贵金属/半导体异质结中的光致自旋电流效应研究

自旋电子材料因能同时对电子的自旋和电荷两个自由度实施操控,在构筑以低功耗、超高速、大容量和超宽带为特征的新一代信息处理技术中展现出巨大的应用潜力.然而,通过掺杂过渡金属元素和稀土离子而形成的传统稀磁半导体和钙钛矿锰氧化物往往因结构缺陷导致的居里温度不高、自旋磁矩和自旋极化率偏低等不足,阻碍了自旋电子材料的商业化应用.近年来,在高纯半导体上沉积贵金属薄膜所形成的贵金属/半导体异质结中,通过使用偏振光激发该类异质结可产生纯自旋电流.这种基于逆自旋霍尔效应(ISHE)、可在室温下运行的、非接触和非破坏型的自旋极化激励方法理论上可获得高于50%自旋极化率,引起了人们的广泛关注.文章主要介绍光致自旋电流形成机制和测试方法,以及入射光圆偏振度、光强、入射角度等参数对光致自旋注入效率的调控机理,介绍杂质介导和声子介导对光致自旋输运的贡献,最后提出增强光致自旋电子极化率的可行方案,可为揭示自旋载流子产生、注入和输运相关的自旋动力学核心科学问题以及研制高性能自旋电子器件提供有益的参考.

金属辅助化学刻蚀法制备硅纳米线的研究进展

硅纳米线(Si NWs)由于具有独特的一维结构、热电导率、光电性质、电化学性能等特点,被广泛应用于热电与传感器件、光电子元器件、太阳能电池、锂离子电池等领域。金属辅助化学刻蚀法(MACE)是制备Si NWs的常用方法之一,具有操作简便、设备简单、成本低廉和高效等优点,可大规模商业化应用,因而近年来被广泛研究。金属辅助化学刻蚀制备硅纳米线的过程可以分为两步:首先在洁净的硅衬底表面沉积一层金属(Ag、Au、Pt等)纳米颗粒,以催化、氧化它附近的硅原子;然后利用HF溶解氧化层,从而对硅晶片进行刻蚀,形成纳米线阵列。然而,这种简单高效的制备硅纳米线的方法存在一些难以控制的缺点:(1)金属纳米颗粒聚集、相连后造成Si NWs之间的缝隙比较大,从而导致Si NWs密度较低;(2)由于金属纳米颗粒沉积的随机性,在硅晶片表面分布不均匀,不仅导致刻蚀出的纳米线直径范围(50～200 nm)较宽,而且使制得的纳米线阵列排列无序且间距不易调控;(3)当刻蚀出的硅纳米线太长时,范德华力等作用会造成纳米线顶端出现严重的团簇现象。针对常规法存在的一些问题以及不同的器件对硅纳米线的形貌、类型和直径等的要求,近年来的研究主要集中在如何减少纳米线顶端团簇、调控纳米表面粗糙度和直径、低成本制备有序硅纳米线等方面。目前一些改进常规金属辅助化学刻蚀的方法取得了进展,比如:(1)用酸溶液或UV/Ozone对硅晶片预处理,在表面形成氧化层,可以使纳米线的均匀性得到改善并增大其密度(从18%提高到38%);(2)使用物理气相沉积法在硅晶片表面沉积一层金属纳米薄膜,然后再刻蚀,这种方法能够减少纳米线顶端团簇和有效调控纳米线直径;(3)利用模板法(聚苯乙烯小球模板、氧化铝模板、二氧化硅模板和光刻胶模板等)可以制备出有序的硅纳米线阵列。本课题组用离子束刻蚀的方法制备了直径范围可以控制在30～90 nm的聚苯乙烯小球模板,为小尺寸有序硅纳米线的制备打下了坚实的基础。本文简要介绍了常规MACE的原理和制备流程,总结了硅晶片的类型、刻蚀溶液的浓度、温度和刻蚀时间等因素对Si NWs形貌、尺度、表面粗糙度、刻蚀方向以及刻蚀速率的影响,用相关的机制解释了H2O2过量时刻蚀路径偏离垂直方向的机理以及刻蚀速率随溶液浓度变化的原因,重点综述了氧化层预处理、物理法沉积贵金属纳米薄膜、退火处理和模板法等改进方法在减少纳米线顶部团簇、改善均匀性、制备有序且直径和间距可控纳米线中的研究进展。

单原子材料的制备、表征及其在气敏传感器中的应用进展

气敏传感器技术的发展对于人类社会发展具有积极的作用。近年来的研究显示,原子级分散的材料具有超高的活性、独特的电子结构和量子尺寸效应等,故将某些单原子负载在一定的气敏材料上,将会显著提高气敏材料的气敏性能。本文综述了近些年来国内外单原子材料的制备和表征技术及其在气敏传感器中的研究进展,分析了单原子材料的性能优势、单原子负载策略、分析方法、气敏性能、气敏机理等,同时探讨了存在的问题以及单原子材料气敏传感器在未来的发展趋势,最后对单原子材料在气敏传感器中的应用发展提出了相关的一些看法。

分子束外延制备稀铁磁性Mn_xGe_(1-x)量子点研究进展

稀磁半导体(Diluted magnetic semiconductors,DMSs)能同时利用电子的电荷和自旋特性,从而具有了半导体材料和磁性材料的双重性能,它利用载流子及其自旋,使自旋电子器件应用于信息存储、传输、处理成为可能。因而,作为微电子产业的重要组成部分,Mn掺杂的Ge量子点(Quantum dots,QDs)稀铁磁性半导体材料由于具备与当今Si基微电子学技术的兼容性以及具有比Ⅲ-Ⅴ族DMSs更高居里温度(Curie temperature,T_C)的可能性而引起广泛关注。制备的Mn_xGe_(1-x) QDs自旋电子器件具备小尺寸、低能耗、数据处理快、集成度高、稳定性好等优异性能,对未来自旋电子器件的发展起到举足轻重的作用。虽然,由Mn掺杂的Ⅳ族Mn_xGe_(1-x) QDs DMSs材料被认为是实现室温可操控性电子自旋器件以及可控铁磁性能的理想材料候选者。但想要制备高性能、高稳定性的Mn_xGe_(1-x) QDs DMSs材料依旧面临诸多挑战。其一,虽然通过提高基质中磁性掺杂剂的浓度可以使系统获得高的T_C,但Mn掺杂剂在Ge中的极限溶解度值远低于致使系统获得高T_C的掺杂剂浓度值;其二,Ge_(1-x)Mn_x QDs中高的Mn掺杂浓度容易导致金属间析出相(如:Mn_5Ge_3和Mn_(11)Ge_8)的形成;其三,Mn掺入到Ge QDs中需要低的生长温度和低的表面扩散率,而QDs的自组装生长总是需要高的生长温度和高的表面扩散率,即实现更高的亚稳态掺杂水平可能是增强DMSs的T_C的主要限制因素;其四,铁磁性和高T_C的起源和增强机制的理论解释仍不明确,值得深入探究。因此,近年来研究者们主要从选择合适的生长参数,优化Mn_xGe_(1-x) QDs薄膜的制备工艺方面不断尝试,并取得了丰硕的成果。其一,Mn_xGe_(1-x) QDs的T_C提高至400K以上;其二,明确了金属间析出相(Mn5Ge3和Mn11Ge8)的T_C分别为296K和270K,其T_C趋于室温;其三,发现了电场控制铁磁性能和磁运输性能,首次将电场控制铁磁性温度提高至300K,并将其归结为量子限制效应;其四,由于Mn_xGe_(1-x) QDs中量子效应的存在,硼(B)的调制掺杂可以增加Mn_xGe_(1-x) QDs中的空穴浓度,从而增强其T_C。本文归纳了Mn_xGe_(1-x)稀铁磁性半导体材料的研究进展,重点归纳了分子束外延(Molecular beam epitaxy,MBE)制备稀铁磁性Mn_xGe_(1-x) QDs的研究进展。并分别介绍了各生长参数对Mn_xGe_(1-x) QDs的形态及其磁性能的影响。分析了目前研究中仍待解决的难点,展望了该材料在微电子领域的应用前景。

Si/PEDOT∶PSS异质结太阳能电池研究进展

以有机材料作为空穴传输层的Si/有机杂化太阳能电池由于其器件结构与制备工艺的不断优化,在短期内实现了理论探究与合成应用的快速增长。但有机材料具有的导电性低和复合界面间稳定性差等缺点,严重影响了复合器件的光电转化效率和使用寿命,阻碍了异质结太阳能电池的技术发展与市场应用。在Si/有机杂化太阳能电池领域,聚3,4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT∶PSS)是目前为止效果最佳的有机半导体。PEDOT∶PSS具有高导电性和高透过率等特点,使其成为一种理想的有机空穴传输层材料,并在异质结太阳能电池技术发展和工业应用中脱颖而出。利用PEDOT∶PSS的高导电性能可实现空穴的有效传输,其较高的透过性降低了P-N结生成过程中的寄生吸收,并且在制备中免去了传统硅基太阳能电池所需的高温环节,有效地降低了实际生产成本。近五年来,为降低PEDOT∶PSS中绝缘的PSS对电子传输和表面复合性的影响,大量学者进行了掺杂改性和界面设计的研究工作,有效降低了绝缘性PSS带来的影响,充分发挥了PEDOT高透性和高导电率的优势,优化表面陷光性和器件稳定性,实现了光电转化效率从5.09%至17.4%的大幅度跳跃。本文从Si/PEDOT∶PSS异质结太阳能电池的结构与工作原理出发,重点介绍了Si材料和PEDOT∶PSS有机物的表面修饰、PEDOT∶PSS的掺杂改性、界面氧化层改性和对嵌入式微电网电极改造手段及它们对整体器件性能提升的影响等工作,归纳并分析了Si/PEDOT∶PSS杂化太阳能电池的最新研究进展,展望了太阳能电池的技术研发和理论研究,对未来Si/PEDOT∶PSS异质结太阳能电池的实验室技术研发与工业化生产应用具有一定参考意义。

光催化技术在处理废水中的规模化应用

光催化技术是环境污染治理较具代表性的先进氧化技术,并在空气净化、污水处理等方面展示出较好的应用前景.该文侧重于分析国内外光催化水处理设备研发情况及应用发展现状,并对作者及其团队在光催化规模化处理褐煤气化生化废水和高速公路服务区生活废水方面的工作进行了总结.

聚苯乙烯纳米球模板和Si衬底的微结构随离子束轰击时间的演变规律

使用离子束正入射轰击Si衬底上有序密排的聚苯乙烯(PS)纳米球模板,通过分析PS纳米球和Si衬底的微结构与离子束轰击时间的关系,研究了离子束的非选择性刻蚀对PS纳米球和Si衬底的刻蚀作用。实验结果表明:随着离子束轰击时间的延长,PS纳米球的直径和高度都呈单调递减的趋势,但是高度减小得更快。在这个过程中,PS纳米颗粒发生了由对称的圆形到非对称的圆形再到圆锥形的形貌转变,第一阶段的形变是离子束的各向异性刻蚀造成的,第二阶段可能与离子束的长时间轰击导致的热量积累有关。当PS纳米颗粒的尺寸和形貌发生变化的同时,Si衬底的微结构也在改变。当轰击时间为4 min时,在PS纳米颗粒下方观察到凸起的Si平台,随着时间的延长,Si平台的底端直径呈先稳定后减小的趋势,其高度则持续增加。同样,Si平台也经历着形貌的转变,第一阶段由圆柱形平台向截顶圆锥形平台转变,该形貌转变导致Si平台底端直径在轰击初期保持稳定;第二阶段发生在PS纳米颗粒消失后,由截顶圆锥形转变为圆锥形,形成了有序的Si纳米锥阵列,其直径在65~100 nm范围内。结合金属辅助化学刻蚀以及合适的非密排PS纳米颗粒模板,制备出有序的Si纳米线阵列,纳米线的直径为70~124 nm。这些结果为新型有序纳米材料的研制和应用提供了一定的基础及参考。

大偏角半导体级激光器用砷化镓晶片清洗方法

采用常规的碱性清洗液清洗大偏角半导体级激光器用砷化镓晶片,外延后会出现几万颗缺陷点。清洗完成后的晶片用X射线光电子能谱(XPS)分析,发现其氧化层中氧化镓的相对含量较大,晶片表面氧化物含量相对较少。针对该问题提出了解决办法,即在普通碱性清洗液之后,通过添加酸性清洗液来增加氧化层的厚度,从而调整氧化镓的含量,最终达到减少外延后异常点的目的。

生物模板法合成三元硫化物及其抑菌活性

分别以橡胶乳、大豆粉、三七粉、菠菜提取物、苝醌提取物作为模板剂,采用溶剂热合成法,合成了具有不同形貌的三元硫化物,考察了其对枯草芽孢杆菌的抑菌活性性能,同时通过MTT法对三元硫化物材料进行毒性测试。通过XRD和SEM进行表征。结果表明:具有棒状结构的Bi2S3、雪花状的AgBiS2、以及含有毛刺状小球的Cu3BiS3材料具有特殊的抑菌,且对正常细胞的毒性较低甚至没有。

烟草模板制备掺杂过渡金属铈锆固溶体及其催化氧化CO性能研究

以烟梗丝、烟叶片和烟梗条等材料为模板掺杂过渡金属合成了一系列铈锆固溶体材料.对合成的材料进行了扫描电子显微镜(SEM)、N2吸附-脱附、程序升温还原(H2-TPR)、X-射线衍射法(XRD)、储氧量(OSC)、X-射线光电子能谱(XPS)等表征.对铈锆固溶体材料进行CO氧化活性评价,结果表明不同烟草模板制备的铈锆固溶体性能不同.以烟叶片为模板制备的掺铜铈锆固溶体具有极高的储氧量,高达2961μmol/g,但该材料催化氧化CO的活性并非最强.以烟梗丝为模板制备的掺铜铈锆固溶体在铈锆比为45∶45∶10时,对CO氧化有着很好的催化活性,起燃活性温度(T50)为91℃.