固态电解质LiZr_(2)(PO_(4))_(3)的掺杂及其在电极中的应用

NASICON型固态电解质磷酸锆锂(LZP)具有优异的结构稳定性和性能可靠性,但其在室温下的锂离子电导率较低,限制锂离子的传输。针对上述问题,采用溶胶凝胶法对磷酸锆锂电解质材料进行阳离子掺杂,提高材料的电导率,进而提升锂离子在材料中的输运能力。同时,将掺杂的磷酸锆锂电解质对电极进行修饰,提升电极本身的锂离子输运性能。探究了离子掺杂电解质对电极的锂离子扩散动力学性能的影响机理。实验结果表明,LiTi_(0.25)Zr_(1.75)(PO_(4))_(3)对电极的锂离子扩散动力学性能提高最为显著,锂离子扩散系数达到3.25×10^(-14)cm^(2)·S^(-1),是未修饰电极的2.95倍,同时在5C倍率下,LiTi_(0.25)Zr_(1.75)(PO_(4))_(3)修饰的电极比未修饰电极比容量提高了25.48 mAh·g^(-1)。

石墨烯纳米片电子结构和量子输运特性第一原理研究

用基于密度泛函理论的原子紧束缚方法计算研究单层石墨烯纳米圆片和纳米带的电子结构,并结合第一原理和非平衡函数法计算量子输运特性.通过电子能态和轨道密度分布研究纳米碳原子层的电子成键状态,结合电子透射谱、电导和电子势分布分析电子散射与输运机制.石墨烯纳米带和纳米圆片分别呈现金属和半导体的能带特征,片层边缘上电极化分别沿垂直和切向方向,电子电导出现较大的差异,来源于石墨烯纳米圆片边缘的突出碳原子环对电子的强散射.石墨烯纳米带的电子透射谱表现为近似台阶式变化并在费米能级处存在弹道电导峰,而石墨烯纳米圆片的电子能带和透射谱在费米能级处开口并且因量子限制作用呈现更加离散的多条高态密度窄能带和尖锐谱峰.

层状氧化钼的电子结构、磁和光学性质第一原理研究

按照基于自旋密度泛函理论的赝势平面波第一原理计算方法,理论研究了两种层堆叠结构氧化钼(正交和单斜MoO_3)的电子结构、磁性和光学特性,探讨其作为电致变色材料或电磁材料在光电子器件中的技术应用.采用先进的半局域GGA-PW91和非局域HSE06交换相关泛函精确计算晶体结构和带隙宽度.计算得出较低密排面解离能,表明两种层状氧化钼的单片层很容易从体材料上剥落.能带结构和投影态密度分析表明:导带底和价带顶电子态主要来自于层平面方向成键的原子轨道,呈现典型的二维电子结构特征.无缺陷的MoO_3块体材料具有明显的磁矩,O空位会导致磁矩增加;由Mo原子和顶点氧原子产生的亚铁磁耦合磁矩是MoO_3层状材料磁性的主要来源;层状氧化钼在可见光区具有明显的光吸收响应,光吸收谱表现出显著的各向异性并在带电时发生明显的蓝移或形成新的低频可见光吸收峰.计算结果证明层状氧化钼具有明显的电致变色和磁控性能,为设计高性能电磁或光电子功能材料提供了理论依据和技术数据.

磁场处理对LDPE及其碳纳米管复合材料电导特性的影响

在低密度聚乙烯(LDPE)及其碳纳米管(CNTs)复合材料的热成型加工过程中施加稳恒强磁场,研究了磁场处理对LDPE及CNT/LDPE复合材料直流电导特性的影响,并结合差示扫描量热、偏光显微镜与原子力显微镜分析探讨了磁场处理的作用机理。结果表明,磁场处理能导致LDPE的结晶度提高,体积电阻率增加;稳恒强磁场能在CNTs中"诱导"形成感应磁矩,使得CNTs沿平行于磁场方向在LDPE中取向,从而导致CNTs/LDPE复合材料沿平行于磁场方向的电导率增加,电导非线性特性提高;磁场处理导致CNT/LDPE复合材料电导率增加的幅度随CNTs掺量的增加而增大。

悬浮聚合法制备可降解磁性聚丙交酯微球

为了制备以纳米Fe3O4复合聚丙交酯得到聚合物微球,采用丙交酯和纳米级Fe3O4粉为基体,通过悬浮聚合制备可降解磁性聚丙交酯微球,并对其性能进行分析。实验表明通过悬浮聚合方法,合成了聚合物微球。该微球通过红外光谱、电镜、熔点测定等方法表征,确定该产物为目标产物,其粒径为30～50μm,熔点为67℃,分子量为12825。比磁饱和强度бs为17.70emu.g-1,其降解速率测定得知其在20d仍未全部降解,可以作为靶向缓释药物载体使用。

石墨烯纳米片磁有序和自旋逻辑器件第一原理研究

尺寸效应和拓扑阻挫能够在有限石墨烯纳米片段中形成磁有序,本文对能够产生大自旋或电子自旋反铁磁耦合的石墨烯有限片段进行合理分类,提出几种能够作为基本逻辑门的特殊结构并对其进行第一原理电子结构计算,为设计高密度超快自旋器件提供了有效方案和理论依据.计算结果证明:基于有限石墨烯片段的逻辑门结构能够在室温下进行错误率较低的可纠错运算.

紫外光引发聚乙烯交联技术研究进展

交联聚乙烯绝缘电缆在高压及超高压领域中具有广泛的应用前景,生产交联聚乙烯绝缘电缆的紫外光引发交联技术因具有生产效率高、可连续生产时间长、辐照设备简单和基建费用低等优点,在高压电力电缆及海底电缆等领域将有望代替过氧化物交联技术而成为新一代超高压交联聚乙烯电缆的基本工艺。该文对交联聚乙烯绝缘电缆紫外光引发交联技术的核心机理和研究进展进行全面综述,探讨紫外光引发聚乙烯交联光化学反应的动力学特性及交联特性,重点分析紫外光交联聚乙烯绝缘介质的电学特性,并展望紫外光交联聚乙烯绝缘介质未来的研究方向,对于研制高电压绝缘材料和开发新聚合物合成技术具有重要意义。

石墨烯纳米网电导特性的能带机理：第一原理计算

通过第一原理电子结构计算来研究有序多孔纳米网的电导特性变化的能带机理.能带结构分析结果表明:石墨烯纳米网超晶格(3m,3n)(m和n为整数)的电子本征态在布里渊区中心点发生四重简并;碳空位孔洞规则排列形成的石墨烯纳米网具有由简并态分裂形成的宽度可调带隙,无论石墨烯的两个子晶格是否对等.在具有磁性网孔阵列的石墨烯纳米网中,反铁磁耦合使对称子晶格的反演对称性增加了一项量子限制条件,导致能带结构在K点的二重简并态分裂成带隙.通过控制网孔密度能够有效调节石墨烯纳米网的带隙宽度,为实现新一代石墨烯纳米电子器件提供了理论依据.

电导非线性对HVDC电缆绝缘空间电荷动态过程的影响

针对HVDC电缆绝缘中的空间电荷问题,采用有限元分析方法,仿真研究绝缘材料电导非线性属性对HVDC电缆绝缘中由非线性电导率引起的空间电荷极化与退极化动态过程的影响。通过改变电导活化能与电场依赖系数,得到极化与退极化过程中空间电荷密度随时间的变化规律。分析结果表明:降低电导活化能或增大电场依赖系数可降低HVDC电缆绝缘中由非线性电导率引起的空间电荷量,抑制极化与退极化过程中的空间电荷“过冲”与“反极性过冲”现象,并且会加快极化与退极化过程达到稳态,但同时会使绝缘介质中的电流密度增大。

单层Janus材料GaInSe2的电子结构第一原理计算

按照第一原理赝势平面波方法研究具有稳定间接带隙的单层Janus二维半导体GaInSe2的电子结构,探讨构建Janus结构的单层GaSe和InSe与GaInSe2的结构和电子性质之间的内禀关系。原子结构和声子色散谱的计算结果证明单层GaInSe2与GaSe和InSe有着相似的六边形几何构型,具有动态稳定的Janus结构。电子能带结构表明GaInSe2与其二元类似物GaSe和InSe都是间接带隙半导体,GaSe和InSe之间的应变和功函数决定了单层GaInSe2电子结构的基本特征。当原子层平面方向上的应变小于临界值时,单层GaInSe2可转化为直接带隙半导体。因此,在应变小于临界应变的力学条件下,单层GaInSe2可用作二维或表面光电材料。此外,通过调节层平面方向上的应变,可以有效地控制GaInSe2能带的带边特性和带隙宽度,这对于场效应晶体管的潜在应用具有重要意义。

聚丙烯中电树枝生长机理研究

耐电树枝老化特性是表征聚合物绝缘材料介电性能的重要参数之一.聚丙烯(PP)是典型半结晶聚合物,其复杂的非均匀聚集态结构影响电树枝的生长.本文对PP及加入成核剂的PP试样进行了耐电树枝化性能实验,通过偏光显微镜(PLM)及差示扫描量热法(DSC)分析加入成核剂前后PP的结晶形态、结晶度以及结晶结构对电树枝生长特征的影响.以相界面自由能的热驱动作用以及放电雪崩理论为基础,对电树枝生长的热力学和动力学机理进行分析,阐明电场分布对电树枝生长的重要作用.根据半结晶材料的结晶相和非晶相的物理性能,建立材料内部电场分布计算模型,模拟针-板电极条件下聚合物材料内部的局域电场分布情况,分析了电树枝通道的动力学生长特征,探讨了成核剂改变PP的结晶结构抑制电树枝沿电场生长的作用.

碳纳米管/聚乙烯复合物分子动力学模拟研究

采用分子动力学方法模拟了碳纳米管/聚乙烯复合物的结构、热力学和力学特性,分析其随模拟温度和碳纳米管填充率的变化。模拟结果表明,碳纳米管/聚乙烯复合物为各向同性的无定形结构,聚乙烯和碳纳米管通过较强的范德华作用结合在一起,在聚乙烯基体作用下,碳纳米管壁上的碳原子排列的周期性下降,出现弯曲和褶皱。从能量上看,填充率较高的复合物更加稳定。碳纳米管/聚乙烯复合物具有比聚乙烯体系更高的等容热容和与聚乙烯体系相反的负值热压力系数,热容随碳纳米管填充率的变化较小,但随温度的升高而明显减小,具有显著的温度效应;热压力系数随温度的变化较小,温度稳定性比聚乙烯更好,但随填充率增加而减小。碳纳米管/聚乙烯复合物的力学特性表现出各向同性材料的弹性常数张量,弹性模量和泊松比比纯聚乙烯体系高得多,并且都随温度的升高和碳纳米管含量的降低而减小,说明加入碳纳米管可显著改善聚乙烯的力学性质。

石墨纳米片/聚乙烯复合物分子动力学模拟

通过分子动力学模拟对石墨纳米片(GNP)/聚乙烯(PE)复合物的结构、力学和气体输运性质进行计算研究,分析其随模拟温度和GNP填充量的变化规律,探讨纳米界面形成、复合机制及结构与特性的关系。GNP/PE复合物呈现二维结构,GNP趋向于平面取向排列并通过范德华力和纳米石墨片层表面上的碳氢-π键使周围几个原子尺度内的PE分子固化为有序原子层,而PE基体仍然为各向同性的无定形结构。GNP/PE界面上纳米复合作用使体系能量降低,与PE体系相比,GNP/PE的杨氏模量和泊松比分别显著增高和降低。GNP平面取向导致GNP/PE的力学特性表现出二维各向异性的弹性常数张量,在石墨纳米片层平面方向上的杨氏模量明显增高,并且随温度的降低和GNP填充量的提高而增大,填充GNP有效改善了GNP/PE的力学性质。GNP/PE复合物的气体输运性质明显受到填充GNP的气体阻隔和取向的影响并且对3种气体渗透没有明显的选择性。GNP与基体的纳米复合导致N_2、O_2和CO_2的分子输运呈现二维各向异性,随着石墨纳米颗粒填充量的增加,取向GNP层面方向的扩散系数比垂直方向高5~8倍,可用于气体分子屏障与渗流控制。

纳米SiO_2/低密度聚乙烯复合材料的陷阱特性与电击穿机制

以低密度聚乙烯(LDPE)为聚合物基体,通过熔融共混的方式填充不同粒径的纳米SiO_2无机颗粒,制备纳米SiO_2/LDPE复合材料,研究提高聚乙烯电绝缘性能的纳米改性方法和机制。利用SEM表征纳米SiO_2在LDPE基体中的微观形态和分散程度,采用DSC和偏光显微镜(PLM)分析纳米SiO_2对LDPE基体结晶度和结晶形态的影响,通过热刺激电流法(TSC)分析纳米SiO_2/LDPE复合材料的陷阱密度和陷阱能级,并结合电击穿的Weibull分布研究纳米复合材料的击穿机制。研究结果表明:纳米SiO_2填充可以改变复合材料结晶度,进而增加LDPE基体本征结构缺陷和陷阱密度,同时填充纳米SiO_2颗粒可引入比LDPE基体本征陷阱更深的陷阱能级,纳米SiO_2填充颗粒引入的陷阱能级深度随着复合材料结晶度的增加而先增大后减小,填充浓度3wt%时可最有效地通过俘获载流子而抑制电击穿过程,纳米SiO_2/LDPE复合材料的击穿场强达到最高值。与60nm SiO_2颗粒相比,30nm SiO_2填充颗粒具有更高的比表面积,界面电极化导致更高的介电常数,更高密度的纳米界面深陷阱态对于提高电击穿场强更有效。当填充浓度为5wt%时,纳米颗粒的团聚作用导致纳米复合材料的击穿强度降低。基于电双层理论提出了电子捕捉模型和界面结构模型,合理阐释了纳米SiO_2/LDPE复合材料的微观陷阱特性及宏观电击穿机制。

第一原理研究界面弛豫对InAs/GaSb超晶格界面结构、能带结构和光学性质的影响

通过广义梯度近似的第一原理全电子相对论计算,研究了不同界面类型InAs/GaSb超晶格的界面结构、电子和光吸收特性.由于四原子界面的复杂性和低对称性,通过对InAs/GaSb超晶格进行电子总能量和应力最小化来确定弛豫界面的结构参数.计算了InSb,GaAs型界面和非特殊界面(二者交替)超晶格的能带结构和光吸收谱,考察了超晶格界面层原子发生弛豫的影响.为了证实能带结构的计算结果,用局域密度近似和Hartree-Fock泛函的平面波方法进行了计算.对不同界面类型InAs/GaSb超晶格的能带结构计算结果进行了比较,发现界面Sb原子的化学键和离子性对InAs/GaSb超晶格的界面结构、能带结构和光学特性起着至关重要的作用.

(InAs)1/(GaSb)1超品格纳线第一原理研究

半导体纳米线作为纳米器件的作用区和连接部分具有理想的形状,把电子运动和原子周期性限制在一维结构当中.通过体材料的已知特性,有效地选择材料组分使纳米线的低维结构优点更加突出.此外,还可以通过其他方式来调整纳米线特性,如控制纳米线直径、晶体学生长方向、结构相、表面晶体学晶面和饱和度等内部或固有的特性;施加电场、磁场、热场和力场等外部影响.体材料InAs和GaSb的晶格常数非常相近,因此InAs/GaSb异质结构晶格失配很小,可生长成为优良的红外光电子材料.另外,体材料InAs在二元Ⅲ—Ⅴ化合物半导体中具有最低的有效质量,这使得电子限制在InAs层的InAs/GaSb超晶格具有良好的输运特性.本文通过第一原理计算研究轴线沿[001]和[111]闪锌矿晶体学方向的(InAs)_1/(GaSb)_1超晶格纳米线(下标表示分子或双原子单层的数量)的结构、电子和力学特性,以及它们随纳米线直径(线径约为0.5—2.0 nm)的变化规律.另外,分析了外部施加的应力对电子特性的影响,考察了不同线径(InAs)_1/(GaSb)_1超晶格纳米线的电子带边能级随轴向应变的变化,从而确定超晶格电子能带的带边变形势.

(InAs)1/(GaSb)1超晶格原子链的第一原理研究

利用第一原理平面波赝势法,对(InAs)_1/(GaSb)_1超晶格原子链的原子结构、力学特性、电子能带结构、声子结构和光学特性进行研究,并结合密度泛函理论数值原子轨道赝势法和非平衡格林函数法计算量子输运特性.与二维层结构的(InAs)_1/(GaSb)_1超晶格相比,(InAs)_1/(GaSb)_1超晶格原子链的能带结构有明显不同,在某些情况下表现为金属能带特性.对理想条件下(InAs)_1/(GaSb)_1超晶格原子链的力学强度计算表明,该结构可承受的应变高达ε=0.19.通过对声子结构的完整布里渊区分析,研究了(InAs)_1/(GaSb)_1超晶格原子链的结构稳定性.对两端接触电极为Al纳米线的InAs/GaSb超晶格原子链的电子输运特性计算表明,电导随链长和应变的改变而发生非单调变化.光吸收谱的计算结果表现出在红外波段具有陡峭吸收边,截止波长随超晶格原子链的结构而变化.预计InAs/GaSb超晶格原子链可应用于红外光电子纳米器件,通过改变超晶格原子链的结构来调节光电响应波段.

石墨烯纳米片/聚乙烯复合薄膜电磁干扰屏蔽

研制了一种取向性较高的石墨烯纳米片/低密度聚乙烯(GNS/LDPE)复合薄膜三明治结构,分析其电磁干扰屏蔽(EMIS)性能和机制。实验结果表明,GNS/LDPE复合薄膜的EMIS性能主要决定于其电学性质。根据材料电导率对多层复合膜进行理论计算,探讨GNS/LDPE复合薄膜多层结构的光吸收和多层反射机制。通过调整层结构的厚度和表面层深度及屏蔽材料的电导率可以提高EMIS性能,并且增加屏蔽层厚度可增强吸收屏蔽作用从而进一步提高总屏蔽性能。结构优化后的EMIS效率可以达到31dB,证明GNS/LDPE复合薄膜具有显著的EMIS作用。纳米复合三明治结构的屏蔽机制为设计高EMIS性能纳米复合物提供了基本依据。提出了实现高性能GNS/LDPE复合薄膜的有效技术方法,在EMIS涂层领域具有潜在的应用。