α-In_(2)Se_(3)/PtX_(2)(X=S,Se,Te)异质结电子结构调控研究

二维范德华异质结因其无悬挂键界面和无应力失配等特性,在后摩尔时代的高性能电子学领域具备广泛的应用潜力.然而,当前二维范德华异质结的原子结构固定,限制了对其物性的动态调控.因此提出了利用二维铁电材料α-In_(2)Se_(3)与PtX_(2)(X=S,Se,Te)构建范德华异质结,并通过电场调控α-In_(2)Se_(3)的结构,从而实现对α-In_(2)Se_(3)/PtX_(2)原子结构和电子结构的动态调控.基于第一性原理计算,异质结带隙取决于α-In_(2)Se_(3)的极化方向,α-In_(2)Se_(3)/PtS2、α-In_(2)Se_(3)/PtSe_(2)、α-In_(2)Se_(3)/PtTe_(2)带隙分别为1.25/1.66 eV、0.74/1.34 eV、0.34/0.77 eV.此外,α-In_(2)Se_(3)的极化翻转可调控异质结的能带排列类型,α-In_(2)Se_(3)/PtS2能带排列从Ⅰ型变为Ⅱ型;α-In_(2)Se_(3)/PtSe_(2)能带排列虽保持Ⅱ型,但能带相对位置发生变化;α-In_(2)Se_(3)/PtTe_(2)能带排列从Ⅱ型变为Ⅰ型.通过二维铁电材料的极化翻转来调控二维范德华异质结电子性质的技术路径,为未来智能电子器件的实现提供了潜在的技术方案.

基于石墨烯-ZIF-67异质结构材料的日落黄电化学传感器的构建及应用

本文通过原位合成的方法制备了石墨烯-ZIF-67(rGO@ZIF-67)异质结构材料,并用于构建日落黄电化学传感器。利用循环伏安及差示脉冲伏安法对日落黄在该传感器上的电化学行为进行系统研究。由于金属有机骨架材料多孔结构特性及rGO良好的导电能力,两者协同作用显著增加了电极比表面积及电子传递能力,进而提高了日落黄的电化学响应。在最优条件下,响应峰电流与日落黄浓度在0.05~30.0μmol/L范围内呈良好的线性关系,检出限低至20.0 nmol/L,并将该方法成功应用于饮料中日落黄的检测,为食品中日落黄的快速灵敏检测提供了新方法,同时也拓展了rGO@ZIF-67异质结构材料在电化学传感器中的应用。

异质结构金属材料的研究进展

传统金属材料的强度与塑性之间存在的倒置关系在一定程度上限制了其应用范围,而异质结构金属材料作为一种新型的复合材料,表现出传统均质材料无法企及的综合力学性能(如高屈服强度、高延展性和高断裂韧性等),本文从异质结构金属材料的定义开始,对当前主流异质结构材料的类型进行了阐述,归纳总结了异质结构金属材料在微观层面上软区与硬区相互作用的强韧化机理(如异质结构变形诱导强化、应变分配、延迟颈缩、界面影响区等),并对异质结构金属材料的性能提升进行了展望。

GaS/Mg(OH)_(2)异质结电子结构的第一性原理研究

基于第一性原理计算方法研究了GaS/Mg(OH)_(2)异质结的稳定性、电子和光学性质.结果表明,GaS/Mg(OH)_(2)异质结具有较小的晶格失配率,负的结合能和热力学稳定性而容易构建.异质结的带隙有效降低至2.021 eV,而且具有Type-Ⅱ型能带结构,有利于光生电子-空穴对的空间分离.层间电荷转移诱导的内建电场进一步促进载流子的分离,同时有助于抑制层间电荷的复合.在双轴应变下,异质结的导带最小值和价带最大值的位置分别产生了不同程度的平移,导致带隙发生显著的变化,变化量达到了0.5 eV.而且在拉伸应变下,异质结由间接转变为直接带隙半导体,同时异质结仍保持Type-Ⅱ型能带结构.此外,应变还可以有效地调控异质结的带边位置与水分解的氧化还原电位相匹配(pH=0—7).光吸收谱显示异质结具有较强的光吸收性能,尤其在拉伸应变为3%时,光吸收发生了明显的红移.这些结果表明,GaS/Mg(OH)_(2)异质结具有可调的电子性能而在光电领域有着广阔的应用前景.

f-Ti_(3)C_(2)T_(x)/ZIF-8异质结构增强NO_(2)气体传感器的敏感性能

采用自组装法合成了具有异质界面的f-Ti_(3)C_(2)T_(x)/ZIF-8复合材料,采用场发射扫描电子显微镜、X射线衍射、N_(2)等温吸脱附测试对合成样品的物相结构和微观结构进行了表征,并通过自行设计的四通道气敏测试设备对其气敏性能进行了研究。材料分析测试发现,形状规则的ZIF-8材料均匀分布于二维少层Ti_(3)C_(2)T_(x)的表面与层间,在界面处存在典型的异质结构。气敏性能测试表明:在225℃下,该复合材料对100μL/L NO_(2)的气敏响应高达98.35%,且是ZIF-8材料气敏响应的2.1倍。认为强导电的f-Ti_(3)C_(2)T_(x)与ZIF-8复合后形成的异质结构,不仅为ZIF-8与气体表面反应产生的自由电子提供导电通道,而且通过界面效应强化了复合材料表面气固反应时电子与空穴的分离效率,进而显著提升了复合材料对NO_(2)气体的气敏性能。同时,f-Ti_(3)C_(2)T_(x)/ZIF-8复合材料的层状结构可以为目标气体分子向ZIF-8的扩散提供方便路径。

2D MoS_(2)及其异质结构在生物传感领域的应用

简要介绍了多相态二维(2D)MoS_(2)纳米材料的结构、制备和相态调控策略。MoS_(2)具有可调节的电子转移和光学特性,可以通过制备过程参数的调制对产物相态调控。不同相态的MoS_(2)性质差异巨大,因而在传感器上的应用不同。详细介绍了基于不同相态MoS_(2)及其异质结构的2D纳米材料在生物传感领域的代表性应用。重点剖析了不同相态MoS_(2)在不同类型传感器中所起的作用。生物传感技术的发展对于疾病的诊断和临床治疗,以及环境和食品安全监测等领域都至关重要。希望可以为高性能MoS_(2)基生物传感器的研发和构建提供参考。

通过基体晶粒和颗粒分布异质结构的调控协同提升AlN_(p)/Al复合材料的强度-塑性

为了获得优异的强塑性能,采用液固反应结合后续的热机械处理方法制备了3种具有不同微观组织构型的异构AlNp/Al复合材料,详细研究了AlN颗粒分布和基体晶粒组织构型对拉伸强度和塑性的影响。结果表明,复合材料的强度和塑性同时提高。其中,具有较弥散颗粒分布的Uniformed-AlNp/Al复合材料表现出优异的极限抗拉强度(~387 MPa)和断裂伸长率(~9.1%)。与其他文献报道的颗粒增强铝基复合材料相比,该复合材料具有较好的比强度和延展性组合。此外,计算了异质变形诱导(HDI)应力。结果表明,在Uniformed-AlNp/Al复合材料中,HDI应力显著增加。揭示了HDI应力在提高AlNp/Al复合材料的强度和塑性中起着至关重要的作用。

梯度异质结构CoCrNi中熵合金的设计及变形机理研究

CoCrNi是一种典型的中熵合金,其具有塑性高但拉伸强度较低的特点,这种强塑性权衡问题限制了其工程应用范围。本文采用轧制退火和旋转加速喷丸工艺,在CrCoNi中熵合金中引入梯度晶粒尺寸和孪晶的异质结构。结果表明,这种设计实现了优良的强塑性,其屈服强度和抗拉强度分别为665 MPa和950 MPa,同时断裂塑性达到40.6%。在拉伸变形过程中,梯度晶粒异质结构能够产生非均匀变形诱导硬化,提升合金屈服强度的同时,保持高的加工硬化率和优异的延展性。因此,基于轧制退火和旋转喷丸工艺,引入梯度晶粒异质结构是克服合金强度-延展性失衡问题的有效途径。

异质结构CoCrFeNiW高熵合金的拉伸性能和强化行为

采用真空电弧熔炼方法制备Co_(30)Cr_(30)(FeNi)_(40-x)W_(x)(x=0~8%(摩尔分数),分别简化为HWO~HW8)高熵合金。研究铸态和退火态合金的显微组织和拉伸性能。结果表明,HW2和HW4具有单一的FCC相。随着W含量和退火温度的增加,细小粒状μ相的面积分数增加且分散在FCC基体中。软FCC基体和硬μ相构成应变不相容的异质结构。随着W含量从0增加到8%(摩尔分数),屈服强度和抗拉强度分别从278和629 MPa提高到530和839 MPa,应变维持在33%。退火后的HW8表现出优异的屈服强度(810 MPa)和抗拉强度(1087 MPa)。屈服强度的提高归因于固溶、沉淀和背应力强化。异质结构中产生的背应力强化作用诱导高硬化行为,在提高抗拉强度和塑性方面发挥着主导作用。

基于超声导波虚拟时间反转的多层异质金属粘接结构损伤定位

多层异质金属粘接结构由于其优异的比强度,被广泛用于承压设备,船舶,核装备等关键领域的核心部件,其长期服役在复杂苛刻的环境中,难免产生各种缺陷和损伤,进而影响装备服役安全。超声导波检测是一种潜在的无损检测方法,但是多层金属粘接结构中金属与非金属粘接层之间阻抗差异大,导致Lamb波传播特性复杂,很难通过基于时间信息的导波定位方法进行缺陷的检测和定位。故本文提出一种适用于多层结构的损伤存在概率成像方法并结合虚拟时间反转技术,对多层异质金属粘接结构的内表面缺陷进行无基准的检测和定位。结果表明,在几何尺寸为300 mm的板中,定位的缺陷坐标和实际缺陷位置中心坐标仅仅相差2.74 mm,实现了对多层异质金属粘接结构内表面损伤的精准定位成像。

气体吸附对硅锗异质结纳米线电子结构与光学性质的影响

基于密度泛函理论体系下的广义梯度近似(GGA),采用第一性原理方法探讨了沿[112]晶向的硅锗异质结纳米线作为气体传感器检测CO,CO_(2)和Cl2的能力,着重计算了其吸附气体分子前后的吸附能、能带结构与光学性质.几何结构优化计算表明:不同硅锗组分的[112]晶向的硅锗纳米线对CO,CO_(2)和Cl_(2)分子的吸附能的绝对值在0.001 eV至1.36 eV之间,其中Si_(24)Ge_(36)H_(32)对CO_(2)气体的吸附能最大,气敏性能最好.能带结构计算表明:吸附CO和CO_(2)分子的[112]晶向硅锗纳米线能带的简并度明显减小,带隙变化较小;而吸附Cl2分子后的价带顶与导带底之间产生了杂质能级使其带隙减小.光学性质计算表明:Si_(24)Ge_(36)H_(32)纳米线吸附CO, CO_(2)和Cl_(2)分子后的光学性质差异明显,主要体现在吸收谱的范围及吸收峰的峰值上,上述研究结果为[112]晶向Si_(24)Ge_(36)H_(32)纳米线可作为气体传感器敏感材料提供了一定的理论依据.

弱溶胀作用制备的模量异质微结构纤维膜应变传感器

随着柔性可穿戴电子设备的普及,制备具有高力学弹性、优异力电响应性能的电阻型可拉伸应变传感器颇具研究意义。其中,双层结构的电阻型应变传感器因为优异的应变传感性能近年来备受关注。然而,在应用过程中,导电层通常会产生不可逆的贯穿式微裂纹,造成应变作用下电阻的不稳定增长,限制了其在实际场景中的应用。基于“微裂纹”传感机理,通过同轴纺丝的加工方法在低模量的热塑性聚氨酯(TPU)取向电纺纤维膜表面引入高模量的羧基化聚苯乙烯微球(PSNSs)形成模量异质微结构,这种微结构可以在应变过程中有效耗散局部应力,从而有效抑制贯穿式微裂纹的扩展。利用物理/化学作用对复合纤维膜进行界面作用改性处理,通过调控PSNSs分散体系的浓度及溶剂配比来构筑不同表面特性的异质模量微结构,以便调节材料的应变响应行为。所制备的可拉伸导电薄膜能够实现快速应变响应与回复(49.7ms/62.5ms),并且在0~30%应变范围内保持线性的相对电阻-应变响应特征(应变敏感因子GF=257)。

集成有CNTs和Ni-Ni(OH)_(2)异质结构的电解析氢自支撑薄膜催化剂

氢气是一种重要的能量储存载体.通过电解水析氢的方式,可以将其他可再生能源转化为电能,并以化学能的形式储存于氢气中.为了提高电解析氢过程的能量转化效率、降低能耗,需要高活性的析氢催化剂.这些催化剂不仅应具有巨大的比表面积,还应具备适中的氢吸附能和较强的解离水的能力.铂基催化剂在电解析氢方面展现出了显著的优势,而同族的镍基催化剂因其高性价比而备受关注.然而,在电解析氢过程中,镍基催化剂存在氢吸附强度高和解离水能力弱两个重要缺陷,这导致析氢过程动力学不理想.因此,本文的研究思路是探索如何在镍基催化剂中引入功能性组分,以平衡氢吸附能和催化水解离的能力,从而实现析氢性能的提升.研究表明,碳纳米管(CNTs)可以改善催化剂的电解析氢性能,而Ni(OH)_(2)则可以提升催化剂解离水的能力.因此,本文采用复合电沉积法制得CNTs-Ni薄膜,并通过原位氧化在其表面形成Ni-Ni(OH)_(2)异质结构,构建了包含CNTs和Ni-Ni(OH)_(2)两种功能组分的CNTs-Ni-Ni(OH)_(2)薄膜.该薄膜展现出与Pt/C相当的析氢活性和更出色的稳定性.微观形貌分析显示,CNTs的引入使CNTs-Ni薄膜具有复杂的三维结构,镍以高度褶皱的微球形态均匀负载在CNTs表面,形成巨大的比表面积.电化学测试和模拟计算结果证实,CNTs-Ni薄膜的析氢活性较纯镍有显著提高,这归因于其巨大的电化学活性面积以及CNTs对析氢过程动力学的积极影响.当优化沉积时间和CNTs表面镍的负载量时,CNTs-Ni薄膜的电化学活性面积和析氢活性均得到显著提升.进一步氧化处理后,通过X射线光电子能谱和X射线衍射等测试手段证实了Ni-Ni(OH)_(2)异质结构的形成,并观察到电化学活性面积的增大和析氢活性的改善.此外,深入研究发现,随着氧化时间的延长,单位电化学活性面积上的析氢活性出现下降.结合析氢过程的背景电流分析推测,在析氢过程中CNTs-Ni-Ni(OH)_(2)表面发生氢氧化镍的还原,重新生成的镍活性位点对提升析氢过程动力学起到关键作用.但过长的氧化时间可能会破坏镍活性位点的再生.基于此理论构建的计算模型验证了CNTs和异质结构对析氢活性的协同增强作用,使氢的吸附自由能达到理想值,理论上氢在复合薄膜表面的析出过电位接近于0 V.因此,在碱性溶液中,集成有CNTs和Ni-Ni(OH)_(2)异质结构的CNTs-Ni-Ni(OH)_(2)析氢催化剂表现出优异的性能,其氢气起始析出电位为0 V,当阴极电流密度分别为10和50 mA/cm^(2)时,析氢过电位也仅为65和109 mV.综上所述,本文通过复合电沉积和原位氧化的方式获得了CNTs-Ni-Ni(OH)_(2)自支撑析氢催化剂,不仅体现出明显的几何效应,而且也对析氢过程的动力学产生了积极影响.这种整合多种功能性组分的方式,为未来设计和制备高活性、高性价比的电解析氢材料提供了新的思路.

锌离子电池用锰/钒基氧化物异质结构正极的研究进展

水系锌离子电池(AZIBs)由于其理论比容量高、安全性高、成本低、制造工艺简单和环境友好等特性在电化学储能领域展现出巨大应用潜力。锰/钒基氧化物因其价态丰富、结构优异、比容量高等优点成为最具潜力的锌离子电池正极材料。然而,它们的本征导电性差、锌离子扩散动力学缓慢、电化学过程中的溶解和结构塌陷等限制了其进一步发展和实际应用。缓解上述问题的一种有效方法是将锰/钒基氧化物与不同功能性的组分结合构筑异质结构。原因在于,获得的异质结构能够借助各组分的特点和具有显著物化特性的异质界面,实现多功能性和协同效应,从而实现高效的储锌性能。基于此,本综述总结了锰/钒基氧化物正极材料面临的主要挑战,重点介绍了近年来已报道锰/钒基氧化物异质结构的类型、特点、制备方法及储锌性能增强机制等。最后,本文对水系锌离子电池用异质结构正极材料未来的发展进行了展望,以期为高性能锌离子电池电极材料的开发提供新的思路。

SnS_(2)/SnS/NC异质结构微米花的构筑及储钾性能探究

采用水热法制备SnS_(2)微米花(MFs),以聚多巴胺衍生的氮掺杂碳(NC)作为还原剂和缓冲基质,合成了SnS_(2)/SnS/NC异质结构微米花(SSNC MFs)作为钾离子电池负极材料。SnS_(2)和SnS形成的异质界面加快了电荷的转移,进而改善了电化学动力学。同时,NC增强了复合材料的导电性和结构稳定性。因而,SSNC MFs电极在0.1 A/g下,循环50周的可逆比容量为492.4 mAh/g,2.0 A/g下仍保持在199.6 mAh/g,远大于相同测试条件下的SnS_(2) MFs电极(分别为132.1和28.4 mAh/g),表现出显著提升的可逆比容量、循环稳定性和倍率性能。

FeS@NiMoO_(4)异质结构筑及电催化析氢性能研究

通过两步水热法成功构建FeS@NiMoO_(4)异质结构电催化剂。用FeS纳米片修饰NiMoO_(4)纳米棒时能提供更大的比表面积,暴露更多的活性位点。FeS@NiMoO_(4)形成的异质界面,提供快速的电荷传输通道,从而实现优异的电催化析氢性能。利用X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜对材料的组成和形貌进行表征,通过电化学工作站进行电化学性能表征。10 mA/cm^(2)电流密度下,FeS@NiMoO_(4)的析氢过电势为151 mV,Tafel斜率为110 mV/dec,并表现出良好的稳定性,具有优异的电催化析氢性能。

不同转角石墨烯/MoS_(2)异质结电子结构与光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了不同扭转角下石墨烯/MoS_(2)异质结构的电子结构和光学特性。结果表明,转角后的石墨烯/MoS_(2)异质结构仍具备作为单层材料时的部分特征。在费米能级附近,石墨烯层保持了其特殊的线性色散能带结构,狄拉克锥上的直接带隙Eg受到层间旋转调制的影响。异质结构中的MoS_(2)层对层厚具有高度的敏感性,随着厚度的增加,其间接带隙持续增大。当转角为10.9°时,Eg的最大值为11.67 meV。差分电荷密度计算结果表明,随着旋转角度的改变,MoS_(2)层中Mo-S间的电子转移引起了Mo-S键长的变化,从而增大了S-S层间距。同时,通过与MoS_(2)结合形成异质结构,石墨烯获得了较高的载流子浓度,异质结界面间旋转使空穴掺杂载流子浓度提高至9.2×10^(12)cm^(-2),比未转角时提高约6倍。异质结构的光学性质计算结果表明:当转角为27.0°时,其吸收边发生红移,并向低能区移动了0.233 eV;当转角为10.9°时,其吸收边发生蓝移,并向高能区移动0.116 eV,同时,在可见光范围内,异质结构损失函数下降了0.007。研究结果可为设计新型具有转角特征石墨烯异质结构的光学纳米器件提供理论参考。

Cu_(x)S_(y)-MoS_(2)异质结构的介电损耗调控及其高效电磁波吸收

二硫化钼(MoS_(2))因高的比表面积和独特的电子结构在电磁波(EMW)吸收领域备受关注,但其高导电性导致EMW吸收性能较差。为了解决这个问题,本文引入Cu_(x)S_(y)纳米颗粒,构建一种独特的Cu_(x)S_(y)-MoS_(2)异质结构,以实现适当的阻抗匹配和衰减能力。通过调控Cu_(x)S_(y)纳米颗粒,达到调节介电损耗能力,以使Cu_(x)S_(y)-MoS_(2)材料在低、中、高频率下都能表现出优异的EMW吸收性能。Cu_(x)S_(y)-MoS_(2)样品在12.68 GHz的频率下,表现出高达-72.77 dB的反射损耗(RL),而材料的匹配厚度仅为1.99 mm,优于大多数金属硫化物异质结构。此外,它还具有宽的有效吸收带宽(EAB),在1.73 mm处达到5.1 GHz(12.9~18.0 GHz)。这项工作为设计具有强吸收、宽频带和薄厚度的MoS_(2)基吸波材料提供了新的策略。

MOFs衍生的异质结构在电催化中的应用进展

电催化剂受结构、组成和表界面性质等多种因素的影响,构建高效稳定的过渡金属基纳米催化剂从而实现优异的催化性能,对实现高效能源转化和存储有着重要的意义。异质结构材料的构建因其能够发挥多种组分之间界面的协同作用,与单一结构的材料相比,具有更优异的催化性能。通过构建异质结构进行界面工程是开发高效电催化剂的有效方法。概述了MOFs衍生的异质结构的优缺点和结构特性;介绍了MOFs衍生异质结构的设计和构建的简要分类;MOFs衍生的过渡金属异质结构作为析氢、析氧和氧还原电催化剂的应用进展;最后,总结了用于电化学能量转换和存储的异质结构过渡金属催化剂进一步的研究和应用方向。

光伏模块驱动的基于范德华异质结构的热离子制冷器的性能评估

为了开发高效的太阳能冷却技术,建立了一个由光伏(photovoltaic,PV)模块和基于范德华异质结构(van der Waals heterostructure,vdWH)的热离子制冷器(thermionic refrigerator,TIR)组成的新型耦合系统。在充分考虑内部和外部的不可逆因素的情况下,建立了耦合系统的理论模型,推导了关键性能指标的数学表达式。在此基础上,研究了耦合系统的一般性能特征,并确定了允许系统运行的电压区域。根据计算,最大制冷量和最大性能系数(coefficient of performance,COP)分别为75.88 W和0.49。此外,还进行了灵敏度分析,以得出关键参数对整体性能影响的规律和大小,包括太阳辐照度、有效肖特基势垒高度、层间热阻、外部热阻、热泄漏热阻和热库温度。所得结果可能有助于实际耦合系统的设计和运行。