为了应对能源供应紧张和环境保护的挑战, 探索和开发高效催化剂成为解决能源和环境问题的关键策略。单原子催化剂(Single-atom catalysts, SACs)作为近年来新兴的催化剂类型, 其独特的性质吸引了科研界的广泛关注。金属以单原子的形式负载在载体表面, 实现了电子、几何结构的特殊性以及原子利用率的最大化。在能源催化、环境催化、有机催化等多个领域, SACs都表现出优异的活性、选择性和稳定性, 为相关催化反应提供了强有力的支撑。更重要的是, SACs在贵金属利用方面展现出巨大的潜力。通过精确调控可以最大限度地提高贵金属的催化效率, 进而降低催化剂制造成本。因此, SACs的制备方法和作用机理成为国际催化领域的研究热点。本文综述了SACs的合成策略, 包括自下而上、自上而下和量子点交联/自组装, 具体介绍了共沉淀法、浸渍法、原子层沉积(Atomic layer deposition, ALD)法、高温原子热迁移法和高温热解法等制备SACs的研究进展, 并对SACs制备面临的挑战和未来前景进行了总结和展望。

随着通信技术升级以及5G通信应用的驱动, 各种智能设备所需的滤波器数量激增, 促进了滤波器市场的繁荣, 但对其性能要求也越来越高, 例如大带宽、高频率、高功率容量、微型化、集成化以及低成本等指标是学术界与产业界重点关注的方向, 而基于薄膜体声波谐振器(Thin Film Bulk Acoustic Resonator, FBAR)技术的FBAR滤波器已成为最有前景的滤波器之一。另外, 当前空腔型FBAR滤波器已取得了一定的商业成功, 但是仍面临性能不足、工艺复杂、成本略高、技术受限等困境。为此, 本文试图从器件理论研究与结构优化、高性能压电材料制备与优化、新型工艺开发及技术融合三方面对FBAR滤波器的相关问题与关键技术进行综述, 旨在为该研究领域的学者梳理FBAR滤波器技术进阶与迭代的脉络, 以期为未来研究的路径与方向提供若干启发性思考。

肿瘤的早期诊断是癌症高效诊疗的关键基础。可视化荧光成像技术凭借其高时间-空间分辨率、高灵敏度、无电离辐射、无创和实时成像等优点, 在生物医学领域尤其是肿瘤的早期诊断中展现出巨大应用潜力。与可见光相比, 近红外(Near-infrared, NIR)光穿透生物组织时, 其受到的吸收和散射显著减少, 这一特性使得基于NIR光的荧光成像技术在生物医学领域展现出高信噪比及高空间分辨率的独特优势, 而高质量NIR荧光成像依赖于性能卓越的荧光探针。在众多荧光探针中, NIR光激发的上转换纳米颗粒(Upconversion Nanoparticles, UCNPs)因其低毒性、窄带发射、可调发射、长荧光寿命、良好的光化学稳定性以及高量子产率等优异特性, 在荧光成像领域脱颖而出。本文总结了上转换荧光探针的基本原理、合成方法、改性与修饰技术, 重点阐述了稀土掺杂上转换荧光探针在几种典型成像模式及肿瘤多模态成像中的最新研究进展, 并对进一步实现诊疗一体化的应用研究进行了展望。

稀土锆酸盐(Rare-earth zirconate, REZ)比传统钇稳定氧化锆(Yttrium stabilized zirconate, YSZ)材料更能抵抗环境中的钙镁铝硅氧化物(CMAS)腐蚀, 因此在热障涂层领域受到关注。研究表明, 对锆酸盐类材料进行高熵化设计是提升其高温抗CMAS腐蚀性能的有效方法。本工作采用固相反应法合成了单相缺陷萤石结构的(Y_0.2Gd_0.2Er_0.2Yb_0.2Lu_0.2)₂Zr₂O₇高熵稀土锆酸盐(High-entropy rare-earth zirconate, HE-REZ)粉体, 并将无压烧结(Pressureless sintering, PLS)与冷等静压(Cold isostatic pressing, CIP)技术相结合高效制备了块体样品, 表征了样品的物相组成、微观结构、元素分布、热学性能、力学性能, 重点研究了抗CMAS腐蚀性能。实验结果表明: CIP+PLS工艺可获得相对密度为98.6%的样品, 在1300 ℃、CMAS腐蚀条件下其腐蚀深度仅为7YSZ的2.6%、锆酸钆(GZO)的22.6%。REZ优异的化学稳定性再加上高熵化带来的迟滞扩散效应, 极大提升了样品的抗CMAS腐蚀性能。此外, 相比于GZO, HE-REZ具有更高的硬度与杨氏模量、更大的线膨胀系数、更低的热导率, 使得其力学、热学性能优于GZO。本研究制备的(Y_0.2Gd_0.2Er_0.2Yb_0.2Lu_0.2)₂Zr₂O₇高熵陶瓷在热障材料领域显示出良好的应用前景。

涂层的完整和致密性直接影响其性能。对于存在缺陷或者受到损伤的涂层, 报废并重新制备不仅浪费原材料, 还会延长制备周期。因此, 经济有效的解决方法是修复涂层, 以恢复其防护能力。本研究采用经济实用的气相渗硅法修复一次包埋法制备的多孔SiC涂层缺陷, 并对比研究了修复前后涂层的抗热震及烧蚀性能。结果表明, 修复后的包埋SiC涂层在室温~1773 K热震15次后, 其与基体之间结合良好, 失重率降低了97.05%。在氧乙炔火焰下烧蚀30 s后, 修复后的涂层中心烧蚀区域的碳纤维被SiO₂所包覆, 未出现裸露或损伤。与修复前相比, 其质量损失率和厚度损失率分别降低了97.02%和67.99%。抗热震和烧蚀性能改善归因于修复后涂层致密度提高, 缺陷减少, 并且渗硅过程引入的单质Si在高温下更容易氧化生成SiO₂, 有效愈合缺陷和阻挡氧气渗透, 从而防止了基体氧化损伤。本研究提出的新型涂层修复策略具有经济可行性, 为涂层缺陷及损伤修复和稳定服役提供了新途径。

SiC纤维烧结陶瓷(Fiber-bonded ceramics, FBCs)是由SiC纤维直接烧结而成的一种新型SiC材料, 材料中不存在基体相, 其孔隙率小于3%且纤维体积分数超过90%, 具有耐高温、高强度、抗氧化与耐辐照等优异性能, 是未来航空发动机和先进核能领域的重要候选材料。本工作在国内率先开展SiC FBCs的制备以及性能研究, 以国产KD-SA型第三代含铝SiC纤维为原料, 通过预处理在纤维表面原位构筑石墨(in-situ graphite, iG)层, 采用热压烧结工艺直接烧结纤维, 制备SiC(Al) FBCs。实验表征了纤维及材料的宏/微观结构, 测试了材料的力学与氧化性能。结果表明: 通过预处理SiC(Al)纤维, iG/SiC(Al)纤维表面可生成厚度为300~400 nm的碳层, 且iG层与纤维结合较好。采用热压烧结工艺制备的iG/SiC(Al) FBCs密度为3.15 g/cm³, 气孔率仅为0.52%, 基体完全致密, 纤维发生变形呈六棱柱状, 且纤维之间有明显的界面; 材料弯曲强度、断裂韧性与断裂功分别为320 MPa、9.5 MPa·m^1/2与1169 J·m^-2; 经1500、1600 ℃空气氧化100 h, 材料弯曲强度保留率分别高达86%与72%, 且维持伪塑性断裂模式。

研究钠离子电池(SIBs)对开发新能源和新储能方式具有重要意义。P2型层状氧化物Na_2/3Ni_1/3Mn_2/3O₂正极材料具有容量和工作电压较高的优点, 但在高电压下发生的P2-O2不可逆相变会导致体积急剧变化, 容量迅速衰减。针对这个问题, 本研究采用Cu和Mg协同取代的策略, 通过固相反应法合成了P2-Na_0.67Ni_0.18Cu_0.10Mg_0.05Mn_0.67O₂ (NCMM-10-05)正极材料。结果表明, 掺入Cu和Mg有效抑制了P2-O2相变, 转而形成了可逆程度更高的OP4相, 提高了材料结构的可逆稳定性, 且电化学性能得到了显著提升。在2.00~4.35 V(vs. Na⁺/Na)电压窗口内NCMM-10-05初始放电容量为113 mAh·g^-1, 在8C(1C=100 mA·g^-1)电流密度下仍有64.1 mAh·g^-1的可逆容量, 在1C电流密度下循环200圈后容量保持率可以达到88.9%。本研究探讨了Cu和Mg协同取代对P2型层状氧化物结构与电化学性能的影响, 并通过原位X射线衍射(XRD)分析与密度泛函理论(DFT)计算进一步探究了Cu、Mg元素在结构演变中的具体作用, 为合理设计具备Na⁺快速传输能力和高稳定性的SIBs正极材料提供了参考。

铌酸锂(LiNbO₃, 简称LN)晶体因其优良的非线性、电光等效应成为最具应用价值的集成光子学材料之一。与同成分铌酸锂(Congruent Lithium Niobate, CLN)晶体相比, 近化学计量比铌酸锂(Near-stoichiometric Lithium Niobate, nSLN)晶体的非线性、电光等性能更加突出, 具有更高的应用价值。利用扩散法能够制备组分均匀的实用化nSLN晶体, 然而对大尺寸LN晶体进行扩散处理时, 极易产生孪晶并导致晶片开裂。针对上述问题, 本工作开展了扩散法制备大尺寸nSLN晶体的研究, 对扩散后晶片上的孪晶缺陷进行表征, 分析了孪晶的产生机制, 并通过改进晶片放置方式制备了完整的4英寸(100 nm)和6英寸(153 nm)晶片, 最后测试了晶片的组分和透过率。结果表明, 晶片组分均不低于49.94%(摩尔分数), 接近化学计量比, 其透过率在600~3300 nm范围内均高于71%。扩散法制备的Z-cut和X-cut晶片上均出现了孪晶, 同时Z-cut晶片上的孪晶两两相交时产生裂纹, 而X-cut晶片上并未出现裂纹。分析表明Z-cut和X-cut晶片孪晶面为 \left\{01\overline{1}2\right\}, 该孪晶属于形变孪晶。根据形变孪晶的产生机制, 认为富锂原料不均匀形变是产生孪晶的主要驱动力。最终, 通过改进扩散处理工艺, 抑制了扩散孪晶的产生, 提高了4英寸(100 nm)、6英寸(153 nm)nSLN晶片的成品率。

连续碳纤维增强碳化硅(C/SiC)复合材料用作热防护结构材料时, 可能遭受低速冲击损伤。然而, 目前对于C/SiC复合材料面内冲击损伤和多次冲击损伤的研究尚不充分。本研究通过落锤冲击试验, 测试了C/SiC条状试样的面内冲击破坏行为, 并与C/SiC复合板的落锤冲击试验进行了比较。结果表明, C/SiC条状试样的面内冲击行为与C/SiC复合板相似, 冲击载荷随位移的变化可分为三个阶段: 近似线性阶段、载荷骤降阶段、冲击能量超过峰值后试样位移发生反弹阶段。对二维(2D)平纹C/SiC复合材料和三维(3D)针刺C/SiC复合材料在不同冲击能量和时间下的单次和多次冲击破坏行为进行了研究。借助计算机断层扫描(CT)技术研究了C/SiC复合材料的裂纹扩展。对于2D平纹C/SiC复合材料, 冲击过程中载荷难以在预制体的层间传播, 导致分层和90°纤维脆性断裂。随着冲击能量增大, 垂直于冲击方向的裂纹长度增加, 0°纤维断裂加剧, 纤维损失面积增大。对于3D针刺C/SiC复合材料, 冲击过程中载荷通过针刺纤维的连接在层间传播, 纤维依然起到良好的支撑作用, 出现纤维拉断和脱黏现象, 其抗冲击性能优于2D平纹C/SiC复合材料。对于受到两次1.5 J冲击的3D针刺C/SiC复合材料, 第二次冲击的能量吸收率明显降低, 冲击位移减小, 两次1.5 J冲击的总能量吸收效率低于单次3.0 J冲击。

Sc₂O₃作为固体激光增益材料的基质, 具有热导率高、与激活离子匹配性好等优点, 在高功率固体激光应用中有着广阔的应用前景。目前, Yb掺杂的Sc₂O₃陶瓷可以在很高的烧结温度下合成, 但陶瓷的光学质量和烧结温度还有待进一步优化。本研究采用碳酸氢铵共沉淀法制备了分散性好、平均晶粒尺寸29 nm的立方相5%Yb:Sc₂O₃(掺杂量为质量分数)纳米粉体, 并采用真空预烧结和热等静压(Hot Isostatic Pressing, HIP)后处理制备了5%Yb:Sc₂O₃透明陶瓷, 详细研究了真空预烧结温度(1500~1700 ℃)对Yb:Sc₂O₃陶瓷的致密化过程、微观结构变化及光学透过率的影响。结果表明, 所有样品均具有均匀的微观结构, 且随着烧结温度的升高, 样品的平均晶粒尺寸增大。值得注意的是, 1550 ℃预烧的Yb:Sc₂O₃陶瓷经HIP后处理后, 在1100 nm处的最佳直线透过率达到78.1%(理论值为80%)。同时, 还评估了Yb:Sc₂O₃陶瓷的光谱性能。5%Yb:Sc₂O₃陶瓷的最小粒子数反转参数β₂和发光衰减时间分别为0.041和0.49 ms。综上所述, 采用共沉淀法成功制备了Yb:Sc₂O₃纳米粉体, 通过1550 ℃真空预烧结和HIP后处理得到光学质量良好的Yb:Sc₂O₃透明陶瓷。