固体-固体摩擦起电中电子转移研究进展

摩擦起电是指两个材料接触或摩擦后,电荷从一个材料表面转移到另一个材料表面的现象,距其被发现至今已有2600年的历史.然而,摩擦起电的机理却长期处于争论之中,其争论的核心是摩擦起电的载流子类型是电子、离子还是材料碎屑.最近,相关研究以摩擦纳米发电机和开尔文探针力扫描显微镜为手段,探索了固体-固体界面电荷转移的基本原理.研究结果表明,电子是固-固界面摩擦起电的主要载流子,发生电子转移的条件是两个原子的电子云发生重叠.本文主要阐述电子作为转移电荷主要载体的实验依据,对新提出的摩擦起电物理模型进行了解读.     

摩擦伏特效应

摩擦起电是一个普遍存在的现象,几乎发生在任何材料界面,其中半导体之间的摩擦起电具有独特的性质.当p型半导体在n型半导体表面摩擦时,两个材料界面在机械滑动的作用下发生化学键的断裂以及新化学键的生成,释放能量(简称键合子“bindington”)并激发半导体界面电子-空穴对.摩擦激发的电子-空穴对在p-n结处的内建电场作用下分离并产生直流电,这个过程与光伏效应类似,因此该现象被命名为摩擦伏特效应.摩擦伏特效应与光伏效应唯一的不同是摩擦伏特效应中电子-空穴对是由界面原子瞬时结合成键而释放的能量所激发,而光伏效应是由光所激发.本文回顾了近年来摩擦伏特效应研究的相关进展,总结了基于摩擦伏特效应的摩擦伏特发电机技术及其潜在应用.摩擦伏特效应作为半导体界面接触起电中重要的一环,对其研究不仅有助于深入了解接触起电的机理,还有望推动摩擦纳米发电机、半导体等研究领域的发展.     

液体-固体接触中界面电子转移的过程与EDL结构的两步走机理模型

液体-固体(L-S)界面科学是化学、催化、能源甚至生物学中最重要的表面科学, L-S界面双电层(EDL)的形成是由于在固体表面吸附了一层电荷,使液体中的离子重新分布.虽然人们总是假设固体表面最初便存在一层离子电荷,但这层电荷的起源与属性却没有得到广泛的探索,而最近的研究表明,在L-S界面电荷层形成的初始阶段,电子传递起着主导作用.本文综述了近年来在液体-固体接触起电中,包括液体-绝缘体、液体-半导体和液体-金属的电子传递方面的研究进展.考虑到L-S界面上电子传递的存在,重新讨论了EDL的形成,并展望了液液接触起电的模型.     

反应合成Ag(111)/SnO2(200)复合材料界面结构的DFT研究

根据 HTEM 原位观察的 Ag/SnO₂ 电接触材料的两相界面结构, 建立了 Ag(111)/ SnO₂(200)界面结构模型. 原子驰豫位移的计算结果显示, 驰豫引起界面原子严重错排, 破坏了点阵周期性排列. 界面区的O与Ag原子为达到稳定结构而彼此有靠近的趋势, 界面的结构驰豫是材料系统降低能量的一种方式. 界面附近态密度表明界面对材料的导电性有很大影响, 界面 O 原子的存在引起了材料导电性下降. 界面区域电子云和布居分析表明, 在Ag/SnO₂界面结构中未形成 AgxOy 化合物, 且界面会导致电荷分布不均匀, 在整个材料系统内形成微电场, 影响电子传输和材料的导电性. 计算显示 Ag(111)/SnO₂(200)界面结合较强, 界面结合能约为−3.50 J/m².     

功能树枝聚合物的应用

树枝聚合物是一类新型聚合物材料。树枝聚合物由芯、支化单元和表面组成，包含大量的空穴，具有高支化的3维结构和纳米尺寸以及独特的电、光、热、力学和流变性能。通过对树枝聚合物结构的功能化设计即在树枝聚合物的芯、支化单元和表面引入确定功能的基团，可使之具有催化、分子识别、能量和电子转移、氧化还原、吸热或放热受体等功能，具有可控制的溶液、热等性能和液晶态，并能广泛应用于电活性和电致发光器件，光化学分子器件(能量和电子转移，非线性光学)，太阳能电池，化学传感器，液晶显示，催化剂，超薄膜(层)，胶束与胶囊，生物医用和药用，分析和分离等领域。     

界面过渡层对非晶金刚石薄膜电子场发射性能的影响

在Au/Si和Ti/Si和Si 3种不同的衬底材料上 ,通过真空磁过滤弧源沉积技术制备了无氢高sp3 键含量非晶金刚石薄膜 (amorphousdiamond ,AD) .使用阳极覆盖有低压荧光粉的二极管型结构 ,对其电子场发射性能和荧光显示进行了研究 .测试表明 ,衬底过渡层对非晶金刚石薄膜的场发射行为产生重大的影响 .通过二次离子质谱 (SIMS)测试分析了AD/Ti/Si和AD/Si中界面的成分分布 .由于Ti和C之间的互扩散和反应 ,存在一定的浓度梯度 ,形成了衬底和AD薄膜之间良好的接触 ,有效降低了界面的接触势垒高度 ,使电子容易从衬底进入到AD薄膜中去 ,从而显著改善了AD薄膜的电子场发射性能 .在电场强度E =1 9 7V/ μm时 ,获得的电子场发射电流密度为 0 35 2mA/cm2 ,大大高于同场强下AD/Au/Si和Au/Si的数值 .     

体材料热整流模型中的界面热阻效应

基于傅里叶导热定律,两种具有不同热导率温度依赖特性的材料组合而成的复合材料可以实现热整流.但是,此前的研究者大多忽略了复合材料界面处的接触热阻.本文在此热整流模型中引入界面热阻,并分析其对热整流效率的影响.计算结果表明,在一定条件下,较小的界面热阻有利于提高热整流效率;但是界面热阻较大时,其阻碍热流的特点起主导作用,会降低热整流效率.     

双势阱铁电体的场致应变效应

基于德文希尔-朗道的唯象理论,用统计方法研究了四方相双势阱铁电体在电场作用下偶极子的极化和90°翻转产生的电滞回线和电致伸缩效应,用数值模拟的方法探讨了材料参量、偶极子耦合系数和温度对电滞回线和电致伸缩的影响规律,得到了有意义的结论:材料参量α_0/β越大,电滞回线的高度越高及蝶形回线电致伸缩的底部越宽;偶极子间的交换耦合系数越大,应变的蝶形回线越宽;温度越接近居里点,应变的两条回线在交点处分离得越开,证明了经验规律:电致伸缩系数与居里-外斯常数C的乘积为常数;上述规律能够合理地解释电致伸缩的相关实验结果.     

基于二维材料的压电光电子学器件

二维(2D)材料由于原子级超薄、可调带隙和优异的光电性质,在柔性光电子学领域有着巨大的潜力.利用应变诱导的压电势或压电极化电荷可以调控二维材料界面载流子的传输和光电过程,这种将压电、半导体特性、光激发三者耦合产生的压电光电子学效应推动了新型二维材料光电器件的开发,特别是压电光电子学增强的光电探测、光电化学、气体传感和太阳能电池等方向.本文简要综述了近年来二维材料在压电光电子学领域取得的研究进展,并对这一新兴领域未来的挑战和科学突破进行了展望.     

无机功能晶体材料的结晶过程研究

功能晶体材料作为光、声、电等转换的重要介质,已经被广泛应用于能源、信息、航空航天等高新技术领域,是目前国际材料科学与工程学科发展的热点和前沿课题.结晶过程是制备功能材料的核心环节,结晶习性直接影响材料的光、电、磁、催化等功能特性.在无机材料的结晶过程中,晶体组成在微观上经历了从自由态离子到结晶态固体的相变过程.可以借助晶体组成离子的电负性及基团微观对称性的变化,研究结晶过程中聚集体的形成和结构演变规律.利用分子振动光谱能够从分子尺度上揭示非线性光学晶体材料在水溶液结晶过程中结晶学结构的形成过程,克服了传统原位观测手段中缺乏对非长程有序结构的确定.利用结晶生长的化学键合理论从热力学和动力学两个方面指导大块晶体的生长实践,合理调控晶体的生长表/界面热力学和动力学.将结晶生长的化学键合理论应用到大尺寸晶体提拉生长参数的设计和优化,成功搭建了大尺寸晶体智能生长系统,并成功生长了φ2″蓝宝石晶体、φ3″YAG晶体和φ4″铌酸锂晶体.     

热释电光电子学效应

光探测器作为一种将光能转换为电能的电子器件,在军事医疗、遥感通信等方面被广泛地应用.当半导体材料中同时产生光电和热释电时,器件的输出电流及光照时的光响应度,探测率等性能有明显的提升.因此,基于热释电-光伏-半导体三者协同耦合产生的热释电光电子学效应被作为提升光电器件性能的一种有效手段,被应用在多个领域.当器件被光照射时,光感应产生的热释电势对器件接触界面的内建电场进行调制,从而改变载流子的传输过程,而不同类型的材料与半导体接触时形成的内建电场和热释电电势各不相同,因此产生的热释电光电子学效应也存在差异.本文首先介绍了热释电光电子学效应的原理,然后研究了不同类型的材料与半导体接触时产生的热释电光电子学效应对器件电学性能的影响,具体包括半导体与半导体、半导体与金属、半导体与有机物以及半导体与氧化物接触;此外,对提升热释电光电子学效应的方法进行了介绍,包括压电-热释电-光电、铁电-热释电-光电等多物理场协同作用,以及对材料进行掺杂等方法;最后对热释电光电子学效应面临的挑战及在未来的发展作了进一步的展望.     

基于Te-PEDOT:PSS复合热电材料的柔性压力/温度传感系统

随着人工智能技术的快速发展,面向人机交互技术的新型柔性传感器的需求与日俱增.柔性传感器作为智能机械手、仿生假肢手等仿生智能系统获取外界信息的重要媒介,对实现仿生触觉感知能力以及提升系统智能化具有重要意义.当前,如何通过材料与结构设计,研制具有多模态感知能力的柔性触觉传感器,已成为柔性电子领域关键挑战之一.本文采用水热法制备了Te-聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(Te-PEDOT:PSS)复合热电材料.通过将其与三维多孔密胺泡沫骨架复合,并浸涂聚乙烯醇(PVA)薄层进行封装,实现了具有高界面稳定性的复合敏感材料体系可控制备.由此所组装的柔性触觉传感器件兼具Te-PEDOT:PSS的热电性能与三维泡沫电极板的电容性能,实现了压力/温度在接触/非接触模式下的双模态感知能力.进一步将其与智能机械手联用构建了感知反馈系统,对其在触觉感知方面应用性能进行了探索.     

Science China Technological Sciences 2023年66卷第12期中文摘要

<正>电催化材料的再功能化设计思考张丹彤,彭超,薛冬峰电催化材料是新能源经济发展中的关键瓶颈.拓扑材料、磁性材料和稀土材料是电催化领域的新兴材料,已经被广泛应用于氮气还原、二氧化碳还原和水分解等领域.拓扑材料具有特殊的能带结构和几何结构,表界面差异性电荷输运结构也可以衍生出拓扑绝缘体、拓扑超导体和狄拉克金属等材料.磁性材料具有特殊的电子自旋劈裂式构型,不同自旋强度对中间体平衡吸附能力产生不同影响,且在外加交变电场、热场和磁场下,催化性能表现出明显差异.稀土材料具有独特的f电子巡游特性、宽泛的原子半径和独特的f轨道构型,通常在氧还原反应中具有明显优势.这些新材料在电催化领域的再功能化有望成为下一代新兴能源材料的引领者.     

交流光伏效应

以p-n结为代表的传统光伏效应产生直流电.除了直流光伏效应,本文介绍了自然界还存在另一种新型的遵循麦克斯韦位移电流模型的光伏效应,该效应被命名为交流光伏效应.在该效应中,当光周期性地照射在两种材料的界面或结区时,邻近界面或结区的材料的准费米能级会发生相对移动和重新排列,为了平衡准费米能级移动造成的电势失衡,电子将通过外电路流动,从而产生交流电.高开关频率下的交流峰值光电流可以比来自普通光伏机制的光电流高得多.交流光伏效应不仅可以用于远程无线电源,还可为高灵敏的宽光谱检测提供一种新方法.该效应是王中林团队于2020年首次发现的.     

粘结界面力学行为及其表征

胶接技术具有工艺简单、应力集中小、抗疲劳、耐腐蚀、密封性好等优点,在机械、建筑、电子、航空航天、医疗等诸多领域中广泛应用,但存在粘结强度相对较弱、界面强度影响因素较多等问题,故针对粘结界面力学行为及其表征技术开展研究具有重要的学术意义和应用价值.本文首先介绍粘结界面的破坏机理以及影响因素的相关研究,侧重于有关粘结界面强度和应力分析的理论和实验工作,然后针对粘结层存在一定程度的尺度依赖的现象,总结国内外在粘结层尺度效应方面的研究现状,最后介绍粘结界面在制备及服役期间可能产生的各类缺陷及其对粘结构件整体力学行为的影响.     

用于数字微流体器件的介质上电润湿(EWOD)液滴产生器

介质上电润湿(EWOD)是指通过在介质层下面的微电极阵列上施加电势来控制液体和固体介质层表面之间的润湿特性. 研制出了EWOD液滴产生器的原型. 它采用“三明治”结构: 液体被夹在上下电极之间; 下极板用硅作为微电极阵列衬底、低压化学气相淀积(LPCVD)制备的Si3N4薄膜作为介质层, 感应耦合等离子体化学气相淀积(ICP-CVD)制备的碳氟聚合物薄膜作为厌水层; 上极板是覆盖有厌水层的透明导电玻璃板. 为了得到产生液滴所需要的最小电压, 对液滴产生的过程和临界条件进行了理论分析. 在35V电压下实现了包围在硅油中的去离子水液滴的产生.     

小变形冷轧高纯镍三叉晶界退火行为原位研究

采用电子背散射衍射技术研究了厚度减缩量为5%小变形冷轧高纯镍三叉晶界在800℃的退火行为.结果表明:退火初期,在某些三叉晶界处、尤其是至少包含两条一般大角度晶界的三叉晶界处产生了再结晶晶核,这些晶核均与基体成1 1 1/60°取向差关系,关联界面均为非共格Σ3晶界;在进一步退火过程中,这些晶核中的大部分被其他快速长大的晶粒所吞并,此类晶粒是样品中的原有晶粒,它们通过形变诱发晶界迁移的方式快速长大,并在长大过程中激发出大量Σ3n(n=1,2,3…)等重位点阵晶界.分析认为,退火初期,小变形高纯镍三叉晶界处产生与基体成非共格Σ3界面关系的晶核只是起到了释放该处应变集中的作用,对进一步退火过程中晶界特征分布的演化没有本质影响.     

基于摩擦纳米发电机的自驱动植入式电子医疗器件的研究

心脏起搏器、脑起搏器、神经刺激器等植入式电子医疗器件的工作寿命受限于电池容量.为了解决植入式电子医疗器件的供能问题,本文设计研制出了一种可将器官运动的机械能(心跳、肺呼吸等)转化为电能的供能器件-植入式摩擦纳米发电机.此发电机为接触分离的工作模式,在外力的作用下使具有微纳结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜和铝片发生摩擦而产生电能.器件大小1.2 cm×1.2 cm,采用生物相容性良好的材料PDMS进行全封装.实验表明其体外开路电压和短路电流的值分别为12 V,0.25μA,峰值功率密度为8.44 mW/m~2.植入到小鼠左胸皮下位置开路电压和短路电流为3.73 V,0.14μA.将此发电机和电源管理系统集成后用于植入式电子医疗器件的能源供给,有望实现植入式电子医疗器件的自驱动.     

新型HfO2栅介质中的频散效应及参数提取方法

本文研究了原子层化学气相淀积ALCVD(atom layer chemical vapor deposition)方法淀积的HfO2/SiO2/p-SiMOS电容的电特性.高频时,积累电容出现了频率色散现象.针对双频C-V法测量超薄HfO2/SiO2堆栈栅MOS电容中制备工艺和测量设备引入的寄生效应,给出了改进的等效电路模型,消除了频率色散.研究发现,高k介质中存在的缺陷和SiO2/Si处的界面态,使高频C-V特性发生漂移.对禁带中界面态的分布进行归纳,得到C-V曲线形变的规律.研究了形变的C-V曲线与理想C-V特性的偏离,给出了界面态电荷密度的分布,得到了相对于实测C-V曲线的矫正线.通过比较理想C-V曲线和矫正线,提取了平带电压、栅氧化层电荷、SiO2/Si界面的界面态密度等典型的电学参数.     

不同合金元素对钛合金绝热剪切敏感性的影响机理

在相同的切削条件下对工业纯钛(TA2)和钛合金(TC4)进行切削试验,获得了不同形态的切屑.从价电子结构角度研究不同合金元素对绝热剪切敏感性的作用机理.研究结果表明,绝热剪切敏感性与界面电子密度和晶格电子密度有关,界面电子密度越大,结合强度越大,绝热剪切敏感性越高,晶格电子密度小,热导率低,绝热剪切敏感性亦高.TA2界面电子密度小,晶格电子密度大,绝热剪切敏感性低,切屑形态近似带状,TC4由于加入了合金元素Al和V,产生异相界面,界面电子密度增大,同时降低了晶格电子密度,使TC4有较高的绝热剪切敏感性,产生由绝热剪切带均匀间隔的锯齿形切屑.从价电子结构角度研究具体合金元素对绝热剪切敏感性的影响规律,可从一定程度上预测切屑形态,为设计、选择具有不同切削性能的材料,优化工艺参数提供参考依据.