Al_(2)O_(3)-Ce_(2)O_(3)复合薄膜对304不锈钢抗高温氧化性能的影响

为提高304不锈钢的抗高温氧化性能,采用溶胶-凝胶法以异丙醇铝和CeCl_3·7H_(2)O为原料,在304不锈钢表面分别制备了Al_(2)O_(3)薄膜和Al_(2)O_(3)-Ce_(2)O_(3)复合薄膜,通过氧化动力学曲线、XRD、SEM和EDS分析,研究了不同Ce/Al比例(摩尔比,下同)的Al_(2)O_(3)-Ce_(2)O_(3)复合薄膜对304不锈钢900℃抗高温氧化性能的影响。结果表明,涂覆Ce∶Al=1∶10的薄膜试样在900℃循环氧化100 h后的氧化增重与氧化剥落量仅为未涂覆试样的34.1%和51.8%,抗高温氧化性能最佳。Al_(2)O_(3)-Ce_(2)O_(3)复合薄膜降低了304不锈钢基体表面的氧分压,有利于生成保护性的Cr_2O_(3)氧化层,有效抑制了Cr_2O_(3)的挥发;添加Ce_(2)O_(3)降低了氧化层中的热应力,提高了其附着力;Ce_(2)O_(3)起到了活性元素效应,改变了氧化膜的生长机制,因此显著提高了不锈钢的抗高温氧化性能。

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。

外延Ba_(0.6)Sr_(0.4)TiO_(3)铁电薄膜的制备及介电储能性能

利用偏轴磁控溅射技术,在(001)LaAlO_(3)单晶衬底上构架了Pt/Ba_(0.6)Sr_(0.4)TiO_(3)(BST)/La_(0.5)Sr_(0.5)CoO_(3)(LSCO)铁电电容器,研究了BST薄膜的结构与形貌、介电、漏电和储能性能。结果表明:BST薄膜为外延结构生长,表面光滑致密,其均方根粗糙度为1.228 nm。Pt/BST/LSCO电容器具有优异的介电性能,100 kHz频率下调谐率和最大损耗分别为73.73%和0.078,漏电流密度较低(106 A/cm^(2)量级)。此外,BST薄膜展现了良好的储能特性及温度稳定性,在10 kHz频率和2000 kV/cm外加场强下,其室温总储能密度、有效储能密度和储能效率分别为27.01 J/cm^(3)、16.03 J/cm^(3)和59.4%;在1200 kV/cm外加场强下,温度为105℃时储能效率可高达72.2%,这主要归因于较高温度促进了离子的热运动,从而有效提升了储能效率。

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。

正负磁阻共存的Fe/Bi_(0.5)Sb_(1.5)Te_(3)热电磁薄膜

具有优异电输运性能的热电薄膜是发展高效面内散热技术的关键材料,但是过低的电输运性能是制约其应用的重要难题.热电磁耦合新效应是近年来发展的一种优化综合热电性能的新方法.为了探索热电磁耦合新效应对热电薄膜电输运性能的影响机制,本研究发展了一种球磨分散-丝网印刷-热压固化一体化成型的方法,成功制备了一系列Fe纳米粒子作为第二相的xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜,并重点研究了其热电磁耦合作用及其对电热输运性能的影响规律.研究发现,xFe/Bi_(0.5)Sb_(1.5)Te_(3)(BST)/环氧树脂热电磁薄膜中存在正、负磁阻共存的现象;BST(000l)择优取向因子与正磁阻(MR+)之间呈正比例关系并增加热电磁薄膜的电导率;源于强铁磁性Fe纳米粒子局部磁矩的自旋相关散射的负磁阻(MR-)会增加Seebeck系数.因此,室温附近Fe/BST/环氧树脂热电磁薄膜的功率因子高达2.87 mW/(K^(2)·m),与BST/环氧树脂热电薄膜相比,提高了78%.这些结果表明,热电磁薄膜中正、负磁阻的共存不仅可解耦热电材料中电导率与Seebeck系数之间的耦合关系,还可以为磁纳米粒子诱导优异热电转换性能提供新的物理机制.

Co_(3)O_(4)@BiVO_(4)复合薄膜的制备及其光电性能

本文以FTO导电玻璃作为基底,通过水热法成功制备出了形貌可控的Co_(3)O_(4)薄膜样品,利用制备出的Co_(3)O_(4)薄膜样品作为基底,控制旋涂BiVO_(4)的次数,在其表面成功制得不同BiVO_(4)量的Co_(3)O_(4)@BiVO_(4)复合薄膜样品。利用X射线衍射仪(XRD)和场发射扫描电子显微镜(FESEM)等对复合薄膜的物相和微观形貌进行分析,并采用UV-3600紫外-可见分光光度计和电化学工作站对其光吸收性能和光电性能进行了测定。结果表明:所制备的Co_(3)O_(4)@BiVO_(4)复合薄膜表面连续、均匀、致密;相较于纯Co_(3)O_(4)薄膜,Co_(3)O_(4)@BiVO_(4)复合薄膜的光吸收能力增强;光照下Co_(3)O_(4)@BiVO_(4)复合薄膜的光电性能优于纯Co_(3)O_(4)薄膜;经旋涂三次的Co_(3)O_(4)@BiVO_(4)-3复合薄膜光电性能最佳,其最大光电流约为纯Co_(3)O_(4)薄膜最大光电流的18.4倍,该器件响应度为105.5μA/W,探测率可达1.988×10^(11)Jones。

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%。

Al掺杂对β-Ga_(2)O_(3)薄膜光学性质的影响研究

近年来,半导体器件向着高散热性、高击穿场强和低能耗的方向发展,因此超宽禁带半导体材料β-Ga_(2)O_(3)具有广阔的应用前景,而有效掺杂是实现β-Ga_(2)O_(3)器件的基础。实验采用磁控溅射法制备Ga_(2)O_(3)/Al/Ga_(2)O_(3)/Al/Ga_(2)O_(3)复合结构,经高温退火使Al原子热扩散进入薄膜中,形成Al掺杂的β-Ga_(2)O_(3)薄膜。采用激光区熔法使薄膜区域熔化再结晶,进一步提升掺杂质量。对Al掺杂β-Ga_(2)O_(3)薄膜的晶体性质、杂质含量及光学性质进行了测试表征。结果表明:Al掺杂不改变β-Ga_(2)O_(3)薄膜的晶体结构;随着Al层溅射时间延长,掺杂含量逐渐增加;当Al溅射时间为5和10 s时,薄膜紫外吸收率分别为40%和50%;随着Al溅射时间的增加,Al掺杂β-Ga_(2)O_(3)薄膜紫外区域光吸收率逐渐增强,Al溅射时间为300 s时,β-Ga_(2)O_(3)薄膜的光吸收率接近90%;低浓度的Al掺杂会导致β-Ga_(2)O_(3)薄膜的禁带宽度变窄。

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)。

具有大应变梯度的柔性SrRuO_(3)褶皱薄膜的设计

应变梯度工程在以薄膜为载体的柔性存储器和柔性传感器等领域具有重要的应用潜质.然而,在薄膜材料中保持柔性的同时兼顾实现大的应变梯度仍存在技术瓶颈.本论文通过水溶性牺牲层,在柔性衬底PDMS上制备了结构可控的SrRuO_(3)褶皱.研究表明,这种褶皱结构能够产生5.4×10^(4)m^(-1)应变梯度.此外,在特定的厚度区间内,通过调节褶皱厚度,可以精确地控制其结构和应变梯度的大小,从而实现在保持SrRuO_(3)薄膜柔性的同时,获得大且稳定的应变梯度.本论文设计的褶皱薄膜制备方法,不仅可为后续深入理解柔性薄膜的物理性能提供材料范式,更可为薄膜材料走向存储和传感器件化应用打下基础.

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CsPbX_(3)(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。

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)。

柔性云母基底上的Ba_(0.77)Sr_(0.23)TiO_(3)铁电薄膜的制备与研究

利用脉冲激光沉积系统(Pulsed Laser Deposition,PLD)在柔性云母基底上制备了Ba_(0.77)Sr_(0.23)TiO_(3)(BST)铁电薄膜,并研究了薄膜的微观结构与电学性能。结果表明,所制备的BST薄膜呈现出(111)取向的单晶结构,表面粗糙度仅为1.96 nm。BST铁电薄膜表现出良好的铁电性能,剩余极化值(2Pr)为6.46μC/cm^(2),最大极化值(2P_(max))为17.8μC/cm^(2),在经历1011次双极性开关循环后,仍能保持良好的铁电性能。对BST薄膜的I-V曲线进行线性拟合分析,揭示其电流转换机制为从低场强下的欧姆导电机制转变为高场强下的空间电荷限制电流效应(Space-Charge-Limited Current,SCLC)。这些结果可为柔性非易失性存储器件的研究提供一些新的思路。

基于3ω法的微测辐射热计像元薄膜热导率测试

热导是微测辐射热计像元的重要参数之一,其大小直接影响像元的响应高低。热导与组成像元的薄膜材料的热导率相关,薄膜的特征尺寸、温度和淀积工艺皆会影响热导率。监控工艺线上薄膜的热导率,对像元的设计具有重要意义。根据3ω谐波探测技术,搭建了薄膜热导率的测试系统,测试了厚度为20~100 nm的氮化硅(SiN x)及二氧化硅(SiO 2)薄膜的热导率,包括温度特性和尺寸特性。根据尺寸特性计算得到SiN x的本征热导率为0.747 W/(m·K),SiO 2的本征热导率为1.085 W/(m·K)。测得厚度为100 nm的钛(Ti)金属薄膜的热导率为6.708 W/(m·K)。与基于光热法的测试系统相比,基于3ω法的测试台架搭建更简单。该方法利用微机电系统(Micro-Electromechanical Systems,MEMS)制造工艺制备测试样品,是MEMS产品设计与制造中表征微纳尺度薄膜热导率的理想方案。

电化学沉积WS_(3)薄膜及其忆阻特性研究

对基于二维材料的垂直阵列忆阻器进行了研究。面对二维材料生长窗口狭窄,难以制备大面积单晶等挑战,通过可控电化学沉积沉积了大面积WS_(3)薄膜。基于WS_(3)薄膜制备了垂直阵列结构忆阻器件。对2×2的4个忆阻器单元进行I-V特性扫描,均展现出了双极性忆阻特性。开关寿命达1.5×10^(4)次,对于仿神经训练脉冲信号有着明显的响应。大面积二维材料的制备与稳定的忆阻性能为高集成度忆阻器件提供了关键的电学参数与广阔的应用前景。

沉积温度对磁控溅射BiFeO3薄膜结构和性能的影响

应用磁控溅射法在以SrRuO3(SRO)薄膜为缓冲层的Pt/TiO2/SiO2/Si(001)基片上制备了多晶BiFeO3(BFO)薄膜,构架了SRO/BFO/SRO异质结电容器。采用X射线衍射、铁电测试仪等研究沉积温度对BFO薄膜结构和性能的影响。X射线衍射图谱显示BFO薄膜为多晶结构。在2.5 kHz测试频率下,500℃生长的BFO薄膜呈现比较饱和的电滞回线,2Pr为145μC/cm2,矫顽场Ec为158 kV/cm,漏电流密度约为2.4×10-4A/cm2。漏电机制研究表明,在低电场区,SRO/BFO/SRO电容器满足欧姆导电机制,在高电场区,满足普尔-弗兰克导电机理。实验发现:SRO/BFO/SRO电容器经过109翻转后仍具有良好的抗疲劳特性。