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)...     

表面化学修饰调控无机二维纳米材料的磁性及其应用

无机固体材料中的电子自旋态是决定其磁学行为的核心因素,同时也是实现高效磁能转化和灵敏磁响应的重要基础.近年来,由于具有新奇自旋结构和维度降低带来的新奇量子态,二维纳米材料,特别是单层和寡层无机二维材料,其磁学性能引起了广泛研究,极有希望应用于下一代自旋电子器件中.二维纳米材料具有极高比表面积使得表面态非常重要,因而化学修饰策略能应用于调制其本征物性.本文概述了近年来发展的利用表面化学修饰对无机二维纳米材料本征磁性调控的系列进展,并基于此将该类材料广泛应用于磁电阻、磁热效应等.     

ZnO纳米结构及其在钙钛矿光伏电池中的应用

近年来,有机-无机杂化钙钛矿光伏电池取得了突飞猛进的发展,已成为光伏领域的研究焦点;其光伏性能的不断提高不仅与钙钛矿材料自身质量与光电特性的提升有关,同时依赖于载流子传输层的优化与设计.鉴于ZnO的优势和特性,本文聚焦于ZnO纳米结构设计及其在钙钛矿光伏电池中的应用,简述了ZnO材料独特的光电性质,总结了ZnO纳米结构的制备方法及合成原理;详细综述了不同维度ZnO纳米结构在钙钛矿光伏电池中的发展进程,着重阐述了化学掺杂、表面修饰、应力调控策略在ZnO基钙钛矿光伏电池性能优化方面的研究进展.本文系统总结了ZnO电子传输层的国内外研究现状、应用前景及发展趋势,为设计构筑高性能ZnO基钙钛矿光伏电池提供了重要的指导.     

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.     

不同元素掺杂的石墨烯量子点的光致发光行为

石墨烯量子点(graphenequantumdots,GQDs)作为一种新型石墨烯材料,具有许多优异的物理化学性质,尤其是其独特的光致发光(photoluminescence,PL)特性以及低毒性的本质,在生物成像以及医学分析等领域展示出很好的应用前景,但是目前制备的GQDs存在发光效率低、发光机理不明确、缺乏有效的发光调控手段等问题.为提高GQDs的PL性能和进一步明确其发光机理以及增加发光调控手段,本文以电化学法和水热法制备了GQDs以及Cl, N, P, S 4种元素掺杂的GQDs,通过X射线光电子能谱分析(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)、傅里叶转换红外光谱(Fourier-transform infrared spectroscopy, FT-IR)、拉曼光谱(Raman spectra)等测试手段,表征了不同元素掺杂的GQDs的元素组成和结构缺陷,分析了杂原子在GQDs中的位置以及成键模式.通过荧光光谱仪测试了其PL性能并分析了各种GQDs的发光增强和减弱机制.Cl以及N的掺杂能够形成发光中心,提高GQDs的发光强度,相比未掺杂GQDs,Cl-GQDs发光强度增加了1倍;S元素的掺杂则形成少量猝灭中心,发光强度较未掺杂GQDs略有下降;而P的掺杂形成大量猝灭中心,导致P-GQDs几乎无发光.     

阴阳离子共掺杂ZnO透明导电薄膜的研究进展

ZnO基透明导电薄膜具有成本低、环境友好、抗辐射能力强、对H等离子体耐受性好等优点,是金属氧化物半导体研究领域的一个极为重要的方向.目前,无论阳离子还是阴离子单独掺杂的ZnO透明导电薄膜在电导率、可见光透过率和热稳定性等方面依然不能完全满足光电器件的要求,为此人们开展了阴阳离子共掺杂ZnO薄膜光电性质的研究工作,取得了良好的效果.本文从理论和实验研究两方面,总结了阴阳离子共掺杂ZnO透明导电薄膜的最新研究成果,系统阐述了阴阳离子对ZnO薄膜的光学、电学和热稳定性的影响规律,分析了阴阳离子共掺杂ZnO研究所面临的问题和挑战,为相关领域的研究和发展提供借鉴和参考.     

二维过渡金属二硫化物的能带调控

二维过渡金属二硫化物(transition metal dichalcogenides, TMDCs)因其原子级平坦的表面、可调的能带结构等优势而在光学、电学、热学等领域受到广泛关注,并且为解决传统硅基晶体管尺寸进一步微缩面临的挑战提供了新的机遇.能带工程是调控二维TMDCs材料电子结构并研究其物理学特性的重要手段.本文从本征调控和外部调控两个方面综述了近年来二维TMDCs材料中的能带调控策略,主要包括本征层数调控、零维点缺陷调控(晶格空位构筑、掺杂/合金化)、施加应变、构筑异质结等.在现有研究成果的基础上,对未来的研究方向进行了展望.     

InGaN单结太阳电池中的浅能级杂质的理论计算和模拟

通过氢有效质量理论(HEMT)对In0.65Ga0.35N(高In组分,Eg=1.31eV)太阳电池材料进行分析,计算出其浅能级施主和受主的重要性质参数电离能:ΔED～10.8meV,ΔEA～90meV.在此基础上得到了室温条件下In0.65Ga0.35N的浅能级施主和受主强电离时的杂质浓度范围:施主9.56×108～4.57×1016cm-3,受主9.56×108～7.84×1016cm-3;并估算了产生杂质能带的最低杂质浓度:施主～1×1018cm-3,受主～5.79×1020cm-3.然后借助AMPS-1D软件对含有部分电离的浅能级施主、受主In0.65Ga0.35N单结太阳电池进行模拟,详细讨论了施主能级和受主能级对载流子的俘获对太阳电池效率的影响.本文结果为InGaN单结和多结太阳电池的掺杂(尤其是p型掺杂)和制备提供了理论参考和帮助。     

自组装低维无机/有机异质结纳米材料

一维有机-无机异质结纳米材料因自身具有突出的光学和电学的性能而备受关注.在这种异质结材料内部,有机和无机的组分相互作用形成多个功能界面.这种新材料不仅保留了原来单组分的本征特性,还会通过界面强的作用产生新的特性,真正实现"1+12"的协同性能.认识和解释分子自组装的控调规律;通过分子结构的裁剪和作用力的调控实现小尺度低维分子聚集态异质结构的大面积、高有序组装;理解分子聚集态尺度下分子间弱相互作用产生的协同驱动机制和通过杂化/异质自组装优化原有功能,获得新结构的分子低维聚集态结构并在分子自组装体水平上研究结构变化导向的特殊性质,对基础科学研究的发展具有重大的科学意义.在本文中,我们主要讨论了制备异质结纳米材料的方法以及这些材料在电子和光学领域的应用.     

用同步辐射XRF研究单晶硅中掺杂元素As的分布

半导体材料中掺入少量杂质元素可以改变材料性能,掺杂元素在晶体中的含量和分布直接影响材料的质量。电子技术的发展需要批量生产出高质量的各种掺杂的硅单晶材料,这就要求建立一种快速准确的分析测试手段与之相适应。 同步辐射X射线荧光(SRXRF)是80年代发展起来的一种新技术。同步辐射光源具有高     

自组装低维无机/有机异质结纳米材料简

一维有机-无机异质结纳米材料因自身具有突出的光学和电学的性能而备受关注. 在这种异质结材料内部,有机和无机的组分相互作用形成多个功能界面. 这种新材料不仅保留了原来单组分的本征特性,还会通过界面强的作用产生新的特性,真正实现“1+1>2”的协同性能. 认识和解释分子自组装的控调规律;通过分子结构的裁剪和作用力的调控实现小尺度低维分子聚集态异质结构的大面积、高有序组装;理解分子聚集态尺度下分子间弱相互作用产生的协同驱动机制和通过杂化/异质自组装优化原有功能,获得新结构的分子低维聚集态结构并在分子自组装体水平上研究结构变化导向的特殊性质,对基础科学研究的发展具有重大的科学意义. 在本文中,我们主要讨论了制备异质结纳米材料的方法以及这些材料在电子和光学领域的应用.     

锆与镁掺杂铝酸锶的应力发光与余辉调控

应力发光材料是一类可以在机械力作用下直接发光的智能材料.其中,铝酸盐具有出色的应力发光和长余辉性能,被广泛研究.本研究不同于以往主要关注应力发光或长余辉中的单一性质,而是系统探究了不同添加物对铝酸锶应力发光、光致发光、长余辉和应力长余辉的复合影响.结果表明,硼酸对发光强度的提升与掺杂离子的种类和浓度存在关联.此外, Zr掺杂能显著改善材料的烧结均匀性和发光均匀性,最佳掺杂浓度为2%,此时应力发光和长余辉发光强度分别提高134%和278%.在此基础上,共掺Mg会导致应力发光强度降低50%以上,但长余辉强度增加了100.76%,并伴随着吸光速率减缓.本研究还比较了6个样品的应力诱导余辉曲线,测得Zr/Dy共掺样品表现出极佳的应力长余辉,而去除10%Al原子的样品展现出极低的应力余辉,仅为3 s.共掺8%Mg将导致应力余辉在经过约2.5 s后便衰退至无明显应力余辉的曲线以下.     

低晶格热导率热电材料

热电材料能够实现热能和电能之间的直接相互转换，被视为具有广泛应用前景的清洁能源材料。热电材料的规模化应用主要受制于其较低的能量转换效率，因此提高材料的热电性能仍然是当前研究的重心。优化电输运性能和降低晶格热导率是提升热电性能的两条主要途径。相较于强关联的电导率和塞贝克系数，晶格热导率相对可以独立调控，因此如何获得低晶格热导率成为热电材料研究的热点。文章综述了利用晶体缺陷包括点缺陷、线缺陷、面缺陷、填隙原子等降低晶格热导率的方法及其声子散射机制，并对低维、低声速、低比热等热电材料的研究进展及其具有本征低晶格热导率的机制进行了介绍。     

低晶格热导率热电材料

热电材料能够实现热能和电能之间的直接相互转换,被视为具有广泛应用前景的清洁能源材料。热电材料的规模化应用主要受制于其较低的能量转换效率,因此提高材料的热电性能仍然是当前研究的重心。优化电输运性能和降低晶格热导率是提升热电性能的两条主要途径。相较于强关联的电导率和塞贝克系数,晶格热导率相对可以独立调控,因此如何获得低晶格热导率成为热电材料研究的热点。文章综述了利用晶体缺陷包括点缺陷、线缺陷、面缺陷、填隙原子等降低晶格热导率的方法及其声子散射机制,并对低维、低声速、低比热等热电材料的研究进展及其具有本征低晶格热导率的机制进行了介绍。     

立方氮化硼薄膜的织构生长

立方氮化硼(C-BN)除了具有一系列类似于金刚石的优异的物理化学性质,如高硬度(仅次于金刚石),宽带隙(E_g≈6.6eV),高的电阻率和高的热导率外,还具有一些优于金刚石的性质,如比金刚石高的热稳定性和化学稳定性,容易实现p型和n型掺杂(而金刚石的n型掺杂国际上至今尚未实现),与Si,GaAs更接近的热膨胀系数.因此,C-BN在力学、光学、热学、电子学等方面有着极其广泛的应用前景.其中最为诱人的前景是在电子学方面,首先作为一种易于p型,n型掺杂的宽带隙半导体材料,它可以应用于高温、高频、大功率、抗辐射电子器     

碳纳米管填充聚合物基导热复合材料的研究进展

电子器件的集成度不断提高,对相关的热管理系统提出了更高的要求.高导热材料在热管理领域起着重要的作用.高分子聚合物因其轻质、廉价、良好的绝缘性和加工性,已成为制备导热材料的热门选择.在聚合物中填充高导热的无机填料是提高导热性能的有效手段.碳纳米管是一种具有一维管状结构和优异热学性能的碳纳米材料,在填充型导热复合材料中具有广阔的应用前景.本文综述了以碳纳米管为导热填料提升聚合物基复合材料导热性能的可行措施,分析了碳纳米管的本征结构以及在聚合物基体中的分布状态对复合材料导热性能的影响.最后,总结了碳纳米管填充聚合物基复合材料研究中仍需解决的关键问题,并提出了未来研究方向.     

α-Fe_2O_3基纳米材料催化和气敏性质的研究

α-Fe_2O_3作为良好的气敏基体材料得到了广泛应用,而钙钛石型复合氧化物ABO_3(B为Mn,Fe,Co元素)被认为是优良的催化剂.遗憾的是,至今尚未有人对α-Fe_2O_3系纳米材料的气敏性能与其催化能力之间联系作深入的研究.我们采用共沉淀的方法合成了一系列碱土金属掺杂的α-Fe_2O_3纳米材料,初步探讨了晶粒尺寸、材料电导、催化性能与气敏特性的关系.     

MOF衍生N-CoFe-C@NF多级结构用于可充放锌-空气电池

锌-空气电池作为一种兼具成本低、容量高、环境友好等优点的高效储能器件,具有1084 Wh/kg的理论能量密度,甚至高于传统锂离子电池.锌-空气电池主要受限于其空气电极材料氧还原(ORR)和析氧反应(OER)缓慢的动力学,因此大量的研究都集中在如何优化其催化活性上.目前应用最广泛的ORR和OER的催化剂分别是Pt/C和RuO2,但是其高昂的价格和稀缺性使其应用受限.金属有机框架(MOF)是金属阳离子或阳离子团簇与有机配体配位形成的配位聚合物,具有高比表面积与结构可调控性等优势,经高温煅烧后可以获得结构各异且异原子掺杂(例如氮掺杂)的碳化物材料,展现了优良的ORR和OER催化活性,成为电催化领域的研究热点.类普鲁士蓝是一种典型的MOF材料,具有成分易调控、合成方法简单等优点.本研究通过氢氧化钴纳米棒的原位转化制备负载在泡沫镍上的钴铁双金属类普鲁士蓝,并以此为前驱体制备了氮掺杂钴铁双金属碳化物催化剂;使用扫描电子显微镜(SEM)、X光衍射(XRD)、X光电子能谱(XPS)等手段对样品进行表征;使用旋转圆盘电极、线扫描等测试材料研究其对ORR和OER催化性能的影响.结果表明,所制备的氮掺杂钴铁双金属碳化物催化剂具备较好的ORR和OER活性.在0.1 mol/L KOH溶液中, ORR半波电位为0.81 V; 1.0 mol/L KOH中, OER电流密度达到10 mA/cm~2时,过电位为300 mV.该材料作为空气电极催化剂组装锌-空气电池,开路电压为1.29 V,且具备较好的稳定性和循环性.     

锂离子电池硅酸盐正极材料的研究进展

聚阴离子型正硅酸盐材料由于其具有较高的理论容量、高安全性、环境友好和价格低廉等特点, 被认为是下一代锂离子电池理想的正极材料之一. 本文介绍了这种材料的结构及性能特点, 并针对材料存在的电导率低、稳定性差、阳离子易混排等缺陷, 从优化合成方法入手, 综述了不同合成方法以及烧结温度对材料性能的影响, 探讨了碳的包覆及复合、金属元素的掺杂以及特殊的介孔结构对材料物化性能的影响, 提出了锂离子电池硅酸盐正极材料未来的研究重点.     

用正电子湮没研究中子辐照Si

硅在能源技术应用中是很重要的材料,随着离子注入技术发展和对掺杂兴趣增加,了解由于粒子辐射而造成辐射损伤引起的空位与退火温度关系是非常重要的.在研究半导体缺陷中,正电子湮没方法是非常有用的方法,因为捕获正电子湮没的特性是受缺陷电荷影响,研究结果表明在半导体中,正电子能被辐射损伤缺陷所捕获.本工作是用正电子湮没寿命来研究经过中子辐照后的单晶硅,未退火及在400～1150℃范围内退火的空位变化情况,讨论了捕获模型.1 实验