Al_(2)O_(3)层厚度对PbZrO_(3)/Al_(2)O_(3)异质结薄膜储能性能的影响

为了提高Pt/PbZrO_(3)/Pt电介质电容器的储能密度,通过热蒸镀和自然氧化方法在Pt/Ti/SiO_(2)/Si基板上沉积了厚度为0~10 nm的Al_(2)O_(3)(AO)层,采用化学溶液沉积法制备PbZrO_(3)薄膜,研究了Al_(2)O_(3)层厚度对PbZrO_(3)/Al_(2)O_(3)(PZO/AO)异质结薄膜储能性能的影响。结果表明:随着AO层厚度的增加,PZO/AO异质结薄膜的击穿电场强度逐渐增大,极化电场电滞回线由反铁电特征转变为铁电特征。当PZO/AO异质结薄膜的AO层厚度为5 nm时,储能密度最大值为21.2 J/cm^(3)。

自支撑BaTiO_(3)薄膜的制备与铁电性研究

BaTiO_(3)(BTO)铁电氧化物薄膜因其在非易失信息存储、智能传感、生物医疗、纳米发电机等领域潜在的应用而受到了人们的广泛关注。目前,为了保证BTO薄膜能高质量外延生长,通常选择晶格匹配的氧化物做衬底,所生长的薄膜与衬底之间存在较强的化学键,很难将其从衬底上大面积地剥离下来,所以也无法实现下一步转移到可用于高密度器件集成的的Si基衬底上。文章使用水溶Sr_(3)Al_(2)O_(6)(SAO)为牺牲层的方法,将生长在Nb-SrTiO_(3)(Nb-STO)衬底上的BTO外延薄膜可以大面积、无褶皱地转移到Si基衬底上。并且,转移后的自支撑薄膜仍然保持了完美的结晶度和室温铁电性。此结论对自支撑氧化物薄膜在高密度铁电器件的集成方面奠定了一定的基础。

0.9BaTiO_(3)-0.1Bi(Mg_(1/2)Ti_(1/2))O_(3)铁电薄膜制备及储能特性

电介质薄膜是通过介质极化方式存储静电能的一种材料,以其高功率密度和高充放电效率,在电子器件领域得到广泛应用。目前,储能密度较低和温度稳定性差仍是电介质储能薄膜的缺陷。本研究采用溶胶-凝胶法在Pt/Ti/SiO_(2)/Si衬底上制备了0.9BaTiO_(3)-0.1Bi(Ti_(1/2)Mg_(1/2))O_(3)(0.9BT-0.1BMT)薄膜,通过引入BMT期望获得高储能密度及宽温度稳定性,并研究了退火温度对薄膜的相组成和微观形貌的影响。研究结果表明,退火温度过高会导致薄膜的致密性明显降低并伴随晶粒尺寸增大,750℃是最佳的退火温度。综合性能研究发现,1 kHz下,薄膜的室温介电常数为399,介电损耗为5.8%。薄膜在各测试频率下的介电温度稳定性满足X9R标准,ΔC/C25℃≤±13.9%。通过Currie-Weiss关系计算得到薄膜的弛豫系数(Relaxor value)γ值为≈1.96,说明其具有明显的弛豫特性。储能特性研究显示,薄膜的室温储能密度Wrec达51.9 J/cm^(3),室温~200℃的宽温度范围内,储能密度Wrec>20 J/cm^(3),可释放能量效率η>65%(1600 kV/cm)。在脉冲放电测试中,薄膜的脉冲放电时间τ0.9保持在15μs以内,且具有优异的频率、温度和循环可靠性。本研究所制备的0.9BT-0.1BMT铁电薄膜具有出色的储能特性和宽温度稳定性,具备在高温环境中应用的潜力。

LiNbO3负极薄膜电化学性能及全固态薄膜锂离子电池应用

全固态薄膜锂离子电池具有易微型化与集成化等优点,因此,非常适合为微系统供电。负极对全固态薄膜锂离子电池的性能有重要影响。现有电池通常采用金属锂作为负极,然而其枝晶生长问题及低的热稳定性限制了相应电池在工业、军事等高温、高安全场合应用。为此,本文系统研究了LiNbO_(3)薄膜的电化学性能,结果表明:LiNbO_(3)薄膜呈现高比容量(410.2 mAh·g^(-1))、高倍率(30C时比容量80.9 mAh·g^(-1))和长循环性能(2000圈循环后的容量保持率为100%),以及高的室温离子电导率(4.5×10^(-8)S·cm-1)。在此基础上,基于LiNbO_(3)薄膜构建出全固态薄膜锂离子电池Pt|NCM523|LiPON|LiNbO_(3)|Pt,其展现出较高的面容量(16.3μAh·cm^(-2))、良好的倍率(30μA·cm^(-2)下比容量1.9μAh·cm^(-2))及长循环稳定性(300圈循环后的容量保持率为86.4%)。此外,该电池表现出优秀的高温性能,连续在100℃下工作近200 h的容量保持率高达95.6%。研究表明:LiPON|LiNbO_(3)界面不论在充放电循环还是高温下均非常稳定,这有助与提升全电池综合性能。

薄膜电极3D打印装置设计及实验分析

针对薄膜电极的制备,设计并搭建了螺杆挤出式3D打印装置。首先设计了螺杆挤出装置,并对螺杆转速、喷头移速以及挤出流量进行了研究,搭建了一种基于电气比例阀的气路控制系统,可实现远程调控气压,从而为螺杆挤出装置供料。然后选取陶泥悬浮液进行打印实验,研究了螺杆转速、喷头移速对打印成型的影响,确定了Fe_(2)O_(3)油墨最优配方,进行实验来验证了打印薄膜的平整性,并确定了较优的工艺参数;最后以钒酸锂(LiV_(3)O_(8))为主体的热电池正极油墨为打印材料来打印薄膜电极,并测试其放电性能,结果表明,打印的薄膜电极成型精准,致密性良好,放电性能优异。该打印装置适合电极油墨材料的打印。

Li_(7)La_(3)Zr_(2)O_(12)基氧化铝薄膜的制备及对固态电解质应用性能的影响

Li_(7)La_(3)Zr_(2)O_(12)(LLZO)具有离子电导率高、电化学窗口宽、与锂负极相容性好的特点,在锂离子电池领域成为了传统有机液态电解质的潜在替代品。然而,LLZO极易与空气中的CO_(2)、H_(2)O反应生成副产物Li_(2)CO_(3),致使LLZO离子电导率降低,甚至丧失。针对这一问题,本研究采用先旋涂后烧结的方法在LLZO表面构筑氧化铝薄膜,借助致密氧化铝薄膜阻隔LLZO与空气的直接接触的特性,改善和提高LLZO的空气-水稳定性。结果表明,采用该方法可在LLZO表面构筑厚度约为13.34μm的无定形氧化铝薄膜层。该薄膜层有效提高了LLZO对气体的阻隔性,增大了LLZO表面疏水特性,在一定程度上抑制了Li_(2)CO_(3)的生成。同时,由于渗入LLZO中氧化铝对空隙的填充作用,强化了离子传输特性,使负载薄膜后LLZO的离子传导的活化能从0.40 eV降低至0.28eV,离子电导率从4.48×10^(5)S·cm^(-1)提高到5.06×10^(-5)S·cm^(-1),提高了13%。

基于SF_(6)/Ar的电感耦合等离子体干法刻蚀β-Ga_(2)O_(3)薄膜

使用SF_(6)/Ar混合气体作为刻蚀气体,采用电感耦合等离子体(ICP)刻蚀方法,研究了不同激励功率和偏置功率对Ga_(2)O_(3)薄膜刻蚀速率的影响以及不同刻蚀时间对表面粗糙度的影响,并观察了光刻胶的损伤情况以调整刻蚀工艺参数。实验结果表明,适度地增大激励功率和偏置功率可以提高刻蚀速率;合适的刻蚀时间可以在得到低粗糙度表面的同时不会过度损伤光刻胶掩膜。通过优化工艺参数,在激励功率为600 W、偏置功率为150 W、刻蚀时间为17 min下,可得到30 nm/min的Ga_(2)O_(3)薄膜刻蚀速率,刻蚀表面的垂直度高、粗糙度低,同时光刻胶掩膜形貌完好。

尿素掺杂CH_(3)NH_(3)PbI_(3)薄膜及其钙钛矿太阳能电池性能研究

基于一步旋涂法制备了钙钛矿太阳能电池吸光层CH_(3)NH_(3)PbI_(3)薄膜,在吸光层制备过程中添加了尿素,研究了尿素掺杂量对CH_(3)NH_(3)PbI_(3)薄膜的物相结构、微观形貌及组装钙钛矿太阳能电池的光电性能的影响,通过XRD、SEM、UV-Vis、PL以及J-V曲线等对样品进行了表征。结果表明,适量尿素的添加提高了CH_(3)NH_(3)PbI_(3)薄膜的结晶度,改善了取向性,使薄膜的覆盖率得到改善,孔洞和裂缝的数量减少。当尿素的掺杂量为10%(摩尔分数)时,薄膜的晶粒尺寸最为均匀,结晶性能最佳。所有CH_(3)NH_(3)PbI_(3)薄膜的吸收边都在780 nm左右,带隙宽度为1.5 eV。适量尿素的添加提高了CH_(3)NH_(3)PbI_(3)薄膜的吸光能力和发射峰的强度,随着尿素掺杂量的增加,CH_(3)NH_(3)PbI_(3)薄膜的吸光性能和发射峰强度均先增大后减小。当尿素的掺杂量为10%(摩尔分数)时,CH_(3)NH_(3)PbI_(3)薄膜的吸光性能最好,发射峰强度最高。将不同尿素掺杂量的CH_(3)NH_(3)PbI_(3)薄膜组装出30个钙钛矿太阳能电池,测试了J-V曲线,当尿素的掺杂量为10%(摩尔分数)时,电池具有最优的光电性能,其光电转换效率达到最大为20.61%。以上分析可知,尿素的最佳掺杂量为10%(摩尔分数)。

PEDOT:PSS/Fe_(3)O_(4)复合薄膜的制备及其超电容性能研究

以价格低廉的Fe_(3)O_(4)纳米颗粒为填料,聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)为基材制备复合材料,并采用高氯酸(HClO4)对其进行后处理,获得PEDOT:PSS/Fe_(3)O_(4)柔性自支撑薄膜。利用扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射仪(XRD)、X射线电子能谱(XPS)、拉曼光谱(Raman)对复合薄膜进行形貌和结构表征,并采用循环伏安(CV)和恒电流充放电(GCD)对其进行电化学性能分析。结果表明:经酸处理的PEDOT:PSS/Fe_(3)O_(4)复合薄膜表面粗糙,电化学性能得到较大提升,且倍率性能较好。在1 A/g时,放电比电容可达106 F/g,远远超出PEDOT:PSS原始膜和未处理的PEDOT:PSS/Fe_(3)O_(4)复合薄膜;在10 A/g时,放电比电容能够保持在81 F/g。

配体调控CsPbBr_(3)/Cs_(4)PbBr_(6)复合薄膜的合成、发光性能及白光LED应用

全无机CsPbX3(X=Cl,Br,I)钙钛矿纳米晶(PNCs)的合成通常需要高温条件和惰性气体的参与,严重阻碍了其实际应用。本文首先利用2-甲基咪唑配体调控再结晶的方法在室温下成功地制备出具有优异发光性能的双相CsPbBr_(3)/Cs_(4)PbBr_(6)PNCs,然后与多种聚合物结合制备出纳米晶复合薄膜。通过X射线粉末衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和紫外-可见吸收光谱等测试,证明了聚合物中的双相钙钛矿结构,筛选出综合性能优异的CsPbBr_(3)/Cs_(4)PbBr_(6)@PDMS和CsPbBr_(3)/Cs_(4)PbBr_(6)@EVA复合薄膜,并进行了发光二极管(LED)器件封装。通过Cs4PbBr6 PNCs和聚合物的双重保护,CsPbBr_(3)/Cs_(4)PbBr_(6)@PDMS显示出超过80%的荧光量子产率(PLQY),CsPbBr_(3)/Cs_(4)PbBr_(6)@EVA的水稳定性和空气稳定性得到了显著提高。最后,将CsPbBr_(3)/Cs_(4)PbBr_(6)@EVA复合薄膜成功应用于白光LED器件,其CIE色度坐标为(0.331,0.332),具有标准白光发射。

电致变色WO_(3)薄膜的研究进展

三氧化钨(WO_(3))是最早被发现的阴极电致变色材料,具有光学调制幅度大、驱动电压低、循环稳定性好等优点,受到国内外研究者的广泛关注.WO_(3)薄膜在智能调光窗、玻璃幕墙和防眩反光镜等诸多领域有着广阔的应用前景.目前,改善全器件的响应速度、循环稳定性等综合性能仍是电致变色WO_(3)薄膜大规模产业化急需解决的问题.文章介绍了多种WO_(3)薄膜电致变色机理,概述了WO_(3)薄膜的主要制备方法,重点综述了提升WO_(3)薄膜电致变色性能的两种方法:构筑纳米结构和掺杂(金属元素和复合改性)以及近几年利用这两种方法制备WO_(3)电致变色薄膜的相关工作.最后,文章对该领域未来的研究方向和应用前景进行了展望.

MoO_(3)/WO_(3)复合薄膜的制备及其电致变色性能

采用水热法与电化学沉积法相结合的方式,以导电玻璃为基底制备不同MoO_(3)沉积周期的MoO_(3)/WO_(3)复合薄膜。利用电化学性能测试与光谱测试,得到了MoO_(3)/WO_(3)复合薄膜的电致变色可逆性、光密度值(ΔOD)、着色效率、稳定性和响应时间等性能参数。结果表明,电沉积8个周期MoO_(3)的MoO_(3)/WO_(3)复合薄膜与单一WO_(3)纳米棒薄膜和MoO_(3)薄膜相比具有最佳的电致变色性能,其电致变色可逆性为62.19%,光密度为0.61,着色效率为153.16 cm^(2)/C,着色和褪色响应时间分别为8.37 s和4.77 s,同时,具有更窄的带隙和更高的循环稳定性。

高软磁低电导率Fe-Fe_(3)N薄膜的N原子含量调控

微电子器件具有广泛的应用前景,为了使微电子器件具有优良的高频特性,同时具有高饱和磁化强度、低矫顽力以及高电阻率软磁薄膜的研发成为其中的关键.本文采用射频原子源辅助真空热蒸发方法制备了不同N原子含量的Fe-Fe_(3)N软磁薄膜.高饱和磁化强度Fe_(3)N相含量和(102)取向度的增大,使薄膜的饱和磁化强度增大,相比于Fe薄膜,饱和磁化强度提高了55.2%,达到1705.6 emu/cm^(3)(1 emu/cm^(3)=10^(3)A/m).此外,Fe_(3)N(102)取向度的增大会产生较大的晶格错配,阻碍Fe和Fe_(3)N晶粒的生长,使薄膜晶粒尺寸降低,矫顽力(50.3 Oe(1 Oe=10^(3)/(4π)A/m))比Fe薄膜降低了68.6%.同时,较大的晶格错配也会促进载流子散射,提高了Fe-Fe_(3)N薄膜电阻率,使得其电阻率(8.80μΩ·m)比Fe薄膜增大了7倍.因此,本文为高饱和磁化强度、低矫顽力以及高电阻率软磁薄膜的研发提供了新方法.

MgO基外延BiFeO_(3)薄膜的结构和铁电光伏性能

目的深入研究BiFeO_(3)(BFO)薄膜的结晶结构、生长取向及测试温度对其介电和铁电光伏性能的影响。方法采用偏轴磁控溅射法,分别以单晶(001)MgO基片和外延La_(0.5)Sr_(0.5)CoO_(3)(LSCO)薄膜作为衬底与底电极,构架Pt/BFO/LSCO/MgO异质结构的铁电电容器。采用XRD衍射仪表征LSCO和BFO薄膜的结构与生长取向,探究Pt/BFO/LSCO/MgO异质结构电容器的介电和铁电光伏性能,重点研究测试温度对其性能的综合影响。结果X射线衍射(XRD)和Phi扫描结果表明,MgO基BFO与LSCO薄膜均为结晶良好的钙钛矿结构,且满足(001)取向的外延生长。不同电压和频率下的介电测试表明,BFO铁电薄膜具有较强的铁电性,正负矫顽电压分别为3.36、-1.12V,但存在明显的介电色散现象,呈现先减小、后增大的趋势。在~100kHz时,介电损耗最小,为0.016;在8MHz时,增加到了0.212。这主要由于不同频率下各种类型电荷的弛豫竞争机制所致。光伏性能测试表明,在室温(20℃)、光强250mW/cm^(2)紫光垂直照射下,开路电压(VOC)和短路电流(JSC)分别为0.32V和0.21mA/cm^(2)。进一步提高测试温度(分别为40、60、80、100℃)发现,BFO铁电薄膜VOC呈先缓慢、后快速减小,而JSC呈先快速上升、后下降的趋势,并在临界温度80℃处展现了更快的光伏响应速度,VOC和JSC分别为0.30V和0.96mA/cm^(2)。能带分析表明,底电极LSCO与上电极Pt间大的功函数差(~1eV)使得BFO薄膜中存在较强的内建电场,这有利于分离光生载流子,从而极大提高了BFO薄膜的铁电光伏效应。结论BFO是一种具有重要潜在应用价值的优良环保光伏候选材料,提供了一种提高BFO铁电光伏器件性能的切实可行策略。

WO_(3)/CuWO_(4)复合薄膜的制备及光电化学性能

本工作以两步水热法成功制备了三维立体结构的WO_(3)/CuWO_(4)复合薄膜,通过调整CuWO_(4)的水热时间得到了复合薄膜的最佳制备条件,并对WO_(3)/CuWO_(4)复合薄膜进行吸收光谱测试、光电流测试、光电催化测试和电化学阻抗测试。结果表明,所制备的WO_(3)/CuWO_(4)-5 h复合薄膜的带隙介于CuWO_(4)和WO_(3)之间,为2.44 eV,具有更宽的光谱响应范围;在1.5 V的偏压下,WO_(3)/CuWO_(4)-5 h复合薄膜表现出2.11 mA/cm 2的高光电流密度;WO_(3)/CuWO_(4)-5 h复合薄膜对亚甲基蓝溶液的光电催化降解效率为58.5%,高于WO_(3)薄膜(降解效率为41.4%);电化学阻抗谱表明,WO_(3)/CuWO_(4)薄膜电荷转移电阻比单一WO_(3)薄膜小,对应更好的光电化学性能。

混合反溶剂法制备CsCu_(2)I_(3)纳米晶薄膜及其发光器件应用

近年来,新兴的三元铜基卤化物(CsCu_(2)I_(3))材料由于具有高荧光量子产率、环保无毒、环境稳定、成本低廉等诸多优点,在环保型发光二极管(LED)中的应用备受瞩目。然而,由于难以控制的结晶动力学,制备高质量的CsCu_(2)I_(3)发光层薄膜仍是一个巨大的挑战,这限制了LED器件性能的进一步提升。本文通过使用甲苯与甲醇混合溶剂作为反溶剂来增强反溶剂的钉扎效应,增加CsCu_(2)I_(3)晶体的成核密度,降低薄膜的晶粒尺寸,进而形成了光滑、致密的CsCu_(2)I_(3)纳米晶薄膜。此外,混合反溶剂策略可以有效增强辐射复合效率,显著提高Cs-Cu_(2)I_(3)薄膜的发光性能,相比对照样品(只使用甲苯),混合反溶剂法所制备薄膜的荧光量子产率(PLQY)增加了1.5倍,激子束缚能从~201.6 meV提高至~234.5 meV。最终,相比对照器件,基于混合反溶剂策略的CsCu_(2)I_(3)基LED的最大亮度和最高外量子效率分别提高了5.5倍和1.6倍。本工作的研究结果不仅有助于加深对CsCu_(2)I_(3)薄膜制备过程中结晶规律的理解,而且有助于进一步推动基于CsCu_(2)I_(3)环境友好型LED器件性能的提升。

多孔WO_(3)薄膜的制备及其电致变色性能

在钨粉和过氧化氢反应后的WO_(3)溶胶前驱体中加入适量十二烷胺,采用浸渍提拉法经400℃热处理2 h后制得多孔WO_(3)薄膜。使用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、和能谱仪(EDS)表征薄膜晶体结构和表面形貌。使用电化学工作站和分光光度计测试其电致变色性能。结果表明WO_(3)薄膜具有部分晶化的无定形结构且表面疏松多孔。多孔WO_(3)薄膜的电流密度较大,致/褪色可逆性更好。多孔WO_(3)薄膜为离子/电子扩散提供更多通道,加快了注入/脱出速率、缩短响应时间。在波长600 nm处,其光调制幅度为58.42%,较致密WO_(3)薄膜增加了4.18%。光密度变化和致色效率比致密薄膜分别提高了11.7%和8.4%。

BaTiO_(3)薄膜的制备及其在电光调制器的应用

BaTiO_(3)凭借其较高的电光系数、优良的压电性质和非线性光学性质,成为制备高性能电光调制器的关键材料。其制备方法、实验条件和衬底的选择等决定了薄膜的质量、生长取向和电光系数等,进而影响电光调制器的传播损耗、半波电压、消光比等性能。本文从电光调制器的工作原理出发,围绕BaTiO_(3)薄膜的制备方法、实验条件和薄膜衬底等,探讨了成膜的取向和质量的影响因素,分析了各个BaTiO_(3)薄膜制备方法的优缺点,论述了波导的结构及参数,并展望了未来优化BaTiO_(3)薄膜制备和波导制作工艺的方向。

感应耦合等离子体增强磁控溅射法制备MoO_(3)高透亲水光学薄膜

将磁控溅射和感应耦合相结合形成感应耦合等离子体增强磁控溅射技术(ICPMS),制备了MoO_(3)高透亲水光学薄膜。使用分光光度计、水接触角测试仪、扫描电子显微镜、X射线衍射仪和X射线能谱仪,分别表征薄膜的光学性能、润湿性能、显微形貌、晶体结构和化学成分。通过正交实验法,以MoO_(3)薄膜的氧钼比、光学透过率、水接触角为指标,探究了感应耦合等离子体(ICP)氧氩比、ICP功率、靶位工作压强和ICP前处理时间工艺参数对MoO_(3)薄膜性能的影响。结果表明:氧氩比是影响性能的主要参数,其次是工作压强,影响最小参数是ICP功率。最优工艺参数是氧氩比400/300、靶位工作压强为0.15 Pa、功率为1500 W、前处理时间为18 min。研究为高透亲水光学薄膜应用,提供具体实验设计和工艺方法指导。

WO_(3)/SnO_(2)复合薄膜的制备及光电性能

采用水热法和电化学沉积法,成功制备了包覆有SnO_(2)纳米颗粒的WO_(3)纳米棒阵列薄膜,退火处理后形成WO_(3)/SnO_(2)异质结复合薄膜。通过改变SnO_(2)的沉积时间得到了复合薄膜的最佳制备条件。采用XRD,FESEM对WO_(3)/SnO_(2)复合薄膜的物相和形貌进行了分析,通过电化学工作站对WO_(3)/SnO_(2)复合薄膜的光电性能进行了研究,结果表明,电沉积时间为120 s时,WO_(3)/SnO_(2)复合薄膜具有最小的阻抗,且在0.6 V的偏压下光电流密度为0.46 mA/cm^(2),相比于单一WO_(3)纳米棒薄膜,表现出更好的光电化学性能。