NH_(3)/N_(2)复合热退火技术改善高浓度Mg掺杂GaN材料性能

研究了NH_(3)/N_(2)复合热退火技术对高浓度Mg掺杂GaN材料晶体质量、发光性质及导电性能的影响。实验结果表明,相较于传统N_(2)氛围高温热退火后处理工艺而言,NH_(3)氛围高温热退火后处理工艺可以改善高浓度Mg掺杂GaN材料的晶体质量,同时可以增进Mg受主原子的有效掺杂,使得其光致发光谱中蓝光峰强度增强。采用NH_(3)氛围高温热退火结合N_(2)氛围低温热退火后处理工艺复合技术制备得到的高浓度Mg掺杂GaN材料内部背景电子浓度显著降低。这是由于在NH_(3)氛围高温热退火后处理工艺中,NH_(3)的热分解产物能够有效降低材料内N空位和间隙Ga原子等浅施主型缺陷浓度,最终改善高浓度Mg掺杂GaN材料的导电性能。

有监督学习算法在材料科学中的应用

【目的】本文希望对近年来机器学习在材料学研究中的应用做一概略的介绍,为相关的研究提供一定的参考。【文献范围】本文主要参考引述了近几年来材料数据库相关文献,以及使用机器学习算法进行材料性能预测、发现新材料的研究论文。【方法】本文介绍了有监督机器学习的处理流程,并介绍了多种有监督机器学习算法在材料科学中的应用现状。【结果】机器学习算法,帮助总结了材料性能与材料的组成元素、晶格结构等的规律,对发现新材料具有重要的意义,而机器学习力场方法则展现出处理复杂的相变、界面等问题的潜力【局限】鉴于目前掌握的研究水平,主要重点介绍的是有监督机器学习方法在材料性能预测等几个领域的应用,对于无监督学习以及其他材料研究领域的引述尚缺乏。【结论】这是一个新兴的领域,未来将成为材料科学的一个重要组成部分。

固态电池关键材料体系发展研究

固态电池技术是发展兼具高能量密度、高安全性、长寿命和低成本的下一代电池的重要保证,当前全球主要国家及地区均在加快布局固态电池研发和产业化。本文从固态电池关键材料的技术体系、产业体系和支撑体系3个方面着手,综述了国际固态电池关键材料体系的发展现状,分析了美国、欧洲、日本、韩国等国家和地区的固态电池技术发展路径、产业规模和支撑体系建设情况,梳理了我国固态电池关键材料体系的发展现状并提出了发展目标。研究发现,我国固态电池正处于推广发展期,在关键原材料、关键科学技术瓶颈突破、规模化量产及产业化应用等方面面临挑战。研究建议,坚持分步发展固态电池的总体策略,设立国家级固态电池发展规划和重大科技专项,推动固态电池技术研发机构建设,促进固态电池市场化应用及产业转型,优化固态电池生态环境建设,实现我国固态电池产业领跑世界。

透明硬脆材料激光剥离关键问题研究(特邀)

透明硬脆材料由于其优异的力学性能、热稳定性、耐腐蚀性以及光电性能,广泛应用于半导体与电子领域。传统透明硬脆材料切片方法效率低、材料损耗大,制约了硬脆材料的推广应用。激光剥离技术是近年来新兴的一种透明硬脆材料切片新方法,较传统金刚线切割方法大幅提升硬脆材料的切片效率和材料利用率,目前已发展成为硬脆材料激光加工领域学术研究与产业应用的焦点。文中深入分析透明硬脆材料激光剥离物理过程,归纳激光剥离过程关键科学问题:透明硬脆材料对激光的非线性吸收、激光作用下材料内部微观结构演化与缺陷扩展规律,以及激光光场调控对材料改质影响机制等。基于这些科学问题,综述了近年来激光剥离不同类型透明硬脆材料的研究进展,目前用于激光剥离的材料已涵盖了SiC、Si、GaN、金刚石等半导体材料,蓝宝石、多晶Al_(2)O_(3)、氧化锆等陶瓷材料,激光剥离技术已发展出超快激光双脉冲诱导剥离、超快激光-化学辅助剥离、多激光复合剥离等。激光剥离物理过程是一个典型的激光-材料-热学-力学多学科交叉问题,尽管在实验结果方面获得了显著突破和迅猛发展,但目前对于工艺机理仍缺乏深入的理论与数值建模研究。未来透明硬脆材料激光剥离技术将会朝着百微米以下超薄厚度剥离、改质层低损伤、工艺自适应等方向发展,将为半导体与电子等领域快速发展提供更大的技术支撑。

用于新型冠状病毒检测的纳米材料及生物传感技术

新型冠状病毒肺炎(Corona Virus Disease 2019,COVID-19)疫情大流行引起全球对此重大突发公共卫生事件的高度关注。新型冠状病毒(SARS-CoV-2)经过多次突变,出现传染速度加快、免疫逃逸、隐匿性传播等特性,令防控形势至今仍异常严峻。对患者的早发现、早隔离仍然是目前最有效的防控措施。因此,迫切需要快速、高灵敏的检测手段来甄别此病毒,以便及早识别感染者。本文简要介绍了SARS-CoV-2的一般特征,并针对核酸、抗体、抗原及病原体作为检测靶标的不同检测手段及最新进展进行分类概述;对一些光学、电学、磁学以及可视化的新型纳米传感器在SARS-CoV-2检测技术上的应用进行了分析。鉴于纳米技术的应用在提高检测灵敏度、特异性以及准确率上具有优势,本文详细介绍了新型纳米传感器在SARS-CoV-2检测中的研究进展,包括表面增强拉曼基生物传感器、电化学生物传感器、磁纳米生物传感器以及比色生物传感器等,并探讨了纳米材料在新型生物传感器构建中的作用和挑战,为纳米材料研究人员开发各种类型的冠状病毒传感技术提供思路。

提高微腔孤子光频梳泵浦能量转换效率技术研究进展

分析了孤子微梳泵浦能量转换效率低的原因,介绍了目前已提出的几种提高孤子微梳泵浦光能量转换效率的技术方案,包括激发孤子晶体光梳利用多孤子结构、正常-反常色散双腔耦合泵浦光循环存储结构、微腔-光纤/波导环泵浦光反馈耦合干涉结构、主-副微环腔耦合超模谐振峰劈裂结构等,并分析了这些方案的优缺点。在此基础上,给出了本课题组对反馈耦合腔的优化设计,仿真模拟结果显示,单孤子微梳的泵浦光转换效率可超过25%。最后,对孤子微梳的低能耗产生方案作出总结和展望,为微腔孤子光频梳泵浦能量转换效率提高技术的发展与应用提供理论参考。

中国制造2025视野下高分子材料产业发展的再思考与展望

中国制造2025发展纲要中明确了包括新材料在内的十大领域的发展目标。高分子材料是新材料的重要组成部分,应用广泛,在国民经济中起着不可替代的作用。我国已成为高分子材料产业世界大国,但还不是高分子材料强国。在中国制造2025新形势下,高分子材料产业如何发展是一个重大课题。概述了我国高分子材料产业现状、问题和瓶颈,指出了17项高分子材料优先发展领域,以及在研发和制造高分子材料时面临的挑战与机遇。对高分子材料产业研发和升级的三个认识层面的误区进行了再思考。基于我国高分子材料产业的基本国情,强调了今后发展关键之所在:(1)国家层面的顶层设计;(2)高分子材料基因组工程信息化基础设施建设;(3)优先发展汽车、轨道交通、飞机轻量化用高分子材料。最后对未来高分子材料发展提出了展望。

多孔FeF_(2)正极材料的制备及电化学性能研究

利用分解反应中大比例质量损失和大量气体产生,制备出具有40.369m2·g^(-1)大比表面积的多孔FeF_(2)材料。多孔结构为FeF_(2)材料构建了优异的离子和电子导电通路,表现出优秀的倍率性能和循环性能。在2C、5C和15C的倍率下分别表现出589.21mAh·g^(-1)、406.95mAh·g^(-1)和83.53mAh·g^(-1)的高放电比容量。在0.5C和2C下,循环100次后放电比容量分别为502.5mAh·g^(-1)和267.9mAh·g^(-1)。该结果为电池正极材料提升倍率性能提供了新思路。

P掺杂β-FeSi_(2)材料的制备与热电输运性能

β-FeSi_(2)作为一种绿色环保、高温抗氧化的热电材料,在工业余热回收领域具有潜在的应用价值。虽然磷(P)是一种理想的β-FeSi_(2)硅(Si)位的n型掺杂元素,但是P掺杂β-FeSi_(2)易出现第二相,从而限制了其热电性能的提升。本研究采用感应熔炼法合成了一系列FeSi_(2)-xPx(x=0,0.02,0.04,0.06)样品,极大程度地避免了第二相的产生,并系统研究了P掺杂对β-FeSi_(2)热电输运性能的影响。结果表明,P在β-FeSi_(2)中的掺杂极限约为0.04,与前期的理论缺陷计算结果相符。此外,P掺杂优化了β-FeSi_(2)的热电性能,在850 K时,FeSi1.96P0.04的最高热电优值ZT约为0.12,远高于已有的研究结果(673 K,最高ZT仅为0.03)。然而,与同为n型Co和Ir掺杂的β-FeSi_(2)相比(其载流子浓度可达10^(22)cm^(-3)),P掺杂β-FeSi_(2)的载流子浓度较低,最高仅为10^(20)cm^(-3),这导致其电声散射效应较弱,从而限制了整体热电性能的提升。若能提高其载流子浓度,则热电性能有望得到进一步提升。

DNA数据存储中信息处理技术的研究进展与挑战

作为新一代信息存储介质,DNA具有高信息密度和长期保存能力,有望解决全球数据存储介质耗竭的问题。但目前DNA信息存储技术的发展主要围绕信息“冷存储”开展,这使得存储过程中出现修改、更新、删除、销毁等需求时束手无策。该文从“冷存储”技术的现状出发,通过归纳总结DNA信息存储介质难以实现“热存储”应用的原因,解析用于信息处理功能的一系列“热存储”技术,包括加密销毁、重写再生、擦除恢复、运算记录等,详细论证DNA介质用作信息处理载体的可行性与有效性,分析各技术之间的关联性和挑战性,以期为DNA存储技术低能耗、高精准、高效率、高安全性的应用奠定基础,并推动新一代智能型信息存储介质和信息处理系统的发展。

基于单光子雪崩二极管的成像技术综述

单光子成像技术涉及半导体工艺、光电器件以及集成电路设计等多个方面,基于单光子雪崩二极管的成像技术具有高动态二维灰度成像、高精度三维成像和荧光寿命成像能力,在安防监控、自动驾驶和生物医疗等领域具有广阔的应用前景。伴随着半导体工艺技术的飞速发展,单光子成像技术有望成为应用广泛的下一代视觉感知技术。本文对基于单光子雪崩二极管的成像技术进行了系统的介绍,包括单光子雪崩二极管器件、单光子成像涉及的关键电路以及二维灰度和时间分辨单光子图像传感器的最新研究进展。

湿气发电技术研究进展

环境中蕴含着大量的低品位能,利用这种绿色能源开发离网分散式发电系统是补充日常用电的有效途径之一。湿气发电技术是一种利用功能材料与湿气相互作用从中收集能量的技术,近年来受到广泛关注和研究。本文回顾湿气发电技术发展历程,从湿气与发电材料的相互作用原理出发,汇总讨论了目前湿气发电机理的主流解释,包括离子扩散和流动电位等,并介绍了相关的验证工作;整合分析了吸湿发电层材料及其优势与不足,总结归纳了湿气发电机的结构及潜在应用领域;随后阐述了提高湿气发电机能量转换效率和输出功率的方法;最后,对湿气发电技术面临的主要挑战,提出了一些建议以解决存在的问题。湿气发电技术的不断发展将为绿色能源领域带来新的可能性,并推动离网分散式发电系统的可持续发展。

AI辅助电池材料表征与数据分析

随着锂离子电池(LIBs)的快速发展,传统实验方法在处理复杂数据和优化设计时面临挑战。近年来,人工智能(AI)技术在数据处理、模式识别和预测分析方面展现出巨大潜力,为LIBs的研发提供了新的解决方案。本文综述了AI在锂离子电池材料表征中的应用,包括谱学和成像表征技术。AI通过特征提取和数据分析,提高了谱学分析的准确性和效率;结合先进成像技术,研究者能够以前所未有的精度和速度探索材料内部结构。AI在图像识别、分类和分割中的应用,进一步提升了数据处理的效率和准确性。未来,AI将通过技术创新和跨学科合作,在电池材料科学领域发挥重要作用,推动高性能电池的研发和应用。

球磨制备硼/磷掺杂Si_(80)Ge_(20)材料及其热电性能

作为最重要的高温热电材料之一,SiGe合金的制备和性能优化一直备受关注。本工作利用机械合金化结合放电等离子烧结技术成功制备了B和P掺杂的Si_(80)Ge_(20)合金,并利用X射线衍射技术、电子扫描显微镜结合能谱仪技术对样品的物相进行分析表征,重点研究了B和P掺杂对Si_(80)Ge_(20)合金的电热输运性能影响。研究表明,B和P掺杂可有效优化材料载流子浓度,提升材料的电学性能;B掺杂能有效增强声子散射降低材料晶格热导率,因为电学性能的提升和热导率的降低,在1000 K时,Si_(80)Ge_(20)+2.0vol%B样品的zT值约达到1.01;不同含量P掺杂样品的zT值在整个测试温度范围内基本维持不变,在1000 K时,Si_(80)Ge_(20)+2.0vol%P样品的zT值约为1.16。

夹层式WO_(3)-NiO电致变色玻璃:从材料到器件的体系化研究

基于WO_(3)-NiO体系的电致变色(EC)玻璃具有优异的可见与红外的主动调控特性和节能效果,在建筑、新能源汽车等产业的应用得到越来越多的关注。生产效率与制造成本等因素的限制,使得大面积WO_(3)-NiO电致变色玻璃未规模化地投入市场。相比于在单一玻璃表面采用膜层堆栈方式制备多层膜结构的电致变色器件,以高性能锂离子胶膜为中间层,将磁控溅射沉积的Glass/TCO/WO_(3)以及Glass/TCO/NiO通过层压的方式组装成夹层式器件是一种可行地实现电致变色玻璃大面积、低成本规模化生产的技术手段,正逐渐成为器件制备技术的主流。然而,面向于大面积夹层式WO_(3)-NiO电致变色玻璃的低成本制造和新的应用需求,仍有必要开展从材料到器件的体系化研究。在材料端,开发兼容现有镀膜产线的高质量EC氧化物陶瓷靶材制备技术,高性能WO、NiO薄膜成分、结构、性能与色彩的调控技术,具备高离子电导率、高粘结强度、高热稳定、高透明且易于实现大面积规模化生产的锂离子胶膜材料及其制备技术等。在器件端,开发与现有玻璃产业兼容的大尺寸器件的层压工艺,弧型器件的制备技术,具备更高效节能且能呈现中性着褪色的器件技术等。针对上述挑战,综述了国内外相关研究团队在上述领域的研究进展,结果表明,可以制备出满足高性能电致变色薄膜沉积的EC氧化物陶瓷靶材,通过调节磁控溅射工艺参数可以有效实现对薄膜成份、结构以及性能调控,开发出满足层压工艺的、具有高离子电导率(1.51×10^(-4)S·cm^(-1))的固态聚合物电解质,最终利用商用高压釜实现30 cm×30 cm WO_(3)-NiO电致变色器件高质量制备。

多晶材料NaNi_(1/3)Fe_(1/3)Mn_(1/3)O_(2)的合成与性能

在未来储能市场和低速车领域,钠离子电池前景广泛,正极材料的选择很关键。采用共沉淀法并结合高温烧结制备层状氧化物NaNi_(1/3)Fe_(1/3)Mn_(1/3)O_(2)(NFM333),借助XRD、SEM和恒流充放电等方法,分析NFM333材料的结构、形貌和电化学性能。NFM333材料为典型的O3结构,呈现多晶特征,作为钠离子电池正极具有较高的比容量、良好的倍率性能和稳定的循环性能。材料以0.3C在2.0~4.0 V充放电,-20℃、-30℃和-40℃下的放电比容量分别为20℃下的85.55%、72.88%和45.19%。循环伏安(CV)测试发现,较好的电化学性能归因于较高的离子扩散速率和良好的离子迁移动力学。

高结构稳定性、低泄漏率三维铜@石墨烯复合相变材料的制备

由于能源消费需求的持续增长和传统化学燃料的日益枯竭,对可再生能源的需求日益迫切。以地热能、太阳能为代表的可再生能源脱颖而出。然而,这些能源的应用易受到天气、季节、地点和时间的影响,具有不稳定性、随机性、波动性和间歇性。储能技术是解决上述问题的有效途径,它可以在需要的时候储存或释放能量。在各种储能技术可选材料中,相变材料(PCMs)是智能热能管理和便携式热能领域的有力候选者。大多数相变材料都存在导热系数低、环境污染、熔点泄漏等问题,因此有必要将相变材料封装到支撑骨架材料中。事实上,支撑材料在应用中仍面临着一些重大挑战。首先,骨架材料应能抵抗相变材料在相变过程中的体积变化,即具有良好的结构稳定性。其次,还应具有较高的导热系数和较低的泄漏率。石墨烯气凝胶(GA)已被证明是提高相变材料形状稳定性的有效支撑骨架,但相变引起的泄漏和网络结构的脆性是制约其应用的关键问题。在此,我们提出了一种双脉冲电镀的强化策略,用于制备铜@石墨烯气凝胶(Cu@GA)作为相变储能骨架材料。这一结构设计中,石墨烯气凝胶上的石墨烯片层上均匀地镀上了铜层,且不同片之间被铜镀层所连接。这种铜增强石墨烯气凝胶网络结构赋予复合材料良好的导热性和坚固的骨架稳定性,有利于增强相变换热和抑制相变过程中的泄漏。此外,通过真空浸渍法将十八胺(ODA)封装在Cu@GA骨架中,获得了结构稳定性高、泄漏率低的复合相变材料(Cu@GA/ODA),保证了ODA在Cu@GA骨架材料中的均匀分散和填充。通过比较复合相变材料的重量变化,研究了不同骨架对复合相变材料泄漏率的影响。优化后的复合相变材料(CPCM)Cu@GA/ODA经20次储热、放热循环后,泄漏率降低至19.82%(w,质量分数),而GA/ODA和GOA/ODA为骨架的复合相变材料的泄漏率分别为80.31%(w)和72.99%(w)。为了探讨这种影响的原因,用扫描电子显微镜(SEM)观察了循环后骨架的形貌。铜/石墨烯气凝胶(Cu@GA)骨架材料没有明显的收缩或坍塌,仍可以保持完整的三维网络结构,而氧化石墨烯气凝胶(GOA)和石墨烯气凝胶(GA)的骨架材料三维结构不复存在,且在氧化石墨烯/石墨烯片能够观察到明显的裂隙。铜涂层可以提高骨架的微观结构稳定性,有利于提高结构稳定性,降低复合材料的泄漏率。同时,该研究为构建理想的金属增强石墨烯气凝胶复合骨架材料铺平了新的道路,该复合材料具有优异的综合性能,可用于未来的相变储能、多孔微波吸收和储能应用。

高频医用超声换能器材料声匹配特性研究

医学超声成像的图像质量很大程度取决于超声换能器的特性。在换能器研制过程中,一项重要的任务是确定合适的匹配层材料及参数。为了满足高频超声换能器研制的需要,该文从理论及实验两方面研究了RTV615硅橡胶掺杂不同比例的氧化铝粉末后,所形成的复合材料的高频(20MHz)声学特性参数,包括声速、声阻抗、声衰减系数等。结果表明,RTV615硅橡胶中掺杂氧化铝的体积分数为7.93%时,所形成的复合材料在20 MHz频率条件下声阻抗值提高52.94%,达到1.56×106 Pa·s/m,具有最佳的声阻抗匹配特性。因此,通过优化掺杂比例可有效改进硅橡胶材料的高频声学性能。

全固态被动调Q皮秒激光技术研究进展

全固态被动调Q激光技术在产生皮秒脉冲方面有较快发展。与锁模激光器相比,被动调Q皮秒激光器成本低、结构简单、易于校准光路,避免了锁模激光器结构复杂、机械敏感度高、光路校准困难等缺点,并且同样能够输出单脉冲能量可观、重频合适的皮秒量级短脉冲,因此拥有较高的实用价值。本文讨论了全固态被动调Q皮秒激光技术领域的两种典型技术路线以及对调Q皮秒脉冲输出的后续处理技术,包括非线性技术和激光放大技术等,并介绍了国内外相关研究团队在该领域所做的工作及其突破性进展。

氖原子光电子角分布的理论计算

本文利用密度矩阵理论和Racah代数推导出了光电子角分布的一般计算公式,并在多组态Dirac-Fock方法基础上发展了计算原子光电离过程中产生的光电子角分布的相对论程序,利用该程序对氖原子2s和2p光电子角分布的偶极和非偶极参数进行了具体计算,所得结果与已有文献具有很好的一致性.在此基础上,本文讨论了光子与电子相互作用多级展开中的非偶极项以及入射光的极化性质对光电子角分布的影响.