P_r和相对密度ρ_r分别为285 pC/N,35.4%,954,205,29.5 μC/cm²和96.3%。为铌酸钾钠基压电陶瓷的低温致密化烧结提供了新的思路。

为了得到压电转换效率高的PVDF压电膜,提高PVDF薄膜中的β晶含量以及控制薄膜的微结构是关键。以BiCl₃/PVDF混合溶液在强电场中流延成膜。通过FT-IR,XRD与SEM表征了复合膜的晶相组成与微结构特征,将复合膜组装成压电器件并测试了其压电响应。结果表明,BiCl₃与强电场分别对复合膜的晶相组成与排列有较大的影响,BiCl₃掺杂量达到2%(质量分数)时,结晶度最大达到76.5%,β晶的含量最高达到89.5%。强电场促进了复合膜中β晶的形成与取向排布,进一步提高了复合膜的压电响应,相比于无电场下制得的复合膜,电场强度为750 kV/m下制得的复合膜的输出电压提升了3倍,电压正峰值达到60.8 V,其瞬时输出功率面密度达到120.1 μW/cm²,正常工作的最高冲击频率为250 Hz。

PVDF压电薄膜因其体积小、质量轻、稳定性高、传感灵敏度高、制作成本低等优点而被广泛应用于工程结构监测体系中。总结了PVDF压电薄膜基本特点、工作原理及静/动态传感特性,并指出其用作应变传感器在工程结构或构件局部监测中具有的优势;分析了以PVDF压电薄膜作为传感元件在工程实际监测中应用实例,最后对其在结构监测方面应用前景做了相关展望。

利用射频磁控溅射方法,在单晶MgO(100)及缓冲层异质结构基底上沉积La掺杂的xBiInO₃-(1-x)PbTiO₃薄膜。通过调控靶材配比和溅射参数,研究了溅射中由于基底加热造成的溅射过程中的薄膜失铅、失铋现象,同时对磁控溅射参数进行了调控和研究,得到了优化的溅射制备条件。利用XRD、SEM、EDS、铁电分析仪等仪器,并对不同BiInO₃组分对薄膜性能的影响进行研究,包括对薄膜的生长取向、形貌、铁电性和居里温度等进行研究,获得综合性能良好的高铁电性、高居里温度的铁电薄膜。

从In组分、生长温度和As BEP 3个参数出发,利用RHEED和STM技术深入研究了In_xGa_1-xAs/GaAs异质薄膜的临界厚度。研究发现In的组分直接决定了In_xGa_1-xAs/GaAs异质薄膜的临界厚度,而生长温度和As BEP的差异也在很大程度上对临界厚度产生重要影响。在特定的生长温度和As BEP下,In_xGa_1-xAs/GaAs的临界厚度随着In组分的减小呈指数增加,尤其是当In组分＜20%时临界厚度将趋于无穷大。对于特定In组分的In_xGa_1-xAs/GaAs异质薄膜来说,当生长温度相同时,临界厚度随着As BEP的增加而迅速增大;而在As BEP相等时,临界厚度将随着生长温度的增加而减小;不同生长温度之间临界厚度的差异将随着As BEP的减小而不断减小,到更低As BEP时甚至将趋于相等。

对16原子GaAs超胞中In替位式掺杂的模型进行深入研究,发现当In掺杂比例从0～1变化时,具有256种掺杂方式,共计13种对称属性。研究还发现在相同掺杂比例下模型具有不同对称属性,同一对称属性对应不同掺杂比例。论文还对其中4种情况的态密度进行计算,计算结果显示In掺杂的比例是影响GaAs超胞物理性质的重要因素,而对称性对物理性质的影响可以忽略不计。

基于纳米级耦合效应,采用溶胶-凝胶联合浸渍提拉法合成了Bi₂WO₆/TiO₂复合催化材料。利用XRD、SEM、UV-Vis、XPS和PL对Bi₂WO₆/TiO₂复合光催化剂进行了表征和分析,并对其可见光催化降解乙烯的光催化性能进行了评价。结果表明,Bi₂WO₆/TiO₂纳米复合材料比纯Bi₂WO₆、TiO₂具有更高的光催化活性。当Bi₂WO₆和TiO₂镀层比为3∶1时,乙烯的可见光催化降解效果最好,其降解率分别比TiO₂和纯Bi₂WO₆高5.4和2.4倍。纳米复合材料的光催化活性的提高主要是由于在Bi₂WO₆和TiO₂的接触界面形成了交错异质结。这改善了复合材料中晶粒在交界面处的晶格缺陷,提供了更多的活性位点,提高了光生电子空穴对的分离效率,并将光谱响应范围扩展到可见光区域,提升了光能的吸收和利用。

阻尼材料在减振降噪领域有着极其重要的应用,而压电阻尼复合材料能够在普通阻尼材料摩擦损耗基础之上进一步引入力-电-热损耗,从而提高基体材料的阻尼性能,使其在主动和被动减震方面备受青睐。但是通常为了达到导电渗流阈值,需要添加大量的导电相。采用模板辅助氧化石墨烯自组装的方式制备了三维石墨烯气凝胶,以此作为导电相,以聚氨酯/聚甲基丙烯酸丁酯/聚甲基丙烯酸甲酯IPN共聚物作为基体,锆钛酸铅压电陶瓷作为压电相,制备了压电阻尼复合材料。三维石墨烯气凝胶的使用,由于其本身三维导电网络的存在,使得制备的压电阻尼复合材料可以在很低的导电相含量下达到导电渗流阈值,将压电陶瓷产生的电能转化为热能损耗掉,有效拓宽了基体材料的阻尼温域和提高了材料室温下的阻尼性能。

设计了一种具有三明治结构的微结构驻极体膜,采用旋涂、“软刻蚀”等工艺,结合氧等离子体键合、恒压电晕放电技术,以铜网作为电极,摸索出完整的工艺流程,制作了基于微结构PDMS驻极体的柔性压电俘能器。测量了驻极体膜的压电系数以及力-电特性。结果显示,微结构PDMS压电俘能器的压电系数(d₃₃)为25 pC/N;在5 N周期性压力下,最大能够产生1.98 Vpp的开路电压;驻极体膜的谐振频率为32 Hz,且产生的电压与受到的压力呈线性关系。

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,对纯LiMgN、不同浓度Mn掺杂LiMgN及Li不足和过量时不同浓度Mn掺杂LiMgN的超晶胞进行几何优化,计算并分析它们的电子结构、半金属性和磁电性质。结果表明,Li_1±y(Mg_1-xMn_x)N(x,y=0.0625,x,y=0.125)体系均表现为100%自旋注入,材料均具有半金属性;Mn单掺LiMgN时,随着Mn浓度的增加,杂质带宽度增大,居里温度提高;Li不足时,随着Mn浓度的增加,体系带隙值减小,导电能力增强; Li过量时,当Mn浓度为6.25%时,杂质带宽度和半金属能隙最大,带隙值最小,体系的居里温度提高。说明Mn掺杂LiMgN体系可以通过改变Mn的浓度和调节Li的含量来实现磁性和电性的分离调控。