BiFeO₃是一种非常有前途的无铅铁电材料, 与大多数传统铁电材料相比, 它具有更大的极化和更高的居里温度, 为高温应用提供了可能。受到衬底强烈的夹持效应、较大的矫顽场和漏电流的影响, BiFeO₃薄膜难以被极化。自极化是解决这一问题的可行方法。本研究采用溶胶-凝胶法在Pt(111)/Ti/SiO₂/Si衬底上生长了BiFeO₃薄膜, 向上梯度薄膜(从衬底BiFeO₃过渡到薄膜表面Bi_0.80Ca_0.20FeO_2.90)以及向下梯度薄膜(从衬底Bi_0.80Ca_0.20FeO_2.90过渡到薄膜表面BiFeO₃)。通过细致地调控薄膜内部缺陷的定向分布形成内置电场，从而导致薄膜具有自极化特性。压电力显微镜结果表明：在BiFeO₃薄膜中, Ca的梯度方向可以调控自极化的方向。此外, 类似二极管的单向导通特性验证了薄膜的自极化是由Ca的浓度梯度掺杂导致。X射线光电子能谱结果表明, 氧空位的梯度分布导致的内置电场可能是造成自极化现象的原因。本研究为实现铁电薄膜的自极化提供了一种新的策略, 并在以自极化的内置电场为驱动, 提高光伏或光敏器件性能方面具有潜在的应用前景。

环氧树脂基泡沫炭是一种具有三维海绵状结构的新型炭材料, 独特的网状泡孔结构使其具有高孔隙率、耐高温、耐腐蚀、导电/导热可调等性能, 应用前景广阔。但是环氧树脂的石墨化困难, 本工作以石墨烯为异质成核改性剂, 用以提高环氧树脂泡沫炭的石墨化程度、电导率和力学性能。采用简单的发泡、炭化和石墨化工艺制备了石墨烯改性环氧树脂泡沫炭。石墨烯异质成核剂诱导了泡沫炭碳微晶生长, 增加了碳晶格条纹长度, 减少了碳晶体混乱。研究表明, 不含或含质量分数0.05%石墨烯改性泡沫炭的晶面间距、晶粒堆垛高度、石墨化度分别为0.343 nm、3.35 nm、8.42%和0.342 nm、10.22 nm、23.2%。此外, 石墨烯作为晶胞成核位点会影响泡沫炭的平均晶胞尺寸, 随着石墨烯含量的增加, 泡沫炭平均晶胞尺寸先减小后增大。同时, 石墨烯改性增大了泡沫炭的有序结构, 提高了其导电性, 当石墨烯的质量分数为0.05%时, 泡沫炭电导率为53.8 S·m^-1。相对于纯泡沫炭(压缩应变为0.0096%), 质量分数0.01%、0.02%、0.05%和0.10%的石墨烯改性泡沫炭压缩应变增加至0.208%、0.228%、0.187%和0.1146%。本研究为碳纳米材料/泡沫炭制备、碳结构和性能调控提供了新的研究方法。

采用Chzochralski方法成功生长了Dy³⁺掺杂的SrGdGa₃O₇晶体, 并对其结构和光学特性进行了详细研究。基于XRD数据, 采用Rietveld法优化了晶体的晶格参数。分析了Dy: SrGdGa₃O₇晶体的偏振吸收谱、偏振发射谱和荧光衰减曲线。在452 nm处, π偏振和σ偏振对应的吸收截面分别为0.594×10^-21和0.555×10^-21 cm²。计算得到的有效J-O强度参数Ω₂、Ω₄和Ω₆分别为5.495×10^-20、1.476×10^-20和1.110×10^-20 cm²。J-O理论分析和荧光光谱表明: 在452 nm激发下, Dy: SrGdGa₃O₇晶体⁴F_9/2→⁶H_13/2跃迁在可见光波段具有最高的荧光分支比和荧光强度, 在574 nm处的π和σ偏振发射截面分别为1.84×10^-21和2.49×10^-21 cm²。Dy³⁺: ⁴F_9/2能级的辐射寿命和荧光寿命分别为0.768和0.531 ms, 量子效率为69.1%。研究结果表明: Dy³⁺: SrGdGa₃O₇晶体是一种潜在的可用于蓝光LD泵浦实现黄激光的材料。

聚氧化乙烯(PEO)基固体电解质具有成本低、对锂稳定、易于大规模生产等优点, 是固态锂电池最有前途的固体电解质。然而, PEO对高压正极不稳定, 严重限制了其在高能量密度领域的应用。本研究在LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂ (NCM)正极颗粒上部分包覆环化聚丙烯腈(cPAN)纳米层作为电子导电层, 在NCM/PEO界面上引入离子液体作为离子导电通道, 用以提高PEO与高压NCM正极的相容性。其中, cPAN层不仅在物理上隔离了PEO电解质与NCM正极的直接接触, 而且cPAN中具有非局域的sp² π键, 有助于正极内部的电子传输。同时, 高离子电导率的离子液体的流动性较高, 可以充分润湿正极侧界面, 并在循环过程中分解为富LiF和Li₃N的CEI层, 进一步限制PEO电解质的氧化分解。基于上述复合策略的固态NCM/Li电池可在0.1C (1C=0.18 A·g^-1), 4.30 V截止电压下稳定循环100次, 且容量保持率可达85.3%。本研究通过表面包覆和界面修饰, 为提高PEO基电解质对高压正极的稳定性提供了可行方案。

在轨高真空环境下, 航天器所用非金属材料会释放出碳氢类、硅氧烷等有机分子污染物, 沉积在航天器光学系统等敏感表面, 影响航天器性能和使用寿命。沸石分子吸附涂层可以实时吸附空间污染物, 但对其吸附作用机制还缺乏深入研究。为深入分析空间污染物分子在沸石内部的吸附机制, 本工作采用巨正则蒙特卡洛方法模拟计算了NaY沸石对三种典型空间污染物(甲苯(C₇H₈)、邻苯二甲酸二甲酯(C₁₀H₁₀O₄)和八甲基环四硅氧烷(C₈H₂₄O₄Si₄))的吸附行为(吸附等温线、吸附热曲线和粒子密度分布图)。模拟和实验数据的对比分析验证了计算模型和方法的合理性。在超高真空条件下, NaY沸石对空间污染物表现出较高的吸附量, 但其饱和吸附量随着分子尺寸的增加而降低(C₇H₈>C₁₀H₁₀O₄>C₈H₂₄O₄Si₄), 其中八甲基环四硅氧烷分子的饱和吸附量仅为8个分子, 远低于甲苯的36个分子。污染物分子在沸石内部的密度分布图显示, 三种污染物均优先吸附于NaY沸石的“超笼”位点。本研究系统分析了NaY沸石对典型污染物的吸附机制, 为高吸附性能的沸石分子筛吸附涂层的研发提供了理论指导。

La₂O₃-TiO₂玻璃以其折射率高、光学性能优异，在透镜、光学窗口、光通信等领域具有广阔的应用前景。受限于玻璃形成能力, 人们难以制备出大尺寸La₂O₃-TiO₂玻璃, 这严重限制其应用。本研究通过引入网络形成体GeO₂, 有效提高了玻璃形成能力, 从而可用常规方法制备大尺寸的GeO₂-La₂O₃-TiO₂(GLT)玻璃。差热分析表明, GLT玻璃具有较高的玻璃转变温度和抗析晶性能, 玻璃转变温度T_g和ΔT (ΔT=T_c-onset-T_g)分别大于833和209 ℃。最大折射率为2.06, 在可见光和近红外波段的透过率可达78%。实验还研究了Ti含量对GLT玻璃结构、热学和光学性能的影响。结果表明, 随着钛含量增加, 玻璃的形成能力和热稳定性均减弱。摩尔体积V_m和氧离子极化率α_i的变化趋势与折射率一致。GLT玻璃对开发高性能、轻量化、小尺寸的新型器件具有重要意义。

AlN-SiC复相陶瓷力学性能好、导热性与抗高温氧化性能优异, 作为纤维增强陶瓷基复合材料的基体材料具有良好的应用前景。本研究以Si-Al合金为熔渗介质, 多孔C-Si₃N₄为熔渗预制体, 对低温反应熔渗制备AlN-SiC复相陶瓷及其性能展开研究。研究发现Si-Al合金形态对反应熔渗过程存在着重要的影响: 以Si-Al合金粉末作为熔渗介质时, 反应熔渗过程中在Si-Al/C-Si₃N₄界面处将原位形成一层致密的Al-O阻挡层, 从而严重阻碍Si-Al熔体向C-Si₃N₄预制体内部的渗透, 使反应熔渗过程难以进行；以Si-Al合金锭作为熔渗介质时, Si-Al熔体可以深入渗透到多孔C-Si₃N₄预制体内部, 并通过进一步反应, 原位形成致密的AlN-SiC复相陶瓷。材料性能测试表明, 所得材料的力学和热学性能与其内部残余硅含量关系密切。随着残余硅含量降低, 材料强度明显提升, 而热导率有所下降。含质量分数4%残余硅的AlN-SiC复相陶瓷, 抗弯强度达到320.1 MPa, 热导率达26.3 W·m^-1·K^-1, 材料的强度几乎与传统反应烧结SiC陶瓷相当, 并深入探讨了出现上述现象的本质原因。本研究对低温熔渗工艺制备SiC_f/AlN-SiC复合材料具有重要的指导意义。

在卤族钙钛矿材料的缺陷研究中, 密度泛函理论计算发挥着重要作用。传统的半局域泛函(如PBE)虽然能够得到与实验接近的禁带宽度, 但是已有研究表明其不能准确描述材料的带边位置。采用更准确的杂化泛函, 结合自旋轨道耦合(SOC)效应与充分的结构优化开展缺陷研究十分必要。可以选择两种杂化泛函, 即屏蔽的杂化泛函HSE和非屏蔽的杂化泛函PBE0。本研究以正交相CsPbI₃为例, 系统比较了两种方法在缺陷性质计算上的差异。计算结果表明, 对于体相性质, 两种杂化泛函并无明显的差别。但是, 对于缺陷性质, 两种泛函出现定性的差别。HSE计算中预测的浅能级缺陷, 在PBE0计算中大部分变为深能级缺陷, 且缺陷转变能级和Kohn-Sham能级均出现定性差别。上述差别的本质在于, Hartree-Fock交换势具有长程作用特征, 因而普通的杂化泛函如PBE0在计算量允许的超胞尺寸上无法得到收敛的结果, 而HSE对上述交换势具有屏蔽作用, 可采用相对小尺寸的超胞得到收敛的缺陷能级。本研究结果表明, 尽管HSE杂化泛函需要较大的Hartree-Fock混合参数(约0.43), 其仍是准确计算卤族钙钛矿缺陷性质的有效方法。

碳基钙钛矿太阳能电池(C-PSCs)具有稳定性好且成本低的优势, 展现出广阔的应用前景。本研究基于MAPbI₃材料, 选择高质量的NiO_x介孔层作为空穴传输层(HTL), 对比了NiO_x介孔层不同制备方法对电池性能的影响, 并对NiO_x介孔层的厚度进行优化。研究发现, 与旋涂工艺制备的NiO_x介孔层相比, 丝网印刷工艺制备的介孔层的孔径分布均匀, 可改善钙钛矿(PVK)前体溶液填充在介孔支架中的填充状态。最终得到含HTL的高效率和低滞后的钙钛矿太阳能电池, 其开路电压(V_OC)为910 mV, 光电转换效率(PCE)为14.63%, 认证效率达14.88%。此外, 在空气中储存近900 h, 其PCE没有明显衰减。