硫化铜纳米阵列的制备及电化学储铜研究——推荐一个综合化学实验

以水热法在碳布上生长CuO颗粒,然后通过阴离子交换转化为CuS纳米阵列,对该纳米阵列进行理化性质表征及电化学储铜研究。一系列实验涉及化学、材料和能源等多学科交叉,各学科的实用性、新颖性在其中充分融合贯通。在纳米材料制备、材料表征、电极制备、电池组装和电化学性能测试等实验过程中,学生可以得到基本的科研训练,有助于提升理论知识的理解能力、实验设备的操作能力以及科研探索和创新能力,同时激发科研兴趣并为下一步的科研工作打下坚实基础。本实验可以作为化学及相关专业高年级本科生的综合化学实验课程内容之一。

金属网格-透明导电氧化物复合型透明电极的瑞利分析和仿真

以氧化铟锡(indium tin oxide,ITO)为代表的透明导电氧化物(transparent conducting oxide,TCO)在当前光电器件中的重要性日益增长.通过在TCO中引入金属网格构成复合电极,可以在保持良好透明性的前提下有效提升电学性能,同时降低对铟的需求量,并为可穿戴设备所需的柔性电极提供可能方案.对此类电极的电学性能分析,如复合电极方阻随金属网格结构参数的变化,可为电极设计与制备提供基本的出发点,但相关理论尚十分缺乏.本文针对典型的方孔方格型金属网格-TCO复合电极,分别展开基于瑞利模型和基于有限元仿真的电学性能分析.结果表明,孔型近似导致的金属通道显著畸变是复合电极的电学计算中瑞利模型在中高开口率下失效的主要原因.据此,我们采用格型修正,通过提升瑞利模型中的原胞外边界对称性来改善金属通道的畸变.与电极仿真的对比表明,修正后瑞利模型的适用范围明显扩大,其结果可与实验数据很好地拟合,为此类复合透明电极的电学数据分析与结构设计提供了简洁高效的理论工具.

高自旋极化氧化物材料的颗粒边界磁电阻效应

颗粒边界磁电阻是高自旋极化氧化物颗粒体系中由于颗粒边界的存在而导致显著的磁电阻效应。本文将这种磁电阻效应定义为颗粒边界磁电阻效应。这里所说的颗粒边界,包括各种自然和人工晶界、粉末颗粒表面、复合材料中的颗粒界面等多种情况;所涉及的材料包括高自旋极化氧化物多晶、压缩粉末和各种复合材料等。对颗粒边界磁电阻效应的研究,不仅有助于人们进一步理解高自旋极化氧化物磁输运性质的基本机制,并为寻求具有高磁电阻效应的新型自旋电子学器件提供理论基础。本文综述了高自旋极化氧化物颗粒边界磁电阻研究的主要背景和发展现状,介绍了该领域中主要的实验发现和理论模型,展望了未来的发展。

射频磁控反应溅射制备TiO_2薄膜

研究采用射频磁控溅射的方法在石英玻璃基片上制备TiO2薄膜的最佳工艺条件.薄膜的相组成和微观组织分别采用XRD、SEM和AFM来分析.实验表明:在450℃的基片温度下,使用0.8 Pa的工作气压和20∶2的Ar∶O2流量比可以获得单一锐钛矿相的TiO2薄膜.紫外光照射分解甲基橙的实验表明具有单一锐钛矿相的TiO2薄膜具有较好的光催化能力,可以有效降解有机分子.

逾渗驱动的高自旋极化氧化物材料磁电阻增强效应——网络效应与调控

锰氧化物具有内禀的多尺度非均匀性,这与同时活跃的多个自由度——自旋、电荷、晶格和轨道——非线性耦合,以及多种相互作用的共存密切相关。更重要的是,这种极为特殊的物理现象可能是庞磁电阻效应的微观起源——铁磁金属相在磁场作用下的逾渗而驱动的磁电阻效应。另一方面,在某组分导电逾渗阈值附近的磁电阻显著增强效应,是高自旋极化氧化物颗粒体系所具有的普遍现象之一。因此,针对各种高自旋极化氧化物的非均匀和颗粒复合体系,逾渗驱动磁电阻增强效应的研究具有重要的学术意义和应用价值,其中输运网络理论为重要的理论研究。在充分认识电磁输运微观机制的基础之上,通过调控输运网络的结构,探讨逾渗驱动磁电阻增强的必要条件,可以找出实现可控性高且幅值较大的磁电阻的新途径、新方法。本文主要基于电阻网络模型,综述高自旋极化氧化物材料中多相共存体系的磁输运性质研究的主要背景和发展现状,充分结合相关的实验结果,介绍逾渗驱动磁电阻效应增强的物理机制,以及各类电输运网络的构建,并展望未来的发展。

La掺杂对TiO_2薄膜性能的影响

用溶胶-凝胶法制备TiO_2以及La掺杂TiO_2的前驱体凝胶,将其均匀旋涂不同层数制备出不同厚度的薄膜,研究了La掺杂对TiO_2薄膜结晶性能、表面形貌、光学特性和亲水性能的影响.结果表明:在500℃可以获得结晶性良好的锐钛矿相TiO_2薄膜;随着La掺杂量的增加,薄膜中TiO_2晶粒会变大,同时引起紫外可见光谱中吸收边的蓝移.掺La的TiO_2薄膜经紫外照射后其接触角明显高于未掺杂样品,主要原因是到达表面的活性载流子相对减少.一方面,大的TiO_2晶粒使得光生载流子到达光催化表面的路程变长,电子-空穴对的复合几率也随之变大;另一方面,未完全替代Ti的La可能成为光生电子-空穴对的复合中心.因此,通过La的掺杂可以有效调节TiO_2晶粒尺寸和光致接触角.

Cr掺杂SiC薄膜的制备与光致发光特性

利用高纯SiC烧结靶上粘贴金属Cr片的复合靶用双离子束溅射沉积方法,在Si和KBr单晶衬底上制备了掺杂SiC薄膜。用傅里叶变换红外光谱分析法(FTIR)和喇曼光谱仪对制得的薄膜样品进行了表征,用荧光分光光度计对样品的光致发光(PL)特性进行了研究。通过FTIR分析得到对应于Si―C键的峰位没有发生明显改变而峰强随着Cr掺杂量的增加而降低,喇曼光谱分析发现Cr掺杂导致Si和C团簇的形成,说明Cr的掺杂阻碍了Si―C键的结合。将不同Cr掺杂浓度的SiC薄膜经1000℃退火处理,发现位于413、451和469nm的三个发光峰的位置基本不变,但强度有明显改变。

柠檬酸为配位剂对Pr^(3+)掺杂CaTiO_3薄膜发光性能的影响

主要研究了配位剂柠檬酸对溶胶-凝胶法制备CaTiO3:Pr3+薄膜发光性能的影响.以乙酸、乙二醇甲醚为溶剂,合成了加入柠檬酸为配位剂和未加入柠檬酸的Pr3+掺杂CaTiO3溶胶,并使用旋涂法在硅基片上制备了不同退火温度下的CaTiO3:Pr3+发光薄膜.用X射线衍射和原子力显微镜分析了薄膜的相组成及表面形貌,并使用荧光光谱仪对薄膜的发光性能进行表征.研究发现硅基上制备CaTiO3:Pr3+薄膜在1000℃发光性能最佳,而柠檬酸的加入有效地改变了薄膜的表面形貌,较高的表面粗糙度和较大的颗粒大小使得CaTiO3:Pr3+薄膜具有更好的发光性能.

ZnO薄膜的分形生长以及退火对ZnO薄膜结构和性质的影响

通过射频磁控溅射的方法,分别在NaCl和Si基片上制备厚度约为10 nm的ZnO薄膜,通过SEM、TEM等测试手段分析了薄膜的表面状况,结果显示,在两种基片上沉积的薄膜都呈现分形生长的形貌.通过对两种基片上生长的薄膜进行比较,分别计算了这两种薄膜的分形维数.在Al2O3上制备了厚度约为300 nm的ZnO薄膜,通过在不同温度下对样品进行退火处理,并利用XRD、PL测试手段研究了退火处理对薄膜结构和光致发光性质的影响.结果表明,随着退火温度升高,薄膜的晶体结构逐渐变好,发光峰位也随着退火温度发生偏移.

衬底温度对钇稳定氧化锆薄膜择优生长的影响

使用脉冲激光沉积(PLD)技术在Si(100)衬底上沉积钇稳定的氧化锆(YSZ)薄膜,用XRD分析薄膜的结晶取向,SEM和AFM观测薄膜表面形貌,研究了在200-650℃的不同衬底温度下薄膜的择优生长.结果表明:衬底温度较低的YSZ薄膜为非品组织,衬底温度为300—500℃时YSZ晶粒以表面能低的(111)面首先择优生长,衬底温度超过550℃后品粒活化能提高而使表面能较高的(100)晶粒择优生长.YSZ薄膜是典型的岛状三维生长模式,较高的衬底温度有利于原子在衬底表面迁移和重排结晶长大.同其它沉积技术相比,用PLD技术能在比较低的衬底温度下在Sj(100)表面原位外延生长出较高质量的YSZ薄膜.

测试频率对钕掺杂钛酸铋铁电薄膜极化反转疲劳特性的影响

首先介绍了铁电薄膜极化反转疲劳特性测试原理,然后研究了Bi3.54Nd0.46Ti3O12(BNT)铁电薄膜在不同测试频率下的极化反转时的疲劳特性.采用溶胶-凝胶法在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备了BNT薄膜,发现其极化反转时的疲劳特性与外加测试频率之间存在着极强的依赖关系.研究表明BNT薄膜抗疲劳特性随测试频率减小而变差.在外加反转电场强度为2倍矫顽场强时,测试频率分别为50 kHz1、00 kHz和1 MHz的情况下,经过6.7×108次极化反转后,薄膜的剩余极化值分别下降了36.1%、16.9%和7.1%.在相同条件下,测试了目前铁电存储器用的PbZr0.52Ti0.48O3(PZT)薄膜的疲劳特性,并与BNT的相比较,发现BNT薄膜的抗疲劳特性要明显优于PZT薄膜.文中对上述实验现象作了初步的解释.

放电参量对电负性容性耦合等离子体电子密度的影响

利用微波共振探针对40.68 MHz单射频容性耦合SF6、Cl2、O2/Ar电负性等离子体电子密度进行了诊断测量。首先,将微波共振探针在Ar等离子体中的测量结果与朗缪尔探针结果进行对比,确定微波共振探针精确测量的实用范围;其次,运用微波共振探针的测量方法详细研究了放电参量对电负性容性耦合等离子体电子密度的影响。结果发现,电负性气体如SF6、Cl2、O2掺入到Ar等离子体中,均大幅度降低了等离子体的电子密度,强电负性气体的掺入对电子密度的下降尤为明显,随着电负性气体的不断掺入,电子密度趋于稳定值。文中也解释了射频放电功率和放电气压对电子密度造成的影响。

HfO_2在CHF_3,Ar和H_2的感应耦合等离子体中的刻蚀行为

通过改变偏压功率和气体气压的宏观条件 ,利用CHF3 ,Ar和H2 的感应耦合等离子体 (ICP)对HfO2 和RZJ 30 6光刻胶进行了刻蚀选择性实验研究。结果表明 ,HfO2 与等离子体化学相互作用的刻蚀产物属于非挥发性的 ,容易造成边墙的堆积而形成“驼峰”形 ,因而需要借助于Ar+ 的辅助轰击来消除边墙堆积 ,典型的HfO2 /光刻胶的刻蚀选择比在 0 2～ 0 .5之间。在射频源功率 4 0 0W、气压 0 5Pa、射频偏压 - 4 0 0V、流量比为Ar∶CHF3 ∶H2 =4 0sccm∶18sccm∶2sccm的优化条件下 ,利用感应耦合等离子体刻蚀特性 ,对光刻胶作为掩膜的HfO2 /BK7玻璃进行刻蚀 ,扫描电镜的测试结果表明 ,光栅的图形转移效果较好。红外激光波长为 10 6 4nm时 ,所测得的光栅二级衍射效率在 71%以上。

纳电子器件中的超低介电常数材料与多孔SiCOH薄膜研究

65nm以下线宽的纳电子器件,要求采用介电常数k小于2的超低介电常数材料作为层间和线间绝缘介质,等离子体增强的化学气相沉积技术制备的硅基纳米多孔薄膜,提供了实现k<2的可能性,多孔SiCOH薄膜成为最具希望的候选材料,但是,纳米孔的引入带来了材料其他性能恶化、集成工艺困难、薄膜微结构分析等许多新问题.文章介绍了多孔SiCOH(超)低k薄膜研究的主要进展及面临的挑战.

环境温度下晶硅光伏组件的直冷背板散热分析

晶硅光伏组件的工作温度严重制约着电池效率及组件寿命的提升,因此光伏冷却研究具有重要意义.通过将纳米结构引入主流光伏组件的高分子背板,从而获得具有增强热传导及热辐射特性的直冷背板,已成为新一代光伏冷却技术的发展趋势.本文聚焦于组件背面的散热特性研究,联合能量平衡方程及光学模拟,分别计算了三种典型环境温度下标准背板与直冷背板的热学功率及降温效果.计算中采用主流商用硅电池的结构参数及封装方式,详细讨论了背板的传热系数与发射率增强对光伏组件热学过程及工作温度的影响.以期为光伏组件直冷背板的设计与制备提供方向.

放电参数对不同频率驱动的容性耦合氩等离子体影响的研究

研究了不同放电参数(功率、气压、频率)下容性耦合氩等离子体中电子温度以及电子密度的变化规律.电子温度和电子密度的测量由双探针诊断获得,而功率电极自偏压则由示波器测量得到.实验结果表明,不同驱动频率下,电子温度随功率上升明显降低直至达到稳定值,而随着驱动频率和气压的上升,电子与周围粒子碰撞加剧,从而导致电子温度降低.低功率时,电子密度呈现出类抛物线增长,高功率时,电子密度则线性增加.随着气压的上升,电子密度呈现先上升后略有下降的趋势.此外,当驱动频率由13.56MHz增加到60MHz时,观察到电子密度与驱动频率的成二次方的依赖关系.自偏压的测量结果表明,自偏压随着放电功率增大而增大,而当气压和驱动频率上升时,自偏压反而降低.

镧系掺杂NaYF_4纳米颗粒的合成及其上转换发光性能

采用简易的水热法,成功制备了Yb3+/Er3+/Gd3+共掺的NaYF4纳米颗粒.通过调节Gd3+的掺杂浓度,在较低反应温度和较短反应时间下,实现了纳米颗粒从立方相向六方相的转变,研究了Gd3+浓度对纳米颗粒的结构和发光性能的影响.

不可燃氟代碳酸酯基钠离子电池电解液

锂离子电池由于其较高的能量密度而在我们的日常生活中被广泛使用,比如手机、笔记本电脑和电动汽车。然而,地球上有限的锂资源可能会阻碍其进一步的发展。近来,由于丰富的资源、合适的电化学平台和低廉的价格,钠离子电池正得到大家越来越多的关注,有希望成为下一代主流储能体系。然而,跟锂离子电池类似,钠离子电池的电解液主要是由易燃的有机碳酸酯或醚类溶剂、钠盐和一些添加剂组成,这就带来了安全隐患。此外,钠金属具有比锂更高的化学活性,导致钠离子电池可能具有比锂离子电池更大的危险性。为了解决这个安全性问题,我们提出一种不可燃的氟代碳酸酯基电解液。电解液成分是由0.9 mol·L^−1 NaPF6溶解在氟代碳酸乙烯酯(FEC)和二-2,2-三氟乙基碳酸酯(TFEC)(3:7,体积比)混合溶剂中组成。测试结果表明,该电解液体系不仅具有优异的阻燃能力,而且与钠离子电池的正负极都具有很好地相容性。在此电解液中,普鲁士蓝正极时表现出色的电化学性能,循环50圈后,仍有84 mAh·g^−1的容量。此外,商业化硬碳材料在该电解液中也表现出了较好的电化学性能。这项工作可能为开发下一代安全型钠离子电池提供新途径。

射频容性耦合Ar/O_(2)等离子体的轴向诊断

实验通过朗缪尔探针辅助激光诱导解离技术对27.12 MHz驱动的不同含氧量条件下容性耦合Ar等离子体进行了诊断研究.通过质量流量计改变通入Ar与O_(2)的流量以得到不同含氧量的等离子体.结果表明,由于氧气的分解吸附反应需要消耗电子,致使朗缪尔探针测得的电子能量概率函数(EEPF)的中能部分随着含氧量的上升而下降.射频输入功率增加时电子密度的上升引起了电子-电子碰撞热化,从而使EEPF由Druyvesteyn分布向麦克斯韦分布转变.在功率电极附近,由于鞘层边界附近的电子氧气分子碰撞时的分解吸附反应使得鞘层区附近的负离子密度较高.另外,负离子密度沿着轴向呈现勺型分布的特征.这主要是由于负离子在双极电场作用下向等离子体放电中心扩散的过程中所存在的负离子产生与损失的反应过程导致.

掺CH_4的SiCOH低介电常数薄膜结构与介电性能研究

以十甲基环五硅氧烷和甲烷作为反应气体,采用电子回旋共振等离子体化学气相沉积(ECR-CVD)方法制备了k=2.45,485℃下的热稳定性优良的SiCOH低介电常数薄膜.通过薄膜结构的FTIR谱分析,比较了十甲基环五硅氧烷(D5)液态源和不同甲烷流量下制备的薄膜的键结构差异,发现在沉积过程中甲烷含量的增大,一方面有利于D5源环结构的保留,另一方面有利于薄膜中形成高密度的CHn基团.高密度碳氢大分子基团的存在降低了薄膜密度,结合薄膜中形成的本构孔隙、低极化率Si—C键以及—OH键减少的共同作用,导致薄膜介电常数的降低.