二维材料异质结因其特有的层状结构和优异的光响应性质, 被认为具有应用于新一代光探测器件的潜力。二维材料家族具有丰富的种类, 因其能带带隙 范围分布广, 光电响应可覆盖从紫外到红外的波谱范围。另外二维材料层间通过范德瓦尔斯力相结合, 因此理论上可以利用不同二维材料层间的范德瓦尔斯力 相互作用制备出多种性能优异的二维材料异质结。近年来有多种二维材料异质结通过机械堆叠法及CVD生长法被制备出来, 且二维材料异质结光探测器在可见 光至远红外波段表现出优异的性质。在这样的研究背景之下, 本文从二维材料异质结的制备、器件制备与器件性能等几个方面综述了近年来二维材料异质结光 探测器的研究进展。

采用自主设计制造的导模炉, 通过热场模拟辅助设计出理想的模具表面温度分布, 采用两段加热的方式控制晶体的应力和气泡缺陷, 选择合适的提拉速 率控制气泡层的分布, 成功生长了高质量超大尺寸蓝宝石单晶板材, 蓝宝石板材可利用尺寸690 mm×300 mm×12 mm。摇摆曲线半高宽为0.016 3°, 说明晶体 具有良好的结晶质量。5 mm厚度样品的透过光谱测试表明, 透过率与用其它晶体生长方法的晶体相同。

具有大尺寸(001)晶面的有机晶体DAST(4-(4-二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲苯磺酸盐)的生长对构建高强度宽带THz辐射源具有重要意义, 但也极具 挑战性。本论文采用斜板法结合缓慢冷却技术, 研究了生长液浓度对晶体长宽比的影响。通过对生长条件的精确控制, 生长出了具有大面积(001)晶面的DAST 晶体。经检测, 晶体具有良好的表面质量。晶体在无需表面抛光的条件下, 实现了单周期太赫兹脉冲输出, 光-太赫兹转换效率达到0.66%。

稀土离子的近红外发光性能在光通信和太阳能利用等领域应用广泛。针对材料近红外发光性能较弱的问题, 采用Ce3+的敏化作用, 提高Nd3+的近红外发 光性能。利用提拉法生长得到大尺寸的Ce3+和Nd3+共掺杂Y3Al5O12(YAG)单晶, 用X-射线衍射仪对其物相进行分析, 并通过透射光谱对晶体透光率和吸收性质 进行了表征。通过对Ce3+的激发和发射光谱分析, 初步判断Ce3+和Nd3+间的能量传递行为。并通过Nd3+近红外激发和发射光谱分析, 研究Ce3+对Nd3+发光的影 响。实验结果表明, 由于Ce3+向Nd3+的有效能量传递作用, YAG∶Ce3+,Nd3+在450 nm蓝光激发时, 近红外1 060 nm发光增强1.5倍。

为了获得高电阻率及迁移率的半绝缘GaAs单晶材料, 采用经高压及水平合成不同工艺制得的GaAs多晶料, 进行垂直梯度凝固(VGF)法半绝缘GaAs单晶生 长, 测试和分析相应单晶片的EL2浓度、C浓度及电阻率、迁移率等性能参数, 对比和分析了GaAs化学计量比的不同对单晶EL2浓度及电学参数的影响, 经多炉 次实验, 确定出GaAs单晶电阻率>1×108 Ω?cm及迁移率>5×103 cm2/(V?s)时C浓度及EL2浓度的合理范围, 并据此结论, 指导MBE外延用半绝缘GaAs单晶生 长, 保证了半绝缘GaAs单晶在满足高电阻率和迁移率的同时, 具有较高的重复性和一致性。

采用有限单元法, 分别对TE模式、TM模式下三角晶格等离子体光子晶体的色散关系进行了理论计算, 分析了等离子体填充比对能带位置和禁带宽度的影响。结果表明: TM模式下等离子体光子晶体在M-Γ、X-M两个方向上存在不完全带隙, 随填充比的增加, 带隙位置向高频移动, 禁带宽度增大直至达到一稳定 值。TE模式下等离子体光子晶体不仅存在禁带结构, 还在低频处形成了表面等离子体波的平带结构。随填充比的增大, TE模式等离子体光子晶体由X-M单一方 向的不完全带隙形成了完全带隙, 带隙宽度随填充比的增大而增大。本文提供了一种可调谐等离子体光子晶体的有效方法, 有望应用于微波、THz波的可调性 控制。

设计了单层 MoS2(n)/a-Si(i)/c-Si(p)/μc-Si(p+) 异质结太阳能电池结构, 采用AFORS-HET模拟软件模拟了背场层的带隙、掺杂浓度和缺陷密度等参 数对开路电压、短路电流、填充因子和转化效率的影响。结果显示, 背场层带隙在 1.5~1.7 eV 之间, 背场层的掺杂浓度大于 1×1018 cm-3 时, 该结构的太 阳能电池有比较稳定的表现。缺陷密度增加时, 太阳能电池效率随着缺陷密度的对数线性减小, 当控制缺陷密度在1011 cm-3以下时, 可以获得大于24.10%的 转化效率, 缺陷密度为 109 cm-3时, 可以获得最高29.08%的转换效率。最后研究了背场层对该结构太阳能电池的作用, 结果显示有效控制缺陷密度时, 背场 层的添加对电池效率的提升很明显。

采用水热法制备(001)晶面裸露的TiO2纳米片阵列薄膜, 并采用水热法进行CdS纳米颗粒复合, 探讨不同水热反应时长对复合薄膜结构及性能的影响。为 了提高复合薄膜的光电化学性能, 在水热反应过程中引入Cu前驱体, 并探讨不同掺杂浓度对复合薄膜性能的影响。研究结果表明Cu元素掺杂有效拓宽了CdS复 合TiO2纳米片阵列薄膜(CdS/TiO2)的光吸收范围, 并且提高了CdS/TiO2的光电化学性能。当水热反应3 h, Cu掺杂浓度为1∶1 000时, CdS/TiO2的光电性能达 到最佳。

采用高温固相法制备了Li+、Bi3+掺杂Lu2O3∶Ho3+,Yb3+粉体。用X射线衍射仪分析了合成粉体的微结构, 用场发射扫描电子显微镜观测了样品的形貌及 尺寸, 用紫外可见近红外荧光光谱仪分析了合成粉体的上转换发射光谱以及能级寿命。结果表明: Li+、Bi3+掺杂的Lu2O3∶Ho3+,Yb3+粉体, 仍然保持Lu2O3立 方相结构。Li+或Bi3+掺杂后, 合成粉体的分散性更好, 颗粒更均匀, 且更加接近球形, Li+掺杂后粉体颗粒尺寸明显增加。用980 nm激发, 4%Li+或1.5% Bi3+ 掺杂后, 合成粉体中Ho3+的绿光光强分别提高了约3.9倍、2.8倍。随着Li+浓度的增加, 合成粉体中Ho3+的5S2能级寿命先增加后减小; 随着Bi3+浓度的增加, 合成粉体中Ho3+的5S2能级寿命逐渐减小。

基于石墨烯低压化学气相沉积技术, 通过调控甲烷流量对比研究了传统生长腔和气相捕获腔中石墨烯在铜箔衬底上的形核生长特点。结果表明, 与传统 生长腔相比, 气相捕获腔能够将石墨烯的形核密度降低3个数量级, 并促使石墨烯晶核快速长大。同时, 气相捕获腔能够为石墨烯提供一个稳定的生长环境, 有利于制备晶格完美的石墨烯晶畴, 并为石墨烯晶畴的融合提供更多的有效活性碳原子, 加速石墨烯晶畴之间的融合, 提高石墨烯薄膜的质量。在此基础上分 析了气相捕获腔对石墨烯低压化学气相沉积形核生长的影响机理。

通过水热法制备了Cu-In-Zn-S(CIZS)四元量子点, 采用X射线衍射仪(XRD)、能谱仪(EDS)、透射电子显微镜(TEM)、荧光分光光度计(PL)研究了不同反应 温度和Cu/In摩尔比对CIZS量子点的物相组成、显微形貌以及荧光性能的影响, 同时利用傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)对CIZS量子点的表面性质进行表征。结 果表明, 量子点颗粒在水溶液中呈类球型并且具有良好的分散性, 粒径大小为3~4 nm。合成的CIZS量子点具有优异的荧光性能, 随着反应温度的升高, 量子点 的荧光强度逐渐增强; 当反应温度为110 ℃时, 量子点的荧光强度最高; 然而, 过高的反应温度造成了In2S3杂质相的形成, 荧光强度随之降低。此外, 随着 Cu/In摩尔比的减小, CIZS量子点的发光峰位由675 nm蓝移至644 nm, 同时量子点的荧光强度逐渐提高; 当n(Cu)/n(In)=1∶7时, 荧光强度达到最高值。同时, 量子产率(QYs)达到最大值6.2%。基于CIZS量子点的LED成功实现发光, 其中显色指数达81.2, 发光效率为36.8 lm/W, 表明了CIZS量子点在照明领域良好的应 用前景。

系统研究了Ba2Mg(BO3)2∶Eu3+荧光粉的高温固相法制备工艺条件, 发现在900 ℃下保温3 h制得的样品的发光性能最好。研究了Eu3+掺杂浓度对基质晶 格环境和发光性质的影响, 当Eu3+浓度较低时, 荧光粉在594 nm的发射峰强度最大, 随着Eu3+掺杂浓度的增加, Eu3+偏离对称中心的程度越来越大, 当Eu3+浓 度超过3at%时, 荧光粉在613 nm的发射峰强度开始急剧增强, 浓度达到3.5at%时, 613 nm的发射开始占主导, 这是由于晶体结构的扭曲程度导致晶格对称性发 生了较大的改变, 释放了更多禁戒的5D0→7F2电偶极跃迁。制备的橙色荧光粉可以被近紫外InGaN芯片有效激发, 应用于白光LED。

采用溶胶凝胶-沉淀法, 制备了掺杂Eu3+的ZnO1-xSx-SiO2发光材料, 通过红外光谱、XRD、TEM、EDS以及激发光谱、发射光谱研究了材料的结构与发光 性能, 重点研究了SiO2的引入对发光材料发光性能的影响。结果表明: 材料中主要存在Si-O-Si键、Zn-S键和Si-O4基团, 引入SiO2能改善材料的发光性能。并 确定材料制备时最佳退火温度为800 ℃, 当材料中S的含量为2.4at%, 材料的最佳激发波长为395 nm。最后依据结构解释了材料的发光机理。

采用原位水热法合成MgFe2O4/ZnO纳米复合材料, 通过窄带隙的磁性铁酸镁半导体与宽带隙的氧化锌半导体进行匹配并形成具有异质结的复合光催化剂 。借助X射线衍射仪(XRD)分析样品的相结构、扫描电子显微镜观察样品微观形貌、振动样品磁场计(VSM)测试样品磁性能、紫外-可见分光光度计(UV-Vis)表征 MgFe2O4/ZnO磁性纳米复合材料光催化性能。结果表明, 与MgFe2O4复合之后的MgFe2O4/ZnO磁性纳米复合材料对光的吸收范围拓宽到可见光范围, 有效提高了 ZnO的光催化性能, 在可见光照射60 min后, 对甲基橙溶液的降解率可达到95.2%, 该催化剂5次循环后的活性仍然大于87.3%。

本文合成了钛酸铋/银/氯化银(Bi4Ti3O12/Ag/AgCl, BTO/Ag/AgCl)复合纳米纤维, 并研究了其可见光催化性能。通过静电纺丝技术和高温煅烧制备了BTO纳米纤维, 采用沉淀-光照还原法在BTO纳米纤维表面负载了Ag/AgCl纳米颗粒获得BTO/Ag/AgCl复合纤维。结果表明, BTO和Ag/AgCl均具有良好的结晶性能, BTO/Ag/AgCl比单纯的BTO纳米纤维具有更强的可见光吸收。光催化测试表明, 由于Ag/AgCl对可见光吸收的增加, 以及与BTO间形成的半导体异质结, BTO/Ag/AgCl复合纳米纤维对染料RhB的光催化降解效率均高于纯的BTO纳米纤维, 经100 min光照后可由29%提高到80%。

液相体系晶须生长的两个必要条件是: 第一, 在晶须生长体系中, 有“一维方向优势联结”的生长基元存在。第二, 有惰性生长基元存在, 且这些惰性 生长基元必须具有一定的稳定能, 同时其稳定又要小于起主要联结作用的生长基元。本文通过列举若干晶须生长实例予以论证。

以cBN, TiC, Al为主要实验原料, 利用高温和超高压条件合成聚晶立方氮化硼(PCBN)复合材料。利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)以及X射线 色散能谱(EDS)对复合材料的物相组成、显微结构、表面微裂纹以及各类元素分布情况进行了分析, 同时对复合材料的显微硬度和抗弯强度进行了测试。研究 表明: 在超高压5.5 GPa, 高温1 450 ℃下, PCBN烧结体由BN, TiC, AlB2和AlN组成; 结合剂均匀的分布在cBN颗粒周围, 牢固的将cBN颗粒粘结在一起。PCBN 的硬度随着cBN含量的增加而显著增加, 抗弯强度则是先增大后减小, PCBN的断裂方式是沿晶断裂和穿晶断裂共同作用的结果。

基于第一性原理方法, 建立WC-Co/cBN4B、WC-Co/cBN4N、WC-Co/cBN1B-near OA、WC-Co/cBN1N-near OA、WC-Co/cBN1N-near OB和WC-Co/cBN1B-near OB 六种界面模型, 计算其界面粘附功、断裂韧性。结果表明: WC-Co/cBN4B界面具有最大粘附功值9.705 J?m-2, 界面最稳定, 粘附功大于WC(0001)w界面的断裂 韧性7.824 J?m-2, 裂纹倾向于出现在基体中; WC-Co/cBN4N界面有最小粘附功4.470 J?m-2, 界面最不稳定, 粘附功小于WC(0001)w界面的断裂韧性, 裂纹倾 向于出现在界面处。在此基础上, 为从电荷转移、成键方式和价电子分布的深层次角度解释界面稳定性, 进行了差分电荷密度、态密度和Mulliken布居分析, 结果表明: WC-Co/cBN4B模型中, 界面处Co、B原子之间存在电荷转移, 由Co-d、B-p轨道杂化成强Co-B共价键; WC-Co/cBN4N模型中, 界面处Co、N原子之间亦 存在电荷转移, 由Co-d、N-p轨道杂化成弱Co-N共价键。两种模型的界面处, Co-B共价键的布居数更大且键长更小、键能更大, Co-B共价键的作用强于Co-N共 价键作用, 因此, WC-Co/cBN4B界面结合性能更好, 界面更稳定。

以硼酸和三聚氰胺为主要原料, 经微波反应, 制得了不同形貌h-BN样品, 分别对样品的形貌、结构、纯度和吸附性能进行了表征。研究结果显示: 与烘 干干燥方式相比, 冷冻干燥获得的样品更为细长, 冷冻处理获得样品的长径比是烘干处理的3~6倍; 与未添加表面活性剂的样品相比, 添加表面活性剂制得的 样品轮廓更为鲜明; 添加盐不仅可以促进晶体生长, 能使样品的形貌呈现多样性, 可以产生方片状和原片状的纳米片。此外, 该方法所得的h-BN具有较多的介 孔, 对亚甲基蓝具有较好的吸附能力, 10 min 吸附率高达91%以上。

以二水氯化铜(CuCl2?2H2O)、硅酸钠(Na2SiO3)、钼酸钠 (Na2MoO4) 和2,6-二甲基-3,5-二(吡唑-3-基)吡啶(简写为H2L)为原料, 通过水热反应, 成功地合成了一个一维链状Keggin型多酸基杂化化合物[Cu2(H3L)2](SiMo12O40)。通过X-射线单晶衍射、TGA、 IR以及元素分析对该化合物的结构进行表征。测试 结果表明, 该化合物属于三斜晶系, P-1空间群, 晶胞参数a=1.168 9(5) nm,b=1.215 7(5) nm, c=1.223 3(5) nm, α=62.066(5)°, β=62.833(5)°, γ=74.789(5)°, V=1.363 8(10) nm3, Z=2, R1=0.082 4, wR2=0.174 5。电化学分析结果表明该化合物对亚硝酸盐的还原具有良好的电催化效果。

采用基于密度泛函理论的第一性原理, 计算了未掺杂, Cu、I单掺杂以及Cu-I共同掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构和光学性质。结果表明, Cu、I单独掺杂TiO2都使得吸收带边红移, I单掺时I5p跟O2p态造成禁带宽度变小, 吸收带边红移, Cu单掺时Cu的3d态杂质能级引入价带顶部造成禁带宽度变小, 吸收带边红移更加明显。对于Cu-I共同掺杂TiO2, Cu主要作用于价带顶, I主要作用于导带底, 进而引入杂质能级, 使得禁带宽度明显减小, 吸收带边明显红移, 通过 Cu-I协同作用形成电子、空穴俘获中心, 有效地阻碍了电子-空穴对的复合, 提高了对可见光的催化效率。

近年来, AgNWs(Ag Nanowires)透明电极由于良好的导电性、优秀的韧性, 作为氧化铟锡(ITO)的替代材料受到了广泛的关注, 可以用于多种电子设备, 如触摸屏、有机太阳能电池和显示器等。但是, 在近年的透明电极应用中, 低长径比所带来的雾度过高、导电性较差的缺陷使AgNWs不能广泛地推广, 所以提高长径比是迫在眉睫的。本文采用一步多元醇法制备AgNWs, 探究不同分子量的混合PVP体系参与反应对包覆效果及生长过程的影响。研究结果表明, 与单一分子量PVP体系相比, PVP混合体系在生长过程中的再次形核点减少, AgNWs的长径比更高; 分子量为1 300 000与分子量为58 000的PVP按2∶1的比例混合, AgNWs 宽度最小, 长径比最高可达到1 200以上。

为了进一步促进钠快离子导体磷酸锆钠(NaZr2(PO4)3)粉体的实际应用, 本文提出了一种以氧氯化锆(ZrOCl2?8H2O)和二水磷酸二氢钠(NaH2PO4?2H2O)为原料的低温固相反应法制备NaZr2(PO4)3粉体。通过XRD, SEM和Raman等测试手段系统研究了磷酸盐用量对制备磷酸锆钠粉体的影响。结果表明: 采用超量的 磷酸盐有利于纯相磷酸锆钠粉体的合成。同时当锆盐与磷酸盐的摩尔比为2∶5.4时, 能够合成平均粒径1 μm, 尺寸均匀, 分散性良好的磷酸锆钠粉体。研究发现研磨时发生的固相反应对磷酸锆钠粉体的制备有重要作用, 一方面促进了无定型磷酸锆钠的产生, 有利于磷酸锆钠晶体形成; 另一方面原位生成的氯化钠为晶体的生长提供了良好的液相环境, 促进了磷酸锆钠粉体的低温合成。该工作为磷酸锆钠粉体的大规模生产提供了一条简单有效的方法。

本文分析了双层SiNx-SiNx减反射膜和带有氧化层的三层SiNx-SiNx-SiO2减反射膜对多晶硅太阳电池性能的影响。模拟结果表明, 增加了氧化层的三层SiNx-SiNx-SiO2减反射膜多晶硅太阳电池电学输出特性优于双层SiNx-SiNx减反射膜多晶硅太阳电池。实验分析表明, 三层SiNx-SiNx-SiO2减反射膜反射率略 高于双层SiNx-SiNx减反射膜反射率, 增加了氧化层的三层SiNx-SiNx-SiO2减反射膜多晶硅太阳电池具有更好的钝化效果, 使得其光电转化效率有所增加。

近年来, MXene由于其高导电率与表面亲水性, 良好离子传输性能和优异的机械性能, 在储能领域中得到了广泛的关注并取得了一定的研究进展, 其中 对Ti3C2Tx MXene材料的研究是最早也是最普遍的。本文研究分别通过在纤维素纸、普通A4纸、较光滑滤纸、粗糙滤纸上喷涂相同质量的MXene溶液和在同一种 纸张衬底上喷涂不同厚度的薄膜, 接着利用激光雕刻机雕刻相同形貌的插指图案, 并组装成微型超级电容器。通过电化学性能测试, 从而揭示不同厚度及不同 纸基衬底对MXene基微型超级电容器电化学性能的影响。单个器件面电容达到78 mF/cm2, 在功率密度为115.5 mW/cm2时, 能量密度高达14.1 mWh/cm2。将四个 器件进行串联, 可以驱动一个时钟。

以Mg(NO3)2?6H2O为镁源, Al(NO3)3?9H2O为铝源, 采用水热法制备了高分散的镁铝层状双氢氧化物MgAl-LDH, 并高温煅烧生成MgAl-LDO。利用场发射 扫描电子显微镜(FE-SEM)、X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子分析(XPS)、氮气吸附-脱附法对产物进行表征 分析, 并且探讨了其吸附机理。结果表明, 2种产物的吸附过程对比于Langmuir吸附模型基本一致, 其中MgAl-LDO的比表面积更大, 吸附性能更好, 对甲基橙 的最大吸附量可达925.9 mg?g-1。吸附机制包括化学作用、氢键、静电作用和表面络合作用。

采用液相法, 在醇-水体系中, 以Mg(NO3)2?6H2O为镁源、PEG-2000为表面活性剂、NH3?H2O为沉淀剂, 研究了pH值和焙烧温度对制备MgO纳米片晶体性质的影响。采用XRD、SEM和BET等手段对MgO纳米片晶相组成、微观形貌、孔结构进行分析表征。研究结果表明, pH值和焙烧温度对MgO纳米片晶相组成没有影 响, 但对样品微观形貌和比表面积影响较大。较低的pH值和焙烧温度或者较高的pH值和焙烧温度均会导致样品形状不规则, 出现不同程度团聚, 比表面积较小 。在pH=10、焙烧温度500 ℃条件下制得MgO纳米片形状规整、分散性较好, 比表面积、孔容和平均孔径分别为145.42 m2?g-1、0.67 mL?g-1和18.56 nm。

羟基磷灰石与人体骨骼的无机成分相似, 具有良好的生物相容性及骨传导性能, β-磷酸三钙(β-TCP)是生物降解和生物吸收型生物活性材料, 其降解 产物Ca、P 可进入活体循环系统形成新骨, 成为理想的硬组织替代材料。以碳酸钙(CaCO3)和磷酸(H3PO4)为原料, 用直接沉淀法合成双相磷酸钙陶瓷粉体, 随 后采用激光成型技术制备了聚氨酯泡沫载体, 通过泡沫浸渍法制备了多孔明胶/双相磷酸钙陶瓷支架, 并采用戊二醛交联改善支架性能。通过XRD、SEM等方法 分析复合多孔支架的成分、形貌以及结构特征, 并评价复合生物支架的降解性、孔隙率、力学性能和细胞毒性等。结果表明: 实验制备的粉体为双相磷酸钙, 成分为β-磷酸三钙(β-TCP)和羟基磷灰石(HAP), 其中, β-TCP为主相。该生物支架具有良好的孔隙结构, 包含规则的直通孔和不规则的连通孔, 直通孔孔径 在800~950 μm之间, 不规则连通孔在300~500 μm之间, 支架平均孔隙率达到83.1%; 支架平均抗压强度达到1.06 MPa, 满足于骨组织工程对支架材料的力学 要求; 该生物支架的细胞毒性为0级或1级, 无细胞毒性, 具有良好的降解性能。

通过固相反应法以Ca2+、Bi3+取代Sr2+制备出Sr0.92-1.5xBixCa0.08TiO3(0.155≤x≤0.195)固溶体, 同时加入固定量的MnCO3和ZnO作为改性剂和助烧剂, 并通过XRD衍射仪、SEM扫描电镜和LCR分析仪对样品的结构和介电性能进行分析。结果表明, 当x≥0.165时陶瓷样品中出现第二相; 随着Bi3+含量的增加, 介电常数先增大, 后减小, 且介质损耗先减小后增大。当x=0.16时, 得到介电常数ε=1 153、介质损耗tgδ1KHz=3.5×10-4、绝缘强度Eb=9.37 kV/mm的高介 低损耗的高压电容器陶瓷介质材料。