氮掺杂有序介孔碳-Ni纳米复合材料的制备及电化学性能

以F127为模板剂,Ni Cl2为镍源,尿素为氮源,间苯二酚甲醛原位聚合树脂为碳源,分别采用均相法和两相法制备Ni-NOMC-1,Ni-N-OMC-2纳米复合材料。X射线衍射(XRD)、激光拉曼以及透射电子显微镜(TEM)等测试结果表明,复合材料具有有序介孔结构,Ni以金属微粒形式嵌于碳骨架中,提高了有序介孔碳的石墨化程度。X射线光电子能谱测试(XPS)表明尿素热解后以4种形式存在:sp3杂化与C结合的N原子,吡啶N原子,sp2杂化与C结合的N原子以及quaternary-N原子。Ni-N的共改性改变了碳载体的理化性质,有利于Pt纳米粒子的负载与分散。均相法制备的Ni-N-OMC-1复合材料微波负载Pt后,氧还原极限电流密度为5.32 m A·cm-2,氢氧化电化学活性面积高达138.53 m2·g-1,电化学催化活性优于商业20%Pt/C材料(4.49 m A·cm-2,96.98 m2·g-1)。     

氮硫共掺杂TiO_2的光电荷分离效应及其光催化性能研究

以硫脲为掺杂剂,采用溶胶-凝胶法制备了氮硫共掺杂TiO2(N,S-TiO2)。用比表面孔隙仪(BET)、X射线衍射仪(XRD)、紫外-可见漫反射(UV-Vis DRS)和X射线光电子能谱(XPS)对制备的光催化剂进行了表征,用表面光电压仪(SPS)和捕获剂研究了光催化剂的光生电荷分离效应。以甲基橙为模拟污染物,在模拟自然光照射下考察了样品的光催化性能。结果表明:硫脲/Ti的摩尔比为30%所制备氮硫共掺杂TiO2具有较高的光催化活性,光催化活性是纯TiO2的5倍。氮硫共掺杂使TiO2具有更高的比表面和光生电荷分离效应,从而有利于提高光催化活性。     

Al,Fe, Mg掺杂Li2MnSiO4的电子结构和电化学性能的第一性原理研究

硅酸锰锂作为锂离子电池正极材料因具有高的理论电容量而一直备受关注, 但其较低的导电率和较差的循环性能阻碍了进一步的发展. 采用第一性原理广义梯度近似GGA+U的方法, 研究了Al, Fe, Mg掺杂Li₂MnSiO₄的电子结构、 脱嵌锂电压和导电性. 研究发现, Al 掺杂的Li₂Mn_0.5Al_0.5SiO₄结构中载流子的数目增加, 电子自旋向上和向下的态密度均穿过费米能级, 呈现金属特性, 提高了体系的导电率. 脱锂Li_xMnSiO₄ (x=1, 0)结构中, 通过计算一次脱锂相结构的形成能得到Al掺杂的一次脱锂结构最稳定, 并且Al掺杂的脱锂相结构体积变化小, 有利于材料循环性能的提高, 同时第一个锂离子脱嵌电压与未掺杂时(4.2 V)相比降低到2.7 V. Fe掺杂降低了Li₂MnSiO₄的带隙, 第一个锂离子脱嵌电压降低到3.7 V. 研究表明, Al的掺杂效果优于Fe和Mg, 更利于硅酸锰锂电化学性质的提高.     

N,Fe, La三掺杂锐钛矿型TiO2能带调节的理论与实验研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的平面波超软赝势方法(PWPP), 利用Material studio 计算N, Fe, La三种元素掺杂引起的锐钛矿TiO₂晶体结构、能带结构和态密度变化. 并通过溶胶-凝胶法制得锐钛矿型本征TiO₂, N, Fe共掺杂TiO₂和N, Fe, La共掺杂TiO₂; 用X射线衍射和扫描电镜表征结构; 紫外-可见分光光度计检测TiO₂对甲基橙的降解效率变化. 计算结果表明, 由于N, Fe, La三掺杂TiO₂的晶格体积、键长等发生变化, 导致晶体对称性下降, 光生电子-空穴对有效分离, 同时在导带底和价带顶形成杂质能级, TiO₂禁带宽度由1.78 eV变为1.35 eV, 减小25%, 光吸收带边红移, 态密度数增加, 电子跃迁概率提升, 光催化能力增加. 实验结果表明: 离子掺杂使颗粒变小, 粒径大小: 本征TiO₂>N/Fe_TiO₂>N/Fe/La_TiO₂, 并测得N/Fe/La_TiO₂发光峰425 nm, 能隙减小, 光催化能力比N/Fe_TiO₂强, 增强原因是杂质能级和电子态数量增加引起.     

B,P掺杂β-Si3N4的电子结构和光学性质研究

运用第一性原理方法, 计算了B, P两种元素单掺杂和共掺杂的β -Si₃N₄材料的电子结构和光学性质. 结果表明: B掺杂体系的稳定性更高, 而P掺杂体系的离子性更强; 单掺和共掺杂均窄化带隙, 且共掺在禁带中引入深能级, 使局域态增强; 单掺杂体系介电函数虚部、吸收谱和能量损失谱各峰均发生红移、幅值减小, 而共掺后介电函数虚部主峰出现蓝移、能量损失峰展宽、高能区电子跃迁大大增强, 且控制共掺杂的B, P比例可获得较低的带电缺陷浓度.     

Cu掺杂ZnO稀磁半导体磁电性能影响的模拟计算

在Cu重掺杂量摩尔数为0.02778–0.16667的范围内, 对ZnO掺杂体系磁电性能影响的第一性原理研究鲜见报道. 采用基于自旋密度泛函理论的平面波超软赝势方法, 用第一性原理计算了两种不同Cu单掺杂量Zn_1-xCu_xO (x=0.02778, 0.03125)超胞的能带结构分布和态密度分布. 结果表明, 掺杂体系是半金属化的稀磁半导体; Cu掺杂量越增加、相对自由空穴浓度越增加、空穴有效质量越减小、电子迁移率越减小、电子电导率越增加. 此结果利用电离能和Bohr半径进一步获得了证明, 计算结果与实验结果相符合. 在限定的掺杂量0.02778–0.0625 的条件下, Cu单掺杂量越增加、掺杂体系的体积越减小、总能量越升高、稳定性越下降、形成能越升高、掺杂越难. 在相同掺杂量、不同有序占位Cu双掺ZnO体系的条件下, 双掺杂Cu-Cu间距越增加, 掺杂体系磁矩先增加后减小; 当沿偏a轴或b轴方向Cu–O–Cu相近邻成键时, 掺杂体系会引起磁性猝灭; 当沿偏c轴方向Cu–O–Cu相近邻成键时, 掺杂体系居里温度能够达到室温以上的要求. 在限定的掺杂量0.0625–0.16667的条件下, 沿偏c轴方向Cu–O–Cu相近邻成键时, Cu 双掺杂量越增加, 掺杂体系总磁矩先增加后减小. 计算结果与实验结果变化趋势相符合.     

Ti掺杂NbSe2电子结构的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法, 计算了理想2H-NbSe₂和Ti掺杂2H-NbSe₂晶体的几何结构及电子结构; 对掺杂前后超胞的能带图、态密度及分波态密度图进行了分析. 结果表明, 掺杂后费米能级附近能量区域的电子态密度出现了较高的峰值, 且费米能级位置发生了改变. 理论上可以认为Ti的掺杂会使得NbSe₂的导电性增强, 有利于开发新型的电接触复合材料.     

浅析电子型掺杂铜氧化物超导体的退火过程

铜氧化物高温超导体的发现, 打破了基于电声子相互作用BCS理论所预言的超导转变温度极限, 掀开了高温超导材料探索和高温超导机理研究的序幕. 根据掺杂类型的不同, 铜氧化物超导材料可以分为空穴型掺杂和电子型掺杂两类. 受限于样品, 对电子型掺杂铜氧化物的研究工作远少于空穴型掺杂体系. 本文简要回顾有关电子型掺杂铜氧化物超导体近期研究成果, 通过对比电子型掺杂和空穴型掺杂铜氧化物的相图来阐明电子型掺杂铜氧化物的研究对探索高温超导机理的必要性, 并特别针对电子型掺杂样品制备中的关键因素“退火过程”展开讨论. 结合课题组最新实验结果和相关实验报道我们发现电子型掺杂铜氧化物超导体在制备过程中除受到温度和氧分压的影响外, 退火效果还受到界面应力的强烈调制. 在综合考虑样品生长过程中温度、气氛及应力等多种因素的基础上, 探讨了“保护退火”方法导致电子型体系化学掺杂相图变化的起因.     

镧掺杂BaSnO3薄膜的电学和光学特性

利用射频磁控溅射法在(LaAlO₃)_0.3(SrAl_0.5Ta_0.5O₃)_0.7 (001)单晶基底上生长了镧掺杂BaSnO₃外延薄膜. 通过Hall效应和热电势测量证实了镧掺杂BaSnO₃薄膜具有n型简并半导体特征, 并且基于载流子浓度和Seebeck系数计算出电子的有效质量为0.31m₀ (m₀为自由电子质量). 镧掺杂BaSnO₃薄膜在可见波段具有良好的透明性(透过率大于73%). 基于介电模型对薄膜的透过率曲线进行拟合, 从拟合结果中不仅得到了薄膜的厚度为781.2 nm, 能带宽度为3.43 eV、 带尾宽度为0.27 eV和复光学介电常数随波长的变化规律, 而且也强力地支持了基于电学参数计算电子有效质量的正确性.     

TiO_2薄膜的硼掺杂对TiO_2/p~+-Si异质结器件电致发光的增强

利用磁控溅射在重掺硼硅(p+-Si)衬底上分别沉积TiO2薄膜和掺硼的TiO2(Ti O2∶B)薄膜,并经过氧气氛下600℃热处理,由此形成相应的TiO2/p+-Si和TiO2∶B/p+-Si异质结。与Ti O2/p+-Si异质结器件相比,TiO2∶B/p+-Si异质结器件的电致发光有明显的增强。分析认为:TiO2∶B薄膜经过热处理后,B原子进入TiO2晶格的间隙位,引入了额外的氧空位,而氧空位是TiO2/p+-Si异质结器件电致发光的发光中心,所以上述由B掺杂引起的氧空位浓度的增加是TiO2∶B/p+-Si异质结器件电致发光增强的原因。