压致响应碳基晶体材料的设计与构筑

材料在压力作用下可出现不同的响应行为,如硬化、压缩性、光学性质改变等,依此设计出具有优异力学、机械以及发光性能的材料,是设计新型功能材料的重要途径。本文将介绍课题组近年来在新型压致响应功能晶体材料研究中取得的进展,基于碳及碳骨架分子,设计不同的碳基分子共晶,利用高压技术,设计构筑出系列具有潜在超硬特性、负体积压缩性的材料以及反常压力响应的发光材料。     

新方法合成的富勒烯硬度超钻石

<正>莫斯科理工学院、俄罗斯超硬和新型碳材料技术研究所(FSBI TISNCM)和密西根大学的研究人员采用一种新方法合成了超硬富勒烯材料,硬度超过钻石。详细的合成方法刊登在最新一期的国际学术期刊《碳》杂志上。合成的超硬富勒烯是一种由碳簇或由碳原子组成的球形分子构成的聚合物。研究人员指出,钻石已经     

一步法合成含Co磁性有序介孔碳

以resol型酚醛树脂为前驱体,F127为模板剂,采用简单的一步法制备了磁性有序介孔碳材料,并对所得材料进行X射线衍射、N2吸附脱附、透射电子显微镜(TEM)、磁性能表征。在较低的Co含量下,所得材料保持了良好的二维六方有序结构(p6mm),随着Co含量的增加,介孔材料的有序性逐渐降低。所得样品中磁性粒子是以Co单质的形式存在的,且少量磁性前驱体的加入能够提高介孔复合材料的比表面和孔容,但是前驱体的持续增加会导致所得材料比表面和孔容的降低。所得材料在室温下表现出软铁磁性,饱和磁化强度等磁性能参数可以通过Co含量的改变而改变。     

高比表面介孔碳的制备及其对溶菌酶的吸附研究

以间苯二酚-甲醛为碳源前驱体,正硅酸乙酯为硅源前驱体,嵌段聚合物F127(PEO106PPO70PEO106)为模板剂,在酸性条件下采用三组分共组装制备了具有介孔结构的碳硅复合材料.通过NaOH清洗去除硅元素可以得到具有更高面积和孔容的介孔碳.TEM和小角XRD结果表明,添加了正硅酸乙酯后所得介孔材料由有序结构变为无序蠕虫状.介孔碳材料的比表面积由389 m2/g增加到602 m2/g,孔容由0.45 cm3/g增加到0.58 cm3/g.所得介孔材料对溶菌酶的吸附量随着介孔材料比表面积和孔容的增加而增大.纯介孔碳的吸附行为符合Langmuir等温线吸附拟合,高比表面介孔碳的吸附过程符合Freundlich等温线吸附拟合.     

直流电弧等离子体喷射法制备氮化碳薄膜研究

以H2、N2和CF4气体为前驱体,用直流电弧等离子体喷射设备在不同基底温度条件下于钼/金刚石过渡层基底上制备了氮化碳薄膜.利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)对表面形貌和组织成分进行了表征.结果表明,当基底温度为900℃时,所沉积材料已初具晶型;所沉积材料含有α-C3N4和β-C3N4相成分.同时,提出在金刚石表面制备氮化碳时金刚石相刻蚀和氮化碳相生长同时进行的模型,较好地解释了不同基底温度条件下的膜材料沉积现象.     

介孔碳负载Ce-TiO2的制备及其光催化降解亚甲蓝性能

以Ce(NO3)3·6H2O、一水合柠檬酸、2-羟基对苯二甲酸、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、钛酸四丁酯为原料,通过水热法获得一种新型的Ce-Ti金属有机材料前驱体,将该前驱体在不同烧结温度下煅烧,获得一系列具有高比表面积的介孔碳负载Ce-TiO2新型催化剂.应用XRD、SEM、BET、TG、UV-vis DRS、UV紫外吸收等一系列手段对其进行了结构表征与性能测量.研究结果表明烧结温度在1000 ℃(CTOF-P10)的样品表现出良好的催化效果,其降解亚甲蓝(MB)的速率是商业型TiO2(P25)的2.15倍.引入Ce离子起到掺杂的作用,同时阻止TiO2晶粒的生长,也能抑制光生电子与空穴的复合,进而提高了光催化活性.     

反应烧结碳材料表面异质外延生长SiO2晶体的研究

利用高温反应烧结在不同结构碳材料表面热蒸发进行二氧化硅(SiO2)晶体的外延生长.采用X-射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和电子能谱仪(EDS)分析和研究了碳材料表面生成物的物相组成与显微形貌,探讨了SiO2晶体的外延生长机理.研究结果表明,不同结构碳材料表面能外延生长SiO2晶体,但形态不同.在碳纤维表面形成颗粒和短晶须状SiO2晶体,在石墨片上形成凸起团聚状SiO2晶体,而在金刚石表面首先形成了Si-O涂层,然后在Si-O涂层上生长棒状SiO2体.碳材料外延生长SiO2晶体是首先通过热蒸发法使Si沉积到碳材料表面,然后Si与体系中的O反应形成SiO2晶核,在不同结构碳材料表面生长SiO2晶体.     

甲烷流量对类富勒烯碳基薄膜结构与摩擦学性能的影响

以甲烷为前驱体,采用等离子体增强化学气相沉积( PECVD)技术沉积类富勒烯碳基( FL-C∶H)薄膜于单晶硅基底材料表面。利用高分辨透射电镜( HRTEM)和拉曼光谱仪( Ramman)对薄膜的结构形貌进行表征;通过原位纳米力学测试系统和摩擦磨损试验机分析比较薄膜在不同甲烷流量的情况下的力学特征及摩擦学特性。实验结果表明：所制备的碳基薄膜具有类富勒烯纳米结构特征,甲烷流量对类富勒烯碳基薄膜( FL-C∶H)的结构和性能具有较大的影响;薄膜的弹性模量、硬度以及薄膜中的类富勒烯结构随着甲烷流量的增加而减小,但是摩擦系数对甲烷流量的变化不敏感。     

“微距升华”晶体生长方法

随着功能器件向微型化发展,微纳米尺度的低维晶体成为构建新一代功能器件的材料基础。传统的体块单晶生长方法不适用于低维晶体。长久以来,对新型低维材料的研究依赖于机械剥离、溶液法和化学/物理气相沉积等方法,这些方法在效率、可控性和适用性等方面存在诸多限制,因此发展高效可控的低维晶体新型生长方法成为实现这些低维材料器件实用化的前提。山东大学晶体材料国家重点实验室陶绪堂、刘阳团队基于多年来在分子材料结晶基础方面的研究成果,发明了新的“微距升华”低维晶体生长方法。“微距升华”法利用原料与生长衬底之间的微小间距,可以在常压下实现常规物理气相传输中需要高真空才能够达到的分子流传输模式,使生长过程不再受传质限制,因此微距升华法无须真空和载气,速度快,原料利用率接近100%。该方法适用于大部分的有机半导体、金属配合物,甚至含有大量羧基、羟基的药物分子及熔点在一定范围内的无机物晶体,生长的微纳米晶体与电子器件制程匹配,屡次创新器件迁移率记录。新方法受到业界广泛关注,已被多国科学家采用。     

化学气相沉积法制备二维过渡金属硫族化合物研究进展

二维过渡金属硫族化合物(TMDs)是继石墨烯之后的新型二维材料，由于其自身的独特物理化学性质在半导体、光电材料、能源储存和催化制氢等方面备受瞩目。化学气相沉积(CVD)是目前适合实现大规模制备二维材料的工艺之一，制备过程中参数的高度可控性使其具有很大优势。本文综述了近期通过CVD制备TMDs的研究进展，探讨了在CVD制备工艺中各种参数对产物生长和最终形貌的影响，包括前驱体、温度、衬底、辅助剂、压力和载气流量等。列举了一些改进的CVD制备工艺，并对其特点进行了总结。最后讨论了目前CVD制备TMDs所面临的挑战并对其发展前景进行展望。     

拉伸载荷作用下含有裂纹缺陷的碳纳米管增强镁基复合材料应力分布分析

随着纳米电子时代的到来,具有优异性能的碳纳米管成为引起人们广泛关注.镁基复合材料是近年来发展较快的新型高强轻质复合材料.具有优良力学性能,硬度高,耐磨性良好.本文主要运用连续介质力学的理论研究碳纳米管,等效成连续介质里的类桁架结构的薄膜模型,单层石墨卷曲形成封闭的圆柱壳体,以解决碳纳米管增强镁基复合材料力学性能的计算.运用有限元软件ANSYS建立了含有裂纹缺陷复合材料模型,旨在研究裂纹缺陷在拉伸载荷作用下对复合材料的应力分布影响.分别选取无缺陷,镁基(竖向,横向,环向缺陷)模型.发现复合材料在受到拉伸载荷时,镁基(竖向缺陷)模型最易断裂,而镁基(环向缺陷)模型最不易破坏,无缺陷模型最不易屈服,而镁基(横向缺陷)模型最易屈服,且屈服应力最大值主要出现在复合材料交界处.     

用PECVD在低温衬底上制备类金刚石碳膜

本文报道用 RF PECVD在低温衬底上制备了类金刚石碳(DLC)膜.研究了氢稀释、气体压力和 RF 功率对薄膜性质的影响. 用光透射率、红外吸收谱和小角度X射线衍射谱分析了DLC膜的结构和光学性质.结果表明,这样制备的DLC膜是无定形态的,包含了大量的C-H键,具有良好的透明性.厚度为230nm的DLC膜在480nm后的可见光区和近红外区的透过率大于83;,所导出的Tauc光学带隙在2.7eV和3.7eV之间.本文还探讨了应用这种DLC膜作为二次电子发射材料的可能性.     

过渡金属轻元素化合物的高温高压制备

过渡金属轻元素化合物（TMLEs）由于具备高硬度，高熔点，优异电学、磁学、超导等性质受到广泛关注，是一类 具有优异力学性能的功能性材料。优异力学性能与功能性的结合使TMLEs成为极端环境下使用的特种材料。然而， TMLEs的制备往往需要高温高压（HPHT）极端实验条件来克服能垒。目前，已经有了大量HPHT制备TMLEs的报道， 然而，多数只关注产物的性质，对在HPHT下TMLEs的生长机制报道较少。因此，总结HPHT制备的TMLEs，分析TMLEs的晶体生长过程，对理解TMLEs的晶体生长机理、探究新型 TMLEs的制备具有重要意义。结合本课题组研究 经验及其他相关文献，总结了HPHT方法制备的过渡金属硼化物（TMBs）、碳化物（TMCs）和氮化物（TMNs）的晶体生 长情况，分别从起始原料、温压条件、晶体形貌等方面分析了TMLEs的生长机制。总结如下：通过原料配比和温度控 制是制备TMBs单一相的关键，提出硼亚结构单元是使TMBs形成台阶式生长模式的本质因素，碳源和氮源的选择决 定了 TMCs和TMNs的生长机制。同时提出，缺少利用HPHT制备TMLEs毫米级单晶的报道，限制了TMLEs部分本 征的性质探究；并且，新型高轻元素含量的TMLEs结构依然有待开发。随着人类对材料的要求越来越苛刻，以及TMLEs的不断发展，TMLEs将在未来特种材料领域具有不可替代的地位。     

Electrical and Optical Properties of Conducting Polymer and Carbons in Nano-Scale Periodic Structure and their Intercalation Effects

Abstract

Nano-scale periodic structures of conducting polymer and carbons, which were prepared by infiltration of polymers and carbons in nano-scale interconnected periodic pores in synthetic opals made of regular array of SiO₂ spheres and then removing SiO₂ by etching, have been found to exhibit novel electrical and optical properties. Their electrical and optical properties in thus fabricated conducting polymer and carbon replicas change drastically upon pyrolysis due to progress of carbonization and graphitization. That is, due to the changes in periodicity, pore size, carbonization degree and crystal structure, electrical conductivity, magnetoconductance and their temperature dependences and optical reflection spectra have changed drastically. These replicas with porous nature can be infiltrated and also intercalated with various materials, resulting in also remarkable changes of properties. The synthetic opal infiltrated with conducting polymer can be electrochemically doped, with which remarkable change of optical properties have been observed due to the shift of the diffraction peak accompanying with the change in refractive index. Alkali metal intercalated carbon and graphite with nano-scale periodic structures have been also studied. The applications of these nano-scale periodic structures of conducting polymer and carbon are also discussed.     

Preparation of mesoporous carbon/manganese oxide materials and its application to supercapacitor electrodes

By employing a new template method using surfactant/silicate solution template, highly mesoporous carbon/manganese oxide composite materials were prepared in one step and their performance as electrodes of supercapacitor was investigated. Because of the high dispersion of Mn oxide and well developed mesoporosity of carbon, a high specific capacitance and an improved rate performance were observed at the electrodes fabricated by Mn/carbon composite materials.     

Mechanical behaviour of highly porous glasses

The mechanical behaviour of highly porous glassy materials (pore volume higher than 85%) is investigated using Hg porosimetry. Because of the small pore size of these materials, Hg liquid cannot enter their porous network and consequently induces an isostatic pressure. Due to the high compliance of the solid network of these materials, compression results in the sample shrinkage. The experiments described in this paper show that an isostatic pressure applied to highly porous glasses induces an irreversible volume shrinkage which can be associated with an unexpected plastic behaviour and structure strengthening. The magnitude of the plastic shrinkage and the increase of the associated mechanical properties depend on the starting bulk density. The irreversible compaction can be explained by siloxane bond formation between clusters constituting the porous glasses, retaining the strained structure. This densification process could offer a new way to synthesise glasses at room temperature.     

Carbon nanotubes: Novel architecture in nanometer space

I describe here the basic structure of nanometer size tubules of graphitic carbon with the aid of high resolution transmission electron microscopy. The distribution of pentagons and heptagons on the hexagonal lattice of curved graphene sheets results in numerous morphologies in the closed cylindrical geometry of the tubules. The arrangement of hexagons on the tube surfaces follow helical patterns and the band structure is reported to change accordingly resulting in interesting electronic properties. The defect free structure of these nanotubules have been predicted to result in mechanically one of the strongest material in nature. All the more, the internal cavities of the tubules have been recently utilized for filling in different inorganic materials creating unique nano-composites. I review the recent developments on carbon nanotubes and discuss what potential awaits this material for possible future applications, considering the fact that bulk amounts of purified material is now available.     

使用ECR等离子体沉积和刻蚀非晶碳薄膜

用苯作源气体在一个微波电子回旋共振等离子体系统中沉积了含氢非晶碳薄膜,研究了沉积参数对膜的生长速率的影响.为了探索该种薄膜在干刻蚀工艺过程中用作掩膜的可能性,还研究了它在氧等离子体中的刻蚀性能.结果表明非晶碳膜对于氧等离子体具有高的抗刻蚀性,其刻蚀率不仅与刻蚀的过程参量有关,而且决定于膜的沉积条件.     

Novel solution routes of synthesis of metal oxide and hybrid metal oxide nanocrystals

Novel solution routes covering a wide range of processes like hydrothermal, solvothermal and supercritical techniques have been described in detail with reference to the processing of a wide range of advanced inorganic nanocrystalline materials and organic-inorganic hybrid nanocrystalline materials. The significance of the thermochemical calculations, in situ surface modification and the experimental parameters has been discussed. One step in situ fabrication of advanced functional nanocrystalline materials by soft solution processing has also been discussed briefly. Synthesis of nanocrystals of metal oxides and hybrid nanocrystals and also processing several nanocomposites like carbon nanotubes: metal oxide, activated carbon: metal oxide, etc. has been reviewed in relation to various process parameters. The effect of doping, size, shape and quality on the properties of nanocrystalline materials has been discussed in relation to the photoluminescence and photocatalytic characteristics.