紫斑环蝶鳞片的微结构及其结构色

紫斑环蝶(Thaumantis diores)是我国云南常见蝶类, 其翅膀表面分布着两种类型的鳞片, 呈覆瓦状排列, 均布于整个翅膀表面. 对扫描电子显微镜图片分析认为,Ⅰ类鳞片主要产生蓝色的结构色, 而Ⅱ类鳞片只产生黑色的化学色. 利用透射电子显微镜获得了两种鳞片的横截面结构. 用光子晶体理论解释了Ⅰ类鳞片结构色的产生原理, 将Ⅰ类鳞片的多层结构优化为一维的布拉格堆栈进行光学模拟. 用分光光度计测量了翅膀表面的反射率, 测量结果与模拟结果吻合. 当紫斑环蝶飞行时, 伴随翅膀的上下扇动, 表面的颜色不停地在结构色和化学色之间变换, 亮度也同时改变. 受此启发, 提出了仿生变色样品设计模型, 对视频隐身和其他的变色设计研究有着深远意义.     

磁性金属蝴蝶鳞片磁控光学响应效应

多种蝴蝶鳞片具有三维跨尺度的亚微米结构,可在不同方向上呈现不同颜色,表现结构色特征.为了充分利用这一天然构造,本文以蝴蝶鳞片为模板,通过化学原位合成法,在鳞片表面成功地镀覆一层磁性金属钴,使得蝴蝶鳞片兼具结构色与磁性特征.进而可通过外加磁场人工控制磁性金属鳞片的角度和方向,使其反射不同颜色的可见光.该结果可为具有自然生物体三维亚微米结构的新型"磁光开关"的设计提供新思路.     

蝴蝶翅膀表面非光滑形态疏水机理

利用扫描电子显微镜和视频光学接触角测量仪, 对我国东北地区典型常见的6科24属29种蝴蝶翅膀非光滑表面的形态、疏水性及疏水机理进行了研究. 鳞片表面由亚微米级纵肋及横向连接组成, 鳞片间距为48~91 μm, 长为65~150 μm, 宽为35~70 μm. 鳞片上亚微米级纵肋间距为1.06~2.74 μm, 高为200~900 nm, 宽为200~840 nm. 蝴蝶翅膀表面较强的疏水性(静态接触角136.3°~156.6°)是翅膀表面微米级鳞片和亚微米级纵肋结构协同作用的结果. 对Cassie方程进行了修正, 建立了新的数学模型及方程.     

两步氧离子注入工艺制备SOI材料研究

研究了200 keV注入能量下, 单步氧离子注入工艺制备SIMOX材料的剂量窗口. 在此基础上, 提出了一种第一步注入剂量为3.6×1017 cm⁻²、第二步注入剂量为3×1015 cm⁻²的改进型两步氧离子注入工艺, 用于制备高质量的SIMOX材料. 与单步氧离子注入工艺的剂量窗口相比, 注入剂量减少了18.2%. 采用椭圆偏振测试仪测量了所制备样品的埋氧层厚度及均匀性. 通过透射电子显微镜观察到无缺陷的顶层硅以及原子级陡峭的顶层硅/埋氧层界面, 表明两步氧离子注入工艺制备的SIMOX材料具有高的顶层硅晶体质量和剖面结构. 采用原子力显微镜对比研究了单步和两步氧离子注入工艺制备的SIMOX材料顶层硅/埋氧层界面形貌.     

超导磁通量子比特的制备及Al/AlO_x/Al隧道结特性参数

超导量子比特作为利用约瑟夫森结实现量子位的方案之一,具有易集成、易与外界耦合等优点.用双层光刻胶通过深紫外光曝光制备悬空掩膜结构,Al作为超导材料,采用电子束斜蒸发及静态氧化的方法制备了超导磁通量子比特样品.通过对Al薄膜厚度与平整度关系分析,选取60 nm作为隧道结底层Al厚度,增加蒸发源到样品衬底间的距离,提高了Al薄膜平整度,降低了隧道结漏电流.通过透射电子显微镜分析,观测到Al隧道结三层结构,并得到了势垒层厚度和氧分压的关系.     

简单湿化学法制备八面体Sb_2O_3纳米晶及其光学特性

在没有使用表面活性剂的情况下,采用简单的湿化学方法成功制备出八面体Sb2O3纳米晶.用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、傅立叶变换红外光谱(FT-IR)、拉曼光谱(Raman)以及光致发光光谱(PL)对所制备的八面体Sb2O3的物相、微结构和光学特性进行了表征.探讨了八面体产物形成的生长机理.与块体Sb2O3相比,样品的PL光谱呈现出蓝移.     

化学气相沉积法在Cu-Ni合金衬底上生长多层六方氮化硼

六方氮化硼(h-BN)由于其原子级平整的表面和宽带隙性质使其成为众多二维半导体材料理想的绝缘衬底.通常情况下通过化学气相沉积法在金属表面生长的h-BN表现出明显的自限生长效应,仅得到单原子层的h-BN.采用单原子层的h-BN作为其他二维半导体材料的基底对其下方衬底表面悬挂键及电荷的屏蔽效果有限,多层h-BN可以提高屏蔽效果.本文通过化学气相沉积法,采用生长-刻蚀-再生长的方案在铜镍合金衬底上成功制备得到多层h-BN晶畴,刻蚀过程使铜镍合金重新漏出,显著提高了下一阶段生长过程中多层h-BN的外延生长速率,通过该方案得到三角形状的多层h-BN晶畴尺寸可达10~20mm.同时,使用扫描电子显微镜、X射线光电子能谱、拉曼光谱、透射电子显微镜等一系列测试手段对多层h-BN表面形貌、化学成分及微观结构做了进一步表征.结果表明,h-BN中B 1s和N 1s的电子能谱峰值分别为190.4和397.8 e V,并且B和N两种元素的含量比为1.02:1;多层h-BN的拉曼光谱峰值位移在1365 cm~(-1),半高峰宽为18 cm~(-1);选区电子衍射结果说明,多层h-BN层间具有严格的AA′堆垛且每一层h-BN都具有相同的晶格取向.所有表征结果说明本文所得的多层h-BN单晶具有较好的晶体质量.     

三维氧化石墨烯气凝胶高效吸附与可见光光催化去除六价铬

三维气凝胶材料由于具有大比表面积和优异的光学、电学等性能,近年来引起研究者的关注.本研究以氧化石墨烯(graphene oxide,GO)为前驱体,结合交联法与超临界CO2萃取法制备了三维多孔和易于回收的氧化石墨烯气凝胶(graphene oxide aerosol,GOA).采用扫描电子显微镜、X-射线衍射仪、拉曼光...     

生物质基氮掺杂多级次孔碳材料制备及其锂硫电池性能

锂硫电池因具有较高的理论比容量和能量密度、价格低廉等优势,在动力汽车和大规模储能系统中有广阔的应用前景.发展锂硫电池,设计制备低成本和高性能的电极材料是关键.本文利用廉价生物质废弃物(虾壳)作为原料,通过简单、绿色的水热碳化和二氧化碳碳化/活化过程制备了三维氮掺杂多级次孔碳材料,并将其作为载体负载硫制备锂硫电池正极材料.该制备过程避免了传统活化过程中危险化学品的使用及活化后材料清洗的过程.水热碳化和活化步骤均对材料孔结构的形成具有重要作用.通过氮气吸附、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼(Raman)等表征方法对材料形貌、孔结构、功能基团等进行了深入研究.研究结果表明,得到的材料是具有高孔隙率的微孔-介孔-大孔碳材料,比表面积高达1190m~2/g.由于材料具有多级次孔结构,有利于硫的有效负载.同时,材料中的石墨氮可以提高材料的导电率,吡咯氮和吡啶氮在限制多硫化锂(Li_2S_n,4≤n≤8)中发挥了重要作用,从而使得材料在锂硫电池中具有较好的倍率性能和循环性能.另外,本文为生物质或生物质废弃物转化为功能多孔碳材料提供了一种新的绿色途径.     

流体剪切辅助超临界CO_2技术制备石墨烯

石墨烯具有的各种优异性能使其在新材料领域具有十分广泛的应用前景,但如何批量低成本制备高质量的石墨烯是实现其大规模应用前亟待解决的问题.本文采用流体剪切辅助超临界CO2剥离法,以石墨粉为原料成功制备出高质量的石墨烯.运用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)及拉曼光谱等技术对所制得的石墨烯进行分析表征,发现得到的石墨烯具有完整的晶格结构及很高的导电率,其中1~10层石墨烯含量达到90%以上.本技术有望提供一种清洁、高效制备高质量石墨烯的方法.     

射频等离子法PAN基预氧化纤维微观结构表征

采用扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、扫描隧道显微镜(STM)、X射线衍射(XRD)等技术, 在微米、纳米及原子尺度下对射频等离子法制备的预氧化纤维微观结构进行了表征. 首先将聚丙烯腈(PAN)原丝样品在富氧溶剂中浸泡并用射频电场极化, 然后在射频氧等离子体环境中进行预氧化. 与未浸泡处理且采用常规电炉法制备的预氧化纤维比较, 微米尺度下的SEM形貌显示, 这种预氧化纤维表面微纤间的皱褶较浅且较整洁圆滑, 径向结构的不均匀性得到改善; XRD计算结果表明, 石墨化度和微晶尺寸有所增大, 层间距则有所减小. 同时, 在纳米尺度下的HRTEM图像中观察到等离子法制备的预氧化纤维(002)晶面的晶格条纹和晶格边缘; 在纳米及原子尺度下的STM图像中探测到组成微纤的超微纤丝具有相互缠结、呈轴向伸展的左螺旋结构, 其表面原子具有取向排列趋势.结果表明, 该等离子法可使原丝内外氧化趋于一致, 有利于改善预氧化纤维的径向结构差异.     

光子学视角分析自然界中的生物结构色彩美

自然界中很多生物体呈现出五彩缤纷的生物结构色彩, 这是由于生物体的物理亚显微结构使光发生干涉、衍射或散射的光学效果, 是天然的光子晶体结构. 本文在生物结构实体测量与文献综合调研基础上, 归纳分析了蝴蝶翅色、鸟类羽色、欧泊宝石、贝类壳层、甲虫体壁等一些生物色彩形成的内因机制, 并分析了某些生物结构有利于自体生存的生理功能. 通过对自然界中某些生物结构色、形成机理及其应用研究, 可促进有利于人们生产生活的仿生科学技术的发展, 对制备新型光子晶体结构以及新型功能光子元件提供新思路.     

CaLaGa3O7:Dy3+荧光粉的光致和阴极射线发光性能

采用化学共沉淀法制备单一基质CaLaGa3O7:Dy3+白色荧光粉,借助场发射扫描电子显微镜(field emission scanning electron microscopy,FE-SEM),X-射线衍射(X-ray diffraction,XRD),激光粒度仪,光致发光(photoluminescence,PL)和阴极射线发光(cathodoluminescence,CL)光谱对其结构和光学性能进行研究.结果表明,样品由一些黏结在一起的近球形颗粒组成,有轻微的团聚现象,平均粒径约为1.0?m.Dy3+离子作为发光中心取代CaLaGa3O7晶格中的La3+离子,其对称格位为Cs.在紫外光和低压电子束的激发下,CaLaGa3O7:Dy3+荧光粉表现出Dy3+的特征发射(4F9/2-6H15/2跃迁和4F9/2-6H13/2跃迁),其最强发射峰为573nm(黄光).样品的色坐标均位于白光区域,并讨论了发光机理.此荧光粉可被应用于场发射显示器(field emission displays,FEDs)和白光发光二极管(light-emitting diodes,LED)中.     

离子液体为溶剂制备CMC/MWCNTs复合材料及其电化学性能

以羧甲基纤维素钠(CMC)和多壁碳纳米管(MWCNTs)作为原料, 采用离子液体溶解羧甲基纤维素钠制备CMC/MWCNTs复合材料. 通过使用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、高分辨 透射电子显微镜(HR-TEM)、X射线衍射仪(XRD)和电化学工作站对复合材料进行了结构表征和电化学性能分析. 结果表明, 以离子液体作为溶剂能够有效溶解CMC并使其较为均匀地包覆在MWCNTs的表面, CMC包覆层的厚度约5.4 nm; 用离子液体制备的CMC/MWCNTs复合材料对H₂O₂具有良好的电催化效果, 在循环伏安曲线图中出现了明显的氧化峰; MWCNTs的含量和超声时间是影响复合材料分散性和电化学性能的关键参数, MWCNTs的含量3 mg, 超声2 h时, 制得的CMC/MWCNTs复合材料具有最优的电化学性能.     

聚苯乙烯胶体晶体模板制备高质量的二氧化钛孔型材料

以聚苯乙烯微球胶体晶体为模板, 采用溶胶-凝胶的方法成功地制备出高质量的二氧化钛孔型材料. 通过严格地控制制备过程, 得到的大孔材料在厘米范围表现出一致的颜色. 扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)用来表征大孔二氧化钛薄膜的结构和形貌. X射线衍射仪(XRD)用来测定二氧化钛的晶型. 测试结果表明, 在合成的大孔材料中, 孔呈面心立方(FCC)结构的有序排列, 孔径大小均匀, 孔壁由晶粒直径约为12 nm的TiO₂粒子构成, 二氧化钛的晶型为锐钛矿相.     

CsPbBr3钙钛矿纳米片的制备及其发光性能

通过精确地控制在高温注入法中的制备温度和合成时间,利用高温注入法制备出了全无机CsPbBr_3钙钛矿纳米片(nanoplates,NPs),并将所制备出来的CsPbBr3钙钛矿纳米片用简单的溶液旋涂法和真空蒸镀的方法制备了以CsPbBr_3钙钛矿纳米片为钙钛矿发光层的发光二极管(light emitting diodes, LEDs).同时对CsPbBr3钙钛矿纳米片的结构、形貌和光学性能及以CsPbBr3钙钛矿纳米片为钙钛矿发光层的LEDs的光电性能进行了表征和分析.分析表明,利用经本文改良过的高温注入法可以获得尺寸均一的CsPbBr3钙钛矿纳米片,并且具有良好的光学性能.通过使用溶液法所制备出的以CsPbBr_3钙钛矿纳米片为发光层的LEDs器件的外部量子效率(externalquantum efficiency, EQE)为1.71%.     

锂离子在石墨烯材料中的嵌入脱出机制

采用还原氧化石墨法制备了石墨烯材料, 运用X 射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)、充放电、循环伏安和电化学阻抗谱(EIS)等对其结构、表面形貌和电化学嵌锂性能进行了表征. XRD, SEM 和AFM 研究结果表明, 所制备的材料主要为层数少于10 层的石墨烯材料; 充放电结果表明, 石墨烯材料电极具有较高的可逆容量和较好的循环性能, 但也存在较大的首次不可逆容量, 不可逆容量主要归因于首次充放电过程中石墨烯材料表面固体电解质相界面膜(SEI 膜)的形成和充放电循环过程中石墨烯材料的自发堆叠. EIS 结果表明, 石墨烯材料电极表面SEI 膜主要在0.95~0.7 V 之间形成, 测得锂离子在石墨烯材料电极中电化学嵌入反应的对称因子α 为0.446.     

化学气相渗透制备SiC_w/SiC层状结构陶瓷

提出了采用流延法(tape casting,TC)结合化学气相渗透法(chemical vapor infiltration,CVI)制备碳化硅晶须(SiCw)/Si C层状结构陶瓷的方法,分析了TC-CVI方法的特点,研究了制备工艺对层状结构陶瓷力学性能和微观结构的影响,探讨了SiCw/Si C层状结构陶瓷的强韧化机理.结果表明,TC-CVI制备方法一方面能够提高晶须体积分数,减少制备过程中对晶须的损伤并且致密化单层,保持整个制备过程中材料体积无收缩,从而有效地提高材料的强度;另一方面,TC-CVI制备方法能够较好地控制层内(晶须/基体)及层间(单层/单层)界面结合强度,进而提高材料的韧性.SiCw/Si C层状结构陶瓷中晶须含量可达40%(体积分数),其弯曲强度、拉伸强度和断裂韧性分别为315 MPa,158 MPa和8.02 MPa m1/2.层状结构陶瓷材料的单层厚度对材料致密性及层间界面结合强度产生显著影响;晶须表面状态对层内界面结合强度有重要作用.SiCw/Si C层状结构陶瓷充分发挥层状结构与晶须协同增韧作用,层间裂纹偏转,层内裂纹偏转、裂纹桥接和晶须拔出等为主要的增韧机制.     

热氧化溅射镀铜膜制备CuO纳米棒及其光致发光特性

CuO纳米结构的物理化学性质使其成为纳米光电子器件、气敏传感器和光检测器等微/纳米器件应用中的关键材料.虽然热氧化法具有简单、高效、低成本和大范围制备等优点,但加热导致的崩裂问题仍限制了其广泛应用,目前仍需发展可在不同基体(特别是半导体Si)上直接生长CuO纳米结构的制备技术.本文通过先直流/射频磁控溅射镀金属膜,再电场辅助热氧化法的方法,成功在Si基上获得了膜基结合力好的CuO纳米棒,使用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)分析了Cu膜和CuO的形貌和结构,并用荧光光谱仪测量了CuO纳米棒的室温光致发光性能.研究结果表明:直流磁控溅射获得了择优取向为(111)的柱状晶Cu膜,工艺改进后可完全氧化获得CuO纳米棒/CuO层/Si基的层状结构,其中纳米棒为单晶单斜CuO.本文还通过进一步添加Cr作为过渡层来改善膜-基结合力,解决加热Si-Cu膜时因热应力而导致的开裂问题.虽然射频溅射可在Si基底上获得细晶粒Cu膜,但热氧化后并没有获得一维纳米结构的氧化物.当以紫外光作为激发光源时,CuO纳米棒的发射峰主要为宽的390~470 nm间的深紫到亮蓝发光带,峰位的蓝移主要是源于纳米尺寸的下降.本文探究了CuO纳米棒的制备和光学性能,有助于设计和组装基于Si基-CuO纳米阵列的新型纳米器件.     

种子层对FeCoNd薄膜的磁性影响研究

采用磁控共溅射方法制备了不同种子层的(Fe10Co90)80Nd20磁性薄膜,研究了种子层对结构和磁性的影响.结果表明,对于相同厚度的薄膜样品,Ta为种子层的样品没有面内各向异性,矫顽力(Hc)达91Oe(1Oe=79.58A/m),表面磁畴为条纹畴结构,具有弱的垂直各向异性;Cu为种子的样品,Hc为30Oe,样品具有面内磁各向异性,各向异性场为60Oe,磁谱测量显示自然共振频率为2.7GHz.对样品进行真空磁场热处理后静态磁测量结果表明,Ta为种子层的样品的磁性及磁畴结构都没有明显变化;Cu为种子层的样品的Hc随退火温度的升高先减小后增大,表面磁畴由制备态的局域条纹畴变为连续的条纹畴结构.