MAX/MAB相是一类非范德华三元层状材料, 具有丰富的元素组成和晶体结构, 兼具陶瓷和金属的物理性质, 在高温、强腐蚀、辐照等极端环境中极具应用潜力。近年来, 由MAX/MAB相衍生的二维(2D)材料(MXene和MBene)在材料物理与材料化学领域引起了广泛兴趣, 已经成为继石墨烯和过渡金属硫族化合物之后最受关注的二维范德华材料。MAX/MAB相材料结构调控不仅对这类非范德华层状材料本征性能产生重要影响, 而且对其衍生的二维范德华材料结构功能特性研究也具有重要价值。本文归纳和总结了MAX/MAB相层状材料在结构调控、理论计算和应用基础研究等方向的最新科研进展, 并展望了该类层状材料未来发展方向。

采用常规热烧结实现陶瓷粉体的致密化, 烧结温度通常超过1000 ℃, 这不仅需要消耗大量能源, 还会使一些陶瓷材料在物相稳定性、晶界控制以及与金属电极共烧等方面面临挑战。近年来提出的冷烧结技术(Cold Sintering Process, CSP)可将烧结温度降低至400 ℃以下, 利用液相形式的瞬态溶剂和单轴压力, 通过陶瓷颗粒的溶解-沉淀过程实现陶瓷材料的快速致密化。冷烧结技术具有烧结温度低和时间短等特点, 自开发以来受到广泛关注, 目前已应用于近百种陶瓷及陶瓷基复合材料, 涉及电介质材料、半导体材料、压敏材料和固态电解质材料等。本文介绍了冷烧结技术的发展历程、工艺技术及其致密化机理, 对其在陶瓷材料及陶瓷-聚合物复合材料领域的研究现状进行了综述, 其中根据溶解性的差异主要介绍了Li₂MoO₄陶瓷、ZnO陶瓷和BaTiO₃陶瓷的冷烧结现状。针对冷烧结技术工艺压力高的问题及可能的解决途径进行了探讨, 并对冷烧结技术未来的发展趋势进行了展望。

新型冠状病毒肺炎(Corona Virus Disease 2019, COVID-19)疫情大流行引起全球对此重大突发公共卫生事件的高度关注。新型冠状病毒(SARS-CoV-2)经过多次突变, 出现传染速度加快、免疫逃逸、隐匿性传播等特性, 令防控形势至今仍异常严峻。对患者的早发现、早隔离仍然是目前最有效的防控措施。因此, 迫切需要快速、高灵敏的检测手段来甄别此病毒, 以便及早识别感染者。本文简要介绍了SARS-CoV-2的一般特征, 并针对核酸、抗体、抗原及病原体作为检测靶标的不同检测手段及最新进展进行分类概述; 对一些光学、电学、磁学以及可视化的新型纳米传感器在SARS-CoV-2检测技术上的应用进行了分析。鉴于纳米技术的应用在提高检测灵敏度、特异性以及准确率上具有优势, 本文详细介绍了新型纳米传感器在SARS-CoV-2检测中的研究进展, 包括表面增强拉曼基生物传感器、电化学生物传感器、磁纳米生物传感器以及比色生物传感器等, 并探讨了纳米材料在新型生物传感器构建中的作用和挑战, 为纳米材料研究人员开发各种类型的冠状病毒传感技术提供思路。

连续碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiC_f/SiC)是发展先进航空发动机的关键材料, 航空发动机长时服役要求材料具有优异的高温蠕变性能。本工作研究了平纹编织Cansas-II碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(2D-SiC_f/SiC)在空气中的高温蠕变行为, 蠕变温度为1200~1400 ℃, 应力水平为80~140 MPa。利用扫描电子显微镜(SEM)观察了2D-SiC_f/SiC复合材料的微观组织和断口形貌, 使用能谱分析仪(EDS)进行了成分分析。结果表明: 当蠕变应力低于比例极限应力(σ_PLS)时, 2D-SiC_f/SiC的蠕变断裂时间超过500 h, 稳态蠕变速率为1×10^-10~5×10^-10 /s, 蠕变行为由基体和纤维共同控制。当蠕变应力高于σ_PLS时, 复合材料的基体、纤维和界面均发生氧化, 蠕变断裂时间显著降低, 稳态蠕变速率提高一个数量级, 蠕变行为主要由纤维控制。

二十一世纪以来, 以氮化镓(GaN)和氧化锌(ZnO)为代表的第三代宽禁带(E_g>2.3 eV)半导体材料正成为半导体产业发展的核心支撑材料。由于GaN与ZnO单晶生长难度较大, 成本较高, 常采用外延技术在衬底材料上生长薄膜, 因此寻找理想的衬底材料成为发展的关键。相比于传统的蓝宝石、6H-SiC、GaAs等衬底材料, 铝镁酸钪(ScAlMgO₄)晶体作为一种新型自剥离衬底材料, 因其与GaN、ZnO具有较小的晶格失配(失配率分别为~1.4%和~0.09%)以及合适的热膨胀系数而备受关注。本文从ScAlMgO₄晶体的结构出发, 详细介绍了其独特的三角双锥配位体结构与自然超晶格结构, 这是其热学性质与电学性质的结构基础。此外, ScAlMgO₄晶体沿着c轴的层状结构使其具有自剥离特性, 大大降低了生产成本, 在制备自支撑GaN薄膜方面具有良好的市场应用前景。然而ScAlMgO₄原料合成难度较大, 晶体生长方法单一, 主要为提拉法, 且与日本存在较大的差距, 亟需开发新的高质量、大尺寸ScAlMgO₄晶体的生长方法来打破技术壁垒。

薄膜电容器是现代电力装置与电子设备的核心电子元件, 受限于薄膜介质材料的介电常数偏低, 当前薄膜电容器难以获得高储能密度(指有效储能密度, 即可释放电能密度), 从而导致薄膜电容器体积偏大, 应用成本过高。将具有高击穿场强的聚合物与高介电常数的纳米陶瓷颗粒复合, 制备聚合物/陶瓷复合电介质, 是实现薄膜电容器高储能密度的有效策略。对于单层结构的0-3型聚合物/陶瓷复合电介质, 其介电常数与击穿场强难以同时获得有效提升, 限制了储能密度的进一步提高。为了解决此矛盾, 研究者们叠加组合高介电常数的复合膜与高击穿场强的复合膜, 制备了2-2型多层复合电介质, 能够协同调控极化强度与击穿场强来获取高储能密度。研究表明, 调控多层复合电介质的介观结构与微观结构, 可以实现优化电场分布、协同调控介电常数与击穿场强等目标。本文综述了近年来包括陶瓷/聚合物和全有机聚合物在内的多层聚合物基复合电介质的研究进展，重点阐述了多层结构调控策略对储能性能的提升作用，总结了聚合物基多层复合电介质的储能性能增强机制, 并讨论了当前多层复合电介质面临的挑战和发展方向。

相比于第一代和第二代半导体材料, 第三代半导体材料具有更高的击穿场强、电子饱和速率、热导率以及更宽的带隙, 更适用于制备高频、大功率、抗辐射、耐腐蚀的电子器件、光电子器件和发光器件。氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料的代表之一, 是制作蓝绿激光、射频微波器件和电力电子器件的理想衬底材料, 在激光显示、5G通信、相控阵雷达、航空航天等领域具有广阔的应用前景。氢化物气相外延(Hydride vapor phase epitaxy, HVPE)方法因生长设备简单、生长条件温和和生长速度快而成为制备GaN晶体的主流方法。由于普遍使用石英反应器, HVPE法生长获得的非故意掺杂GaN不可避免地存在施主型杂质Si和O, 使其表现出n型半导体特性, 但载流子浓度高和导电率低限制了其在高频大功率器件中的应用。掺杂是改善半导体材料电学性能最普遍的方法, 通过掺杂不同掺杂剂可以获得不同类型的GaN单晶衬底, 提高其电化学特性, 从而满足市场应用的不同需求。本文介绍了GaN半导体晶体材料的基本结构和性质, 综述了近年来采用HVPE法生长高质量GaN晶体的主要研究进展; 对GaN的掺杂特性、掺杂剂类型、生长工艺以及掺杂原子对电学性能的影响进行了详细介绍。最后简述了HVPE法生长掺杂GaN单晶面临的挑战和机遇, 并展望了GaN单晶的未来发展前景。

陶瓷材料因具有良好的机械性能、抗腐蚀性、耐高温性及抗氧化性等, 被广泛应用于航空航天、医疗、能源交通等领域, 陶瓷材料自身及其与金属材料的连接技术对于实际工程应用具有重要意义。由于部分陶瓷材料与电场的特殊作用机理, 将外加电场应用于陶瓷材料的连接技术中, 可以获得多种普通连接技术所不具备的优势, 如连接温度较低和连接时间较短等, 这就催生了新型陶瓷材料电场辅助连接技术。本文着重梳理了陶瓷及陶瓷基复合材料电场辅助连接技术的研究现状, 对近年来电场辅助连接技术的研究进展进行了综述, 重点介绍了电场辅助扩散连接(Electric field-assisted diffusion bonding, FDB) 技术、放电等离子体烧结 (Spark plasma sintering, SPS)连接技术以及新型低温快速闪连接(Flash joining, FJ) 技术的连接机理、典型界面微观结构、接头强度及影响因素等, 阐述了不同电场辅助连接技术的适用范围和局限性, 并对陶瓷材料电场辅助连接技术的发展进行了展望。

近年来, 受人脑独特工作模式的启发, 利用人工神经形态器件模拟突触和神经元的感知与计算功能吸引了广泛关注。到目前为止, 已经有很多关于神经形态晶体管的报道, 但绝大多数器件是在刚性衬底上加工的。柔性神经形态晶体管不仅可以同时实现信号传输和训练学习, 对多路信号进行非线性的时空整合与协同调控, 而且能密切贴合柔软的人体皮肤, 承受器官和组织的高生理应变。更重要的是, 柔性神经形态晶体管具有可设计的灵活性和优异的生物兼容性, 在检测生物环境中生理相关时间尺度的低幅信号方面具备独特的优势和应用潜力。柔性神经形态晶体管已经广泛应用于电子皮肤、人工视觉系统、智能可穿戴系统等领域。目前, 研制低功耗、高密度集成的柔性神经形态晶体管是研究的首要任务之一。本文综述了基于不同柔性衬底的神经形态晶体管的研究进展, 并展望了柔性神经形态晶体管的未来应用前景，这将为未来柔性神经晶体管的研制以及智能计算和感知应用提供比较详实的参考。

传统的人工视觉系统基于冯•诺依曼架构, 其视觉采集单元、处理单元和存储单元分离, 因而冗余数据在各个单元之间传递会造成高延迟和能耗。为了解决这一问题, 新一代神经形态视觉系统应用而生, 其具有感知、存储、计算一体化的架构, 既可以减少数据传递, 又可以提高数据处理效率。作为神经形态视觉系统的硬件实现基础, 光电人工突触器件近年来得到广泛研究。光电人工突触器件将光敏元件与突触器件的功能相结合, 为实现低延迟、高能效和高可靠性的神经形态视觉系统提供了新的可能。虽然光电人工突触材料千差万别, 但其工作机理主要包括氧空位的电离和解离、光生载流子的捕获和释放、光致相变以及光与铁电复杂相互作用等。本文从工作机理的角度, 介绍了光电人工突触器件的最新研究进展, 并分析了不同工作机理的优点及其面临的挑战。最后, 概述了未来光电人工突触的应用前景和发展方向。

细菌和病毒一直对人类健康构成威胁。SARS-CoV-2已经在世界各地肆虐了近三年, 给人类健康带来了巨大危险。面对细菌的抗药性和抗生素治疗效果不佳等种种挑战, 人们迫切需要新的方法来对抗致病微生物。最近, 具有内在酶活性的纳米酶作为一种有前途的新型“抗生素”, 通过催化生成大量活性氧, 在生理条件下表现出卓越的抗菌和抗病毒活性。此外, 基于纳米酶的治疗中, 纳米材料在独特的物理化学特性(如光热和光动力效应)的帮助下可以增强治疗效果。本文综述了纳米酶在抗菌、抗病毒-方向的研究进展, 从机制角度系统总结分析了纳米酶消除细菌、病毒等微生物的原理, 对未来的新型纳米抗菌抗病毒材料的研发方向及其所面临的挑战进行了展望, 为开发下一代抗微生物感染纳米酶提供了思路。

氧化钛/氧化锆/碳三层结构钙钛矿太阳能电池(Perovskite solar cells, PSCs)具有原材料廉价、制备工艺易放大和稳定性好等优势, 受到了广泛关注。但三层结构PSCs的低温制备研究进展缓慢, 主要原因之一在于难以在低温条件下构建合适的氧化锆间隔层。本研究以尿素为孔隙率调节剂, 用简单的喷涂法制备多孔氧化锆间隔层用于三层结构PSCs。通过调节喷涂次数优化氧化锆层厚度为1100 nm时, 电池的性能最优, 单电池功率转换效率达到14.7%, 5块电池串联模块(5×0.9 cm×2.5 cm)达到10.8%。PSCs在恒温恒湿箱(25 ℃, 湿度40%)保存200 d, 功率转换效率保持稳定, 没有明显下降。柔性基底上的氧化锆层经50次弯曲测试后保持完整, 未见脱落。与传统的丝网印刷氧化锆间隔层制备方法相比, 本研究的喷涂方法具有方法简便、操作温度低、与柔性基底兼容性好的优点。

电解质栅控晶体管(Electrolyte-gated transistors, EGTs)的沟道电导连续可调特性使其在构建神经形态计算系统中具有巨大应用潜力。本工作以非晶态Nb₂O₅作为沟道材料, Li_xSiO₂作为栅电解质材料, 制备了一种具备低沟道电导(~120 nS)的EGT器件。该器件利用Li⁺嵌入/脱出Nb₂O₅晶格导致的沟道电导连续可逆变化, 模拟了神经突触的短程可塑性(Short-term plasticity, STP)、长程可塑性(Long-term plasticity, LTP)以及STP向LTP的转变等功能。基于这种EGT突触特性, 本工作设计了关联学习电路, 实现了突触权重的负反馈调节, 并模拟了“巴普洛夫的狗”经典条件反射行为。这些结果展现出EGT作为神经突触器件的巨大潜力, 为实现神经形态计算硬件提供了器件参考。

光催化被广泛用于去除水中的难降解有机污染物, 但是由于光生电子和空穴的复合率高, 抑制了半导体光催化剂的催化活性。本研究通过简便的溶剂热法成功制备了一种BiOBr/ZnMoO₄复合材料。通过结构分析、原位XPS、功函数测试、自由基捕获及电子顺磁共振(ESR)实验等证实了BiOBr/ZnMoO₄复合材料形成了S型异质结。实验结果表明, 适当ZnMoO₄含量的BiOBr/ZnMoO₄异质结可以显著提高BiOBr的光催化性能。与纯BiOBr、ZnMoO₄相比, 质量分数15% BiOBr/ZnMoO₄在可见光下表现出最佳的光催化活性, 双酚A的光催化降解率达到85.3% (90 min), 环丙沙星的光降解速率常数分别是BiOBr的2.6倍和ZnMoO₄的484倍。这可归因于BiOBr和ZnMoO₄之间形成了紧密的界面结合和S型异质结, 使得光生载流子可以实现有效的空间分离和转移。这项工作为定向合成Bi基S型异质结复合光催化材料提供了一种简便有效的方法, 对进一步理解Bi基多元异质结光催化材料的构效关系提供了新的理论和实验基础。

2022年是X射线衍射(XRD)发现的110周年。XRD Rietveld精修作为材料结构分析的重要手段, 在建立材料“构-效”关系方面发挥着重要的作用。正极材料是锂离子电池的重要组成部分, 深入理解其晶体结构及原子分布规律有助于推动锂离子电池正极材料的发展。本文简要介绍了XRD Rietveld结构精修及其在锂离子电池正极材料中的应用, 围绕几类典型正极材料, 重点讨论了Rietveld结构精修在正极材料的合成、退化衰减及结构改性中的应用和研究进展。XRD Rietveld精修可以得到物相比例、晶胞参数、关键原子占比、原子坐标等结构信息, 对开发高性能锂离子电池正极材料具有重要的指导意义。最后, 本文展望了X射线衍射技术在锂电正极材料结构研究中的机遇与挑战。

随着我国核辐射技术的进步, 辐射探测在近些年也得到了高速发展, 并被广泛应用于辐射安全监测、放射性医学诊疗、X射线安监系统、工业无损探伤以及微观粒子轨迹探测等诸多领域。辐射光致发光(Radio- photoluminescence, RPL)是一种在电离辐射作用下, 材料内部产生新的发光中心, 并被紫外光激发进而发光的现象, 可作为一种新型辐射探测手段。RPL材料通常具有存储辐射信息、信息几乎不衰减、剂量线性响应好、均匀稳定的高辐射灵敏度、能量依赖性小和可重复读数等特点, 弥补了光释光(Optically stimulated luminescence, OSL)和热释光(Thermally stimulated luminescence, TSL)材料在存储稳定性和重复使用性等方面的不足。自RPL现象被报道以来, RPL材料层出不穷, 如传统的Ag掺杂磷酸盐玻璃、Al₂O₃:C,Mg和LiF, 再到新型的Cu离子掺杂体系、Sm离子掺杂体系以及无掺杂体系材料等。同时, RPL应用也被不断发掘, 目前它已成为辐射探测领域不可或缺的材料之一。基于此, 本文概述了RPL材料的最新进展, 重点梳理了传统和新型RPL材料的发光原理、性能特点及其应用, 特别对比了不同RPL材料在辐射探测性能方面的差异。最后, 本文对RPL材料的优势及其不足之处进行了归纳分析, 并对其发展趋势进行了展望。

大尺寸晶体材料是半导体、激光、通讯等领域的基础原料, 大尺寸、高品质晶体材料的制备已成为制约相关行业发展的瓶颈。我国面临的“卡脖子”技术中大多与关键基础材料相关。大尺寸晶体材料制备理论与技术是我国新材料产业高质量发展的一个重要方面, 也是提升相应高技术产业的基础, 突破大尺寸晶体材料的制备理论和技术是获得高品质大尺寸晶体材料的关键。探究并准确理解大尺寸晶体生长机理需要借助原位表征技术和多尺度计算模拟方法。单一的原位表征和模拟技术只能探究特定时间和空间范围内的结晶信息, 为了准确反映结晶过程需要综合应用多种方法。本文综述了最新的多尺度晶体生长研究的原位表征方法、多尺度计算模拟技术以及机器学习方法, 为发展结晶理论和控制晶体品质提供重要的实验和理论依据, 并将为提升大尺寸晶体生长工艺的开发而服务。

可穿戴设备是能穿在身上, 实时获取人体或环境信息并进行传递和处理的功能设备, 在医疗健康、人工智能、运动娱乐等领域具有广阔的应用前景。随着可穿戴设备的发展, 各类柔性传感器应运而生。基于压电效应的柔性力学传感器因具有感应频率宽、响应快、线性好、自供电等优势而备受关注。然而传统的压电材料多为脆性陶瓷和晶体材料, 限制了其在柔性方面的应用。随着研究的深入, 越来越多的柔性压电材料和压电复合材料不断涌现, 给柔性可穿戴力学器件注入了新的发展活力。本文主要概括了柔性可穿戴压电器件的前沿进展, 包括压电原理、柔性压电材料的制备与性能提升方法。此外, 还详细总结了柔性可穿戴压电设备的主要应用方向, 包括医疗健康和人机交互, 以及遇到的挑战与机遇。

以氮、磷污染物导致的水体富营养化问题在我国普遍存在。本研究将普鲁士蓝与改性生物炭相结合, 得到普鲁士蓝/生物炭复合材料。通过多种表征手段研究了复合材料的形貌及结构并通过模拟废水测试了其吸附性能。结果表明, 复合材料在pH 8时达到最佳吸附效果, 氨氮去除率在95%以上, 最大吸附量为24.4 mg/g, 比未改性生物碳提高101.3%。对复合材料吸附机理的研究表明, 复合材料通过普鲁士蓝对氨氮的配位作用对多组分污水中氨氮实现了选择性吸附。此外, 复合材料在外加H₂O₂溶液的条件下可形成芬顿氧化体系, 能实现同步催化降解有机污染物和促进氨氮的吸附, 因此有望在多组分富营养化污水治理中投入实际应用。

忆阻器可以在单一器件上实现存储和计算功能, 成为打破冯·诺依曼瓶颈的核心电子元器件之一。它凭借独特的易失性/非易失性电阻特性, 可以很好地模拟大脑活动中的突触/神经元的功能。此外, 基于金属氧化物的忆阻器与传统的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容, 受到了广泛关注。近年来, 研究提出了多种基于单介质层结构的金属氧化物忆阻器, 但仍然存在高低阻态不稳定、开关电压波动大和循环耐久性差等问题。在此基础上, 研究人员通过在金属氧化物忆阻器中引入双介质层成功优化了忆阻器的性能。本文首先详细介绍了氧化物双介质层忆阻器的优势, 阐述了氧化物双介质层忆阻器的阻变机理和设计思路, 并进一步介绍了氧化物双介质层忆阻器在神经形态计算中的应用。本文将为设计更高性能的氧化物双介质层忆阻器起到一定的启示作用。

单晶金刚石是一种性能优异的晶体材料, 在先进科学领域具有重要的应用价值。在微波等离子体化学气相沉积(Microwave plasma chemical vapor deposition, MPCVD)单晶金刚石生长中, 如何提高晶体的生长速率一直是研究者们关注的重点问题之一, 而采用高能量密度的等离子体是提高单晶金刚石生长速率的有效手段。在本研究中, 首先通过磁流体动力学(Magnetohydrodynamic, MHD)模型仿真计算, 优化设计了特殊的等离子体聚集装置; 随后基于模拟结果进行生长实验, 采用光谱分析和等离子体成像对等离子体性状进行了研究, 制备了单晶金刚石生长样品; 并通过光学显微镜、拉曼光谱对生长样品进行测试。模拟结果显示, 聚集条件下的核心电场和电子密度是普通条件下的3倍; 生长实验结果显示, 在常规的微波功率(3500 W)、生长气压(18 kPa)下得到的高能量密度(793.7 W/cm³)的等离子体与模型计算结果吻合。高能量密度生长条件并不会对生长形貌产生较大影响, 但加入一定量氮气能够显著改变生长形貌, 并对晶体质量产生影响。采用这种方法, 成功制备了高速率(97.5 μm/h)单晶金刚石。不同于通过增大生长气压来获得高能量密度的途径, 本研究在常规的生长气压和微波功率下也可以生长高能量密度单晶金刚石。

碳化硅陶瓷基复合材料以其高比强度、高比模量、高导热、良好的耐烧蚀性能、高温抗氧化性、抗热震性能等特性, 广泛应用于航空航天、摩擦制动、核聚变等领域, 成为先进的高温结构及功能材料。本文综述了高导热碳化硅陶瓷基复合材料制备及性能等方面的最新研究进展。引入高导热相, 如金刚石粉、中间相沥青基碳纤维等用以增强热输运能力; 优化热解炭炭与碳化硅基体界面用以降低界面热阻; 热处理用以获得结晶度更高、导热性能更好的碳化硅基体; 设计预制体结构用以建立连续导热通路等方法, 提高碳化硅陶瓷基复合材料的热导率。此外, 本文展望了高导热碳化硅陶瓷基复合材料后续研究方向, 即综合考虑影响碳化硅陶瓷基复合材料性能要素, 优化探索高效、低成本的制备工艺; 深入分析高导热碳化硅陶瓷基复合材料导热机理, 灵活运用复合材料结构与性能的构效关系, 以期制备尺寸稳定、具有优异热物理性能的各向同性高导热碳化硅陶瓷基复合材料。

钙钛矿锰氧化物La_1–xSr_xMnO₃ (LSMO)作为一种代表性庞磁阻材料, 在磁传感器等领域具有广阔的应用前景, 但在低磁场和室温下很难获得显著的庞磁阻效应。 为提高LSMO磁电阻效应和转变温度, 本研究采用传统固相反应法制备了La_0.8Sr_0.2Mn_1–xAl_xO₃ (0≤x≤0.25)(LSMAO)多晶样品, 并系统分析了Al³⁺掺杂对LSMO电输运性质和磁电阻效应的影响。X射线衍射(XRD)图谱表明LSMAO样品具有单一的菱方结构, 属于$\text{R}\bar{3}\text{C}$空间群。电输运性质研究发现, 样品的电阻率随Al³⁺的掺杂呈指数型上升, 且外加磁场使金属-绝缘体转变温度有所提高。这可能是由于Al³⁺稀释了Mn³⁺/Mn⁴⁺离子网络, 在减少载流子数量的同时增加了磁无序。此外, LSMAO陶瓷的导电机理随Al³⁺的掺杂从小极化子模型(Small polaron hopping model, SPH)转变成变程跳跃模型(Variable range hopping model, VRH), 说明非磁性的Al³⁺抑制了铁磁团簇间的载流子交换, 使得小极化子热激活近邻跃迁过程被抑制。LSMAO的磁电阻效应从21.03% (x=0)增大到59.71% (x=0.25), 证明Al³⁺掺杂可有效增强LSMAO的磁电阻效应。

Bi₁₂GeO₂₀晶体是一种多功能光电材料, 在可见光范围内具有高速光折变响应, 以及良好的压电、声光、磁光, 旋光和电光等性能。目前, 提拉法生长Bi₁₂GeO₂₀晶体, 存在生长成本高、晶锭形状不规则、生长产率低、晶体光学质量差和有效晶体截面小等问题。本研究率先采用改进的坩埚下降法, 在铂金坩埚和空气气氛中生长大尺寸Bi₁₂GeO₂₀晶体。通过各种分析测试方法研究生长获得的Bi₁₂GeO₂₀晶体中宏观缺陷的形态、分布和成分构成, 探讨了晶体生长过程中主要宏观缺陷的形成过程和成因。坩埚下降法生长的Bi₁₂GeO₂₀晶体存在两种主要宏观缺陷：枝蔓状和管状包裹体。其中, 枝蔓状包裹体与铂金溶蚀后的析晶相关, 而管状包裹体与铂金析出、接种界面不稳定性和温度波动有关。本研究提出了消除坩埚下降法生长晶体中宏观缺陷的技术途径, 通过降低生长控制温度、缩短高温熔体保持时间和优选籽晶等措施, 可重复地生长光学质量良好、55 mm× 55 mm× 80 mm的大尺寸Bi₁₂GeO₂₀晶体, 显著提升晶体的光学透过性能。

铁电超晶格是由两种或两种以上的铁电材料或非铁电材料在晶胞尺度下交替生长而形成，并具有层状周期性结构的人工薄膜材料。铁电超晶格由于其中存在大量的异质界面, 异常显著的界面效应使其具有优异的铁电、压电、介电和热释电等性能, 甚至表现出其构成材料不具备的新功能特性。铁电超晶格不仅为研究复杂氧化物材料界面电荷和晶格之间的相互作用提供了一个理想的平台, 还将在下一代集成铁电器件中发挥不可或缺的作用。随着制备和表征手段不断进步, 研究人员能够在原子尺度上设计和调控铁电超晶格的微结构和化学成分以提高铁电超晶格的功能特性。铁电极化是铁电薄膜材料最基本的性质, 除了用于信息存储, 还在调节集成铁电器件(如压电器件、光伏器件和电热器件)的能量转换性能方面也发挥着重要作用。因此, 铁电超晶格的铁电极化强度的大小直接决定了由其构成的集成铁电器件的功能特性和实际应用价值。本文首先介绍了铁电超晶格的结构特征、分类以及几种典型的功能特性, 然后结合近期的研究结果重点阐述了影响铁电超晶格极化性能的几种因素, 包括应变效应、静电耦合效应、缺陷效应和周期厚度等, 最后展望了铁电超晶格的未来研究方向, 以期为该领域的研究提供参考。

基于铟镓锌氧(IGZO)的双电层(EDL)晶体管以低加工温度、良好的一致性以及丰富的离子动力学等优势, 在神经形态感知和计算系统中具有极大的潜在应用前景。然而, 双电层IGZO晶体管的高漏电(>10 nA)导致的高能耗以及异常电流尖峰/毛刺一直是相关神经形态计算发展的主要障碍之一。本研究提出了一种具有Al₂O₃/壳聚糖(Chitosan)叠层栅介质的新型IGZO神经形态晶体管。与单层壳聚糖栅介质晶体管相比, 引入Al₂O₃叠层的器件具有78.3 mV/decade的低亚阈值摆幅, 在1.8 V电压下1.3 nA的低漏电流(降低约98%), 3.73 V的大滞回窗口(提升3.4倍)以及0.86 nA的低兴奋性突触后电流(降低约97%), 单脉冲(0.5 V, 20 ms)功耗仅为1.7 pJ(降低约96%)。此外, 研究还基于双栅EDL协同调控实现了尖峰突触功能的模拟和沟道电流的有效调制, 并有效规避突触塑性模拟中高漏电导致的非正常电流尖峰/毛刺。上述结果表明, 堆叠高k栅介质可以有效改善神经形态器件的漏电、功耗和性能, 为进一步开发超低功耗神经形态感知和计算系统提供了新的思路。

X射线探测在医学影像、安检、工业无损探测等领域应用广泛。卤化物钙钛矿X射线探测器因具有灵敏度高、检测下限低等显著优点而引人瞩目, 然而三维结构的钙钛矿内部离子迁移显著, 导致其稳定性较差。研究表明, 低维结构可以有效抑制钙钛矿中的离子迁移, 进而提高钙钛矿X射线探测器的稳定性。本文围绕X射线探测器的工作原理、关键性能参数、低维钙钛矿材料及器件等方面, 详细介绍了低维钙钛矿X射线探测器近期的研究进展,系统分析了低维钙钛矿材料的结构特性及其对X射线探测性能的影响。低维钙钛矿可实现兼具高灵敏度和高稳定性X射线探测器的制备, 是发展潜力巨大的候选材料。进一步优化材料体系, 设计器件结构, 制备大面积、像素化的成像器件, 深入研究探测器的工作机制等是促进低维钙钛矿X射线探测器走向应用的关键。

甲烷是对全球温升贡献仅次于二氧化碳的温室气体, 且其全球增温潜势是CO₂的80倍以上。在全球变暖和大气中甲烷含量不断增长的背景下, 完全催化氧化大气甲烷对于减缓温室效应和全球变暖具有重要价值。然而, 由于甲烷具有较高的结构稳定性, 在温和条件下将其催化氧化一直面临巨大的挑战。本文综述了近年来甲烷完全氧化在热催化、光催化以及光热协同催化三种反应条件下的研究进展, 热催化中高温增大了能耗并加速了催化剂的失活, 开发低温反应条件下的催化剂已经成为甲烷完全热催化的重点; 光催化提供了一种常温常压条件下利用光能氧化甲烷的方法, 但是相对热催化来说反应速率较低; 光热协同催化在光能和热能的协同作用下, 可实现温和条件下的甲烷高效完全催化氧化, 表现出潜在的应用前景。本文就三种反应催化剂的发展进行综述, 系统分析了不同反应的原理, 以及不同反应条件下甲烷完全催化氧化的优势与不足, 同时总结了催化氧化甲烷所面临的挑战, 并提供潜在的解决方案, 期望为今后的甲烷氧化研究提供借鉴。

随着高功率激光和光通信技术的迅速发展, 如何消除光学系统内部产生的反射噪声是一个至关重要的问题。磁光隔离器是依据法拉第效应设计而成的磁有源器件, 能够有效隔离大部分反射光以保证光学系统稳定工作, 而法拉第磁光材料作为磁光隔离器的核心部件, 其研究和应用推动了磁光隔离器的更新与发展。CeF₃晶体具有高透过率、宽透过区间和高Verdet常数等优点, 近年来获得了广泛关注, 但是其传统生长方法存在成本高、周期长等缺点。本研究通过坩埚下降生长技术, 优化温场结构和生长工艺, 采用多孔坩埚成功获得多根CeF₃晶体。与商用TGG(Tb₃Ga₅O₁₂)晶体相比, CeF₃晶体的透过率得到明显提高, 最高达到92%, 并且在近红外波段两者的Verdet常数相当。CeF₃晶体的比热较高, 表明晶体拥有较强的抗热冲击能力和较高的抗激光损伤能力。本研究使用多孔坩埚技术生长CeF₃晶体, 实现了规模化和低成本生产; 生长的CeF₃晶体物理性能优良, 具有应用于近红外波段磁光隔离器的巨大潜力。

与其它储能设备相比, 由介电复合材料制得的介质电容器在快速充放电能力与高功率密度方面极具优势, 如何提高介电复合材料能量密度与优化其击穿性能已成为当前研究热点之一。为进一步调控并兼顾介电常数与击穿性能, 本工作基于DBM(Dielectric Breakdown Model, 介电击穿模型), 采用有限元数值模拟, 研究了无机填料的分布对柔性聚二甲硅氧烷(PDMS)基介电复合材料体系的电场与发生介电击穿时击穿损伤形貌演变的具体影响。研究结果表明: 填料与基体边界处存在较大的介电差异, 可以使用较大介电常数的聚合物基体或较小介电常数的无机填料来减小其界面处的高电场区域, 继而提高复合材料的耐击穿能力；同时发现当无机填料分散更均匀时, 其树状损伤通道更容易产生分支, 此种情况将使介电击穿的树状损伤通道的损伤位点增多, 延缓其损伤速度, 继而提高复合材料的耐击穿性能。该研究结果将为开发高储能密度且具有优异击穿性能的有机-无机复合电介质材料提供坚实的理论依据。

Er³⁺和Yb³⁺共掺杂的YAG晶体是一种非常重要的光学晶体, 目前, 该晶体已经广泛应用于高功率固体激光器, 但是采用提拉法生长大尺寸、低缺陷的掺杂YAG晶体仍然面临很多挑战。本工作采用快速提拉法成功获得了直径为80 mm、长度为230 mm的Er³⁺和Yb³⁺共掺杂的YAG单晶。采用不同测试方法评价其结构、掺杂浓度、光吸收、发光性能和刻蚀缺陷。晶片不同位置的拉曼峰峰位以及半峰宽没有明显变化, 说明晶片中心和边缘部分的晶体结构和应变是均匀的。刻蚀结果表明, 腐蚀坑均匀分布在整个腐蚀表面上, 没有观察到位错腐蚀坑特征, 这意味着晶体接近完美。Er³⁺和Yb³⁺在不同波长下的强发光峰以及辉光放电质谱结果证明Er,Yb:YAG单晶中成功掺杂了稀土离子。本工作采用提拉法成功生长了大尺寸、低缺陷的Er,Yb:YAG单晶, 证实了快速生长方法对YAG晶体中掺杂双稀土离子是有效的。

磷化铟(InP)是一种重要的化合物半导体材料。InP由于性能优异，在高频电子器件及红外光电器件领域的应用日趋增多。目前，磷化铟器件的价格远高于砷化镓器件，其主要原因是磷化铟单晶成品率低，以及晶圆尺寸较小造成外延和器件工艺成本居高不下。增大InP单晶的直径对降低晶圆及半导体工艺成本至关重要。制备大尺寸InP单晶的主要难点是提高晶体的成品率和降低晶体的应力。目前行业内通常使用垂直梯度凝固(Vertical gradient freeze, VGF)法和液封直拉(Liquid Encapsulated Czochralski, LEC)法制备InP。 VGF法在制备6英寸(15.24 cm)InP方面鲜有建树， LEC法制备的晶体往往具有更高的应力和位错密度。本研究展示了半密封直拉(Semi-Sealed Czochralski, SSC)法在生长大直径化合物半导体材料方面的优势，采用数值模拟方法分析了LEC法和SSC法中熔体、晶体、氧化硼和气氛中的温度分布，重点分析了SSC技术的温度分布。模拟结果中，SSC法晶体中的温度梯度为17.4 K/cm，明显低于LEC法中的温度梯度28.7 K/cm。在等径阶段SSC法晶体肩部附近气氛温度比LEC法高504 K。根据模拟结果对SSC法热场进行了优化后，本研究得到了低缺陷密度、无裂纹的6英寸S掺杂InP单晶，证实了SSC法应用于大尺寸InP单晶生长的优势。

极紫外(Extreme ultra-violet, EUV)光刻机光源主要采用激光产生等离子体技术, 用高功率激光轰击锡液滴靶产生13.5 nm波长的EUV光。其中, 基于逆压电效应的压电式高温锡液滴喷射元件是获取高重频高温锡液滴靶的关键部件。本项工作突破了耐250 ℃高温微细压电陶瓷管的组成设计和精细制备, 以及高温锡液滴喷射元件的结构设计和封装等关键技术, 成功研制了压电式高温液滴喷射元件。并通过自主搭建高温锡液滴靶光学检测平台, 基于此高温液滴喷射元件实现了重复频率20 kHz, 直径~100 μm的高温锡液滴靶的稳定输出。

SiC_f/SiC陶瓷基复合材料在航空航天领域具有广阔的应用前景, 其界面层设计是研究重点。研究表明, 复合界面层可以有效提升陶瓷基复合材料的抗氧化性能, 但其对材料力学性能及损伤机制的影响尚不明确。本研究利用化学气相渗透法(CVI)制备得到具有BN及(BN/SiC)₃复合界面层的小复合材料, 探究了复合界面层对SiC_f/SiC复合材料失效机制的影响。基于两种力学加载实验结合声发射探测分析了两种界面层小复合材料的损伤过程。实验结果表明, 利用CVI制备的小复合材料界面结构清晰, 基体致密。两类小复合材料均具有SiC_f/SiC陶瓷基复合材料的典型力-位移曲线, 不同界面层小复合材料损伤过程具有不同的力声特征。通过两类力学加载试验的声发射特征能够有效分析小复合材料各阶段损伤发展情况。本实验中BN及(BN/SiC)₃复合界面层SiC_f/SiC小复合材料最大承受载荷分别为139和160 N, 复合界面层小复合材料中的多层界面具有更强的偏转裂纹能力, 降低裂纹延伸至纤维的速度, 进而提高材料的力学性能。

作为神经形态计算系统的基本组成单元, 人工突触器件在高性能并行计算、人工智能和自适应学习方面具有巨大的应用潜力。其中, 电解质栅突触晶体管(Electrolyte-gated synaptic transistors, EGSTs)以其沟道电导的可控性成为下一代神经形态器件被广泛研究的对象, 并用来模拟神经突触功能。EGSTs因双电层的快速自放电效应, 导致其存在长程塑性持续时间较短和沟道电导不易调控等问题。本研究采用水诱导的In₂O₃薄膜作为沟道材料, 以壳聚糖作为栅电解质材料, 制备了基于In₂O₃的EGSTs, 并对器件沟道层进行了氧等离子体处理。研究发现, 利用氧等离子体中的活性氧自由基在沟道层表面产生陷阱态, 使更多氢离子在电解质/沟道界面处被俘获, 器件性能表现为回滞窗口增大, 对EGSTs器件的长程塑性实现调控。基于双电层的静电耦合效应和电化学掺杂效应, 本研究利用EGSTs器件模拟了神经突触的兴奋性突触后电流(EPSC)、双脉冲易化(PPF)、短程塑性(STP)和长程塑性(LTP)等突触行为。同时, 基于该器件的EGSTs增强/抑制特性, 采用三层人工神经网络进行手写数字识别, 经过仿真训练后, 发现该器件可训练出较高的识别率(94.7%)。这些研究结果揭示: 表面等离子体处理是影响器件性能的一项关键技术, 并证明了该技术对调节EGSTs神经形态器件的突触功能具有较大的应用潜力。

二硫化钼(MoS₂)作为水系锌离子电池的正极材料, 受到锌离子(Zn²⁺)与主体框架之间的强静电相互作用表现出缓慢的反应动力学。并且MoS₂的层间距较窄难以嵌入大尺寸水合Zn²⁺, 导致MoS₂电极呈现出较低的放电比容量。本研究通过一种简单的氨水辅助水热法制备了NH₄⁺扩层的二硫化钼(MoS₂-N)电极, 氨水分解产生的氨气在促进硫代乙酰胺水解和提供还原性S^2-的同时, 还会产生大量NH₄⁺作为插层离子, 将MoS₂的层间距由0.62 nm扩展至0.92 nm, 进而大大降低了Zn²⁺嵌入能垒(改性电极的电荷转移电阻R_ct低至35 Ω)。当电流密度为0.1 A·g^-1时, MoS₂-N电极的初始放电比容量相比未扩层的MoS₂电极提高了1倍, 高达149.9 mAh·g⁻¹。同时在1.0 A·g^-1电流密度下放电比容量稳定在110 mAh·g^-1左右, 循环200圈后库仑效率将近100%。本研究提出的氨水辅助扩层法, 丰富了提升MoS₂电化学性能的改性策略, 为后续的正极材料开发提供了新的思路。

研制具有生物神经元信息功能的柔性电子器件对于发展智能穿戴技术具有重要意义。传统阈值型忆阻器可模仿神经元信息整合功能, 但因缺乏本征柔韧性, 难以满足应用需求。本工作制备了一种基于本征可拉伸阈值型忆阻器的柔性人工神经元, 它由银纳米线-聚氨酯复合介质薄膜和液态金属电极构成。在外加电压下, 器件呈现良好的阈值电阻转变特性, 这归因于银纳米线间形成非连续银导电细丝的动态通断。该器件可模仿生物神经元的信息整合-发放及脉冲强度和脉冲间隔调制的尖峰放电功能。在20%拉伸应变下, 器件工作参数基本保持稳定, 性能未发生明显退化。本工作为发展可拉伸柔性人工神经元及下一代智能穿戴设备提供重要材料和技术参考。

SiAlON基荧光粉因其优异的化学和物理稳定性, 成为近年来发光领域的一个研究热点, 尤其在LED等领域, 受到研究者的热切关注。稀土掺杂SiAlON基荧光粉体有望成为新一代照明光源。由于缺乏青色光发射, 往往会造成显色性能不足。本研究通过传统高温固相法合成了β-Si5AlON7:Eu荧光粉, 采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)等研究了其结构、形貌、元素和价态。通过光谱仪表征了样品的激发光谱以及发射光谱的波长范围并测试了热猝灭性能, 发现激发波长覆盖紫外至蓝色光区域, 并且发射光谱显示出典型的Eu2+跃迁的宽谱。在300 ℃下, 样品的发射光强度依然可达到室温强度的40%左右, 热激活活化能(Ea)达到了3.7 eV, 相比较商用YAG:Ce3+(YAG)荧光粉, 热稳定性有一定的提升。在与蓝色芯片复合后成功制备了高显色（显色指数Ra=87）的白色发光LED, 对应的色温也达到了暖白光范围(CCT=4501 K)。本研究实现了SiAlON基青色发射, 获得了热稳定性较为优异的荧光粉, 在发光的可持续性能上也比商用YAG有明显优势。