光伏模块驱动的基于范德华异质结构的热离子制冷器的性能评估

为了开发高效的太阳能冷却技术,建立了一个由光伏(photovoltaic,PV)模块和基于范德华异质结构(van der Waals heterostructure,vdWH)的热离子制冷器(thermionic refrigerator,TIR)组成的新型耦合系统。在充分考虑内部和外部的不可逆因素的情况下,建立了耦合系统的理论模型,推导了关键性能指标的数学表达式。在此基础上,研究了耦合系统的一般性能特征,并确定了允许系统运行的电压区域。根据计算,最大制冷量和最大性能系数(coefficient of performance,COP)分别为75.88 W和0.49。此外,还进行了灵敏度分析,以得出关键参数对整体性能影响的规律和大小,包括太阳辐照度、有效肖特基势垒高度、层间热阻、外部热阻、热泄漏热阻和热库温度。所得结果可能有助于实际耦合系统的设计和运行。

InAs基范德华异质结界面电荷转移特性第一性原理计算的研究进展

由低维InAs材料和其他二维层状材料堆叠而成的垂直范德华异质结构在纳米电子、光电子和量子信息等新兴领域中应用广泛。探索跨结界面的电荷转移机制对于全面理解该类器件的非凡特性至关重要。第一性原理计算在揭示界面电荷转移特性与各种能量稳定型InAs基范德华异质结的电、光、磁等原理物理特性和器件性能变化之间的内在关系方面发挥着不可比拟的作用。文中梳理、总结和探讨了近年来InAs基范德华异质结间界面电荷转移特性的理论研究工作与潜在的功能应用,提出在理论方法和计算精度方面大力发展第一性原理计算的几个途径,为更好地开展InAs基范德华异质结的基础科学研究和应用器件设计提供可借鉴的量化研究基础。

二维范德华异质结构在光催化领域的应用

二维材料(Two-dimensional materials)中,层板不带电荷的中性材料,如石墨烯、过渡金属二硫化物(TMDs)和六角氮化硼(h-BN)等是构建范德华异质结构的单元材料。构建的范德华异质结构材料在带隙工程上具有良好性质,能够拓宽其在光催化领域的应用。讨论了范德华材料的结构、性质,范德华异质结构的带隙工程性质及其在光解水产氢和光催化降解污染物方面的应用。

Ti_3AC_2/Zr(A=Si,Al)范德华异质结材料的几何结构、电子结构和弹性性质的第一性原理研究

采用第一性原理方法,系统地研究了Ti_3AC_2/Zr(A=Si,Al)范德华异质结材料的电子结构和弹性性质.根据能带结构,电子态密度和Mulliken布局分布情况,分析了Ti_3AC_2/Zr(A=Si,Al)的电子性质和价键性质.采用广义梯度近似(GGA)计算方法,计算分析了Ti3SiC2/Zr和Ti3AlC2/Zr两种异质结材料的弹性性质和力学稳定性.研究结果表明,Ti3SiC2/Zr和Ti3AlC2/Zr具有较大的各向异性和较好的力学稳定性.且在相同应力的作用下,Ti_3AC_2/Zr(A=Si,Al)范德华异质结材料的形变小于MAX相材料Ti_3AC_2(A=Si,Al)的形变,但大于Zr金属的形变.

二维InSe/SnSe_(2)范德华异质结的电子结构和光学特性研究

本文构建了三种不同堆叠形式下的二维InSe/SnSe_(2)范德华异质结模型,利用基于密度泛函理论的第一性原理方法综合考察了二维InSe/SnSe_(2)三种不同堆叠情况下的几何构型及稳定性,在此基础上选取具有最稳定性能的构型.该异质结呈现出Ⅱ型能带对齐特征,带隙值为1.118 eV,可以实现电子-空穴的有效分离.另外,相比与单层二维InSe/SnSe_(2)范德华异质结的光吸收能力达到明显提升,在紫外光范围内吸收系数达到10^(6)cm^(-1).研究结果将为相关物理实验及机理研究提供理论基础,对二维InSe/SnSe_(2)范德华异质结在光电器件中的应用具有重要的物理意义.

Ga_(2)SSe/g-C_(6)N_(6)异质结光催化水分解的第一性原理研究

通过第一性原理计算,本文研究了Ga_(2)SSe/g-C_(6)N_(6)范德华异质结的光催化性质。结果表明,Ga_(2)SSe/g-C_(6)N_(6)异质结具有交错的能带排列,界面处形成从Ga_(2)SSe层指向g-C_(6)N_(6)层的内置电场,构成II型异质结,有利于光生电子空穴对的有效分离。另外,带隙值合适且具有从可见光到紫外光的宽光学吸收光谱,其带边位置跨越了分解水的氧化还原电位,满足光催化水分解的要求。该研究结果为基于Ga_(2)SSe/g-C_(6)N_(6)异质结的设计提供了理论参考。

基于质子化胍-碳纳米管vdW异质结构的超灵敏SO_(2)气体传感器

二氧化硫是一种有害的空气污染物,对环境和人体健康有严重影响。传统的SO_(2)检测方法面临着诸如特异性差和运行成本高等限制。本研究提出了一种全新的SO_(2)检测方法,利用胍基官能团质子化策略,将作为结构基底的1,8-双(四甲基胍)萘转化为高活性的离子型敏感材料,并和碳纳米管复合形成范德华异质结构,以此为核心构建化学电阻型气体传感器。该传感器在室温下对SO_(2)的检测限达到了12.8 ppb,且对常见大气成分气体如NO_(2)、CO_(2)等均具有高特异性,具有很强的实用价值,为SO_(2)检测提供了一种成本效益高、高灵敏度和高特异性的解决方案。

二维MoS_(2)/WSe_(2)异质结的光电性能研究

近年来基于二维半导体过渡金属硫族化合物如MoS_(2)的光电晶体管被广泛研究。虽然基于单层MoS_(2)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MoS_(2)/WSe_(2)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2.12×10^(3) A/W和2.33×10^(11) 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。

二维原子晶体材料及其范德华异质结构研究进展

2004年英国曼彻斯特大学Geim研究组成功剥离出石墨烯(graphene)以来,二维原子晶体(two-dimensional atomic crystals)材料获得了极大关注。二维原子晶体材料及其范德华异质结构(van der Waals heterostructures)具有电学、热学、力学、化学及光学等方面的众多优异特性,可广泛于电子、催化、储能、生物医学、复合材料等领域。特别是石墨烯,被认为是后摩尔时代的关键材料。二维原子晶体材料除了可制备微电子与光电子器件外,还可能应用到多种新型功能器件。综述了石墨烯(graphene)、二硫化钼(Mo S2)、磷烯(phosphorene)等二维原子晶体材料的合成生长、性能表征与器件制备,并重点讨论了二维原子晶体材料及其范德华异质结在微纳电子领域的研究进展和应用前景。

超越石墨烯:二维纳米材料

二维纳米材料由于其独特的物理和化学性质,现已成为当今材料科学研究的焦点之一。本文从新型二维纳米材料的分类、合成、性质和应用角度,结合TMDs、硅烯、层状氧/氢氧化物等实例,介绍了这方面研究的新进展,并简要介绍了新兴的以二维材料堆叠为基础的范德华和同层异质结构的制备、性质及应用前景。最后,对正在飞速发展的二维纳米材料在未来将引发的新一代材料科学革命中展示出的活力进行了展望。