灰锡自溶剂法Ba/Eu复合填充Ⅷ型Sn基单晶笼合物的制备及电传输特性

采用灰锡自溶剂法制备Ⅷ型Sn基单晶笼合物,并通过Eu对其进行掺杂.研究表明所制备样品均为空间群为I(4)3m的p型Ⅷ型Sn基单晶笼合物,Eu原子趋于取代Ba原子,且随着Eu元素起始含量的增加,材料晶格常数减小,熔点升高,较低的载流子浓度与较高的载流子迁移率使得材料Seebeck系数与电导率都有所提升,Eu起始含量x =0.50的样品其ZT值在480 K处获得最大值0.87.     

Sn自溶剂含量对Al掺杂Ⅷ型Sn基单晶笼合物电传输特性的影响

通过Sn自熔剂法制备了Al掺杂Ⅷ型Sn基单晶笼合物Ba8Ga10Al6Snx(x=40,50,60;Sn40,Sn50,Sn60),并研究Ba8Ga10Al6Snx单晶笼合物的结构和电传输特性对自熔剂Sn初始含量的依赖性.结果表明,Al的实际含量随Sn自熔剂含量的增加而基本保持不变,说明Sn的起始含量对Al在该笼合物中固溶度的影响较小;室温下Sn60样品的载流子浓度较高,这可能是因Al在笼合物Ga8 Ga16Sn30中的占位不同而导致费米能级附近能带色散关系发生变化所引起;另一方面,在300～600 K的温度范围内,获得较高功率因子的是Sn初始含量为50的样品,在488 K处获得最大值1.82×10-3 W·m-1·K-2;获得较低功率因子的是Sn初始含量为40的样品,而功率因子较低主要是由于该样品电导率较低.     

Sr2Si5N8∶Eu2+光物理性能及电子结构的研究

运用碳热还原氮化法(CRN)合成了Sr2Si5N8和Sr2Si5N8∶Eu2+粉体,所得到物相的XRD图谱显示,掺杂Eu2+后比掺杂前峰值向高角度方向偏移.荧光图谱显示掺杂后激发光谱处于紫外和近紫外光范围,发射光谱峰值处于红光处.利用第一性原理基于密度泛函理论的平面波赝势法计算了Sr2Si5N8与Sr2Si5N8∶Eu2+的能带结构与电子态密度,发现Eu2+的加入使得体系拥有了易于将能量以光子形式放出的直接带隙跃迁机制,并且使得整个体系带隙减小,结合实验结果,揭示了该体系材料的微观发光机理.     

Mg-Si-Sn-Bi材料退火过程中微结构演变与热电性能

利用单质粉末冷压成型及高真空500℃-2h烧结制备了Mg-Si-Sn-Bi材料,随后对制备材料在真空下600℃退火处理,并对制备材料的组成和热电性能进行研究.结果表明,500℃烧结材料仅仅由Mg2Sn和Mg2Si两相混合物构成.材料600℃退火,部分化合物分解,Sn和Si首先以单质形式存在;随后Si融入剩余的Mg2Sn结构中,形成Mg2(Sn,Si)固溶体;Sn以金属纳米尺寸状态存在;分解的Mg与真空石英玻璃管内残留的氧反应生成MgO相.而且,退火时间延长,Mg2(Sn,Si)固溶体和纳米尺寸的金属Sn含量增多.材料中Mg2(Sn,Si)固溶体含量越多,Seebeck系数绝对值越大;材料中纳米尺寸的金属Sn含量越多,电阻率越小.含有纳米尺寸金属Sn的Mg-Si-Sn-Bi材料因Seebeck系数绝对值大和电阻率小,具有较大的功率因子.     

硅基Ⅳ族SiGeSn三元合金晶格结构、电子结构和光学性质的第一性原理

SiGeSn三元合金由于具有较二元合金更大的晶格和能带性质调控范围,是当前用于制作硅基激光器的热点材料。为全面且精确地研究其晶格结构、电子结构和光学性质,本文采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,并结合准随机近似和杂化泛函带隙修正,首先研究SiGeSn晶格常数及其弯曲系数的变化规律,并给出了解决GeSn二元晶格失配和压应变问题的方案。其次比较研究了SiGeSn与GeSn合金的能带结构,并通过态密度计算分析了Si的引入对合金带隙变化的物理机制。最后比较研究了SiGeSn与GeSn合金的介电函数谱、吸收系数、消光系数、反射率、折射率和发射率等光学性质。结果表明,SiGeSn晶格常数弯曲系数的变化与合金电负性差值的变化规律一致,Si-p电子态是SiGeSn合金带隙变化的最主要贡献。相比于同Sn浓度的GeSn合金,SiGeSn能保持直接带隙特征,且其带隙值和光吸收波长呈现更宽的变化范围。因此在拓宽硅基高效光源和光电探测器应用波段方面,SiGeSn相较于GeSn合金具有更大的应用潜力和优势。     

Mg掺杂对CaMnO3基热电氧化物电子结构及电性能的影响研究

采用超软赝势密度泛函理论计算的方法研究了Mg掺杂Ca位CaMnO3基复合氧化物的能带结构、电子态密度和电荷分布状况,在此基础上分析了Mg掺杂氧化物的电性能.结果表明,Mg掺杂CaMnO3氧化物仍然呈间接带隙型能带结构,带隙宽度由0.756eV减小到0.734eV.CaMnO3氧化物和Mg掺杂CaMnO3氧化物的自旋态密度曲线极值点均位于为-0.8eV附近.Mg掺杂CaMnO3氧化物中Mn原子对体系费米面态密度的贡献有所减小,O原子和Ca原子对体系费米面态密度的贡献有所增大.Mg原子比Ca原子具有更强的释放电子的能力,Mg掺杂对于CaMnO3氧化物属于电子型掺杂.Mg掺杂CaMnO3氧化物导电性能增强,电性能提高.     

原子层沉积Sn掺杂ZnO薄膜结构及光电性能的研究

采用原子层沉积方法以臭氧为氧源,分别在Si和K-9玻璃衬底沉积Sn掺杂ZnO薄膜.系统研究了Sn掺杂浓度对ZnO薄膜成分、晶体结构及光电性能的影响.XRD分析表明:所制备SnZO薄膜具有垂直于衬底表面的c轴择优取向.XPS分析表明:在ZnO中掺杂离子以Sn4+形式存在.Hall分析表明Sn是一种有效的施主掺杂元素,其通过置换Zn2+位置释放导电电子.当Sn掺杂浓度为1.8at;时,Hall测试表明ZnO薄膜具有最低电阻率为9.5×10-4Ω·cm,载流子浓度达到最高值为3.2×1020 cm-3,进一步增加Sn浓度使得ZnO薄膜电学性能变差.SnZO薄膜在可见光区域的光透过率超过85;,光学带隙值由未掺杂ZnO的3.26 eV增加到5.7at; Sn掺杂时3.54 eV.     

Ag/Yb0.35Co4Sb12热电复合材料的制备及热电性能研究

方钴矿作为性能优异的中温区热电材料而备受关注,如何进一步提升其热电性能是目前研究的热点和难点.本文采用"熔融-退火"结合放电等离子烧结(SPS)的简易方法,成功的制备出了具有不同Ag含量的热电复合材料,并研究了Ag的引入对基体材料热电性能的影响.结果表明,由于Ag的引入,使得电导率(σ)得到显著提升;除此之外,方钴矿与Ag界面之间的能量过滤效应以及基体能带受到Ag的影响,使得赛贝克系数(α)绝对值得到了显著提高;热导率(κ)虽有小幅提升,但得益于高功率因子,最终使得Ag/Yb0.35 Co4 Sb12复合材料的热电性能得到了大幅度提高.特别是当Ag含量为0.5wt;时,热电优值(ZT)在800 K达到1.28,相较于基体提高了44.3;.     

Sr掺杂对Ca3Co4O9基材料热电性能的影响

采用溶胶-凝胶法,结合常压烧结工艺制备了Ca3-xSrxCo4O9(x=0～0.5)热电陶瓷材料,并对材料的热电性能进行了测试。结果表明,Sr掺杂对Ca3Co4O9基材料的热电性能有较大影响。随着掺杂量的增加,电导率逐渐增大,Seebeck系数略有减小。Sr掺杂能显著降低热导率,而且随着掺杂量的增加,热导率的下降幅度逐渐增大。Sr掺杂显著改善Ca3Co4O9材料的热电性能,当掺杂量为0.5时获得最佳热电性能,573 K时Z值达1.07×10-4 K-1。     

Ba掺杂Si 笼状化合物结构和电子性质的研究

利用第一性原理研究了Ba_8Si_(46)和Ba_8Ag_6Si_(40)笼状化合物的电子性质.对于Ba_8Si_(46),化合物中Ba原子5d轨道与Si原子3s,特别是3p轨道杂化,一方面导致了Ba_8Si_(46)在费米能级附近有很高的态密度,另一方面说明了笼内Ba原子和笼上Si原子之间存在耦合.对于Ba_8Ag_6Si_(40)分析结果表明,由于Ag的5s轨道向Si的3p轨道转移电子,导致Ag与Si原子间成键趋向离子键.带结构显示这两种化合物具有弱金属特征,但Ba_8Ag_6Si_(40)化合物与费米能级相交的带宽较大,预期这种化合物具有更好的导电性能.     

高性能GeTe基热电材料的研究进展

随着环境相容性的提出,热电材料除具有优异的性能外,还需要由环境友好型元素构成.GeTe具有无毒无害的特点,因而被作为理想的PbTe替代物广泛研究.近年来,研究者主要以掺杂方式对其进行改善,由于单掺存在局限性,双掺便成了主导,且Pb元素逐渐被Sb、Bi等代替.本文从GeTe的晶体结构及能带结构特点出发,总结了载流子调控、能带调控和结构调控3种优化手段.目前的GeTe热电器件主要以p型单臂为主,n型GeTe热电材料还需要深入研究,同时,解决相变引起的界面断裂问题也是该材料的发展方向之一.     

Si82笼状分子的第一性原理研究

本文构建了Si82笼状分子的具有C2v对称性的初始原子结构模型.采用基于密度泛函的第一性原理方法对其结构进行优化计算.研究发现:经过结构驰豫,Si82分子对称性从C2v下降为Cs,部分硅原子从顶点位置向内凹陷,导致键长和键角均发生变化.对Si82笼状分子的稳定性、轨道分布和电荷分布等性质进行了分析和讨论.     

Al掺杂Ⅷ型Sn基单晶笼合物载流子调制对其热电传输特性的影响

本文采用Sn自熔剂法,通过调节Ga的起始含量(Ba∶ Ga∶ Al∶ Sn =8∶x∶6∶50;x=10,20,30)实现对载流子进行调制,制备出具有p型和n型传导的Ⅷ型Sn基单晶笼合物,并对其结构和热电特性进行研究.研究结果表明,随着Ga起始含量的增加,Al在化合物中的固溶度减小,材料的晶格常数也随之减小;x=10的样品Seebeck系数全部为负值,x=30的样品Seebeck系数全部为正值,而x=20的样品在450 K后由于本征激发Seebeck系数显著降低,在550 K附近由p型传导转变为n型传导;室温下具有p型传导的化合物具有较高的载流子浓度,但其迁移率显著降低,从而导致其相应的化合物具有较高的电阻率,因此通过对Ga起始含量的改变能够对化合物的载流子实现有效调控;此外,在300 ～600 K内均具有p型传导的样品室温下的载流子有效质量较n型样品的高;通过估算的热导率κ、实测电阻率和Seebeck系数,计算出x=30的p型单晶样品在457 K处获得最大ZT值0.86.     

Sn1-xNxO2材料光电性质的研究

基于密度泛函理论的第一性原理,采用广义梯度近似(GGA)下的线性缀加平 面波(FP-LAPW)方法,应用WIEN2K软件计算了超晶胞结构Sn1-xNxO2材料的总态密度、能带结构和光学折射率及介电函数虚部.计算结果表明掺杂后费米能级向低能方向移动,随着掺杂量的增加,Sn1-xNxO2材料的价带和导带的分裂程度增强,禁带宽度逐渐减小,并且在1.35～ 2.50 eV的能量范围上形成了杂质带,其主要来源是N的2p态上的电子.分析Sn1-xNxO2材料的能带结构可知掺杂前后均是直接跃迁半导体,掺杂后其介电函数谱和折射率也与带隙相对应地发生红移,介电谱的跃迁峰与电子从价带到导带的跃迁有关,从理论上指出光学性质与电子结构之间的内在关系.     

PZT基反铁电材料研究进展

在综述Pb(Zr,Ti)O3(PZT)基反铁电材料的研制与性能研究进展的基础上,重点探讨了PZT95/5反铁电材料和在PZT基础上掺杂改性的Pb(Zr,Sn,Ti)O3(PZST),(Pb,La)(Zr,Sn,Ti)O3 (PLZST)反铁电材料.总结了利用La3+、Nb4+、Hf4+、Sr2+、Ba2+和Nd3+等离子对富锆PZT以及PZST粉体、陶瓷以及薄膜材料的掺杂取代改性研究.讨论了各类PZT基反铁电材料的铁电(FE)-反铁电(AFE)相变机理以及其场致应变性能.展望了PZT基反铁电材料今后研究与应用的发展方向.     

AgNW s/Yb0.3Co4Sb12纳米复合热电材料的制备及热电性能的研究

采用多元醇法和熔融淬火高温退火法合成银纳米线(AgNWs)和填充方钴矿Yb0.3Co4Sb12材料,采用超声分散法并结合等离子体快速烧结技术(SPS)烧结成AgNWs/Yb0.3 Co4 Sb12纳米复合材料.通过XRD和扫描电镜分析材料的物相结构与微观形貌,测量计算了不同AgNWs复合含量样品的电导率、Seebeck系数、热导率、晶格热导率和ZT值.发现了复合AgNWs可以很大程度地提高方钴矿材料的电输运性能,但也使得其热导率不可避免地升高.最终AgNWs复合含量为0.5wt;的复合材料热电性能最佳,达到850 K时的1.02.     

Na掺杂对TiO2基材料电子结构、电子迁移特性及光吸收性质的影响

在赝势法密度泛函理论的基础上,系统研究了Na掺杂对TiO2基材料电子结构、载流子迁移和光吸收性质的影响.纯的TiO2基晶态材料呈现宽的直接带隙,其带隙宽度达2.438 eV,Na掺杂降低了TiO2基晶态材料的带隙至1.976 eV.纯的TiO2电子主要形成五个能带,而Na掺杂TiO2主要形成七个能带.TiO2材料的载流子迁移率较Na掺杂TiO2材料高,而Na掺杂TiO2材料载流子有效质量较TiO2的高.Na掺杂在TiO2材料价带中引入空穴和新的能级.Na掺杂大大提高了TiO2材料的载流子浓度,Ti中的p态电子,Na中的p态电子和O中的p态电子在导电过程中起着关键作用.Na掺杂TiO2材料的低能量光吸收限降低.     

以1-(2-甲基-苯并咪唑基)-1,4,7-三氮杂环癸烷为配体的铜(Ⅱ)配合物的晶体结构和理论计算

以1,4,7-三氮杂环癸烷和氯甲基苯并咪唑为起始原料,一步反应合成了一种新的N-功能化的四齿配体,并用X射线衍射法测定了其铜(Ⅱ)配合物([CuClL]·[ClO4])的晶体结构.结果表明,该配合物由阳离子单元[CuClL]+和阴离子单元ClO4-组成,中心铜原子与一个氯离子、大环配体的三个氮原子和苯并咪唑基的一个氮原子配位,形成扭曲的四方锥结构.为了揭示配合物的配位性质与电子结构之间的关系,基于密度泛函理论,利用DFT-B3LYP/6-31G(d)研究了配合物的前沿分子轨道分布(HOMO,LUMO),Mulliken原子电荷和能带.计算结果表明,2-甲基苯并咪唑基侧基的N(4)原子比N(5)原子具有更强的电荷转移能力,因为N(4)的HOMO和LUMO组分比N(5)的大,证明了Cu和N(4)之间形成了配位键.此外,配合物的前线分子轨道能分别为-0.18722 a.u.(HOMO)和-0.10239 a.u.(LUMO).配合物的能级差ΔE(ELUMO-EHOMO)值为0.08483 a.u.,较小,说明其在光照条件下容易激发,不稳定.     

不同材料构成声子晶体带隙特性研究

基于平面波展开法研究不同材料构成声子晶体带隙特性.数值模拟得到碳散射体与不同基体材料构成正方形声子晶体XY模式的能带结构,环氧树脂基体与不同散射体材料构成正方形声子晶体XY模式的能带结构,正方形和三角形结构声子晶体Z模式的能带结构.结果表明增加散射体与基体的密度比,更容易出现带隙,三角形结构相比正方形结构更易形成较宽带隙.研究结论为声子晶体器件制作提供理论依据.     

光学浮区法生长Bi2Sr(Ca)2Co2Oy晶体及电输运性质研究

采用光学浮区法生长了层状过渡金属氧化物Bi2Sr2-xCazCo2Oy(x=0,2)晶体.通过XRD,SEM和TEM结构表征,表明了生长的晶体为层状晶体,并确定了晶体生长的方向垂直与c轴.研究了晶体的热电性能,包括Bi2Ca2Co2Oy和Bi2Sr2Co2Oy晶体ab面的Seeback系数和电阻率,表明了Bi2Ca2Co2Oy具有较好的热电势和电导,并分析了电输运性能与晶体失配结构的关系.