来自于水和石墨烯间的能量

石墨烯材料在能量存储和能量转换方面显示出巨大的潜力,如电池、超级电容器、驱动器、产电器件等.其中,石墨烯基材料水力生电这一新能源的发现与开发成为近两年来的研究热点之一.本文总结了本课题组和国内外相关研究组在石墨烯组装和水力生电相关应用方面的重大进展,包括不同结构的石墨烯的组装和加工及其在水力生电、产能领域的应用,如湿气产电、水蒸发诱导产电、湿气响应驱动器等.本文旨在增强对水伏纳米器件的认识,希望对将来石墨烯基材料水力生电的研究有指导意义.     

分子凝胶的拓展研究:有序三维荧光传感薄膜和低密度多孔材料的创新制备

经过几十年的发展,分子凝胶研究取得了巨大的进步.然而,这些研究大多还停留在开发新的胶凝剂、发现新的凝胶体系和揭示新的胶凝机理.在未来的研究中,如何更好地发挥分子凝胶的优势,推进分子凝胶的现实应用已经成为该领域研究人员的共同期盼.考虑到:(1)有序或部分有序小分子胶凝剂三维网络结构的形成是分子凝胶赖以存在的基础,(2)内相多孔网状结构的存在有助于荧光敏感薄膜材料获得良好传感性能,(3)凝胶乳液的液-液两相特点有可能因凝胶作用的发生而转化为固-固(凝胶-凝胶)或固-液(凝胶-液)两相结构等因素,在过去的10年里,作者实验室将分子凝胶策略引入到新型荧光敏感薄膜材料、凝胶乳液和以凝胶乳液为模板的低密度多孔材料制备中,由此,获得了一系列性能优异的敏感薄膜材料和油水分离材料,拓展了分子凝胶研究.本文结合本课题组工作实际,阐述分子凝胶策略在功能表界面材料制备中的应用,提出分子凝胶拓展研究面临的主要挑战,展望分子凝胶拓展研究的前景和发展趋势.     

封面说明

正水是生命之源,也是地球上最重要的能量载体.水吸收了太阳辐射到达地表能量的近70%,并在水循环过程中演化为蒸发能、雨滴能、流动能、落水能、波动能等丰富形式.纳米材料可通过与水的相互作用将各种形式的水能转化为电能,相关现象称为水伏效应,它比传统水能利用技术更具发展潜力.近年来,基于纳米碳材料的水伏科学与技术发展迅速,所     

压力作用下Cassie状态的热力学稳定性

维持Cassie状态在压力作用下的稳定性在超疏水材料的实际应用中极其重要.通过将超疏水界面中的液-气界面部分规范为具有自适应性的曲面,建立了柱状阵列微结构的超疏水界面模型,研究了压力作用下Cassie状态的热力学稳定性.结果表明,由于微凸起结构之间悬挂液面能量的不同,Cassie状态有基态、低能态和高能态3种形式;压力驱动Cassie状态由基态向高能态转变过程中界面能量的升高会形成界面能量势垒,这一能量势垒决定了Cassie状态的热力学稳定性并阻碍Cassie状态向过渡态转变.界面能量势垒由前进接触角和界面中固-液接触面积分数决定,因此低表面能物质、分级结构、较低的固-液接触面积分数均可提高界面能量势垒,维持Cassie状态的稳定性.细化微结构尺寸能够降低Cassie状态的界面自由能,从而避免高能Cassie状态的出现和崩溃.     

低维自旋电子材料的理论设计与调控

自旋电子器件利用电子的自旋进行信息的传递、处理与存储,是未来信息技术的重要载体.低维体系具有显著的量子耦合效应,是研究电荷/自旋相互作用机制、发展纳米自旋电子器件的重要载体.由于缺陷、杂质、界面以及边界效应等提供的冗余自由度,使得长程有序磁性体系的制备、维护和调控远无法达到器件化的基本条件,寻找具有高居里温度、高自旋极化率等特性的低维材料是目前面临的挑战.基于密度泛函理论、热动力学模拟等第一性原理方法的计算结果,应用合适的物理统计模型,可以加深对低维材料结构-机制-性能的认识,为自旋电子学材料的发展提供理论支持,并通过应力和电荷掺杂,对低维材料的磁性进行调控.     

气-固界面吸附相变及润湿条件

为了探讨气-固界面吸附特征,结合重量法和光谱反射技术测量了不同压比下的界面吸附量,基于?等温吸附方程探讨了气-固界面吸附相变发生机理以及界面润湿条件.结果表明,采用?等温方程计算得到的吸附曲线与实验测量值吻合很好.当压比接近某一特定值时,界面吸附量急剧增大,直至趋于一个常数值.庚烷气体分子以团簇的形式吸附在硅界面上,当压比大于某一值之后,大分子团簇聚集,界面吸附发生相变,固-液界面取代固-气界面,形成性能均一的液膜,润湿界面.通过理论计算发现气-固界面张力随界面吸附量的增加而减小,且计算得到的界面润湿压比和实验测量值吻合.     

反应型固液界面能的理论表征与计算

反应型固液界面能和固体表面能的表征与计算是材料科学和表面界面科学领域亟待解决的问题. 本文从非平衡力作功出发, 建立了反应润湿体系表面能、界面能之间的数学关系, 所建立的方程是一个具有普遍意义的通式, 发现平衡态的Young方程是反应固液界面能量关系的一个特例. 研究表明, 非平衡状态下的固液界面能总是高于平衡状态的固液界面能, 证明了反应界面向平衡态界面转变是一个必然的自发过程. 通过有限固液界面润湿体系确定了固液界面能的数值范围为0 ≤ γ_sl≤ γ_lg, 给出了计算反应固液界面能和固体表面能的方法, 这一结果对研究材料复合、焊接、粉末冶金烧结、电子器件封装及金属冶金的表面与界面问题具有重要性.     

界面光蒸汽转化研究进展

光热转化作为一种太阳能利用方式,由于其相对高效、低成本的特点,一直以来被广泛关注与研究.近年来,界面光蒸汽转化作为一种新型光热转化机制,借助微纳结构材料设计及光学、热学有效调控,将太阳能充分吸收并将能量转化局域到气-液界面,从而使得光-蒸汽能量转化效率有效提高,并因此被认为是一种极具前景的高效太阳能光热转化途径.本文介绍了界面光蒸汽转化的相关机制,包括光吸收、热管理和水输送,并展示了通过一系列微纳结构材料设计来提高其能量转化效率的最新研究进展;随后介绍了目前基于界面光蒸汽转化的一些主要应用;最后对界面光蒸汽转化的未来发展方向进行了展望.     

基于纳米碳的水伏材料及其能量转换器件

如何收集和转化自然界巨大的水能资源是近年来研究的焦点.自碳纳米管被发现具有在流水中产生电信号的性质以来,以纳米碳为主的水伏材料因具有独特的"水生电"特性引起广泛的研究兴趣.水能资源具有采集难度低、存在范围广、储量丰富等特点,主要以液态水、气态水两种形式存在.碳纳米管、石墨烯等纳米碳材料通过双电层理论和电动理论捕获雨水、水流、波浪等液态水能,而具有多孔结构、高比表面积、氧浓度梯度的碳量子点、碳黑、氧化石墨烯等则利用其独特的结构,实现对气态水能的转化利用.本文系统总结了纳米碳材料将液态、气态水中蕴含的机械能、化学能转化为电能的研究进展以及其能量转换器件;阐述了不同纳米碳和相关器件对水能的转化原理,并指出了水伏材料与器件发展过程中需要面对的挑战以及可能的发展方向.     

低维材料中的缺陷效应与电子态调控

低维材料具有大的比表面积、独特的电子结构和优异性能,在新能源、信息等领域具有重要的应用前景.低维材料所具有的特殊电子态可以突破传统半导体材料的尺寸极限,是后摩尔时代重要的候选材料.如何有效地调控低维材料电子结构以满足特定功能的需要是实现这一应用的关键.本文从一维纳米管和二维层状材料中的"缺陷效应"出发,对我们课题组在低维材料电子结构调控方面的研究结果进行综述,揭示空位和吸附原子等点缺陷以及表面修饰和内部填充等对材料的电子结构、电子自旋极化和激发态特性的调控机制与规律,为低维材料在新型电子器件等领域的应用提供依据.     

热电材料中自旋轨道耦合效应对电输运的影响

自旋量子效应对材料电输运性质的影响,是一个物理和材料领域的基础问题。热电材料能够实现电能和热能相互转换,其往往含有重元素,自旋轨道耦合效应对电性能的影响不容忽视。自旋轨道耦合造成的Zeeman型能带劈裂效应降低能带带边的简并度和能态密度,对热电材料的输运性质不利;而自旋熵和Rashba型自旋劈裂效应对热电性质有益,其中的Rashba自旋劈裂效应能够产生新奇的低维化电输运。拓扑绝缘体中非平庸电子结构对电输运调控提供新的方向。     

介电/半导体复合薄膜生长控制

当前, 电子信息系统为了实现体积更小、速度更快和功耗更低, 正快速向微小型化以及单片集成方向发展, 其中的各种有源器件(主要为半导体材料支撑)和无源器件(主要为功能材料支撑)的集成尤为重要和迫切. 因此, 将具有电、磁、声、光、热等功能特性的介质材料(以极化为特征)与具有电子输运特性的半导体材料, 通过固态薄膜的形式生长在一起, 形成介电/半导体复合人工新材料, 这种复合薄膜将具有多功能一体化和介电-半导体异质层间电磁性能的调制耦合两大特点, 这些特征既为实现信息的探测、处理、传输、执行和存储等5种主要功能单元的单片集成提供了可能,又将长期以来人们追求单一材料的物理极限的研究转移到追求异质结构的复合效应中来, 这为研制更高性能的电子器件提出了新的思路. 结合当前国内外在介电和半导体复合薄膜生长的研究进展情况, 介绍和讨论了我们近期在氧化物介电材料与半导体GaN复合薄膜生长与界面控制方面的一些研究结果.     

二维材料限域水的扫描探针技术研究进展

界面水在自然界和工业发展中无处不在,其结构以及动态性质在众多的界面反应中起着重要的作用.因此,研究固体界面上水的微观结构和动态行为对理解水-固界面上诸多奇特的物理与化学性质十分关键.二维材料限域水是近年来新兴的一类界面水研究对象,即利用超薄的二维材料作为覆盖层,以扫描探针显微镜(scanning probe microscopy, SPM)技术对基底上的水分子进行表征,突破了长期以来SPM对界面水研究中易产生扰动的限制,开辟了在大气条件下研究界面水的新道路.本文简述了近年来SPM在二维材料限域水领域的研究进展,包括对限域水结构的成像、动态行为的探测、限域水的纳米操纵,以及限域水对上层二维材料性质的影响等,同时对二维材料限域水SPM研究面临的挑战和未来的研究方向,以及相关的应用前景作了展望.     

Yang-Mills-Higgs-Kibble系统的静态解

一、引言无质量的杨-米尔斯场在提供静态有限能量解上和与它相应的Abel场不同.这个情况当且仅当时空为5维时发生,这时这些解对应于等价的4维欧氏空间中存在着瞬子解.在最近的工作中,胡和生考虑了有质量Yang-Mills场中同样的问题,特别证明了在5维时不存在静态解.虽然,如所周知,从一个环路的水平出发,在质量趋向于零的极限时存在着不连     

主族层状低维半导体的偏振光探测器

偏振探测在成像、遥感和生物检测等领域具有非常广泛的应用.为了契合光电领域高度集成化的发展目标,偏振光探测器的器件结构需要跳出复杂的检偏器与探测器分离式结构模型,开发新型探测路线.对偏振光天然敏感的主族层状低维半导体可实现直接偏振光探测,实现探测结构的简化.基于Ⅳ族锗系和锡系的低对称性层状半导体在短波近红外具有较高的光响应以及偏振灵敏度,并且基于二维GeSe的偏振光探测器已经实现对近红外实物的二维式扫描偏振成像.基于Ⅴ族锑系和铋系的层状半导体在可见光波段具有较宽的光谱响应以及低的探测噪声,也已实现偏振成像.基于该两类主族层状低维半导体的偏振成像为未来偏振图像传感技术提供了一种简洁可行的思路.     

构筑晶格匹配牺牲层:制备高质量自支撑薄膜材料的有效途径

<正>自支撑型薄膜材料因其脱离衬底束缚而展现出物化性质均一、便于成型组装、避免界面缺陷等优异特性,在柔性电子器件、智能传感系统、能量储存转换、化学分离等领域表现出巨大应用潜力.目前已开发出的自支撑型薄膜的制备方法包括化学刻蚀、物理/机械剥离、界面合成、原位转化等.作为自支撑型薄膜材料的重要成员,自支撑型氧化物薄膜材料的主要制备方法为湿法制备,即基于水溶性牺牲层的外延生长、剥离和转移技术.     

湿气发电机的研究进展、应用和展望

随着化石资源的枯竭和环境污染的加剧,人类对绿色可再生能源的需求与日俱增.开发新型绿色能源是缓解能源危机的有效方法之一.水作为一种丰富的可再生资源,能够通过流动、蒸发、扩散等运动实现能量转换.水分子在地球表面的主要存在形式包括固态、液态和气态3种.为有效利用水资源,已制造出水力发电、潮汐能发电等使用液态水的大型设备.近年来,水分子与功能材料间的水伏效应掀起了对湿气发电的研究热潮.湿气发电机能够利用环境中的湿气能量产生电能,其过程主要包括电荷有效分离和载流子不对称运动.湿气发电机具有体积小、易制备、易集成等优点,能够从人体日常生理活动(如呼吸、出汗等)中收集能量并转化为电能,在便携式柔性电源和自供能传感器等领域具有巨大的应用潜力.本文总结了湿气发电机的基本原理、材料和结构设计方法及典型应用,并对湿气发电机的发展趋势进行了展望.     

电流变液研究进展

在电流变液发明后的70余年中,学者们相继提出了纤维理论、"水桥"理论、双电层理论和介电理论等传统理论模型.然而,力学性能较差,严重制约了电流变液的工程化应用.近几年,随着巨电流变液和极性型电流变液等低场高屈服强度的新型电流变液的发明,电流变液屈服强度均超过了100 k Pa,电流变液迎来了一个新的工业化应用契机.但是,电流变液的沉降性及再分散性等基础性和应用性问题仍然制约了其广泛应用.本文回顾了电流变液的成分、宏观性质、微观机制及其应用的发展,重点分析了巨电流变效应及其在智能微流控中的研究.总结了电流变液的研究现状及未来发展方向,其中对电流变液稳定性和服役与失效的研究将成为未来研究的主要方向.随着上述问题的解决完善将加速电流变液的工业化进程.     

二维过渡金属硫族化合物纳米异质结气体传感器研究进展

二维过渡金属硫族化合物(2D TMDs)在气体传感方向的应用中具有显著的"先天"优势,表现出如灵敏度高、响应速度快、能耗低以及能在室温下工作等诸多优点.相对单一的2D TMDs而言,基于2D TMDs纳米异质结的气体传感器展现出更加优越的气体传感性能.本文将系统总结2D TMDs纳米异质结气体传感器的研究进展,尤其是2D TMDs与金属氧化物、金属硫化物、碳基纳米材料以及量子点之间形成的纳米异质结设计、构效关系以及传感机理等关键科学问题.传感材料和传感机制上的创新对提升传感性能并拓展传感功能具有重要的科学意义.通过对纳米异质结气敏机理的深入探究,有望实现纳米异质结结构的人为设计和可控制备,提高室温下对目标气体的高灵敏选择性识别和检测.在纳米异质结的结构设计上,以TMDs材料为导电主体,在其表面生长各种纳米结构,通过对纳米异质结表面酸碱性、功函数、气体分子极性以及纳米异质结与气体分子之间的氧化还原反应性质进行调控,来构筑基于TMDs的纳米异质结.此外,控制负载在二维TMDs上纳米颗粒尺寸小于两倍电子耗尽层厚度,充分发挥纳米颗粒量子限域效应,以纳米颗粒充当传感的"天线分子"或"探针分子",实现对目标气体分子的高灵敏选择性识别和检测.     

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.