ZrO2掺杂YBa2Cu3O7-δ超导薄膜的磁通钉扎

YBa₂Cu₃O_7-δ(YBCO)超导薄膜的临界电流密度J_c会因为外磁场的增大而衰减.为了抑制这一现象,有必要引入人工钉扎中心.预制纳米晶能够实现对异质相大小和形状的预先调控,是一种非常高效的人工钉扎手段,能有效解决传统元素掺杂引起的尺寸和团聚问题.本文利用水热法可控地制备出两种尺寸小于10 nm的点状和棒状ZrO₂纳米晶,并采用葡萄糖酸对其表面进行修饰,实现它们在YBCO前驱液中的均匀单分散.单分散ZrO₂纳米晶的掺杂明显地提高了YBCO薄膜的低温磁通钉扎效果和在场临界载流性能,但是纳米晶掺杂量过多,又会因为生成BaZrO₃(BZO)而消耗过多Ba源,致使YBCO薄膜超导性能下降.另外,掺杂5%的点状ZrO₂纳米晶比棒状纳米晶对超导性能提升更优.     

氧化镓异质集成和异质结功率晶体管研究进展

超宽禁带氧化镓(Ga₂O₃)半导体具有临界击穿场强高和可实现大尺寸单晶衬底等优势,在功率电子和微波射频器件方面具有重要的研究价值和广阔的应用前景.尽管Ga₂O₃材料与器件研究已取得很大进展,但其极低的热导系数和缺少有效的p型掺杂方法成为限制其复杂器件结构制备和器件性能提升的主要瓶颈.针对上述两大关键瓶颈,本文综述了利用异质材料集成的方法实现高导热衬底Ga₂O₃异质集成晶体管与基于p型氧化镍/n型氧化镓(pNiO/n-Ga₂O₃)异质结的Ga₂O₃功率二极管和超结晶体管的研究进展.采用离子刀智能剥离-键合技术实现的高导热衬底Ga₂O₃异质集成方案可有效解决其导热问题,碳化硅(Si C)和硅(Si)基Ga₂O₃异质集成晶体管展现出远优于Ga₂O₃     

宽禁带半导体掺杂机制研究进展

随着电子信息技术进入后摩尔时代,人们期望探寻一些新材料、新技术以推进半导体科学技术的发展.作为新一代战略电子材料,宽禁带半导体的技术应用近年来取得了飞速发展.宽禁带半导体的掺杂与缺陷调控是实现其重要应用价值的关键科学基础.本文主要介绍了我们和合作者近期围绕碳化物、氧化物、氮化物宽禁带半导体中掺杂与缺陷机理及性能调控展开的研究工作,具体包括:(1)探究4H-SiC中本征缺陷的电学和动力学性质,解释了实验上4H-SiC的有效氢钝化现象的内在物理机制;(2)研究In₂O₃中过渡金属元素的掺杂物理性质,提出了过渡金属掺杂的设计原则,并预测过渡金属Zr、Hf和Ta在In₂O₃中具有优异的n型特性;(3)采用轻合金化法调控Ga₂O₃材料的价带顶位置,并通过选取合适的受主杂质(如Cu_Ga),有望使(Bi_xGa_1–x)₂O₃合金成为高效的p型掺杂宽禁带半导体(4)...     

钼基碳掺杂二硫化钼电极的硫氧化反应性能

硫钝化是阻碍硫化物氧化反应(sulfur oxidation reaction, SOR)在硫锂电池、电化学脱硫、含硫污染物资源化等领域高效进行的重要因素.二硫化钼(MoS₂)因其优异的抗硫性和可调的二维层状结构而具有良好的SOR潜能,但其本征半导体性质限制了电子传递过程.本文报道了一种抗硫性钼基碳掺杂二硫化钼电极(Mo/C-MoS₂),通过碳掺杂使MoS₂电极具有接近热中性的硫吸附吉布斯自由能和快速转换多硫化物的能力,有效避免了硫钝化.实验结果显示, Mo/C-MoS₂能以0.37 V驱动SOR反应达到10 mA/cm²,低于Mo/MoS₂电极(0.41 V)和Pt电极(0.68 V),并在恒电位电解测试中保持16.5 h的抗硫钝化稳定性.透射电子显微镜(transmission electron microscope, TEM)、X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)、X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spe...     

ZnO基异质结紫外光发射器件研究进展

宽禁带半导体ZnO具有高达60 meV的激子束缚能,是一种极具潜力的短波长发光材料.在其p型掺杂存在巨大挑战的现状下,发展ZnO基异质结光发射器件不失为一种理想的选择.本文围绕p-n结型和MIS结型(金属-绝缘体-半导体)两类异质结构,介绍了ZnO紫外发光二极管(LED)和激光二极管(LD)的研究进展.针对ZnO异质结LED/LD存在的问题(如:发光效率低、稳定性差),重点介绍了通过引入ZnO单晶纳米线和金属局域表面等离激元,以及采用表面钝化等方法,改善器件性能方面的研究工作.     

BiVO4/TiO2制备与光催化性能的研究进展

目前针对TiO₂和BiVO₄的改性方法有很多,但是构建异质结是最为简单的一种优化措施之一. BiVO₄/TiO₂由于二者可以相互修饰,并且具有低成本、无毒、稳定的优点,被广泛应用于光催化领域.构建理想的BiVO₄/TiO₂异质结可以进一步推动复合材料在光催化领域的发展.本文首先从化学溶液法和物理沉积法出发阐述了常用的制备方法,主要包括水热法、溶胶凝胶法、原子沉积法、磁控溅射沉积以及脉冲激光沉积;基于此,介绍了BiVO₄/TiO₂在光催化降解、光催化分解水以及光催化还原CO₂中的应用及相关机理;然后,从质量分数比、晶面工程、形貌调控、助催化剂、元素掺杂等方面介绍了优化BiVO₄/TiO₂光催化性能的方法.通过对过去的相关研究进行整理与分析,旨在为BiVO₄/TiO₂这一类宽窄带隙半导体构成的复合光催化材料提...     

极化电荷设计调控纳米复合体系的能带结构

光生电子空穴对分离是光催化领域的关键过程和核心议题之一.本文聚焦新型光催化复合材料的设计和调控,系统地介绍了复合材料设计中通过体系能带结构的调控实现有效的电荷分离的常用手段,包括构建肖特基结、p-n结等异质结构和诱导界面电荷极化;包括构建三元复合结构ZnS-(CdS/金属),利用金属纳米颗粒修饰半导体CdS,调控CdS的能带结构,实现ZnS-CdS异质结从Ⅰ型到Ⅱ型的转化;通过在TiO_2-Ag_2S界面处复合Ag,调控体系的能带结构,设计出复合材料TiO_2-Ag-Ag_2S,实现Z-方案;设计了可以对太阳光进行全谱吸收的新型复合材料Cu2S-CdS-ZnS,并证实p-n结可以有效调控复合体系的能带结构.这些工作为纳米半导体复合材料在光电转换和光催化方面的发展提供了新的思路.     

重掺碳砷化镓的光致发光研究

异质结双极晶体管(HBT)利用宽禁带材料作发射区来允许基区重掺杂以减小基区电阻且不降低直流电流增益.基区重掺杂会干扰半导体的能带结构,从而影响器件的光学性质和电学性能.Klausmeier-Brown等通过电学测量已证实:由于基区重掺杂使得注入到AlGaAs/GaAs-HBT基区的电子电流显著增大,其原因归结为由重掺杂引起的禁带变窄使得n_0p_0乘积     

用平均键能确定异质结价带偏移的准确性研究

我们建议的以平均键能为参考能级的异质结价带偏移△E_v值的理论计算方法已在一系列晶格匹配的异质结的△E_v值的理论计算中获得比一般线性理论方法更准确的结果,几乎达到计算量极大的界面自洽计算方法(也称为非线性理论方法)的准确性.本文对于由AlAs和GaAs构成的AlAs/GaAs异质结的(110)、(111)以及(100)三种不同晶面的(AlAs)_3(GSAS)_3超原胞(简称SL_3),分别采用E_m为参考能级的方法和界面自洽方法进行了理论计算和比较,全面考察SL_3中的平均键能E_m对齐程度与界面结构、界面电荷转移及计算方案的关系,揭示以平均键能为参考能级的△E_v理论计算方法可达到界面自洽方法的准确性的主要原因.     

TFEL发光层体内的点缺陷及其作用

通过对薄膜的光致发光谱的测量 ,研究了分层优化的ZnS∶Er3 薄膜电致发光器件的发光层体内点缺陷的种类及其在禁带中的能级位置 .结果表明 :ZnS∶Er3 体内除了作为发光中心的替位铒离子ErZn外 ,主要的点缺陷是S空位VS、Zn空位VZn、浅施主ClS 和FS、深受主Cu 等 .S空位是双施主能级 ,V1 S 和V2 S 分别位于导带底 1 36和 2 36eV处 ;Zn空位是双受主能级 ,V1-Zn 和V2 -Zn 距价带顶分别约为 1 0 0和 1 5 0eV ;Cu 能级位于价带顶 1 2 6eV处 .另外 ,还讨论了上述点缺陷对薄膜电致发光的影响 .通过S空位的俄歇型无辐射能量转移 ,降低了稀土掺杂的ZnS薄膜电致发光器件的短波发射强度 ;ClS 和FS 的场发射及Zn空位的碰撞离化是发光层内产生空间电荷的两个可能的因素 .     

晶格匹配InAlN/GaN异质结Ti/Al/Ni/Au欧姆接触的温度依赖特性

在硅衬底晶格匹配In_(0.17)Al_(0.83)N/GaN异质结外延片上制备了Ti/Al/Ni/Au欧姆接触传输线模型测试结构,通过测试变温电流-电压特性研究方块电阻(R_(sh))和比接触电阻率(ρ_(sc))的温度依赖特性.结果表明:(1)沟道层的R_(sh)对温度呈指数依赖关系,幂指数约-2.61,主要由高温下半导体的晶格散射机制决定;(2)300~523 K的变温范围内,ρ_(sc)随温度上升呈先增大后减小的趋势;当温度低于350 K时,ρ_(sc)的温度依赖关系主要由TiN合金的类金属特性决定;而在更高的温度下,热场发射机制将逐渐占主导.基于以上2种模型的并联形式对实验数据进行了拟合,并分析了提取的重要物理参数.     

二维半导体材料的生长和光电性能研究

二维过渡金属硫族化合物纳米材料由于是不同带隙的半导体,同时有些在地球上储量丰富,受到人们广泛的关注.在本文中,介绍了用于二维材料场效应晶体管制备的光刻图形转移技术.该方法可以低成本、简单、有效地获得晶体管,同时对二维材料的损伤较小,可以获得高性能的二维材料晶体管;其次,介绍了Co掺杂MoS_2双层纳米片的生长及电学输运研究,可以通过控制生长过程中硫的浓度来改变纳米片的形貌,随着温度的升高,最终可以获得CoS_2/MoS_2六边形结构,电学测试表明Co掺杂MoS_2双层纳米片显n型,而CoS_2/MoS_2六边形结构具有很高的电导率;还介绍了垂直双层SnS_2/MoS_2异质结的气相生长及光电性能研究,这种异质结具有很大的带阶,能带结构呈现Ⅱ型,在异质结区域,出现了强烈的光致发光谱淬灭,这种异质结与相应的单体材料相比,具有增强的光电性能.最后,对二维材料的未来研究进行一些展望.     

4H-SiC MOSFET栅氧界面性能提升工艺

MOSFET器件是现代微电子学的关键核心器件之一,其应用范围从高度集成的CMOS芯片到高功率器件.目前, SiC MOSFET存在沟道迁移率较低、阈值电压漂移、栅氧介质在高温下的长期可靠性不足、体二极管正向导通状态下产生双极型漂移等问题.值得注意的是,其中众多问题都与栅氧界面缺陷有关.由于SiC/SiO₂界面缺陷的存在, SiC MOSFET器件的沟道迁移率被严重限制,栅氧化层的可靠性和阈值电压的稳定性也受到较大影响,导致其栅氧界面性能较差.为了改善这些问题,本文从退火、高k介质层的使用、栅氧化物掺杂、沟槽型MOSFET沟槽深宽优化四个方面,综述了提升4H-SiC MOSFET栅氧界面性能的制备工艺,从多个角度介绍了多种可行的方案,以期进一步综合提升4H-SiC MOSFET栅氧界面性能,使其更好地应用于电力电子系统.     

二维材料异质结的可控制备及应用

二维材料异质结是由石墨烯、六方氮化硼、过渡金属二硫族化合物、黑磷等二维材料通过面内拼接或层间堆叠形成的,并由此可分为二维材料面内异质结和垂直异质结.二维材料面内异质结可以实现区域内载流子的特殊传输行为;而垂直异质结中的层间量子耦合效应能够导致新颖的物理特性,通过调节异质结构界面可调制器件的电学及光学性能.目前,随着电子器件、光电器件等对集成性、功能性的要求不断提高,二维材料异质结越来越多地受到研究者的关注,实现二维材料异质结结构(包括界面)的有效调控是构筑高性能、高集成器件的前提.本文主要对比各类二维材料异质结的制备方法,介绍主流的几类二维材料异质结基电子器件和光电器件的结构、工作原理和性能,展望有前景的新型制备方法,并指出二维材料异质结在实际应用中面临的挑战.     

掺硅对封闭碳纳米管尖端几何及电子结构影响的第一原理研究

采用第一原理DMol方法研究了碳纳米管(CNT)尖端替代式掺Si对于几何结构及电子结构的影响. 计算结果表明掺Si引入掺杂态, 使管端整体局域态密度在费米能级附近有很大提高, 在管端形成利于电荷积聚的原子尺度尖区, 且发现加电场将使管端局域态密度图中的空态能级向费米能级以下移动. 基于本文的电子态密度计算可预期碳纳米管顶端掺Si有利于场致电子发射特性.     

新型半导体深能级掺杂机制研究

掺杂技术是现代半导体技术的核心之一.本文介绍了荣获2017年国家自然科学奖二等奖的项目,重点围绕宽禁带半导体材料、二维半导体材料的能带结构和器件,系统地研究了几类重要的半导体材料的深能级掺杂机制,并进行性能预测.主要创新工作包括:(1)提出了钝化共掺杂方法,增加了TiO_2的光催化效率;(2)发现了空穴导致非磁半导体中d~0铁磁性的新的物理机制;(3)为克服小量子系统掺杂瓶颈,提出通过共掺杂方法在材料中形成杂质能带,降低杂质电离能以提高载流子浓度;(4)对两类新型的二维半导体材料,即过渡金属硫化物以及石墨炔,发现了一系列新奇的物理现象和掺杂机理.这些工作对半导体掺杂理论的发展、新一代纳米器件和第三代半导体器件的结构设计以及性能预测将起到重要的指导作用.     

开路状态下平面异质结有机太阳能电池的数值模型

运用数值方法, 系统研究了开路状态下平面异质结有机太阳能电池受体层的最低未占据分子轨道(LUMO)能级和阴极Fermi 能级之间的势垒、给体层厚度和受体层厚度对器件内部载流子浓度、电场和电势分布的影响, 得到了载流子浓度、电场和电势分布随受体层的LUMO 能级和阴极Fermi 能级之间的势垒、给体层厚度和受体层厚度变化的定量关系, 这为以后的平面异质结有机太阳能电池开路状态下的实验研究提供了理论基础.     

纤维增强陶瓷基复合材料与金属钎焊研究进展

纤维增强陶瓷基复合材料在高温使役性能方面表现出超越传统陶瓷材料的优异性能，与金属的连接构件在航空航天、核能、化工等高温系统中应用潜力巨大。纤维增强陶瓷基复合材料与金属的连接技术被广泛研究，钎焊是实现二者连接的最佳选择。文章重点论述钎焊纤维增强陶瓷基复合材料与金属所面临的挑战和科学问题，列举C_f/C、C_f/SiC和SiO_2f/SiO₂三种研究最为广泛的纤维增强陶瓷基复合材料与金属的钎焊实例，讨论钎料润湿行为、界面反应调控和接头应力调节的最新研究成果。可靠连接技术的发展，将会推动纤维增强陶瓷基复合材料的研究和应用。     

硫掺杂对析氧反应催化剂表面重构的影响

<正>析氧反应(OER)是多种能源转换过程中的重要组成部分,例如电解水制氢、金属空气电池和二氧化碳还原等.然而,OER过程中缓慢反应动力学极大地限制了能量转换效率,因此需要高效的电催化剂来加快反应动力学.虽然贵金属基IrO₂和RuO₂是目前最有效的OER催化剂,但它们大规模应用受限于其高成本和储量稀缺.近些年来,过渡金属基电催化剂被广泛地用来替代贵金属基催化剂,     

基于MOF和激光的纳米金属冶炼及图案化

金属纳米颗粒具有其宏观块体材料不具备的物化性质,在能源环境、生物医药和光电传感等领域有着广泛的应用.传统的制备工艺往往难以同时实现金属纳米颗粒的图案化排列.金属有机框架材料(metal-organic framework,MOF),有规则排布的金属离子和有机配体,其结构和成分多样,结合激光相干性高,单色性以及高能量等特点,能实现MOF到金属纳米颗粒的瞬时转化,在激光扫描路径的引导下实现空间排布及图案化.本文总结了以MOF为前驱体,以激光为能量来源的金属纳米颗粒打印技术,快速制备不同种类的MOFs衍生纳米金属材料,包括金属单质(Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Cd,In,Bi,Pb)、合金(CuZn,CuPd,BiSb,FeNi,FeCo,FeCoNi,MnFeCoNiCu,MnFeCoNiZn)、碳化物(HfC,ZrC,TiC,V₈C₇,α-MoC,Cr₃C₂,FeC_x)、氧化物(Tb₂O₃)及碳材料,并实现其空间排列的图案化.同时,对...