X/g-C3N4(X=g-C3N4、AlN及GaN)异质结光催化活性的理论研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,研究了单层g-C₃N₄以及X/g-C₃N₄(X=g-C₃N₄、AlN及GaN)异质结的稳定性、电子结构、功函数及光学性质。结果表明,X/g-C₃N₄异质结的晶格失配率和晶格失配能极低,说明X/g-C₃N₄具有优异的稳定性。与单层g-C₃N₄相比,X/g-C₃N₄的带隙均减小,态密度的波峰和波谷均大幅提高且出现了红移现象,处于激发态的电子数量增加,使得电子跃迁变得更为容易,表明构建异质结有利于提高体系对可见光的响应能力。此外,X/g-C₃N₄的功函数均减小且在界面处形成了内建电场,有效抑制了光生电子-空穴对的复合,这对载流子的迁移以及光催化能力的提高大有裨益。其中,GaN/g-C₃N₄的功函数最小,在界面处存在电势差形成了内建电场且红移现象最明显,可推测GaN/g-C₃N₄的光催化性能最好。因此,本文提出的构建异质结是提高体系光催化活性的有效手段。     

高密度闪烁体Nd∶GdTaO4和Nd∶LuTaO4发光跃迁强度计算

GdTaO₄和LuTaO₄是具有快发光衰减的新型重闪烁体。采用全谱拟合方法拟合了808 nm 激光二极管(LD)激发的M相Nd∶GdTaO₄和M′相Nd∶LuTaO₄的光致发光谱,给出了它们的跃迁强度参数A^k_t,p。在808 nm 激光激发下,GdTaO₄中Nd³⁺离子⁴F_3/2能级的上下两个晶场子能级的粒子布居数比例接近1,而在Nd∶LuTaO₄中则为1.30、1.41,表明在808 nm激光激发下,Nd³⁺的⁴F_3/2两个晶场子能级间的无辐射弛豫速率与激发速率相近。通过给出的跃迁强度参数A^k_t,p计算了Judd-Ofelt跃迁强度参数Ω_t,计算了Nd³⁺在GdTaO₄、LuTaO₄中的²P_3/2跃迁几率,表明GdTaO₄和LuTaO₄中Nd³⁺的数百纳秒发光跃迁是由高的无辐射跃迁几率导致的快发光衰减。     

稀土离子掺杂氟化物激光晶体研究进展

稀土离子掺杂氟化物晶体具有宽透光波段高透过率、低声子能量、长荧光寿命、负热光系数等优良特性,可以产生从紫外到中红外波段激光,是一类重要的激光增益介质。本文综述了本团队在稀土离子掺杂LiLuF₄、LiYF₄、BaY₂F₈、LaF₃、PbF₂、CeF₃等氟化物晶体生长、光学和激光性能等方面的研究进展,总结了稀土离子共掺敏化、退激活、能级耦合调控以及多离子发光等方面的研究工作,展望了稀土离子掺杂氟化物激光晶体的研究发展趋势。     

双钙钛矿结构Rb3GaF6∶Er3+,Yb3+的合成及上转换发光特性研究

双钙钛矿结构化合物具有化学稳定性高、声子能量低、易于稀土离子掺杂和多种可调变的晶体学格位等优点，是一种优良的上转换发光基质材料。本文采用高温固相法在600℃下合成了双钙钛矿结构Rb₃GaF₆∶Er³⁺,Yb³⁺上转换发光材料，并采用X射线粉末衍射仪(XRD)、场发射扫描电镜(SEM)和荧光光谱仪对其成分、结构和发光特性进行系统表征。在980 nm激发下，制备的样品在521和548/561 nm处产生的绿光发射分别归因于Er³⁺的²H_11/2-⁴I_15/2、⁴S_3/2-⁴I_15/2能级上的电子跃迁，同时在656 nm处产生的红光发射对应于Er³⁺的⁴F_9/2-⁴I_15/2能级上的电子跃迁。此外，本文...     

(La0.95Eu0.05)F3纳米晶的自牺牲模板法合成及其下转换发光性能研究

利用自牺牲模板法以一种新型稀土层状化合物(La_0.95Eu_0.05)₂(OH)₄SO₄·2H₂O为模板成功合成出(La_0.95Eu_0.05)F₃纳米晶并研究其下转换发光性能。采用X射线衍射仪(XRD)、傅里叶红外变换(FT-IR)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)及荧光光谱仪对合成产物的物相和荧光性能进行表征。XRD及Rietveld精修结果表明以稀土硝酸盐和硫酸铵为原料在100 ℃、pH值为9.5的条件下反应24 h可得到稀土层状化合物(La_0.95Eu_0.05)₂(OH)₄SO₄·2H₂O模板。自牺牲反应过程中,当模板中稀土离子与氟化铵中氟离子摩尔比为1∶3和1∶5时,在180 ℃下水热反应24 h可成功合成(La_0.95Eu_0.05)F₃纳米晶。荧光光谱分析表明,(La_0.95Eu_0.05)F₃荧光粉在395 nm的紫外光激发下,分别在591 nm(⁵D₀→⁷F₁跃迁,高强度)、618 nm(⁵D₀→ ⁷F₂跃迁,中等强度)和692 nm(⁵D₀→ ⁷F₄跃迁,低强度)处显示下转换发射。所得荧光粉的色坐标为(0.52,0.45),橙红光。荧光粉的主发射峰呈现单指数衰减行为,拟合后发现其荧光寿命约为14 ms。     

磁性羟基磷灰石晶须的制备及其在磁场下的磁响应行为研究

羟基磷灰石晶须(HAw)的定向是设计和开发生物陶瓷的关键之一。本研究采用水热法将磁性纳米粒子四氧化三铁(Fe₃O₄)负载到HAw表面，成功制备出具有优良磁响应特性的磁性HAw复合材料，系统研究了磁化HAw的理化性能、生物学性能并探究了其在弱磁场中的取向行为。结果表明四氧化三铁(Fe₃O₄)纳米粒子被成功负载到HAw表面，所制备的磁化HAw在室温下具备超顺磁性，且具有良好的磁响应特性，仅通过常规的永磁体就可以实现操控。结合磁场诱导注浆成型技术，由外部磁场施加的对准方向被有效固定。CCK-8实验结果表明磁化HAw不具有细胞毒性。     

不同晶体结构Gd2(MoO4)3:Eu3+荧光粉的合成及其发光性能研究

采用溶胶凝胶-燃烧法,柠檬酸为络合剂合成出系列Gd₂(MoO₄)₃:Eu³⁺荧光粉.利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和荧光光谱对样品的结构、形貌和发光性能进行了研究.XRD分析表明:稀土离子与柠檬酸为1:0.5时,800℃热处理获得单斜结构的Gd₂(MoO₄)₃:Eu³⁺荧光粉.单斜结构的Gd₂(MoO₄)₃:Eu³⁺荧光粉到正交结构的Gd₂(MoO₄)₃:Eu³⁺荧光粉的转换可以通过改变稀土离子与柠檬酸摩尔比和热处理温度等合成条件实现.Gd₂(MoO₄)₃:Eu³⁺荧光粉的形貌受合成条件的影响.荧光光谱研究表明:Gd₂(MoO₄)₃:Eu³⁺荧光粉的主发射峰位于616 nm处来自于Eu³⁺的⁵D₀→⁷F₂电偶极跃迁.正交结构的Gd₂(MoO₄)₃:Eu³⁺荧光粉发射强度明显高于单斜结构的荧光粉.计算⁵D₀→⁷F₂与⁵D₀→⁷F₁跃迁发射的相对强度比值表明:正交结构的Gd₂(MoO₄)₃:Eu³⁺中Eu³⁺局域环境的对称性较高。     

稀土掺杂萤石结构卤化物晶体团簇结构研究

稀土掺杂萤石卤化物在国民经济、国防建设等领域发挥着不可替代的作用。萤石卤化物特殊的晶体结构导致稀土离子团聚，目前针对稀土离子团聚的系统研究还比较少。本文以稀土掺杂萤石卤化物为研究对象，采用第一性原理计算系统研究了从稀土离子单体到高阶团簇的结构特征、演变规律、联系及其影响因素。研究发现，稀土离子单体中心1|0|0|1₁(C_4v)和1|0|0|1₂(C_3v)稳定性随离子半径变化而改变，且不同晶体的变化趋势不同，与晶格畸变分析结果一致。晶格畸变与库仑作用相互耦合决定了电荷补偿间隙卤离子的占位倾向性，即C_4v和C_3v中心的相对稳定性。此外，共价效应使得PbF₂和SrCl₂晶体单体中心结构及其稳定性与CaF₂、SrF₂和BaF₂不同。研究还揭示了晶体离子性和晶胞尺寸对单体中心能量差斜率的影响。文中还研究了稀土离子高阶团簇的结构，其稳定性演变规律与单体中心相对...     

A7MIIRE2(B5O10)3系列紫外非线性光学晶体的研究进展

稀土硼酸盐非线性光学(NLO)材料由于其在激光技术领域的重要应用而备受关注,这主要是因为三价稀土离子如Y³⁺、Sc³⁺、Lu³⁺等可以有效抑制d-d和f-f电子跃迁从而扩宽化合物的透过范围,同时稀土原子与氧原子结合成畸变的多面体可增强材料的非线性光学效应。A₇M^IIRE₂(B₅O₁₀)₃系列(RE为稀土金属,A为碱金属、M为二价金属)化合物是稀土硼酸盐中一类重要的材料,其A、M以及RE位点具备灵活的占据方式,近年来得到了广泛关注。通过化学元素取代法,研究者们对该类化合物的种类进行拓展,目前已经合成出数十种属于该体系的化合物。这些化合物的截止边大多处在紫外甚至是波长小于200 nm的深紫外波段,非线性光学效应为0.4~2.1倍KDP,在紫外以及深紫外波段非线性光学领域中展现出了应用潜力。本文对其研究现状进行了总结,分析了其微观结构与光学性能之间的关系,并指出不同位点组分对材料非线性光学性能的影响,以期对此类化合物今后的发展提供参考。     

Mn掺杂LiNbO3结构ZnTiO3的磁性和光电性质的第一性原理研究

采用密度泛函理论计算了Mn掺杂LiNbO₃结构的ZnTiO₃(LN-ZnTiO₃)的磁性和光电性质。计算结果表明Mn掺杂LN-ZnTiO₃倾向占据Zn位,形成稳定的3d⁵电子构型。Mn替代Zn位掺杂可以为LN-ZnTiO₃提供较大的局域磁矩,约为5 μB。同时在价带顶附近形成明显的Mn-3d和O-2p轨道的受主能级,降低了材料的带隙,促进可见光的吸收。在LN-ZnTiO₃中掺杂Mn可以同时实现较大的局域磁矩和p型半导体的特性,拓展了材料在磁学和可见光吸收领域的应用。     

Bi26-x-yMxNyO40(M,N=Fe,Co, Gd)软铋矿薄膜的制备和强磁光效应

磁光材料是现代光通信产业中不可或缺的关键功能材料。为了实现光通信器件的小型化,高质量磁光薄膜材料受到关注。软铋矿型Bi₂₅FeO₄₀具有高对称性的立方晶体结构,单位体积所含铋离子浓度高,理论上应具有较强的磁光效应,但却因为磁性偏弱、制备困难等缺点而限制了其应用。本文采用射频磁控溅射法,在掺钇二氧化锆(YSZ)基底上沉积获得具有立方相软铋矿型结构的Bi_26-x-yM_xN_yO₄₀ (M, N=Fe, Co, Gd)磁光薄膜,并对其形貌、磁性、透过率、磁圆二色信号等进行表征。结果表明,薄膜均较为平整,厚度约为190 nm,在近红外区的透过率约为60%~70%。薄膜的磁性随着掺杂离子含量的提高逐渐增强。Bi_13.6Gd_2.7Co_4.0Fe_5.7O₄₀/YSZ薄膜具有强磁光效应,在716 nm处的磁圆二色光谱信号高达到1 710 deg/cm,有望应用于集成光隔离器等光通信器件中。     

室温铁磁性Sr3YCo4O10.5+δ多晶有序化的烧结工艺及电磁性能

采用固相反应法制备了不同烧结温度(950~1 180 ℃)、烧结时间、烧结次数共7种工艺的Sr₃YCo₄O_10.5+δ多晶块材,通过热分析、XRD、SEM确定了有序化相变和最佳烧结工艺(1 180 ℃/24 h+1 180 ℃/24 h),并研究了多晶的电磁性能。结果表明,964 ℃完全晶化的四方相Sr₃YCo₄O_10.5在1 042 ℃吸氧(δ)完成有序化,生成Sr₃YCo₄O_10.5+δ,而1 100 ℃和1 180 ℃烧结的样品均出现(103)、(215)超结构峰,验证了其结构的有序性。块材均呈半导体电输运行为,二次烧结晶格完整性提高,晶粒长大,300 K时电阻率仅为0.06 Ω·cm,居里温度(T_c)~335 K,零场冷曲线(ZFC)上的Hopkinson峰源于低温时被冻结的磁矩随温度升高转向磁场方向,磁化强度在298 K达到最大,随后受热扰动的影响减小。室温铁磁性源于有序结构导致的中自旋或高自旋态Co³⁺的e_g轨道有序。     

Optimal crystal growth conditions of thin films of Bi2Te3 semiconductors

Crystal growth conditions of Bi₂Te₃ narrow bandgap semiconductors have been studied using molecular beam epitaxy method. It was applied to the growth of Bi₂Te₃ on Bridgman single-crystal substrate Sb₂Te₃. Substrate ingots were taken from the natural cleavage along the (0001) plane. The deposited conditions have been studied as a function of substrate temperature (T_s) and flux ratio (F_R=F(Te)/F(Bi)). The quality of deposited layers was controlled by X-ray diffraction, scanning electron microscope (SEM), secondary ion mass spectroscopy (SIMS) depth profiling and energy-dispersive X-ray (EDX) microanalyser. The sticking coefficients K_s(Te) and K_s(Bi) of the elements that compose Bi₂Te₃ were determined. It was found that the stoichiometry of deposited layers depended on substrate temperature and flux ratio. It was observed that all deposited layers were single-crystal in the orientation of their substrates with a small shift due to the stress in layer.     

Growth of SrFe12O19 nanowires under an induced magnetic field

Nanowires of SrFe₁₂O₁₉ with diameters of 100 nm and lengths of 2.5 μm have been successfully synthesized in a hydrothermal cell at 180 °C with an 0.35 T magnetic field applied. The growth behavior of the nanoparticles was compared with that under zero magnetic field. The X-ray diffraction patterns indicate that both of the two processes result in formation of pure SrFe₁₂O₁₉, however transmission electron microscope observations show that the morphology of the particles changed from flake-like in zero magnetic field into nanowires in a magnetic field. Compared to the sample obtained under zero magnetic field, the as-prepared one exhibits a higher saturation magnetization. The possible underlying mechanism responsible for the morphology change and the magnetic properties improvement were discussed.     

Ho3+掺杂对六角YMn0.8Fe0.2O3微结构和磁性质的调控

本文利用高温固相反应法合成了六角Y_1-xHo_xMn_0.8Fe_0.2O₃多晶样品,研究Ho³⁺掺杂对YMn_0.8Fe_0.2O₃微结构以及磁性质的影响。X射线衍射和拉曼测量结果显示所有样品均为单相六角结构,当Ho³⁺掺杂浓度低于0.15时,晶格常数a、c,晶胞体积及Mn—O键长均随着掺杂浓度的增加而减小。A位稀土原子位移差以及拉曼声子模式的变化表明随着Ho³⁺掺杂比例增加,A位稀土原子相对于平面的偏移减小,MnO₅双锥体倾斜角减小,B位Mn³⁺的三聚作用被削弱,Mn³⁺—O^2-—Mn³⁺间超交换作用减弱,反铁磁(AFM)序被抑制,反铁磁转变温度下降。磁性测量显示低温下Y_0.9Ho_0.1Mn_0.8Fe_0.2O₃的磁化强度显著增强,弱铁磁(WFM)序增加,归因于Ho³⁺加入后系统磁阻挫行为的降低及Ho³⁺—O^2-—Mn³⁺间自旋交换作用产生的铁磁序。这为进一步探索室温多铁性材料提供了思路。     

RIG型磁光薄膜的研究进展及应用

随着光通信技术与光子集成电路的发展,非互易性器件作为光通信系统中重要的组成部分得到了越来越广泛的研究与应用。基于磁光效应制成的磁光隔离器和环行器是目前应用最为广泛的非互易性器件,为了将非互易性器件整块集成在硅片上,需制备性能与块状磁光材料相当的磁光薄膜。在近红外通信波段(1 550 nm),以钇铁石榴石(Y₃Fe₅O₁₂,YIG)为代表的稀土铁石榴石(RIG)具备优良的磁光效应,是最具应用前景的磁光材料之一。研究发现,使用稀土离子对YIG薄膜进行掺杂可以有效改善其磁光性能,尤其是Bi³⁺和Ce³⁺掺杂的YIG表现出巨法拉第效应。本文首先介绍了法拉第效应原理,介绍了三种常见磁光薄膜的生长方法,回顾了近年来的主要研究成果,介绍了磁光薄膜在光隔离器和环行器中的应用,最后对磁光薄膜的未来发展趋势进行了展望。     

Fast and slow dynamics in single and mixed alkali silicate glasses

A molecular dynamics (MD) simulation for single and mixed alkali metasilicates has been performed. The mixed alkali effect (MAE) in the diffusion coefficients is reproduced. The motion of lithium ions in Li₂SiO₃ can be divided into slow (type A) and fast (type B) categories clearly in the glassy state. It turns out that the slow dynamics are caused by localized jump motions with a long tail of the waiting time distribution. On the other hand, fast dynamics of the lithium ions are caused by successive cooperative jump motions and are identified as Lévy flights. The MAE in LiKSiO₃ occurs due to mutual interception of jump paths of both kinds of mobile ions. In such paths, the fast component is considerably suppressed. Namely, the cooperative forward-correlated jump process is sensitive to the blockage of the jump paths. Propagation of the immobilization in the MAE is discussed in relation with the mechanism of the cooperative jump motion. The ratio of the fast and slow dynamics plays an important role to determine the transport properties in the glassy state.