铁电极化增强C/Bi/Bi_(2)MoO_(6)复合材料光催化性能的研究——推荐一个综合化学实验

本文围绕环境问题设计了一个综合化学实验。制备了C/Bi/Bi_(2)MoO_(6)复合材料,并对其施加直流电压进行电极化处理,通过扫描电镜和X射线粉末衍射等表征得出电极化法不影响材料的形貌和组成结构,并且能有效增强复合材料的光催化降解活性。本实验实现了化学、环境、能源与材料等多学科交叉融合,实验可操作性强且绿色环保。通过实验改进和仪器表征,激发学生的科研热情,培养创新思维和动手能力。

铁电极化调控SnSe薄膜光电性质研究

利用脉冲激光沉积(PLD)技术在铌酸锂基片上沉积SnSe薄膜,研究了不同极化方向的铁电基片对SnSe薄膜光电性质的影响.控制PLD沉积时间,在铌酸锂基片上沉积出不同厚度的SnSe薄膜.X射线衍射和X射线光电子能谱的结果显示制备了高取向的单相SnSe薄膜.薄膜横截面高分辨透射电镜结果显示了薄膜具有较高的结晶质量.在无光照情况下,当铁电极化方向指向薄膜时,极化场可向SnSe薄膜中注入电子,使p型SnSe薄膜的电阻增加;当极化方向背离薄膜时,极化场可向SnSe薄膜中注入空穴,使p型SnSe薄膜的电阻降低.当用仅能使SnSe薄膜发生电子-空穴分离的632 nm激光照射时,不同极化方向的样品都表现出光电导增加的现象.当用405 nm激光照射时,不同极化方向的铌酸锂与薄膜界面处发生的电子-空穴分离使SnSe薄膜表现出完全不同的光电导效应.利用能带模型解释了不同铁电极化方向的铁电基片对SnSe薄膜光电导性质调控的机理.

新型铁电极化拓扑结构构筑及其原子尺度结构特性

铁电材料的自发电极化可以被外场调控翻转,在信息存储和逻辑器件等领域具有巨大应用前景。基于铁电极化的量子材料构筑可实现挠曲电效应、界面电导与超导效应、铁电畴壁电导效应与铁电场效应等钙钛矿氧化物传统与新型界面性能的有效调控,赋予低维钙钛矿氧化物超晶格众多大于简单1+1的新颖性能,为设计多功能、高性能及小型化的电子器件提供新的广阔空间。

铁电极化子动力学理论

在铁电屏蔽理论的基础上发展铁电极化子动力学理论 ,用来解释铁电体的极化反转现象 .理论结果与TGS单晶的实验结果符合得很好 .

铁电极化诱导的PbTiO3薄膜的取向聚集生长和晶粒尺寸调控

用溶胶凝胶法制备了PbTiO3薄膜。将含量为0.2%、0.5%和0.8%(摩尔比)的钙钛矿铁电PbTiO3纳米片加入溶胶体系中,利用纳米片的自发极化调控薄膜的生长。结果表明,纳米片的加入显著影响了薄膜的生长过程和结晶学取向,可制备出(100)高度取向的PbTiO3薄膜;改变纳米片的浓度,可将薄膜晶粒尺寸由100 nm调控到2μm。扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)观测和原位X射线衍射(in-situ XRD)的结果表明,固态薄膜中的晶粒表现出类液相的取向聚集生长特征。其原因可能是,铁电纳米片极化表面的静电力诱导小晶粒的吸附和取向排列,调控了薄膜的(100)取向和晶粒尺寸。

铁电效应调控的高性能p-NiO/i-BaTiO_(3)/n-ITO自供能紫外光电探测器

近年来,自供能的紫外光电探测器由于无需任何外部偏压即可工作而成为军事和民用领域的研究热点。其中,钛酸钡(BTO)作为一种宽禁带铁电材料,拥有良好的铁电、压电和热电性能,可以产生本征自发极化场来分离光生载流子,从而实现自供能紫外光电探测。到目前为止,基于BTO的自供能光电探测器已经取得了巨大进展,然而,除了使用高质量的单晶材料外,所报道的器件往往表现出低响应度(10^(-8)~10^(-7) A·W^(-1))。本文利用低成本的射频溅射技术,制造了一种高性能的NiO/BTO/ITO p-i-n异质结构自供能紫外光电探测器。通过将BTO的铁电去极化场和p-i-n结的内建电场耦合,能有效提高光生载流子的分离和迁移。因此,该器件在正极化态下255 nm波长紫外光照射下的响应度可以达到3.4×10^(-5) A·W^(-1),远远高于其他已报道的基于非晶态和陶瓷BTO制备的紫外光电探测器。此外,该器件具有0.3 s/0.4 s的快速响应时间。本工作为提高BTO光电探测器的性能提供了一种新的策略。

窄带隙β-CuFeO_(2)铁电光催化剂性质及表面析氧反应特性

铜铁矿(delafossite)型CuFeO_(2)具有窄带隙、良好稳定性被广泛用于光催化领域的研究,而其中心对称的层状结构使得光生载流子容易复合,限制了其光催化效果。β-CuFeO_(2)是一种具有相稳定,窄带隙,强极化的本征铁电半导体,利用其内禀的铁电极化性质,构建光生电子空穴生成位点交替排列的[011]表面,在铁电内建电场作用下促进电荷分离,从而提升光催化性能。基于第一性原理计算,本文首先确定β-CuFeO_(2)具有热力学稳定性,磁基态为C型反铁磁,且带隙为1.37 eV的直接带隙半导体,理论铁电极化为83.466μC/cm^(2),是良好的光催化剂载体。进一步地,以表面析氧反应(OER)为模型,通过构建非极化表面[100]、[010]和极化表面[001]、[011]研究铁电极化对OER的影响。结果表明,β-CuFeO_(2)的表面价带顶氧化还原电势大部分大于水氧化电势(1.23 eV),且极化表面更易形成。此外,在极化方向上,完全暴露Cu-O原子,Cu,Fe原子层交替排列的[011]表面最易吸附水分子且具有最优OER催化活性。对[011]表面OER决速步骤进行电子结构分析,发现在*O中间体上具有2个电子口袋,反应生成*OOH后消耗一个电子口袋,即空轨道上得到电子。这是[011]极化方向表面OER决速步骤的内在机理。本工作构建了β-CuFeO_(2)铁电半导体并通过理论模拟计算了其基本性质,构建了不同方向表面研究铁电极化对光催化OER活性的影响,将为铁电光催化剂设计提供理论依据。

HfO_(2)基铁电薄膜的结构、性能调控及典型器件应用

大数据、物联网和人工智能的快速发展对存储芯片、逻辑芯片和其他电子元器件的性能提出了越来越高的要求.本文介绍了HfO_(2)基铁电薄膜的铁电性起源,通过掺杂元素改变晶体结构的对称性或引入适量的氧空位来降低相转变的能垒可以增强HfO_(2)基薄膜的铁电性,在衬底和电极之间引入应力、减小薄膜厚度、构建纳米层结构和降低退火温度等方法也可以稳定铁电相.与钙钛矿氧化物铁电薄膜相比, HfO_(2)基铁电薄膜具有与现有半导体工艺兼容性更强和在纳米级厚度下铁电性强等优点.铁电存储器件理论上可以达到闪存的存储密度,读写次数超过1010次,同时具有读写速度快、低操作电压和低功耗等优点.此外,还总结了HfO_(2)基薄膜在负电容晶体管、铁电隧道结、神经形态计算和反铁电储能等方面的主要研究成果.最后,讨论了HfO_(2)基铁电薄膜器件当前面临的挑战和未来的机遇.

铁电材料光催化活性的研究进展

光催化技术被认为是最有前景的环境污染处理技术,这就使得光催化剂材料备受瞩目.近年来,铁电材料作为新型光催化剂材料受到人们越来越多的关注,其原因在于铁电材料特有的自发极化有望解决催化反应过程中的电子-空穴对复合问题,进而提高光催化活性.本文从两个方面对铁电极化如何影响光催化进行综述:一方面,从铁电极化入手归纳总结其对电子-空穴对分离的影响,进而更深入地从极化引发的退极化场和能带弯曲两个部分来阐述具体的影响机理;另一方面,为了消除静电屏蔽,分别从温度、应力(应变)、电场三个外场因素调控极化入手,归纳总结外场调控极化对电子-空穴对分离的影响,进而影响光催化活性.最后对该领域今后的发展前景进行了展望.

铁电场效应晶体管的建模与模拟

得到了一个铁电场效应晶体管(MFIS结构)的新的模型,并对该模型进行了电特性分析。从理论上得到了铁电极化和电场强度关系的新的表达式。基于Pao和Sah双积分且考虑了铁电材料的非饱和极化得到漏极电流的精确模拟,并给出了器件模拟结果。通过对器件的模拟,最后总结了一些提高铁电场效应晶体管性能的规律。

BaTiO_(3)单晶表面结构及表面液体pH值的影响

铁电材料是指在一定温度范围内具有自发极化,且极化方向能被外加电场改变的材料,而水是一种普遍存在的极性溶剂.由于极性作用,铁电材料与水及水溶液的界面存在着复杂的相互作用.理解这些物理过程以及机制对于理论研究和实际应用都具有重要意义.本工作利用同步辐射衍射技术研究了(001)方向极化BaTiO_(3)单晶的表面结构,并且研究了不同pH值液体对表面结构的影响.结果表明,BaTiO_(3)单晶含有一个电子密度较小的表面层,并且由于极性的作用,BaTiO_(3)单晶表面吸附了2.6 nm的水层.表面滴加纯水后,BaTiO_(3)的表面层结构没有明显的改变.低温原位掠入射X射线衍射实验表明表面存在冰,进一步验证表面吸附水层的存在.pH=1的盐酸溶液也对BaTiO_(3)表面结构没有显著影响,可能是由于酸性溶液能稳定原有的极化方向.但pH=13的NaOH溶液可以使表面层变厚,可能由于碱性溶液可以使表面极化减弱,从而改变表面退极化场以及表面层厚度.

多晶铁电体的脉冲反转

测量了钛酸锶钡(Ba0 99Sr0 01TiO3)陶瓷在不同峰值方波电压作用下的脉冲反转信号。发现陶瓷中由于晶粒小,慢极化的反转速度快,使得慢电流峰值对应的时间几乎不随外加作用变化;而慢电容则随方波峰值电压的增大单调增加。

纳米铁电材料铁电性及其力电耦合特性的原子尺度模拟研究

纳米铁电材料的几何构型和特征尺寸严重影响着材料的铁电性,对微电子器件中功能材料的可靠性有着至关重要的影响。数值模拟是研究铁电材料物理特性的重要手段,并且当材料的特征尺寸缩小至数个纳米的量级时,由于极小试样精密制备和微小物理量准确测量等方面困难的制约,数值模拟可能是唯一有效的办法。本文综述了典型二维、一维及零维纳米铁电材料铁电性的若干数值模拟研究进展,重点介绍了纳米铁电材料的极化分布、铁电相变、铁电临界尺寸和力电耦合特性等关键问题的研究成果,展望了纳米铁电材料模拟研究方面的研究重点。

钙钛矿铁电半导体的光催化研究现状及其展望

钙钛矿材料可以分为ABO3氧化物和或I)卤化物两大类,它们都具有丰富的物理性质和优异的光电性能,比如铁电性和光催化性能.本文介绍了和等铁电半导体光催化材料和异质结的制备方法,总结了它们在光电催化方面的研究进展.目前研究者已经针对氧化物光催化材料做了各种研究,包括:降低吸光层铁电材料的带隙,制备铁电/窄带半导体吸光层异质结,制备比表面积很大的纳米片、纳米棒或者其他纳米结构,以便吸收更多可见光;让铁电极化及其退极化场垂直于光催化工作电极表面,通过铁电/半导体异质结能带弯曲提供内电场,通过外电场进行光电催化,从而通过内、外电场高效分离光生-电子空穴对;通过光催化或者光电催化降解染料、分解水制氢、将CO2转换为燃料;通过铁电、热释电和压电协同效应提高催化效应和能量转换效率等卤素钙钛矿具有优异的半导体性质,其铁电性可能是引起超长的少数载流子寿命和载流子扩散长度的原因.通过优化光催化多层膜结构并添加防止电解液渗透的封装层可以避免被电解液分解,从而制备了具有很高能量转换效率的光电催化结构.最后,我们分析和比较了这些钙钛矿铁电半导体在光电催化领域面临的挑战,并展望了其应用前景.

Pb(Zr_(0.52)Ti_(0.48))O_3/SrRuO_3铁电隧穿结的制备与性能研究

采用脉冲激光沉积法(PLD)在(001)SrTiO_3基片上制备了基于Pb(Zr_(0.52)Ti_(0.48))O_3/SrRuO_3/SrRuO_3(PZT/SRO)的铁电隧穿结。利用多种表征手段测试并分析薄膜微观结构及电性能。结果表明:PZT和SRO薄膜具有良好的取向结晶性,实现了薄膜的外延生长。8 nm PZT薄膜具有稳定的铁电性能,在外电场为7 500×10~3 V·cm^(–1)时,其剩余极化(2P_r)为3.79×10^(–6)C·cm^(–2),矫顽场(2Ec)为4 300×10~3 V·cm^(–1)。室温条件下,隧穿结经±7 500×10~3 V·cm^(–1)电场极化后具有明显的隧穿电阻(TER)效应,室温下TER最高可达约126。

钙钛矿型铁电氧化物表面结构与功能的控制及其潜在应用

钙钛矿型铁电氧化物由于具有本征的、非易失的、可翻转的自发极化以及带有高电荷密度的极性表面等特性,被认为是最有前途的功能材料之一.研究钙钛矿型铁电氧化物的表面结构对理解其表面/界面能量转化、调控表面物质吸附和脱附、控制界面化学反应、以及设计稳定的低功耗电子器件具有重要意义.本文首先概述了铁电相与其表面结构的关系,并介绍了钙钛矿型铁电氧化物复杂表面结构的形成;之后阐述了铁电表面/界面结构的调控机制,为后续的钙钛矿型铁电氧化物的表面结构设计、表面性能与功能的控制提供了研究基础;最后介绍了铁电氧化物表面/界面的功能调控和潜在器件的设计,并结合目前铁电材料领域表面科学研究的局限性,对今后基于钙钛矿型铁电氧化物表面结构的研究发展以及应用前景提出了展望.

应变作用下EuTiO_3薄膜铁电性的第一性原理研究

基于第一性原理计算,研究了应变作用下EuTiO_3(ETO)薄膜的微观结构、轨道电子态密度,分析其磁性变化以及可能的极化起源.研究发现,对ETO薄膜施加一定程度的应变,无论是压应变还是张应变,体系由顺电相相变到铁电相.极化来源于应变作用下Ti 3d与周围O 2p离子的杂化平衡被打破,Ti原子位置发生偏移.张应变作用下极化沿着原胞平面内y轴方向,而压应变作用下极化则沿着z轴方向.此外,铁磁的势阱大于反铁磁的势阱,说明施加一定程度的应变,晶体的磁性会由反铁磁态相变到铁磁态.

2D In2Se3面内外极化强度及弹性性能的第一性原理研究

α-In2Se3是一种典型的铁电材料,同时具有面内和面外方向的自发极化,可应用于发展通用的二维数据存储技术.该文利用第一性原理计算方法对单胞α-In2Se3进行了电学性质、弹性性能、面内面外极化强度的研究,发现在不同拉压应变下,面外的极化强度比面内变化更明显,极化向上的晶体结构面内刚度大于极化向下的,y方向的泊松比均大于x方向的.

二维铁电材料的第一性原理研究进展

由于二维铁电体固有的尺寸和表面效应,其铁电性能与传统的块状铁电体有较大的不同。到目前为止,二维铁电体已被报道具有多种性质,包括体光电效应、压电/热释电效应、谷极化和自旋极化。这些性质或依赖于铁电极化,或与之耦合以便于电学控制,从而使二维铁电体适用于多功能纳米器件。目前,二维铁电体在理论、实验和应用方面的研究正在不断积累。文中简要介绍了采用第一性原理研究二维铁电材料的理论和方法,并分别总结了二维铁电性的本征与非本征起源,最后讨论了二维铁电体存在的问题及发展前景。

钙钛矿太阳能电池界面工程优化研究

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(PSCs)具有高能量转换效率、低能耗和低成本等优点,但PSCs界面缺陷引起的非辐射复合严重阻碍了其光电转换性能提升。本研究通过降低氧化镍空穴传输层的粒径尺寸,提高粒径均匀性,实现了光生空穴在电池界面的高效传输;并通过优化钙钛矿薄膜的反溶剂作用时间提升结晶质量,降低界面非辐射复合,改善空穴传输层和钙钛矿的界面问题,使钙钛矿太阳能电池的能量转换效率(PCE)从10.11%提高到18.37%。开尔文探针力显微镜(KPFM)研究表明,界面优化后的钙钛矿薄膜在亮态下的表面接触电位差相比于暗态下增加了120.39 mV。采用压电力原子力显微镜(PFM)分析钙钛矿薄膜明暗态铁电性能,发现界面优化后的钙钛矿铁电极化变化微弱,说明优化界面有效降低了电池界面缺陷和迟滞效应。该研究结果表明,优化氧化镍空穴传输层,提高钙钛矿薄膜质量,减少了界面缺陷,降低了非辐射复合和电池迟滞效应,提高了钙钛矿太阳能电池的能量转换效率。