Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Fabrication Technologies for Integrated Circuits, Institute of Microelectronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
2 Frontier institute of Chip and System, Fudan University, Shanghai 200433, China
3 College of Electronic Science and Technology, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
4 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
The performance and reliability of ferroelectric thin films at temperatures around a few Kelvin are critical for their application in cryo-electronics. In this work, TiN/Hf0.5Zr0.5O2/TiN capacitors that are free from the wake-up effect are investigated systematically from room temperature (300 K) to cryogenic temperature (30 K). We observe a consistent decrease in permittivity (εr) and a progressive increase in coercive electric field (Ec) as temperatures decrease. Our investigation reveals exceptional stability in the double remnant polarization (2Pr) of our ferroelectric thin films across a wide temperature range. Specifically, at 30 K, a 2Pr of 36 μC/cm2 under an applied electric field of 3.0 MV/cm is achieved. Moreover, we observed a reduced fatigue effect at 30 K in comparison to 300 K. The stable ferroelectric properties and endurance characteristics demonstrate the feasibility of utilizing HfO2 based ferroelectric thin films for cryo-electronics applications.
hafnia-zirconia solid solution ferroelectricity cryogenic temperature wake-up effect Journal of Semiconductors
2024, 45(3): 032301
1 中国航发北京航空材料研究院，北京 100095
2 航发优材（镇江）增材制造有限公司，江苏 镇江 212132
3 江苏大学材料科学与工程学院，江苏 镇江 212013
采用搅拌摩擦辅助激光定向能量沉积方法制备了AlSi10Mg合金块体，采用后续冷轧处理进一步提高了AlSi10Mg合金的强度，系统讨论了AlSi10Mg合金在加工过程中的组织演化，分析了其强韧性的演变机理。研究结果表明：在激光沉积态AlSi10Mg合金中，Si原子的固溶强化效果非常显著，合金的硬度高达109 HV，受气孔缺陷影响，激光沉积AlSi10Mg合金的强度低于200 MPa。搅拌摩擦加工可以细化激光沉积AlSi10Mg合金的柱状α-Al相和共晶相，形成等轴的α-Al晶粒和Si颗粒，α-Al基体中的Si原子脱溶析出，其硬度降低至75 HV，强度接近200 MPa，延伸率最高达到40%。轧制后，AlSi10Mg合金中的位错密度大幅增加，当变形量增加到68%时，AlSi10Mg合金α-Al晶粒被剧烈细化，合金的硬度被提高至116 HV，其强度可超过400 MPa，合金中的局部硬化区域导致其塑性变形能力下降，延伸率逐渐降低至25%。
激光技术 搅拌摩擦辅助激光沉积 AlSi10Mg合金 固溶强化 位错强化 韧性 中国激光
2024, 51(16): 1602308
1 中材人工晶体研究院有限公司，北京100018
2 北京中材人工晶体研究院有限公司，北京100018
超低膨胀微晶玻璃是在Li2OAl2O3SiO2系玻璃的基础上经过严格的受控晶化，在母体玻璃中析出以β石英固溶体为主晶相的微晶玻璃材料。由于具有极低的热膨胀系数，以及优异的热稳定性、化学稳定性和力学性能，超低膨胀微晶玻璃在诸多领域得到了广泛应用。本文综述了超低膨胀微晶玻璃的组成、制备方法、国内外研究历程及发展现状、应用，指出了目前生产超低膨胀微晶玻璃存在的问题和国产超低膨胀微晶玻璃与国际顶尖产品存在的差距，以及国产超低膨胀微晶玻璃今后的发展方向。
Li2OAl2O3SiO2系玻璃 超低膨胀 β石英固溶体 微晶玻璃 受控晶化 Li2OAl2O3SiO2 system glass ultralow expansion βquartz solid solution glassceramics controlled crystallization
北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083
铝矾土矿中通常含有一定量的铁和钛的氧化物，且常规的选矿工艺难以同时将铁和钛的氧化物除去。采用烧结法用铝矾土制备莫来石的过程中，铁和钛的氧化物会形成低熔点物相，导致莫来石的高温性能弱化。基于莫来石开放的空间结构以及随着温度和气氛的变化可以容纳不同的金属离子的特性，本文综述了铁氧化物和钛氧化物在莫来石中的固溶行为。1 400～1 700 ℃时TiO2在莫来石中的固溶度为1.36%～4.10% (质量分数)。在1 300 ℃时，10%～12%的Fe2O3在莫来石微结构中形成固溶体。Ti3+和Fe2+在莫来石中固溶度很低。并且铁和钛与莫来石形成固溶体对莫来石性能的提升有限。本文对含铁含钛的莫来石的高效化利用做出了展望。
低铝莫来石 铁氧化物 钛氧化物 固溶行为 low-alumina mullite iron oxides titanium oxides solid solution behaviour
MAX相是一类具有层状结构的三元碳化物或(和)氮化物，M是过渡金属元素，A主要是ⅢA~ⅤA族元素，X是C或N元素。这类化合物兼具陶瓷材料和金属材料的特点，具有优异的导电、导热、耐腐蚀以及抗氧化等性能，在诸多领域具有潜在应用价值。近年来，新元素、新结构和固溶体MAX相的不断出现，进一步扩展了MAX相家族。固溶体MAX相是将合适的元素固溶到已知MAX相中而得到的新MAX相。本文分四类总结了127种MAX相固溶体，对其结构改变和性能调控进行了概括，并指出目前研究存在的理论问题和亟须解决的关键技术，最后对MAX相固溶体的发展进行了预测和展望。
MAX相 固溶体 单位置固溶MAX相 双位置固溶MAX相 中高熵固溶体 有序MAX相固溶体 MAX phase solid solution singlesite solid solution MAX phase doublesites solid solution MAX phase medium and high entropy solid solution ordered MAX phase solid solution
新疆师范大学 物理与电子工程学院 新疆发光矿物与光功能材料研究重点实验室，乌鲁木齐 830054
采用传统的高温固相法合成了一系列Cs3Gd1-xGe3O9：xBi3+（0.02≤x≤0.1）蓝色荧光粉，并通过Lu3+替代Cs3Gd1-xGe3O9基质中的Gd3+，调控激活剂Bi3+周围局部环境，制备了一系列发光颜色可调的Cs3Gd0.96-yLuyGe3O9：0.04Bi3+（0.1≤y≤0.9）固溶体荧光粉。X射线衍射、稳态/瞬态荧光光谱、变温光谱对荧光粉样品的物相结构、发光特性、荧光寿命、热稳定性进行了详细表征。结果表明，我们成功合成了一系列纯相的Cs3Gd1-x-yLuyGe3O9：xBi3+化合物。在紫外光330 nm激发下，Cs3Gd1-xGe3O9：xBi3+荧光粉的发射峰位于452 nm，呈现蓝光发射，该宽带发射峰源于Bi3+的3P1 → 1S0跃迁，Bi3+掺杂浓度为0.04 mol时，Cs3Gd1-xGe3O9：xBi3+荧光粉的荧光强度达到最大值。在最优Bi3+掺杂浓度下，通过Lu3+替代基质中的Gd3+，发现合成的一系列Cs3Gd0.96-yLuyGe3O9：0.04Bi3+（0.1≤y≤0.9）固溶体荧光粉发射峰逐渐发生红移，随着Lu3+掺杂浓度的逐渐增加，发射峰从x=0.1 mol时的453 nm逐渐红移至x=0.9 mol时的483 nm，相应的半峰宽从88 nm展宽至116 nm，色坐标从蓝色区域（0.168 5，0.160 2）过渡到青色区域（0.217 9，0.300 7）。样品光谱行为的变化主要是因为晶体场劈裂程度增大和斯托斯克位移增大。探究了x=0.04 mol、y=0.5 mol样品的发光热稳定性，当温度升高到423 K时样品的发光强度保持在初始值的55%。所得到的一系列发光颜色可调的固溶体荧光粉在全光谱照明、植物照明等领域具有潜在的应用。
颜色可调 固溶体 Bi3+掺杂 宽带发射 全光谱 Color-tunable Solid solution Bi3+ doped Broadband emission Full spectrum 光子学报
2022, 51(12): 1216002
采用熔融法制备了Li2OAl2O3SiO2系透明玻璃，以TiO2、ZrO2和P2O5为复合晶核剂对该玻璃进行热处理，获得了超低膨胀微晶玻璃。采用正交试验研究了热处理工艺参数对微晶玻璃热膨胀系数的影响，并通过计算分析获得了最优的热处理工艺参数，即核化温度为600 ℃，核化时间为3 h，晶化温度为820 ℃，晶化时间为5 h。在此热处理工艺制度下获得的微晶玻璃主晶相为β石英固溶体，热膨胀系数为1.6×10-8 ℃-1。采用差热分析、X射线衍射分析、扫描电子显微镜分析、透射电子显微镜分析等手段研究了微晶玻璃的析晶情况和微观结构，并进一步分析了热处理工艺与微晶玻璃热膨胀性能和微观结构之间的对应关系。结果表明，微晶玻璃的热膨胀系数由晶相种类和含量决定，微晶玻璃内部晶相的尺寸和含量与热处理工艺密切相关。
Li2OAl2O3SiO2系微晶玻璃 低膨胀 β石英固溶体 复合晶核剂 热处理 透明 Li2OAl2O3SiO2 system glassceramics low expansion βquartz solid solution composite nucleating agent heat treatment transparency
北京理工大学先进结构技术研究院，北京 100081
采用固相法制备不同摩尔Ba、Sr、Ca、Mg配比的BaO-SrO-CaO-MgO-Al2O3-SiO2 (BSCMAS)陶瓷材料，研究多组元陶瓷的制备工艺、显微结构及其抗CMAS腐蚀性能。结果表明：通过调控MgO的含量，在1 400 ℃条件下制备了Ba0.3Sr0.3Ca0.35Mg0.05Al2Si2O8 (B0.3S0.3C0.35M0.05AS)单相多组元陶瓷材料。在1 250、1 300 ℃和1 350 ℃对B0.3S0.3C0.35M0.05AS进行CMAS腐蚀实验，相比于Ba0.5Sr0.5Al2Si2O8材料，B0.3S0.3C0.35M0.05AS表现出更好的抗CMAS腐蚀性能，这是由于多组元阳离子的迟滞扩散效应减缓了Ba、Sr与Ca、Mg的相互扩散，并快速形成钙长石腐蚀过渡层阻挡Ba、Sr的流失，进而显著改善了材料的抗CMAS腐蚀性能。
多组元材料 固溶体 环境障涂层 迟滞扩散 multi-component materials solid solution environmental barrier coatings sluggish diffusion
三元层状化合物MAX相兼具金属与陶瓷优良的力学性质, 通常被认为是一类高安全结构材料。有研究显示, 通过熔盐法可以将副族元素插入到MAX相A位层间, 获得具有铁磁性能的V2(Sn, A)C (A =Fe、Co、Ni和Mn)材料。因而, 如何构建新的MAX相结构并对实现其磁性调控备受关注。本研究通过MAX相M位和A位双固溶的方式设计了四种新型MAX相(V, Nb)2(Sn, A)C (A =Fe、Co、Ni和Mn)。XRD、SEM、EDS结合TEM分析证实了上述新相的合成。超导量子磁强计(Superconducting quantum interference device magnetometer, SQUID)测试磁学性能发现, M位固溶后的MAX相的居里温度与其四方率(c/a)、元素组成有关。(V, Nb)2(Sn, Fe)C、(V, Nb)2(Sn, Ni)C、(V, Nb)2(Sn, Mn)C相较于M位固溶Nb元素之前的V2(Sn, A)C相, 其矫顽力Hc和剩余磁化强度Mr减小, 饱和磁化强度Ms增大。而V2(Sn, Co)C在M位固溶Nb元素之后磁性变化均与前述MAX相相反。通过以上结果, 揭示了M/A位双固溶对MAX相磁性的影响规律, 为调控MAX相磁性提供了新的思路。
MAX相 双固溶 磁性 MAX phase double solid solution magnetic property
1 中国科学院上海光学精密机械研究所 中国科学院强激光材料重点实验室， 上海 201800
2 中国科学院大学， 北京 100049
基于荧光陶瓷、荧光玻璃以及荧光晶体等远程荧光转换材料的新一代激光固态光源具有热稳定性高、热承载能力强、荧光特性稳定等特点，在汽车大灯、投影显示以及航天航海照明等领域具有广阔的应用前景。但其目前面临的瓶颈之一是难以实现可见光宽光谱发射，照明品质较低。本综述重点总结了近年来可应用于高显指、低色温激光白光光源的各类远程荧光转换材料的研究进展，分析了高流明密度激发下，激光光源光色品质下降的原因。阐述了现有单色和多色荧光体的光谱调控方案以及封装光源的显色指数、色温的提升效果。针对荧光转换材料需要重点解决的几个重要问题展开讨论，包括效能提升、高温猝灭和评判标准等三个方面。最后对宽光谱发射的远程荧光转换材料在固态照明与显示领域的应用前景进行了展望。
激光照明 宽光谱发射 光色品质 固溶/掺杂 多色复合 laser-driven lighting broadband-emitting light quality solid solution/doping multi color combination
