薄膜型声学超材料的发展与展望

声学超材料以可引导和控制声波反射、透射和吸收能力,在声学领域受到广泛关注。薄膜型声学超材料是声学超材料的一个重要分支。薄膜型声学超材料因其轻质、成本低、易加工并且能够在低频段产生理想的降噪效果,成为了当前声学超材料的主要研究方向之一。该文综述了薄膜型声学超材料在隔声等方面的研究进展,从薄膜理论模型建立和薄膜参数化分析出发,论述了薄膜型声学超材料基础理论及性能研究,重点介绍了不同薄膜结构的设计及其与不同隔声技术的结合,并对薄膜型声学超材料进行了总结与展望。

用于光伏板静电除尘的单壁碳纳米管透明导电薄膜老化性能研究

该文基于光伏板静电除尘的应用需求,制备得到一种单壁碳纳米管透明导电薄膜。首先搭建人工加速光老化、盐雾老化、高温老化、高低温老化实验平台,开展单壁碳纳米管透明导电薄膜的老化实验,并进行薄膜的耐老化性能分析。然后搭建光伏板静电除尘实验平台,对该薄膜在静电除尘中的应用效果进行评价。实验结果表明,高温老化和高低温老化对单壁碳纳米管透明导电薄膜结构形貌和光电性能的影响较小,而经过2 000 h光老化和盐雾老化后,薄膜方阻分别上升至未老化时的14.6倍和28.7倍。盐雾老化造成部分导电薄膜从基底上脱落,使得静电除尘率由未老化时的98.35%下降至81.76%,而其他三种类型的老化不会对静电除尘效果造成明显影响。最后采用整合自回归移动平均模型预测单壁碳纳米管透明导电薄膜的品质因数和应用寿命。研究结果对单壁碳纳米管透明导电薄膜在以光伏玻璃外表面为代表的室外应用场景下的有效使用和寿命评估具有重要意义。

基于P3HT的有机薄膜晶体管环境稳定性提升

电子设备领域对高稳定性有机薄膜晶体管(OTFT)的需求日益增长。为了解决有机材料在环境因素作用下影响晶体管稳定性的问题,制备了一种新型OTFT,并同时采用两种方法来提高其环境稳定性:对晶体管进行表面钝化处理,利用钝化层的高化学稳定性隔绝空气中的氧分子和水分子;利用聚(3-己基噻)(P3HT)共混聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)有源层获得高抗氧化性和抗水解能力。测试结果表明,经过60d后器件载流子迁移率仅降低到原始值的87.91%,电流开关比降低到原来的81.90%,说明本文提出的环境稳定性提升方法优于其他方法。

基于学生创新能力培养的综合型实验设计——以“Ag系负载型薄膜催化剂的制备及性能研究”为例

依托化学与材料科学学院实验室综合训练教学平台的大型仪器资源和科研优势,以Ag系负载型薄膜催化降解有机污染物的反应为基础,提炼设计了薄膜催化剂的设计与制备、表征与分析、性能测试、机理探究等系列实验模块,通过科研问题导向和合作探究实践完成基于创新育人的综合型实验教学。综合型实验不仅使学生掌握电化学制备的基本实验技能和催化性能测试的综合应用能力,激发学生的科研兴趣,提升学生的创新思维和团队合作能力,同时有助于探索以科学研究带动创新人才培养的重要实施路径。

基于常规X射线光电子能谱(XPS)和X射线衍射(XRD)技术的透明柔性导电膜薄膜厚度表征

X射线光电子能谱仪(XPS)和X射线衍射仪(XRD)已越来越成为实验室的常规必备设备。XPS是一种表面分析技术,典型的分析深度约为10 nm,主要用于表征材料表面元素及其化学状态,并可利用刻蚀离子枪对材料元素及其化学态纵深分布进行研究。XRD主要利用晶体对X射线的衍射测定材料的晶体结构;同时可利用材料表面、界面对X射线的反射,研究材料的物性,包括密度、厚度、粗糙度等。利用实验室常规的XPS和XRD联合表征多层薄膜厚度;结合两者各自的优势,通过简单、便捷的方法实现多层薄膜的结构表征。通过XRD测试多层薄膜的反射干涉条纹,运用快速傅里叶变换(FFT)方法得到其厚度信息;通过XPS深度剖析得到膜层组分及其纵向分布的信息,从而完整表征了多层薄膜的结构。所表征的样品为组成和结构未知的透明柔性导电膜。结合XPS和XRD分析得到结果:薄膜为三层复合膜结构,首层由SnO_(2)、In_(2)O_(3)、TiO_(2)和ZnO组成,厚度为42.6 nm;中间为19.2 nm Ag纳米线;靠近基底层由ZnO、In_(2)O_(3)和TiO_(2)组成,厚度为59.0 nm。建立的方法完全避免了建模的繁杂过程和不确定性,方便、快速地得到薄膜结构组成,包括:每层薄膜厚度、组成成分、层间堆叠顺序等。方法在薄膜研究、生产过程质量控制等方面应用都有十分重要意义。

X射线超导转变边沿传感器超导薄膜研究

采用超高真空直流磁控溅射技术,分别制备了超导Mo薄膜和Mo/Au双层薄膜,研究了不同的溅射功率和溅射气压下薄膜的应力、粗糙度和超导转变温度的变化,实现了应力范围为-421~163 Mpa、粗糙度<1 nm、超导转变温度为1.06~1.10 K的Mo薄膜制备,并以此为基础制备了应力范围在-38 MPa至26 MPa之间,超导转变温度为80~350 mK的Mo/Au薄膜,为研制单能X射线超导转变边沿传感器(TES)提供了技术储备。

掺杂改性氮化物基薄膜摩擦、腐蚀与抗菌性能的研究进展

由于PVD硬质薄膜与金属之间有着较高的黏附强度,且薄膜具有致密结构以及良好的力学、耐磨和耐腐蚀性,同时能够隔绝腐蚀环境中的盐分与材料表面直接接触,因此在其表面沉积具有优异磨损腐蚀和抗菌特性的防护薄膜可以保障金属材料在磨损/腐蚀环境中的长期使用。从传统的二元氮化物薄膜入手,针对薄膜耐磨、防腐与抗菌性能日益增长的需求,综述了Si、C、Mo与Ag元素掺杂对PVD氮化物薄膜在空气与水环境中的摩擦学特性、在盐溶液与海水中的电化学腐蚀与磨损腐蚀特性,以及静态抗菌与摩擦诱导抗菌性能的影响。传统二元的氮化物薄膜已经逐渐发展为多元的CrMoSiCN基薄膜,在这个过程中,重点分析了不同三甲基硅烷反应气体流速与Si、Mo、Ag靶材溅射电流下,薄膜的力学性能与摩擦学特性之间的紧密关联;阐述了薄膜在腐蚀性溶液中磨粒磨损、氧化磨损与电化学腐蚀之间的协同耦合关系;阐明了不同Mo、Ag元素含量下,薄膜的抗微生物黏附与抗菌特性的演变机理。指出多元氮化物基薄膜在盐溶液中的摩擦因数与磨损腐蚀材料损失受到薄膜中Si、Mo与Ag元素掺杂量变化的强烈影响,摩擦过程中的氧化与腐蚀产物有效增强了薄膜的自润滑与减磨特性;而含Mo、Ag氮化物基薄膜的杀菌能力主要与磨痕表面氧化物MoO_(x)的形成和Ag^(+)在菌液中的释放、扩散相关。

复合衬底薄膜砷化镓太阳电池技术研究

针对薄膜砷化镓(GaAs)太阳电池,提出了一种复合衬底结构及其一体化制备方法。采用微加工方法使该薄膜砷化镓太阳电池的复合式柔性衬底的厚度降低至15μm,薄膜GaAs太阳电池整体面密度低至95 g/m^(2),光刻形成的金属微孔使砷化镓与衬底背面底电极电学导通。此外,提出的复合衬底一体化制备方法可避免传统薄膜GaAs电池键合过程对砷化镓外延层造成的影响,提高太阳电池工艺可靠性。薄膜GaAs太阳电池电性能测试及疲劳测试结果均表明该一体化制备方法在提高工艺可行性、降低工艺复杂度的同时其电池电性能无明显降低。该复合衬底的薄膜GaAs太阳电池及其一体化制备方法在未来有着广阔的应用前景。

CuZnA l-MMO复合纳米抗菌薄膜对樱桃保鲜效果的影响

樱桃采后易腐烂且易被微生物感染,而传统保鲜方法具有潜在毒性和化学残留等缺点。为了解决这一问题,采取有机无机杂化策略,构建由CuZnAl复合金属氧化物(CuZnA l-MMO)纳米粒子增强的壳聚糖(CS)和聚乙烯醇(PVA)的复合纳米薄膜。通过分析纳米薄膜的形态结构、力学性能、疏水性能和阻隔性能,证明了CuZnA l-MMO与CS/PVA发生了自组装,增强了纳米薄膜的力学性能和疏水性。相较于CS/PV A-0%MMO纳米薄膜,CS/PV A-6%MMO纳米薄膜的拉伸强度增加了35%,接触角从43.4°上升到了67.9°。此外,CS/PV A-6%MMO纳米薄膜的水蒸气透过率和氧气透过率比CS/PV A-0%MMO纳米薄膜分别下降了43.2%和80.3%。这是由于自组装过程导致了薄膜内碳链通道的重组,从而提高了阻隔性能。这种重组促进了有利于樱桃储存的微环境的形成,既提高了纳米薄膜的防潮性,又促进了气体改良气氛的形成。研究发现,随着CuZnA l-MMO在纳米薄膜中含量的逐渐增加,纳米薄膜对革兰氏阴性菌大肠杆菌、革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌和灰霉菌的抗菌性能逐渐增强。樱桃保鲜实验结果显示,纳米薄膜能够显著降低坏果率、失重率以及樱桃表面的总菌落数,同时延缓了硬度的下降。纳米薄膜还改善了樱桃的呼吸频率,使得包装袋内的CO 2体积分数升高至16.1%。在纳米薄膜内成功促进气体改良气氛形成对樱桃的保存非常有利。CuZnA l-MMO复合纳米薄膜对微生物的抑制效果和对樱桃保鲜性能的提升表明,这种新型保鲜方法具有一定的应用前景。研究旨在为CuZnA l-MMO复合纳米薄膜在果蔬保鲜领域的应用提供一定的理论基础。

再生纤维素基三明治结构复合薄膜的电磁屏蔽性能

电磁辐射污染在工业、民用及军事等领域日趋严重,高性能的电磁干扰(Electromagnetic interference,EMI)屏蔽材料成为当前研究热点。以再生纤维素(Regenerated cellulose,RC)为基体,石墨烯(Graphene,GE)为导电填料,纳米Fe_(3)O_(4)为磁性填料,采用沉浸相转化法和压制成型法制备了三明治结构GE/RC-Fe_(3)O_(4)/RC-GE/RC复合薄膜。研究了GE含量和薄膜厚度对复合薄膜EMI屏蔽性能的影响,探讨了其屏蔽机制。结果表明,随着GE含量和薄膜厚度的增大,复合薄膜的电导率和EMI屏蔽性能逐渐提高。当GE含量为20%(质量分数,如无特殊说明,下同)、薄膜厚度为0.84 mm时,复合薄膜的EMI屏蔽效能(Shielding effectiveness,SE)达到24.7 dB。同时,GE的添加增强了复合薄膜的拉伸强度,其最大值为12.2 MPa。本研究为绿色纤维素基电磁屏蔽复合薄膜的构筑提供了借鉴。

基于隔离薄膜的粗糙面磁粉检测方法

磁粉检测具有灵敏度高、适应性强等优点,但工件表面粗糙会造成伪磁痕,干扰缺陷磁痕的识别,降低准确性。针对该问题,提出一种基于隔离薄膜的磁粉检测方法以增强粗糙表面缺陷的检测能力。利用COMSOL仿真软件分析了隔离薄膜的提离对磁痕的影响,对比不同提离值下的增强效果,分析得出一定厚度的隔离薄膜对磁痕的增强效果最好。选用黄铜金属薄带开展实验,利用平均灰度比评价磁痕图像,比较了不同厚度的隔离薄膜的增强效果,传统方法的平均灰度比结果为1.12,本方法的平均灰度比在隔离膜厚度为0.15 mm时最高,为1.59,是传统方法的1.42倍。此外,实验得出本方法对缺陷深度变化的响应灵敏度约为传统方法的10倍,区分不同深度缺陷的能力得到了提升。

基于裂纹模板法的双层金属网格透明导电薄膜制备及性能

在裂纹模板法制备单层金属网格透明导电薄膜的基础上,为提升其电磁屏蔽性能,制备了双层金属网格透明导电薄膜.通过旋涂法和提拉法工艺分别得到双层裂纹模板后,进而制备相应的双层金属网格透明导电薄膜.首先对同样条件下采用旋涂法制备的单层和双层金属网格透明导电薄膜样品进行性能测试和对比,可知双层结构相对于单层的透光率下降了10.9%,在Ku波段(12-18 GHz)测试的电磁屏蔽效能提升了30 dB.另外,对提拉法制备的双层金属网格样品也进行了测试,与同样条件制备的单层金属网格样品相比,双层结构在损失8.38%的透光率前提下,在Ku波段的电磁屏蔽效能提升了20 dB.测试结果表明,制备的双层金属网格透明导电薄膜在牺牲一定透光性能前提下可明显提升电磁屏蔽性能.通过对基于裂纹模板法的双层金属网格透明导电薄膜的制备和性能研究,可以充分利用裂纹模板法工艺的低成本优势制备高电磁屏蔽性能的双层金属网格透明导电薄膜.

磁控溅射工艺参数和材料对铜薄膜性能影响的研究进展

简要阐述了磁控溅射技术的原理及其应用于铜(Cu)薄膜沉积领域的优势。重点综述了溅射时间、溅射功率、基底偏压、溅射气压和基底温度等关键工艺参数对磁控溅射沉积Cu薄膜组织结构、表面形貌、均匀性、粒径、表面粗糙度、电阻率、溅射速率、薄膜生长择优取向及应力等方面的影响。此外,还介绍了不同基底材料(不同材料种类、不同晶粒取向及不同粗糙度)、不同粒径和纯度的靶材等因素对Cu薄膜性能的影响。总结了单因素变化对Cu薄膜性能的影响规律和作用机理,为高质量Cu薄膜制备提供理论参考。最后,对磁控溅射Cu薄膜的未来研究和发展方向进行了展望。

改性磷石膏填充PBAT复合薄膜的制备及性能

为了降低高成本的生物降解树脂用量,采用改性磷石膏(PG-1)填充聚对苯二甲酸-己二酸丁二酯(PBAT),通过挤出吹膜法制备了PBAT/PG-1复合薄膜。通过红外测试、结晶熔融行为分析、X射线衍射测试、扫描电子显微镜表征、水蒸气透过率测试、力学性能等测试,表征了复合薄膜的结构、结晶熔融性能、断面微观形态、阻隔性能和力学性能等。研究结果表明,PG-1的添加使得PBAT/PG-1复合薄膜的结晶和熔融温度都有所提升,结晶度先增加后减小。观察复合薄膜的断面结构发现,PG-1在复合薄膜中分散均匀、与PBAT相容性较好。水蒸气透过率测试结果表明,PG-1的添加有效改善了复合薄膜的阻隔性能。当PG-1的质量分数为20%时,复合薄膜具有优异的力学性能,横、纵向拉伸强度分别提高了94.5%和78.7%,此时断面结构整体平整光滑,无明显团聚现象,水蒸气透过率下降了44.48%,整体性能达到最佳。当PG-1的质量分数高达50%时,复合薄膜仍具有优异的成膜性能,此时的拉伸强度和结晶度仍与纯PBAT薄膜接近。PBAT/PG-1复合薄膜表现出剪切变稀的流变行为,加工性能得到改善。

基于NaGdF4∶Er^(3+)/Yb^(3+)/Al^(3+)的复合薄膜上转换发光与光热性能

稀土掺杂的上转换纳米材料在光热传感、生物医学等领域有着广泛的应用前景,但其存在导热性差、测温灵敏度与上转换发光(UCL)强度低的问题,而添加单壁碳纳米管(SWCNT)、贵金属与光子晶体(PCs)是提高其UCL强度与光热性能的有效手段。本文使用溶剂热法合成了NaGdF_(4)∶Er^(3+)/Yb^(3+)/Al^(3+)纳米晶体(UCNPs),通过对比上转换层(UC)、SWCNT/UC、Ag/SWCNT/UC与PCs/Ag/SWCNT/UC的光热性能,研究不同膜层对UCNPs的光热性能影响。结果表明,PCs/Ag/SWCNT/UC具有优异的性能,其红绿光强度分别为UC的3.48倍与4.24倍,其光热转换效率达到33.79%,是UC的1.49倍;并且光学测温绝对灵敏度SA在353 K时达到3.14×10^(-3) K^(-1),相对灵敏度SR在273 K时达到1.87×10^(-2) K^(-1)。本研究为提高光热传感器性能提供了一种有效的策略。

高掺钪AlN压电薄膜HBAR器件及工艺研究

本文研究了高掺钪氮化铝(Al_(x) Sc_(1-x) N)压电薄膜高次谐波体声波谐振器(HBAR)的设计仿真与关键制备工艺。仿真研究了钪掺杂对压电材料和HBAR器件性能影响,研究表明:30%钪组分的Al_(0.7) Sc_(0.3) N薄膜能够提升谐振器近5倍的有效机电耦合系数(k_(eff)^(2))。研究了电感耦合等离子体刻蚀(ICP)刻蚀工艺对Mo电极斜坡角度的影响,通过调控工艺参数可以实现侧壁倾角10°~90°大范围调节。研发了Cl_(2)/BCl_(3)/Ar混合气体作为反应气体的Al_(0.7) Sc_(0.3) N薄膜ICP刻蚀工艺,刻蚀速率高达100 nm/min并获得垂直的侧壁形貌。在此基础上成功制备出Al_(0.7) Sc_(0.3) N压电薄膜HBAR谐振器,k_(eff)^(2)达到0.24%,与纯氮化铝(AlN)相比具有显著的提升效果。

溴-锑阻燃剂对聚氨酯薄膜性能的影响

为提升聚氨酯(PU)薄膜材料的阻燃性能,通过采用复配三氧化二锑(Sb2O_(3))和十溴二苯乙烷(DBDPE)组成的协效阻燃体系,制备出不同含量溴-锑复配的PU阻燃透湿薄膜,采用热重分析(TG)、垂直燃烧测试(UL94)分析PU阻燃透湿薄膜的阻燃性,通过接触角、透湿率(WVT)研究其疏水性和透湿性,并通过扫描电子显微镜(SEM)观察其微观结构,研究不同含量溴-锑复配阻燃剂对PU阻燃透湿薄膜的透湿性、疏水性,阻燃性及热稳定性的影响。结果表明,溴-锑复配阻燃剂能有效提升PU阻燃透湿薄膜的阻燃性能;当复配阻燃剂含量为28%时,PU阻燃透湿薄膜接触角由112.99°增大到123.69°,提升了9.5%,疏水性增强;PU复合材料的初始热分解温度(Tonset)从235℃提升至271℃,残炭率(600℃)达到22.48%,提高了4.21个百分点,UL94垂直燃烧等级为V-0级;SEM形貌分析中,溴-锑复配阻燃剂含量的增加,其排列从疏松至紧密,阻燃空白区域减少,有利于提升PU阻燃透湿薄膜的阻燃性能。

一种基于硫化铅薄膜的柔性光电探测器

通过化学浴沉积法在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)上合成了415 nm厚的硫化铅(PbS)薄膜,利用X射线衍射图谱、能量色散X射线光谱分析了PbS薄膜的结晶质量和元素含量,通过原子力显微镜测量了PbS薄膜的厚度。所制备的基于PbS薄膜的柔性光电探测器具有从紫外到近红外(265~2000 nm)的宽探测范围,当偏置电压为1 V,光照强度为200μW/cm2时,器件在1400 nm处的峰值响应达到了10.82 A/W。此外,器件的光电流在反复弯曲500次后只下降了0.28%,具有良好的弯曲稳定性。相信本研究所制备的基于PbS薄膜的柔性光电探测器可以在未来的便携式柔性光电设备中得到应用。

“薄膜材料及其制备技术”课程科教融合模式探索

科教融合是高校培养人才的重要理念。“薄膜材料及其制备技术”作为理工类课程,需要结合教学内容,将科研成果和育人理念融入教学,以期实现理工类课程立德树人的目的。本文主要在课程内容的基础上,结合当前科技前沿,同时结合时代背景,积极引导学生对先进前沿的薄膜材料及技术进行调研,开展科教融合的教学模式探索。在理想信念、精神品质、学科知识、思维能力等方面,积极将能力培养和专业知识传授融合,以期实现科教融合。

退火温度对磁控溅射掺锡氧化镓薄膜特性及其日盲光电探测器性能的影响

本文采用射频磁控溅射在蓝宝石衬底上室温下制备了非晶掺锡氧化镓薄膜,而后在氮气氛围下进行不同温度(400-800℃)退火,并基于退火前后薄膜制备了相应的日盲光电探测器,探究退火温度对薄膜特性及器件性能的影响规律.研究结果表明:非晶掺锡氧化镓薄膜在700℃退火后开始出现氧化镓β相结晶,且薄膜中晶格氧以及Sn^(4+)离子比例随退火温度的升高而增大,说明薄膜质量升高,导电性增强.然而,随着退火温度升高至800℃时,晶格氧以及Sn^(4+)离子比例下降,薄膜的质量及导电特性变差,这可能归因于薄膜中Sn表面偏析以及Al从衬底中扩散进入薄膜.综上,薄膜的质量及其导电特性对掺锡氧化镓日盲探测器性能起到调控作用,当退火温度为700℃,器件获得最优的光电性能:暗电流低至89.97 pA,响应度为18.4 mA/W,光暗电流比可达1264,上升/下降时间低至0.93 s/0.87 s.