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Journal of Materiomics第三卷第四期新鮮出爐


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- 2018年4月24日07時26分
- 科學文摘 / 知社學術圈

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交流學術,偶爾風月


由中國矽酸鹽學會和Elsevier合作出版的英文期刊 Journal of Materiomics 已在ScienceDirect上發布了第三卷第四期。點擊文末「閱讀原文」可以自由獲取該專輯所有論文。

Journal of Materiomics將引領材料學科發展前沿,注重報導以材料設計、製備、表征及應用技術為主線的系統性前沿研究成果,特別關注以下幾個材料研究方向:

1)功能材料 (鐵電、介電、多鐵性、磁性材料、半導體材料、光電子材料、電子材料等);

2)先進能源材料 (太陽能電池、燃料電池、二次電池、儲能材料、熱電轉換、能源儲存及轉換等);

3)先進陶瓷及其複合材料等先進結構材料;


4)納米及低維材料,包括多尺度的材料模擬與計算材料學等。

Journal of Materiomics 第三卷第四期目錄:

大面積鈣鈦礦薄膜和太陽能組件研究進展

有機鹵化物鈣鈦礦材料因其獨特的理化性質,作為下一代太陽能電池的光伏半導體具有光明的前景。在過去幾年中,鈣鈦礦太陽能電池 (perovskite solar cells, PSCs) 在效率提高方面取得了巨大的進步。截至目前,PSC最高效率達到22.1%。然而,該效率只能在面積小於0.1

cm2的器件上實現。隨著器件面積增加到微型組件尺度,效率出現了大幅下降。其原因主要在於大面積鈣鈦礦薄膜質量控制不足,太陽能電池組件設計優化不充分。在目前的PSCs研發階段,研究者迫切需要克服這兩個障礙,鈣鈦礦太陽能電池這種新技術才能實現更大規模的產業化。本文中,我們概述了最近發展出的製備大面積鈣鈦礦薄膜和鈣鈦礦太陽能組件 (perovskite

solar modules,PSMs) 的方法。最後,我們還討論了PSM的成本分析和未來應用方向。

全鈣鈦礦多鐵隧道結綜述

多鐵隧道結是以鐵電材料為勢壘層,在其兩面夾以鐵磁電極的結構。這一概念雖然在十年前才提出,但是因其在多級存儲器和電場調控自旋電子學中的應用潛力,吸引了研究者的關注。本文綜述了全鈣鈦礦多鐵隧道結的研究進展。從隧穿磁阻,隧穿電阻和隧穿電磁阻效應的關鍵功能特性出發,探討了隧穿電阻效應的主要起因,在單個器件中實現多級阻態的最新進展,自旋極化的電場調控和通過隧道勢壘鐵電極化反轉的輸運特性。

氧化鋅光學微腔的紫外雷射行為

氧化鋅光學微諧振腔調製的紫外雷射器引起了廣泛的研究興趣。氧化鋅具有寬頻隙(3.37eV),高激子束縛能(∼60meV),是發展高質量微諧振腔和高效紫外-可見光電子器件的重要材料之一。本文綜述了ZnO光學諧振腔微雷射器的最新進展,主要包括Fabry-Perot模雷射器和回音壁模雷射器。詳細討論了不同形貌的ZnO光學微諧振腔的合成和光學研究。最後,我們認為今後的研究重點將包括新的納米技術和物理效應,如微納製造,表面等離子體增強和量子點耦合等,這可能會帶來新的有趣的物理現象。

具有高剩餘極化強度的鹼金屬鈮酸鹽陶瓷中納米晶的有序團簇

通過放電等離子燒結(SPS)的方式製備的無鉛鹼金屬鈮酸鹽Na0.5K0.5NbO3(NKN)陶瓷的鐵電剩餘極化強度得到了顯著的提升。在製備得到的陶瓷中,我們觀察到了三種不同類型的晶界:不同取向的晶粒之間的晶界、在單個晶粒中分割鐵電疇的疇界以及揭示單個晶粒中納米尺度的馬賽克結構的納米亞晶界。部分亞晶界來自於初始的粉末顆粒,其餘的亞晶界則來源於快速SPS燒結過程中納米晶的有序團簇。值得強調的是在塊體陶瓷燒結過程中,這種納米晶的有序化從開始到完成僅需數分鐘的時間。這些亞晶粒的特徵在高溫長時間燒結時則會逐漸消失。快速放電等離子燒結讓我們獲得了這種過渡態的微觀結構。納米尺度亞晶界的存在促進了鐵電疇形成和翻轉的動力學過程,使得NKN中的鐵電剩餘極化強度得到了顯著的提升。


通過納米尺寸的InSb實現晶界工程以獲得高性能InxCeyCo4Sb12+z方鈷礦基熱電材料

基於方鈷礦基的熱電半導體具有高轉化效率、儲量相對豐富以及組成元素無鉛等優勢,從而最有希望實現工業、汽車廢熱的回收利用。然而,在熱電材料能夠實現經濟效益,獲得廣泛應用之前,其轉化效率還需得到進一步的提升。在此研究中,通過全方位的合成方法製備了具有多種散射機制、高熱電性能的n型InxCeyCo4Sb12+z方鈷礦。本實驗採用熔融紡絲結合放電等離子燒結(MS-SPS)的方法製備了在晶界處具有納米InSb析出相的InxCeyCo4Sb12+z塊體合金。方鈷礦基體具有100-200納米尺寸的晶粒,同時5-15納米大小的InSb納米相均勻地分布在方鈷礦基體的晶界處。結合Sb亞點陣中存在的缺陷,這種多尺度的納米結構能夠非常有效地散射聲子,因此,InxCeyCo4Sb12/InSb納米複合材料具有極低的熱導率,在800K時具有超過1.5的高zT值。

主成分分析法增強電荷梯度顯微鏡對鐵電疇的成像效果

使用包括壓電力顯微鏡 (PFM),開爾文探針力顯微鏡 (KPFM)

等不同模式的納米尺度掃描探針可以對鐵電體中的局部疇結構進行廣泛的研究。但這些方法是准靜態的測量方式,並不能直接測量極化值,也不能捕捉疇和屏蔽電荷形核的快速動力學過程。在本研究中,我們使用電荷梯度顯微鏡(CGM)根據快速掃描過程中測得的電流對鈮酸鋰的鐵電疇進行成像,並應用主成分分析(PCA)來改善高噪聲原始數據的信噪比。我們發現CGM信號隨掃描速度呈線性增加,而隨著溫度的下降呈指數式下降,這與之前提出的疇內表面電荷刮擦和重新填充成像機制以及跨疇壁的極化變化一致。接下來,基於CGM成像,我們估計了自發極化和表面電荷的密度,與文獻數據處於同一數量級。研究表明,PCA是掃描探針顯微鏡(SPM)成像分析中的一種有力工具,通過PCA方法可以對高噪聲原始數據進行定量分析。

在高溫高壓條件下製備的TiO2-x的高熱電性能

我們採用了高溫高壓(HPHT)反應燒結的製備方法,並通過調節粗粒徑的Ti顆粒和納米TiO2的比例,製備得到了具有多尺度結構的TiO2-x。HPHT的製備方法也實現了常見的晶格缺陷調控工程。TiO1.76 的熱導率極低(1.60 W m−1

K−1),熱電性能得到了顯著的提高。相應地,製備得到的樣品實現了高的無量綱熱電優值(zT),在700攝氏度時達到0.33。據我們所知,這個數值與報導過的非化學計量比二氧化鈦的最高性能相比提高了43%,這個結果對於氧化物熱電材料來說也非常可觀。適中的功率因子,顯著降低的熱導率以及電性能與熱傳導之間顯著的協同作用帶來了優異的熱電性能。在本研究中,我們開創了一種簡便的製備多尺度TiO2-x的方法,同時展示了它在優化熱電性能方面的巨大潛力。

通過脈衝雷射掠射角沉積生長的SnSe薄膜熱電性能的提高

SnSe單晶已經被證明具有優越的熱電性能。在本研究中,我們展示了脈衝雷射掠射角沉積生長可以有效地控制納米晶SnSe薄膜生長時的晶粒尺寸。結構分析表明通過正常角度沉積的SnSe薄膜具有沿著a軸的擇優取向,而相比之下,以80°掠射角沉積的SnSe薄膜形成了納米柱結構,其生長方向朝向入射原子流。由於吸附原子的陰影效應,掠射角沉積能夠有效地降低薄膜的晶粒尺寸,使功率因子得到超過100%的顯著提升。最大的塞貝克係數及功率因子分別為498.5μV/K和18.5μWcm−1K−2。薄膜中晶粒尺寸降低,晶界增多,晶界處的勢壘散射使熱電性能得到提高。考慮到由於功率因子的提高,且納米柱結構的熱導率應該比平整的薄膜更低,所以採用脈衝雷射掠射角沉積生長的SnSe薄膜的zT值與相應的單晶薄膜相比會有顯著的提升,使其成為薄膜基熱電器件的理想候選材料。擴展閱讀歡迎廣大學者供稿,報導最新研究成果投稿、授權、合作事宜請聯繫


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