金属基磷化物纳米材料制备与电催化应用研究进展

处于纳米尺度的磷化物及其与贵金属构成的复合材料具有独特的物理和化学性质,在电催化领域有广泛应用。例如,在甲醇电催化氧化反应中,由于磷(P)比金属铂(Pt)或钯(Pd)等具有更大的电负性,金属原子的外层电子被P吸引而偏向P原子,从而间接提高了Pt或Pd对CO类中间产物的耐受性;在电解水析氢反应中,P可以作为质子受体,增强H^(+)在金属上的吸附,从而促进析氢反应;在电解水析氧反应中,金属基磷化物容易被氧化成氧化物和氢氧化物,从而形成氧化物/氢氧化物-磷化物界面,进一步促进析氧反应。纳米颗粒的催化性能很大程度上取决于催化剂的结构、组分、组分之间的相互作用以及活性位点的电子结构,因此,对金属基磷化物基纳米复合材料的这些性质进行合理调控是提升其电催化性能的关键。本文所综述的材料范围包含金属基磷化物本身及其与贵金属构成的纳米复合材料,首先概括介绍金属基磷化物基纳米复合材料的合成方法和表征技术,进而阐述如何利用复合材料中晶格应变和电子耦合等物理效应提升电催化活性和稳定性。最后,围绕金属基磷化物基纳米复合材料电催化性能进一步提升的问题,对其未来合成策略和发展进行展望。

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。

氯盐共沉淀法制备钇铝石榴石(YAG)纳米粉体和透明陶瓷的研究

以商业氯化铝和氯化钇为原料,采用共沉淀法合成了YAG纳米粉体。通过高温真空烧结制备了YAG透明陶瓷。采用热重—差热(TG-DTA)、傅立叶红外(FT-IR)、X射线衍射(XRD)等手段研究了氯盐浓度、分散剂PEG-6000浓度对粉体物相、粒径、晶粒尺寸的影响和变化规律。结果表明:以0.25 mol·L^(-1)的AlCl_(3)·6H_(2)O、0.15 mol·L^(-1)的YCl_(3)·6H_(2)O的混合溶液为反应初始溶液,以1.0 mol·L^(-1)的NH_(4)HCO_(3)为沉淀剂,以20 g·L^(-1)的PEG-6000为分散剂,采用反滴法制备的前驱体经过1100℃保温6 h煅烧得到的YAG粉体的性能最优,粉体平均粒径为66.0 nm,且粉体呈现出较好的分散状态;以该YAG纳米粉体制备的陶瓷(厚1 mm)双面抛光后的直线透过率最高为45.0%@400 nm及52.8%@1100 nm,与理论透过率有一定的差距;显微结构观察发现晶界气孔较多,影响了光线的直线传输导致了透过率不高,在今后的工作中还需要对制备工艺进行优化。

基于宽禁带半导体氧化物微纳材料的紫外探测器研究进展

紫外探测技术是继红外探测与激光探测技术之后的又一项军民两用探测技术,有广阔的应用前景。真空光电倍增管和Si基光电二极管是常见的商品化紫外探测器,但是真空光电倍增管易受高温和电磁辐射干扰,需要在高压下工作;而Si基光电二极管需要昂贵的滤光片。宽禁带半导体紫外探测器克服了上述两种器件面临的一些问题,成为紫外探测器研究的热点。其中宽禁带氧化物材料,具有易于制备高响应高增益器件、有丰富的微纳结构、易于制备微纳器件的特点,引起了人们的广泛关注。本文对宽禁带半导体氧化物材料的微纳结构器件进行梳理,对近年来的一些相关研究进行了综述。其中涉及的氧化物材料包括ZnO,Ga_(2)O_(3),SnO_(2),TiO_(2)等,涉及的器件结构包括金属-半导体-金属型器件,肖特基结型器件,异质结型器件等。

镓基氧化物薄膜日盲紫外探测器研究进展

日盲紫外探测器在国防和民用领域均具有广阔的应用前景。基于宽禁带半导体材料的日盲紫外探测器具有无需昂贵的滤光片、工作电压低、全固态、体积小、重量轻、抗干扰能力强、工作温度范围广等特点,是公认的新一代紫外探测器。在众多的宽禁带半导体材料中,以Ga_(2)O_(3)作为典型代表的镓基氧化物材料因其优异的电学和光电特性已经成为近年来微电子学和光电子学领域的研究热点,特别是其本征日盲、耐高温、耐高压、化学稳定性好等优异特点使得该类材料在日盲紫外光电探测领域展现出巨大的发展潜力。鉴于此,本文综述了不同晶体结构的Ga_(2)O_(3)、镓酸盐氧化物、镓锡氧化物、镓铝氧化物等镓基氧化物薄膜及其日盲紫外探测器研究进展。

850 nm高速垂直腔面发射激光器技术研究进展(特邀)

垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有低成本、低阈值、高速率和低功耗等优点,在短距离光互连中有着重要的应用。随着大数据、超级计算机技术的发展,短距离光互连性能需求越来越高,从而对高速调制的850 nm VCSEL技术提出了更高要求。从带宽限制机理、调制新方法两方面详细回顾了高速850 nm VCSEL技术最新进展,对技术发展趋势进行了总结与展望。

基于靶向调控肿瘤微环境的多肽纳米药物系统研究进展

肿瘤微环境在肿瘤的发生、发展和转移过程中起着至关重要的作用,因此靶向调控微环境为发展肿瘤精准治疗的新策略提供了机遇。纳米技术的快速发展为传统药物的增效减毒提供了契机,已有一系列纳米药物用于肿瘤临床治疗。近年来,分子自组装领域的快速发展为智能纳米药物的研发提供了新机遇。多肽作为生物相容性高、序列可设计、易修饰、功能多样化的生物分子,可组装构建结构多样和功能集成的纳米药物系统。本文综述了利用多肽自组装超分子体系实现药物对肿瘤微环境的响应释放和高效递送,并对其通过调控微环境中的血管、成纤维细胞和胞外基质等组分,改变肿瘤赖以生存的"土壤",并与抗肿瘤细胞治疗有机结合的最新进展进行了介绍。针对肿瘤异质性和复杂性的难题,构建表/界面性质可控的纳米药物系统,发展基于肿瘤微环境调控与联合治疗的肿瘤综合治疗方案,将是未来重要的发展方向之一。

医疗CT用(Ce,Gd)_(3)(Ga,Al)_(5)O_(12)(Ce:GGAG)闪烁体的研究进展

(Ce,Gd)_(3)(Ga,Al)_(5)O_(12)(Ce:GGAG)属于石榴石结构立方晶系,密度高(~6.7 g/cm^(3)),有效原子序数大(55),对高能射线吸收能力强,用Bartram-Lempicki模型计算其理论光产额可达73500 pho/MeV,是目前发现的光产额最高的氧化物闪烁材料,且能量分辨率极佳(4.6%@662 keV,FWHM)。此外,研究工作还表明,经高剂量辐射后的Ce:GAGG晶体的抗辐照损伤性能与硅酸盐闪烁材料相比有较大优势,因而受到了国内外的广泛关注和研究,被认为是理想的新一代高性能CT探测器用闪烁材料。综述了近年来国内外Ce:GGAG闪烁体的研究进展,包括粉体、薄膜、陶瓷、晶体的制备,微结构和光学表征,组份调控与性能优化以及器件成像等。

核壳结构炭/陶复合材料的制备及其性能研究

以煤沥青为碳源,h-BN、Si_(3)N_(4)和h-BN/Si_(3)N_(4)陶瓷颗粒分别为掺杂中心,经机械搅拌混合后进行半焦化处理,获得具有炭包覆陶瓷颗粒的复合压粉。复合压粉经等静压成型和高温热处理后最终制备出具有核壳结构的炭基陶瓷复合材料(CCM)。研究了陶瓷颗粒类型对CCM性能和微观组织的影响。结果表明,与传统方法制备的CCM相比,炭包覆陶瓷颗粒有利于CCM结构致密均匀,抗弯强度达到72.31 MPa、抗压强度达到168.77 MPa,并且抗氧化性能显著提升。此外,该结构还提高了h-BN/Si_(3)N_(4)在协同作用下形成的陶瓷层的高温抗氧化性,更好地抑制CCM在1400℃下的氧化。

微波干燥自发凝固成型氧化铝湿坯

为了解决常规干燥(控温控湿)过程中坯体出现水分梯度问题,利用微波干燥法来干燥湿坯。通过对比常规干燥(温度:40℃;湿度:60%)和微波干燥的方式,研究了湿坯的重量损失、线性收缩、表面温度和水分分布。与常规干燥相比,采用微波干燥(功率250 W)时,干燥结束时间和停止收缩时间分别缩短至1/6.8和1/6。在微波干燥过程中,样品表面温度随时间延长先升高后降低,与体内水分密切相关。而在常规干燥过程中,温度保持恒定在40℃。采用低场核磁共振(NMR)成像技术表征湿坯内部的水分分布情况发现:在微波干燥过程中,水分分布更均匀,表明微波干燥时湿坯的干燥应力更低。在1550℃下烧结6 h后,微波干燥制备得到的氧化铝陶瓷具有更高的抗弯强度,且标准差更小。

氧化钛涂层润湿性对免疫成骨性能的影响规律

钛及其合金以其优异的机械性能和生物相容性而被广泛应用作硬组织植入器械,但其表面缺乏生物活性以及植入后的炎症反应易导致骨整合不佳。本研究利用不同气氛中的热处理工艺调控氧化钛涂层的润湿性,并研究表面润湿性能对免疫反应和成骨性能的影响规律。研究结果表明,与亲水(接触角~10°)的氧化钛涂层相比,处于亲水/疏水临界状态的氧化钛涂层(接触角~90°),在仅培养巨噬细胞时,抑制了巨噬细胞向M1促炎方向极化;在共培养小鼠骨髓间充质干细胞和巨噬细胞时,促进了巨噬细胞向M2抗炎方向极化,同时显著上调了骨髓间充质干细胞成骨相关标记物的基因表达,显示出更好的免疫促成骨性能。

微波光子集成及前沿展望(特邀)

微波光子学是一门融合了微波技术和光子技术的交叉学科,是研究光波和微波在媒质中的相互作用以及在光频域实现微波信号的产生、处理、传输及接收的微波光波融合系统。由于现有的微波光子系统大多由分立器件组成,在体积、功耗、稳定性、成本等方面仍有待提升,因此集成化是微波光子技术发展的必然趋势。文中探讨了微波光子集成技术面临的主要科学与技术问题,总结了该技术的发展现状和前沿研究进展,并对其未来发展前景进行了展望。

微波光子与多学科交叉融合的前景展望(特邀)

微波光子学可借助光电子器件实现微波信号的产生、处理、接收和分配等功能,具有宽带、低传输损耗、轻重量、快速可重构及抗电磁干扰等优势。随着微波光子学的理论方法和技术应用的不断发展,微波光子与多学科交叉融合成为其核心发展方向。文中对微波光子与部分学科交叉融合的现状进行了总结,并对微波光子与激光技术、集成光电子学、量子技术和人工智能等前沿学科的交叉融合进行了展望。

皮秒拍瓦激光系统宽带激光放大的精确模型和性能分析

为准确分析皮秒拍瓦激光系统的频域放大特性,通过引入钕玻璃实际受激发射截面,建立了宽频带激光放大的精确模型,对比分析了常用高斯线型近似的不足.针对神光Ⅱ高能拍瓦激光系统,分析了不同线型下,注入种子的光谱形状、中心波长以及能量稳定性对放大系统的影响.结果表明:实际线型会加剧增益窄化效应;对于10^(7)增益,光谱将窄化为3 nm,系统累积B积分增大至1.7;窄化效应降低了注入种子中心波长的要求,增益饱和会使输出能量稳定性提升近一倍.在上述基础上,进行了宽频带激光放大的实验研究,对于注入的10 nm(FWHM)超高斯、1054 nm中心波长、3%(RMS)稳定性的参量放大种子,实现了1900 J、中心波长1054.2 nm、谱宽3 nm的输出,发次能量稳定性<1.8%,与分析结果一致.本文结果将对国内基于钕玻璃的高能宽带激光装置建设和改进提供重要的参考依据.

基于静电辅助LIBS技术的液体中重金属元素检测

利用静电辅助结合激光诱导击穿光谱技术对CuSO4溶液中的Cu元素浓度进行实验测量,选择Cu I 324.75 nm作为分析光谱线,研究了静电辅助单元的静电场电压和电极平板板间距两个参数对光谱强度的影响,并与传统LIBS技术进行了对比研究。实验结果表明,静电辅助LIBS技术得到的光谱强度比传统LIBS高1.56倍,检测限高1.68倍。实验结果证实了静电辅助LIBS技术在液体中重金属元素检测领域可有效提高检测灵敏度和检测精度,在环境水污染领域具有重要的应用价值。

可用于快速高温热处理的多束激光并行加热系统

快速、高通量的实验方法对材料基因工程技术的发展具有重要意义。高温热处理对无机非金属材料的制备往往是必不可少的环节,然而针对材料基因工程所需的材料样品库快速热处理技术目前尚是空白。本文报道了一种可用于快速高温热处理阵列样品的多束激光并行加热系统,介绍了多束激光并行加热系统的设计原理、工作方式、结构细节和软件设计。该装置具有激光加热时间、功率、光斑大小可独立调节、自动化程度高等优点,最大单束激光功率大于100W,每束激光的最大稳定加热温度约为2000℃。作为典型的应用示范,进行了一系列Ce^(3+)掺杂钇铝石榴石发光陶瓷的烧结实验,加热温度分别为1400、1500和1600℃,保温时间分别为180、360和540s,仪器按照设置好的加热位置和加热曲线自动运行。结果表明:采用多束激光并行加热系统,可以在几分钟的热处理时间内获得结晶度和发光性能良好的烧结样品,比传统制备工艺十余小时的烧结时间大幅缩短。这将为高温热处理的条件筛选和高通量制备提供一种节能省时的新技术方案。

基于Ce^3+∶YAG透明陶瓷的大功率LED和LD照明原型器件的发光性能:厚度和表面粗糙度的影响

采用高温真空烧结技术制备了0.5%Ce∶Y 3Al5O12(简称Ce∶YAG)透明荧光陶瓷,在透射模式下分别采用大功率蓝光发光二极管(LED)芯片(3.2 V×0.3 A)激发和LD蓝光光源(0.8 W,1.6 W)激发,系统研究了陶瓷厚度(0.3~2.3 mm)和表面粗糙度(322.86 nm,9.79 nm)等对照明原型器件的色温、显色指数和光电转换效率等发光性能的影响。结果表明,陶瓷表面有一定粗糙度可使原型器件的发光性能整体提高,其中用粗糙度为322.86 nm的Ce∶YAG透明陶瓷组装的原型器件分别获得了93.6 lm/W(蓝光LED激发)和178.5 lm/W(蓝光LD激发)的高光电转换效率。研究表明,通过调节Ce∶YAG透明陶瓷的厚度和表面状态,可有效提升高功率密度固态照明器件的发光性能。

基于Ag微孔阵列结构电极的MgZnO紫外探测器制备和特性

通过金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)方法在蓝宝石衬底上生长了MgZnO薄膜,结合光刻和聚苯乙烯(PS)小球模板技术,制备了基于Ag微孔阵列电极结构的MgZnO紫外探测器。与基于常规金属薄膜电极的器件相比,基于微孔阵列叉指电极的MgZnO基紫外探测器的光电流提高近6倍,同时其暗电流和响应时间基本保持不变。通过紫外-可见透射光谱和电学性质等表征,讨论了Ag微孔阵列结构电极对MgZnO薄膜紫外光电探测性能的影响机制。本研究为制备高性能紫外探测器提供了一条可行的途径。

3D打印HA微球支架的制备与表征

生物材料表面微结构对于成骨具有重要的影响,该研究以不同粒径(<60μm)的羟基磷灰石(HA)微球状粉体为原料,通过3D打印技术制备了一系列(HA0、HA10、HA30、HA50)生物陶瓷支架。不同支架具有相似的理化性能,由于微球粒径不同形成了不同的微结构,对其生物学性能造成不同的影响。相比传统非微球颗粒打印的支架(HA0),HA微球构成的支架能够提供更多细胞粘附和生长位点,24 h的粘附实验显示HA30支架能显著促进骨髓间充质干细胞的伪足伸长;培养5 d的细胞增殖实验显示,微球支架上的细胞数量与HA0支架出现显著性差异,表面微球结构与细胞尺度相当的HA30支架具有最好的促增殖效果。因此,3D打印技术在可控制备HA支架宏观结构的同时,还可以通过控制生物陶瓷粉体的颗粒形貌,调控3D打印支架的表面微结构,从而优化其生物学效应,在骨组织工程领域具有良好的应用前景。

粉体酸洗对镁铝尖晶石透明陶瓷性能的影响

镁铝尖晶石透明陶瓷具有优异的光学性能和力学性能,是红外窗口的理想候选材料。以商业镁铝尖晶石粉体为原料,通过酸洗处理降低粉体中的杂质含量以促进致密化。利用ICP、XRF和SEM等表征手段分析酸洗工艺对粉体中杂质含量和微观形貌的影响,采用无压预烧和热等静压处理制备镁铝尖晶石透明陶瓷,系统研究了粉体纯化处理对透明陶瓷致密化过程和性能的影响规律。结果表明,硝酸酸洗能够有效去除K、Ca、Na三种金属杂质,在不影响粉体粒径、表面形貌和团聚程度的前提下,使杂质含量降至1ppm。此外,硝酸酸洗后的粉体烧结活性得到显著提升,在不采用任何烧结助剂的情况下可将预烧温度降低30℃,从而实现透明陶瓷的低温制备,在1100 nm处透过率达到87%,接近理论透过率,初步结果表明,粉体酸洗也对所制备透明陶瓷的力学性能有一定促进作用。