表面掺杂增强金刚石/铜复合材料界面结合的计算研究

采用基于密度泛函理论的材料模拟程序CASTEP模块,研究B、N、Si掺杂对金刚石表面结构的影响。结果表明,B、N、Si的掺杂可以改变金刚石表面的电子状态,其中硼原子会与碳原子形成强的键合作用,而硅和氮原子则形成弱的键合作用。并以B、N、Si封端金刚石作为增强体,分析掺杂金刚石对金刚石/铜复合材料的影响,结果表明,对金刚石进行表面掺氮和掺硅可以提高金刚石/铜界面的结合强度,其中掺氮的效果最好。电子态密度表明,掺杂金刚石表面第一层原子在费米能级附近的电子状态分布对电子-声子耦合有利。

氧等离子处理的二硫化钼场效应晶体管表面掺杂和湿度传感研究

二维半导体过渡金属二硫属化物(transition metal dichalcogenide,TMD)具有独特的电学、光学和力学性能,在数字电路、光伏器件和能量存储等多个领域中具有巨大的应用潜力。通过表面掺杂控制TMD的电学性能为实现灵敏传感提供了有效的方法。本文开展了氧等离子体对二硫化钼(MoS_(2))掺杂特性的研究。首先,测试了MoS_(2)场效应晶体管(field-effect transistor,FET)的输运特性,发现氧等离子体处理对FET具有p型掺杂作用。随后,通过拉曼光谱研究了掺杂机制的成因,并证实了沟道表面类MoO_(3)缺陷的形成。最后,研究了经等离子体处理的晶体管的湿度传感特性,由于氧等离子体处理使得沟道对水分子的吸收中心增加,在潮湿环境下晶体管具有十分灵敏的响应特性,源漏电流值变化了约54%。这项工作不仅提供了一种调控TMD电学性能的简单方法,也展示了低维材料化学传感器的发展潜力。

表面掺杂Al的球形尖晶石LiMn_2O_4的高温循环性能

采用控制结晶工艺合成了球形Mn3O4,通过在球形Mn3O4的表面包覆Al(OH)3,然后与LiOH一起混合焙烧制备了表面掺杂Al的尖晶石LiMn2O4。采用SEM,XRD,EDS以及电池系统测试等方法,研究了所制备材料的结构和性能。SEM分析表明:表面掺杂后,Al(OH)3均匀地包覆在颗粒表面。XRD和EDS分析表明:焙烧后,Al元素占据了Mn的位置,且颗粒表面的Al含量高于其总体的平均含量,说明Al只是在表面富集,即表面掺杂。电池测试表明:表面掺杂后,尖晶石LiMn2O4的初始充放电容量有所下降,但在高温55℃下的循环性能有显著的提高,表面掺杂6%Al的尖晶石LiMn2O450次循环的容量保持率从68.3%提高到79.0%。说明以Al3+作为掺杂离子通过表面掺杂来改善LiMn2O4的高温循环性能是有效的。

Al^(3+)对尖晶石型LiMn_2O_4正极材料的表面掺杂包覆改性

采用表面掺杂包覆改性的方法对LiMn2O4尖晶石型锂离子电池正极材料进行改性.以Al为表面掺杂元素,Al(NO3)3为原料,研究了Al3+掺杂量为7.1%(原子分数)时不同温度(300、400、500、600、700、750、800℃)下的改性效果.研究发现,随着热处理温度的升高,改性样品的最大比容量先升高后降低,在700℃达到最大值;循环衰减先增大后降低再增大;这是由于随着热处理温度的升高,包覆层逐渐分解并与LiMn2O4颗粒反应固溶,在750℃完全固溶,衰减达到极小值,而后固溶层向颗粒内部扩散,导致包覆层对颗粒免受电解液溶解的保护能力变弱,因而容量衰减增大.其中700℃热处理5h的样品最大比容量为133.6mAh·g-1,循环50周衰减3.4%.研究表明Al3+表面掺杂包覆改性有利于促进LiMn2O4尖晶石型锂离子电池正极材料的商业化生产,具有大规模应用的前景.

基区表面掺杂浓度对NPN型晶体管电离辐射效应的影响

针对不同基区表面掺杂浓度的NPN型晶体管,采用^60Coγ射线辐射源开展辐照实验,根据测得的电学参数及深能级瞬态谱,分析了NPN型晶体管的损伤效应机制。研究结果表明,在相同吸收剂量下,基区表面掺杂浓度高的NPN型晶体管比掺杂浓度低的NPN型晶体管对电离辐射更为敏感,其基极电流增幅更大;随着吸收剂量的增加,NPN型晶体管的电流增益退化程度加剧;在基区表面掺杂浓度高的NPN晶体管中,电离辐射诱导的氧化物电荷和界面态能级位置均更接近于禁带中央,导致复合率增大,从而使晶体管的电学性能退化程度加剧。

表面掺杂CeO_2对2Y-TZP陶瓷抗低温水热腐蚀的影响

比较了对２Ｙ－ＴＺＰ陶瓷采用表面掺杂ＣｅＯ２和体掺杂ＣｅＯ２两种不同方式处理后，２Ｙ－ＴＺＰ陶瓷低温水热腐蚀前后的抗弯强度的变化。结果表明，对Ｙ－ＴＺＰ陶瓷进行表面掺杂ＣｅＯ２，不仅可以克服体掺杂ＣｅＯ２时抗弯强度大幅度下降的问题，而且可以明显改善低温水热腐蚀对Ｙ－ＴＺＰ陶瓷力学性能的影响。表面掺杂ＣｅＯ２对２Ｙ－ＴＺＰ陶瓷抗低温水热腐蚀的原因，是既保持了Ｙ－ＴＺＰ陶瓷整体对等温相变的约束，又阻止了Ｙ－ＴＺＰ陶瓷产生氧空位的综合作用。

晶体硅太阳能电池连续流等离子体强化表面掺杂技术的研究

针对业界常用的热扩散工艺产生"死层"的现象,提出连续流等离子体强化表面掺杂技术,根据新技术制备的晶体硅太阳能电池片没有富硼层(Boron rich layer)而且Si-SiO2界面具有良好的原子平整度、无晶格缺陷,具有高效、可控、稳定的电池性能(平均转化效率达22%,最高转化效率达23%)。

表面非金属掺杂对锐钛矿相TiO_2(101)面吸附NH_3特性的影响

采用基于密度泛函理论(DFT-D)体系下的第一性原理平面波超软赝势方法,研究了被不同非金属(B、C、N、F)掺杂的TiO_2(101)表面吸附NH_3的特性与作用机理.研究发现:被非金属掺杂后的表面对NH_3的吸附效果要优于未掺杂表面.不同元素掺杂对比发现:C掺杂后的表面吸附能最大,稳定后吸附距离最小,为最稳定吸附结构.通过Mulliken电荷分布和分态密度的分析,得到了不同吸附条件下NH_3在TiO_2掺杂表面的催化氧化还原作用机理,并发现各模型吸附能的不同是由于掺杂(X)位原子与NH_3分子的相互作用强弱不同所造成.掺杂原子在费米面附近的电子态密度贡献越强,掺杂原子与NH_3分子电荷转移的净值越小,吸附距离越小,吸附能越大,吸附更稳定.

等离子体表面氮掺杂对非晶碳膜场发射特性的影响

氢化非晶碳膜作为一种场致阴极电子发射材料已被广泛研究,通过对薄膜进行掺杂以提高其场发射特性已被证明是行之有效的方法之一.利用常规等离子体化学气相淀积技术制备了氢化非晶碳薄膜材料,在原位利用氮等离子体对碳膜表面进行N型掺杂.通过不同手段研究了氮表面掺杂前后非晶碳膜的微结构和化学键的变化,对表面掺杂前后的薄膜的场电子特性的测量表明,在氮表面掺杂后其场电子发射特性有了明显改善,特别是场发射的阈值电场从掺杂前的3.2 V/μm下降到掺杂后的1.0 V/μm.初步实验分析表明:由于氮表面掺杂后,在碳膜表面形成N-H键,从而导致碳膜表面的有效功函数降低使场电子发射特性得以提高.

NiTi合金表面TiO_2掺杂N原子的电子结构计算

采用密度泛函理论的离散变分Xα方法(DV-X)α,对表面掺杂N原子后的NiTi合金表面TiO2的电子结构进行了计算,得到各原子间的键级、电荷分布、Mulliken集居数和态密度.结果表明:表面掺杂后,在Ti原子的3d,4s,4p轨道和N原子的2p轨道之间发生了有效的作用,改变了表面膜的电荷分布,表面负电荷增加,从而抑制了C1-等阴离子的吸附,阻碍电子的失去,提高了其抗点蚀的能力;同时,也有利于体液中Ca2+、PO4在表面沉积形成羟基磷灰石,使NiTi合金的耐腐蚀性得到进一步提高.这一理论计算阐明了NiTi合金表面掺N后抗腐蚀性和生物相容性提高的机制.

NiTi合金表面TiO_2掺杂C原子的电子结构计算

采用基于密度泛函理论的离散变分Xα方法(DV—Xα),对表面掺杂C原子后的NiTi合金表面Ti0_2的电子结构进行了计算,得到各原子间的键级、电荷分布、Mulliken集居数和态密度．结果表明:表面掺杂C后,在Ti原子的3d、4s、4p轨道和C原子的2p轨道之间发生了有效的作用,改变了表面膜的电荷分布,表面负电荷增加,从而抑制了CI-等阴离子的吸附,阻碍电子的失去,提高了其抗点蚀的能力;同时,也有利于体液中ca2+、PO34在表面沉积形成羟基磷灰石,使NiTi合金的耐腐蚀性得到进一步提高．这一理论计算阐明了NiTi合金表面掺C后抗腐蚀性和生物相容性提高的机制．

非金属元素掺杂锐钛矿TiO_2(101)表面对提升NH_3光学气敏传感特性的影响

本文采用第一性原理平面波超软赝势的方法,模拟计算了含氧空位锐钛矿TiO_2(101)表面单掺杂非金属C元素、N元素、F元素以及双掺杂C-N元素、C-F元素、N-F元素后表面的氧化还原能力,分析对NH_3分子吸附的微观机理,研究杂质掺入对光学传感特性的影响.结果表明:非金属元素是比较容易掺入到锐钛矿TiO_2(101)表面,掺杂表面对NH_3分子吸附较未掺杂的表面要好,表面吸附NH_3分子后,吸附距离都出现缩短,C-N元素掺杂后吸附距离最小且吸附能最大;通过Mulliken电荷布居分布分析,C掺杂提升了表面的氧化性,N元素对表面的氧化性提升不明显,而F掺杂降低了表面的氧化性;通过态密度分析可知,C掺杂在禁带中产生了受主能级,而N掺杂提高了价带顶的电子态密度,F掺杂在导带底产生了施主能级;通过光学性质的分析可知:C掺杂提升了材料对低能可见光的响应,使材料对570 nm～760 nm范围内的可见光吸收提高了大约3.5倍;而C-N双掺杂体系,使材料对400 nm～570 nm范围内的可见光吸收提高了大约3倍.总的来说,单掺杂C元素以及双掺杂C-N元素都能明显的提高材料的光学气敏传感特性.

第一性原理研究掺入钒、锶的钡钨阴极表面功函数及吸附能

应用第一性原理赝势法,构建了不同的阴极表面原子模型,并计算了功函数和吸附能.以(2×2×1)W(001)面为基础,在表面的顶位、桥位和洞位分别吸附1 ML的O原子,发现O原子更倾向于吸附在顶位,并且功函数最大.将Ba原子吸附在W-O表面后,发现Ba原子更有可能吸附在洞位,表面最佳覆盖度在0.5 ML左右.在W-O-Ba表面的洞位吸附V原子和Sr原子,发现同时吸附2种原子后体系的吸附能更有可能取决于最后吸附的原子,V的吸附使表面功函数降低,Sr使表面功函数升高.最后制备了掺入3%钒酸锶的新型钡钨阴极,在1050℃下脉冲发射电流密度达8.71 A/cm^(2),高于普通铝酸盐钡钨阴极的6.77 A/cm^(2),通过实验证实理论仿真具有合理性,可以进一步优化表面结构,提高阴极发射能力.

硅纳米线的表面掺杂效应及应用

纳米材料具有较大的比表面积,表现出与块体材料不同的性质。通过实验证明氢负载的硅纳米线能够加速铜氧化过程。这一过程可以用表面掺杂效应进行解释。这种由于尺寸的减小引起化学性质改变的现象--表面掺杂,有望能够在化学的各个领域得到广泛应用。

表面限域掺杂提升高比能正极材料稳定性

锂离子电池在便携式电子设备、电动汽车等领域得到了广泛应用,随着对电池能量密度需求的日益增加,高比能、高稳定正极材料的开发成为相关研究的重点和难点。而正极材料比能量的提升又同时伴随着其自身结构稳定性和循环稳定性的挑战,使得锂离子电池的稳定性、安全性成为制约其应用的关键挑战。本文以高比能正极材料为研究对象,对影响正极材料结构稳定性、电化学稳定性等一系列因素进行介绍和分析,再从目前改善材料结构稳定性的有效策略入手,对表面限域掺杂这一特殊稳定策略的实现途径、稳定机制进行了总结和分析,并结合现有不同表面修饰方法进行分析和评述,对高比能正极稳定性提升的可能策略及方向进行了展望。

表面Ti掺杂对锂离子电池正极材料Li_(1.2)Mn_(0.54)Ni_(0.13)Co_(0.13)O_2的改性研究

高能量密度是消费电子产品和电动汽车用的锂离子电池最重要的指标之一。为了提高锂离子电池能量密度和循环性能,提高和改善正极材料的性能是非常重要的。目前,富锂层状结构的氧化物材料被认为是最有前途的正极材料。然而,对于实际应用来说,这类材料仍旧存在严重的问题,包括:随着充放电循环的进行,首次循环不可逆容量损失较高,电池容量连续衰退,电压下降较快等。本研究通过表面改性技术,对富锂正极材料Li_(1.2)Mn_(0.54)Ni_(0.13)Co_(0.13)O_2(或写为Li_2MnO_3·LiNi_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/3)O_2,简称为LMRO)的表面层掺杂Ti,大大改善了材料的品质和性能。电化学测试结果表明表面掺杂Ti元素的LMRO保持了275mAh/g的高容量(保持率93%),在50次充放电循环后,电池电压仅仅下降了0.29V(保持率92%)。我们并对其中品质改善的机理做了一些探讨。

铈组轻稀土离子La^(3+)、Ce^(3+)、Pr^(3+)在卤化银感光乳剂中的掺杂效应

铈组轻稀土离子La^(3+)、Ce^(3+)、Pr^(3+)在碘溴化银照相乳剂中掺杂,将影响该乳剂的感光性能。La^(3+)的表面掺杂导致乳剂减感,其重要原因之一在于La^(3+)的加入使乳剂相对吸收光能量减低,对卤化银光解产生不利影响;Ce^(3+)的体相掺杂使乳剂增感,可归因于Ce^(3+)在碘溴化银中起到了深化电子陷阱的作用,从而有利于潜影形成与集中;Pr^(3+)则无论是体相掺杂或表面掺杂都具有提高乳剂感光度和反差的作用,但体相掺杂较表面掺杂还有降低灰雾的效果。

过渡金属Cr掺杂对金红石光性影响的研究

报道了采用高温扩散掺杂敏化法在金红石晶体表面掺入Ｃｒ离子、有效提高可见光响应的研究结果．分别利用ＵＶ－ＶＩＳ、ＸＦＡ、ＸＲＤ和ＬＲＳ等测试手段对样品进行了分析．结果表明Ｃｒ离子掺入晶体表面后以Ｃｒ２Ｏ３的形式与基体ＴｉＯ２形成固溶体Ｃｒ２ＴｉＯ５，提高了可见波段的光吸收，使原来位于４１０ｎｍ的ＴｉＯ２的吸收边移到了７５０ｎｍ处，实现了与太阳光谱的匹配．

AuCl_(3)掺杂对碳纳米管晶体管的电学性能调控及特性分析

碳纳米管晶体管作为新一代纳米器件,由于缺乏成熟的阈值电压调控机制,仍难以运用到实际逻辑电路中.本文提出了一种简单易实现且能够大规模处理的表面掺杂方法,通过AuCl_(3)的p型掺杂作用来实现对晶体管阈值电压的有效调控,研究了不同掺杂浓度对碳纳米管电学性能的影响.实验结果表明,在低掺杂浓度条件下,不仅实现了晶体管阈值电压稳定调控,器件导电性能也大幅提高,迁移率提升2-3倍.更进一步地,研究了退火对掺杂后器件的电学性能影响,发现在同等掺杂条件下,退火温度达到50℃时,p型掺杂效果最佳.最后采用第一性原理计算方法,验证了金离子对碳纳米管的掺杂调控机制.这项研究为未来实现大面积低功耗逻辑电路以及高性能电子器件提供了重要指导.

Sm^（3＋）掺杂对纳米CdS－AOT－环己烷体系光谱性质的影响

本文合成了Ｓｉｎ３＋掺杂的纳米ＣｄＳ—ＡＯＴ复合体系，研究了Ｓｍ３＋掺杂对体系光谱性质的影响。