具有串/并联复合离子输运特性的仿生纳米通道的构筑与整流性能

人工构筑了基于分枝氧化铝纳米通道的串/并联复合的纳流体二极管体系, 其具有可调的离子整流性能. 在这种两级分枝结构的1-2-2, 1-2-3, 1-3-2和1-3-3型氧化铝纳米通道中, 若将每一个分枝节点等效为一个二极管, 那么其一级分枝节点相当于串联的1个二极管, 二级分枝节点相当于并联的多个二极管. 因此1-2-2和1-2-3型纳米通道的电路图可等效为并联的2个二极管与第3个二极管相串联, 1-3-2和1-3-3型纳米通道的电路图可等效为并联的3个二极管与第4个二极管相串联. 但由于1-2-2和1-2-3型以及1-3-2和1-3-3型的二级分枝的结构和数目不同, 可将这4种纳米通道等效为不同的串/并联复合特性的纳流体二极管体系, 并且表现出依次增大的离子整流. 即分枝氧化铝纳米通道内部一级分枝和二级分枝的结构或数目共同调控的表面电荷非对称性可以改变其离子整流性能. 进一步地, 具有代表性的1-2-2型分枝纳米通道的整流率随分枝通道长度的增加而增加, 这表明分枝部分对整个串/并联复合纳流体二极管的整流特性起到决定性的作用. 相比于以前的单个离子二极管体系, 这种具有串/并联复合特性的多级分枝氧化铝纳米通道将为构筑更复杂的仿生纳流体二极管的研究提供有价值的借鉴.     

SBA-15模板法合成硫化锌纳米束及其光电性能

以乙基黄酸锌(ZnR2)作为单分子前驱体, SBA-15作为模板, 合成高度有序的ZnS纳米束, 并通过透射电子显微镜(TEM)、热重-差热分析(TG-DTA)、X射线衍射(XRD)、N2吸附-脱附、紫外-可见(UV-Vis)光谱、荧光光谱和扫描电子显微镜(SEM)等一系列手段对其形貌、结构及性能进行表征. 结果表明, 此阵列具有高度有序的六方介孔结构, 同时具有类似于母模板的纤维状形貌. 采用一种简单的交流电场辅助的方法把纳米束组装到电极上, 然后通过半导体表征仪器进行测试, 表征结果发现单束ZnS纳米束呈现出非线性的整流行为, 在紫外光照射下, 其电流-电压(I-V)曲线发生了很大的变化, 说明利用它们组装的纳米器件具有良好的光开关效应,并对整流及光响应机理进行了解释.     

简易制备高整流比的异质纳米通道

生命体内的离子通道在各种生物功能调节过程及生命活动中具有重要的意义.模仿生物孔道的离子输运性质,构筑人工纳米通道,并研究人工纳米通道的离子输运性质是一项具有重大意义的研究课题.本文通过双面阳极氧化和原位扩孔结合的方法制备了对称结构的沙漏形氧化铝纳米通道.通过在对称结构的沙漏形氧化铝（AAO）纳米通道一侧粘贴一层透明胶带,经过热处理后,获得了一种具有高整流比的有机-无机异质纳米通道.基于非对称的结构和电荷分布,氧化铝纳米通道与有机纳米通道在复合区域形成异质结构.由于多孔AAO纳米通道和有机纳米通道的协同效应,异质纳米通道表现出独特的纳米流体二极管特性,即在比较宽的pH范围内具有单一的整流方向.在该体系中,氧化铝纳米通道内壁的羟基和有机纳米通道内壁的羧基在不同pH值下所带电荷性质不同,使异质结构纳米通道内壁表面电荷的性质和电荷密度发生改变,可以通过调节体系的pH来调控通道内的离子传输.     

基于仿生智能纳米孔道的先进能源转换体系

自然界中的生命体系经过40多亿年的进化,实现了对能源的高效转换、存储和利用.特别是生物膜上的各类孔道结构在其中起着重要作用.基于仿生智能纳米通道的先进能源转换体系从生物离子通道中获取与能量转换相关的启示(例如,电鳗放电、ATP合成、视网膜、紫膜等),从原理和结构上模仿生命体系中高效能量转换的某一个侧面,通过产能材料的设计和转换器件的组装,实现机械能到电能、光能到电能、光能到化学能等不同能量形式之间的转换.我们综述了目前应用人工合成的纳米尺度孔道结构进行仿生能源转换的三个热点领域:纳米流体动能-电能转换,纳米流体反向电渗析系统和基于仿生智能纳米孔道的先进能源转换体系.基于智能纳米孔道的能源转换方法摆脱了传统发电设备所必需的机械转动装置的束缚,在可以预见的范围内,仿生产能器件的效能必将超越已有人工体系,为面向未来的能源技术的创新提供了新思路,新理论和新方法.     

二极管特性简化模型在染料敏化太阳能电池电流-电压曲线拟合及在光电特性参数评估中的应用

利用瞬态光电导技术研究了在一个大的偏压范围内染料敏化太阳能电池(DSSC)中的电荷收集和电荷复合过程的动力学. 结果表明, 在不同的电压下电荷收集速率远快于电荷复合速率, 用以解释电荷的收集效率几乎不变. 基于这个结果, 简化了DSSC二极管特性模型, 从而实现了对电流-电压(I-V)曲线的直接拟合. 利用这一模型拟合的结果提取出一系列与工作条件下DSSC光电转化过程相关的参数, 可以用以描述包括电荷生成、电荷收集和复合以及DSSC器件的整流特性等关键性质. 将这一拟合方法应用于不同叔丁基吡啶(TBP)浓度电解液的电池, 获得的结果表明, 不同TBP浓度可以导致电荷复合速率有较大的差别, 但对电荷的收集速率影响甚小, 这与I-V曲线拟合的结果非常吻合. 同时研究证明TBP浓度对电池的理想因子(m)的影响较为明显,即高浓度TBP的DSSC对应大的m值以及较慢的电荷复合速率.     

Au纳米颗粒作用下的仿生纳米通道

在自然界的生物体系中,各种各样的离子通道对物质交换、能量输运等生理过程起着重要作用.用人工制备的仿生纳米器件模仿生物孔道的离子输运性质是一项非常具有挑战性的课题.通过在对称柱形聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）聚合物孔道中引入非对称结构,获得了一种具有高整流比的人工纳米孔道体系.通过带正电荷的2-十一烷基-1-二硫脲乙基咪唑啉季铵盐（SUDEI）在柱形纳米孔道的单面吸附,使体系具有了非对称的电荷分布和几何结构,从而具有非线性的离子输运性质,表现出较好的门控性能.Au纳米颗粒可以与SUDEI以Au-S键稳定结合,有效地减小柱孔一端的孔径,进一步提高体系的门控比,且该纳米通道体系非对称响应离子输运有很好的稳定性.     

平行四面体纳米孔道中DNA超结构的组装和离子输运特性

<正>受生物膜离子通道结构和功能的启发,人工制备固体纳米孔道门控开关器件一直备受关注[1,2].基于仿生纳米孔道的非对称离子传输性质制备的离子二极管和场效应管装置对于构建离子电路和能量转换的纳米器件至关重要[3,4].然而,仿生制备的固体纳米孔道在离子传输过程中有漏电流的存在,严重影响了固体纳米孔道应用的灵敏度和信噪比[5].针对这一问题,研究者利用DNA分子的特殊识别和自组装的功能特性,相继构筑了基于DNA和纳米孔道的智能响应体系[6,7].但在之前的研究工作中,分[8]     

pH和钙离子协同控制的纳米流体门控器件

生命体内的钙离子通道在各种生物功能调节过程及生命活动中起着至关重要的作用. 模仿生物体中钙离子通道的各种功能性, 构建人工智能通道, 并研究通道中的钙离子输运性能成为一项非常重要的研究课题. 通过重粒子轰击技术及径迹刻蚀方法在高分子聚合物薄膜上设计并制备了一种非对称的锥形多孔纳米通道. 并且通过在锥形纳米通道内壁修饰功能分子O-磷酸基L-络氨酸(OPLT)使纳米通道具有pH与钙离子协同响应的功能. 此体系模仿了生物体中钙离子响应的离子通道的离子输运行为, 及类似二极管的离子整流特性, 并表现出了稳定的离子门控特性及可逆性. 当pH为5时, 通道内壁修饰的OPLT中的氨基使通道内壁显正电性, 通道表现为选择阴离子, 而排斥阳离子的离子选择输运性能, 加入钙离子后离子电流并无明显变化, 此时纳米通道不具有钙离子响应性质; 当pH为9时, OPLT中的磷酸根基团使通道内壁呈现负电性, 通道表现出选择阳离子, 而排斥阴离子的离子选择输运性能, 此时向纳米系统中加入钙离子, 钙离子与磷酸根离子络合, 离子电流改变. 即OPLT修饰的纳米通道具有pH与钙离子协同响应的性能.     

可控液体输运制备取向聚合物薄膜:面向性能增强的发光二极管

提出了一种由锥形纤维阵列引导的定向液体输运的简单策略, 实现了对聚二芳基芴(PODPF)的有序 排列. 通过热退火处理(～240 ℃), PODPF由无定形相转变为β相态, 制备的PODPF薄膜具有一定的取向性 并且结晶尺寸更大. 在去浸润过程中, 锥形纤维阵列能够精确控制三相接触线的后退, 从而使得共轭高分子在产生的定向应力作用下定向排列. 基于此制备了聚合物发光二极管(PLEDs)器件, 与由旋涂膜制备的器件相比具有更高的电流效率(1.53 cd/A)和更稳定的电致发光. 表明利用锥形纤维阵列可以制备高性能的有机发光 二极管.     

基于混合自组装单分子层的可控分子整流

基于自组装单分子层(SAM)的分子器件的性能取决于分子层的超分子结构. 而混合自组装单分子层是一种简便易行的调控单分子层组成和结构的方法. 将具有整流特性的11-二茂铁基-1-十一烷基硫醇(FUT)和惰性1-十一烷硫醇(C11-SH)通过溶液共混制备了混合单分子层, 并用液态EGaIn作为顶电极研究了SAM器件的性质. C11-SH与FUT分子的比例可以调节器件的整流性能: 随着惰性C11-SH分子比例增高, SAM器件的整流比逐渐降低. 有趣的是, 当惰性C11-SH的比例小于20%时, 器件的整流性能反而随C11-SH的加入而得到了提升. 这是由于少量C11-SH分子减弱了由二茂铁分子的排列缺陷引起的漏电流, 改善了分子器件的稳定性和重现性, 为单分子层器件的性能调控提供了一种简便有效的方法.     

UV/Fe(Ⅲ)-富马酸盐体系降解对硝基苯酚

研究了在紫外光(UV)照射下,Fe(Ⅲ)-富马酸盐体系对p-硝基苯酚(PNP)的光降解反应,考察了溶液pH、Fe(Ⅲ)、富马酸盐和PNP的初始浓度对PNP降解率的影响。结果表明,UV/Fe(Ⅲ)-富马酸盐体系对PNP有光降解作用,相比于只含Fe(Ⅲ)或者富马酸盐体系,同时加入Fe(Ⅲ)与富马酸盐构成的体系在降解PNP方面有协同作用。在pH 3.0~6.0范围内,PNP的降解率随着pH和PNP初始浓度的增大而降低,而随着Fe(Ⅲ)和富马酸盐的初始浓度的增大而增大。氯仿猝灭法证实,该体系在降解PNP反应过程中产生了超氧负离子自由基;采用荧光法和异丙醇猝灭法证实了该体系在反应过程中产生了羟基自由基,同时证实了羟基自由基为PNP光降解反应的主要反应物质。     

基于金/硅纳米线阵列肖特基结的自驱动式的可见-近红外光探测器性能研究

本文成功构筑了金/硅纳米线(Au/SiNWs)阵列自驱动式可见-近红外光探测器.探测器在暗态时表现出良好的二极管整流特性,在±1 V偏压下,整流比达584.在可见-近红外光照下,光探测器具有明显的光生伏特效应.光探测性能研究表明:当无外加偏压时,探测器对波长为405 nm、532 nm和1064 nm的光源具有较高的响应率,并且响应快速、信号稳定,重现性良好;当给器件施加一个很小的正偏压时,通过暗态和照光的切换,探测器可使外电路中的电流快速地正负交替变化,从而实现一种快速、有效的二进制光响应.自驱动式Au/SiNWs阵列光探测器显示了高灵敏、快速、宽光谱响应特性,具有巨大的应用前景.     

溶剂及器件结构对MEH-PPV与PCBM电池性能影响

以MEH-PPV(poly(2-methoxy-5-(2'-ethylhexoxy)-1,4-phenylene vinylene))为电子给体材料, PCBM(1-(3-methoxycarbonyl)-propyl-1-1-phenyl-(6,6)C61))为电子受体材料, 制成了不同结构的共混体系太阳电池. 详细分析了器件结构对器件性能影响的物理机制, 得出了PEDOT:PSS(4083)(poly(3,4-ethylene dioxythiophene:poly(styrene sulphonic acid))的插入增大了器件的开路电压, 并有利于电荷的传输. 采用LiF/Al阴极结构提高了器件的短路电流及填充因子. 其光电池在80 mW·cm^-2强度光照下, 其开路电压为0.8 V, 短路电流密度为3.40 mA·cm^-2, 填充因子为52.1%, 能量转换效率为1.43%. 并研究了不同溶剂对器件性能的影响, 得出了1,2-二氯苯溶剂有利于良好体相异质结的形成, 所做器件性能最好. 用器件的光导、暗导I-V 曲线,光敏(PS)性, 原子力显微镜图(AFM), 分析了溶剂对器件影响的原因, 并进行了合理的解释.     

正三角锯齿型石墨烯的电子输运特性

利用密度泛函理论和非平衡格林函数方法, 系统研究了正三角锯齿型石墨烯的电子输运特性. 研究表明: 正三角石墨烯的电流-电压(I-V)特性及整流效应与几何尺寸、边缘吸附原子的类型密切相关, 在其边缘吸附H原子和S原子的情况下, 小的正三角石墨烯有大的电流, 但有小的整流比; 改变边缘吸附原子的类型(用O原子替换H原子), 电流增大, 但其整流效应明显变低. 分析表明, 这种整流是由于正三角石墨烯前线轨道的空间分布不对称以及在正、负偏压下分子能级的非对称移动所致. 我们的研究对于认识正三角石墨烯的基本物性(电子结构及器件应用)有重要意义.     

pH-温度协同响应的纳米门控器件

自然界中的生物孔道在生命过程中具有重要的意义, 在人工制备的仿生纳米器件上模仿生物孔道的离子输运性质是一项具有挑战性的课题. 我们制备了一种基于人工聚合物薄膜的纳米门控器件,这种纳米门控器件的离子输运性质可以通过调节体系的pH和温度来调控. 通过在人工聚合物薄膜上修饰功能分子聚赖氨酸(poly-L-Lysine)得到的门控器件能够模拟生物体中生物孔道的典型离子输运行为, 其离子输运性能受体系pH的控制, 可以通过调节体系的pH而限制纳米门控器件的导通方向. 同时, 在一定pH条件下调整体系温度也能够对离子输运性能产生影响, 而在其他pH条件下, 温度则不会对体系的离子输运性能产生明显的影响, 即这种基于人工聚合物薄膜的纳米门控器件具有对pH和温度的协同响应性能.     

基于有机光电突触晶体管的储池计算网络

随着人工智能技术的快速发展,兼具高能效智能感知和计算的光电神经形态受到了广泛的关注.为了增强神经形态器件对不同应用场景的普适性,构建突触塑性能够灵活可调制的神经形态器件和电路至关重要.本文设计了一种基于非对称电极结构的有机突触晶体管,并利用液相制备的大面积有机超薄半导体作为光感知和计算材料.该光电突触晶体管表现出典型的光刺激后突触电流(excitatory postsynaptic potential, EPSC)、双脉冲易化(paired-pulse facilitation, PPF)和脉冲强度依赖塑性(spike-amplitude-dependent plasticity, SADP),可以实现高能效的图像降噪预处理.为了进一步满足储池计算对于突触塑性可调性和网络非线性的要求,我们制备有机n型晶体管,设计了一个基于p型和n型晶体管的突触模拟电路.该突触电路可实现从短程塑性(short-term synaptic plasticity, STP)到长程塑性(long-term synaptic plasticity, LTP)的高度可调性,以及可配置的双脉冲易化特性,显著增强了突...     

纳米器件的分子动力学模拟

分子动力学广泛应用于分子体系, 但受限于计算能力, 一般难以用于纳米器件的研究. 本文采用自主开发的超大规模分子动力学仿真程序(NanoMD), 构建了原子级的纳米齿轮模型, 并以此为代表实现了对具有高速转动特性的纳米器件的模拟. 通过位错和缺陷分析, 确定了纳米器件在高速转动过程中的应力分布以及失效机制, 并明确了以极限弹性转速为依据的材料强度衡量模式. 研究发现纳米器件在极限转速方面存在明显的尺寸效应: 随着器件直径的减小而单调增大, 随着轴径的缩小而先增大后减小.     

以C_(70)衍生物为电子受体的高效聚合物固体薄膜太阳能电池

以PC[70]BM(phenyl C71-butyric acid methyl ester)取代PC[60]BM(phenyl C61-butyric acid methyl ester)作为电子受体材料,以MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2′-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene])为电子给体材料,制成了本体异质结(bulk heterojunction,BHJ)聚合物太阳能电池.MEH-PPV/PC[70]BM器件在AM1.5G(80 mW/cm2)模拟太阳光的光照条件下得到了3.42%的能量转换效率,短路电流值达到了6.07 mA/cm2,开路电压0.85 V,填充因子为53%.通过紫外可见吸收光谱和外量子效率的研究,发现PC[70]BM作为电子受体,对扩大光谱的吸收范围和增加活性层的吸收系数有明显的作用.同时比较了不同溶剂对该体系器件性能的影响.通过原子力显微镜(AFM)、光暗导I-V曲线等研究,分析了1,2-二氯苯有利于给体相和受体相的微相分离和载流子的传输的原因.     

应变率诱发镍纳米丝的非晶化

采用镶嵌原子法(EAM)作用势对镍纳米丝的拉伸过程进行了分子动力学模拟. 体系施加应变率范围在5×10^7 - 1×10^10 s^-1, 观察体系的应力-应变曲线、平均原子能量、原子轨迹, 偶相关函数随应变率的变化. 发现当应变率低于1×10^8 s^-1时, 体系发生塑性变形, 最终颈缩断裂, 偶相关函数表明体系一直保持晶体结构; 而当应变率高于1×10^9 s^-1时, 体系发生了由晶体向非晶的持续转变, 偶相关函数出现了典型的非晶峰, 高应变率诱发了Ni纳米丝的非晶化.     

粒子-聚合物相互作用与粒子-粒子相互作用对聚合物基纳米复合物力学性能的影响

聚合物基纳米复合物(PNCs)具有比传统高分子材料更加优异的光学、力学、热力学等性能,广泛应用于各个工程领域.而纳米粒子(NPs)对材料性能提高的机理则是当前聚合物纳米复合物领域研究的重要问题,聚合物纳米复合体系相互作用的影响因素众多,至今尚未明确并完整建立复合体系相互作用与性能增强之间的关系.本文总结了近年来关于纳米粒子填充聚合物基体力学性能的研究,从粒子-聚合物相互作用和粒子-粒子相互作用角度阐述了聚合物纳米复合体系力学性能的增强机理,并根据体系中不同的结构关系分别总结了聚合物/未改性纳米粒子复合体系和聚合物/聚合物接枝纳米粒子复合体系中影响力学性能的因素.该部分内容具有重要的理论和实践意义,有助于构建复合体系微观结构与宏观性能之间的关系,进而对微观层面调控PNCs的力学性能提供指导.