缺陷对β-Ga2O3薄膜的结构和光学特性的影响

采用射频磁控溅射技术和后期退火在蓝宝石衬底上成功制备了β-Ga₂O₃薄膜。借助于X射线衍射(XRD)、拉曼散射光谱(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)、以及二次离子质谱(SIMS)研究了缺陷对β-Ga₂O₃薄膜的结构和光学特性的影响。结果表明,未退火的Ga₂O₃薄膜呈现非晶态,随高温退火时间逐渐增加,非晶Ga₂O₃薄膜逐步转变为沿(-201)方向择优生长的β-Ga₂O₃薄膜。所有Ga₂O₃薄膜在近紫外到可见光区的平均透过率都高达95%,β相Ga₂O₃薄膜的光学带隙比非晶态薄膜增加~0.3 eV,且随退火时间的增加,β-Ga₂O₃薄膜的光学带隙也随之变宽。此外,发现非晶Ga₂O₃薄膜富含氧空位缺陷,高温退火处理后,β-Ga₂O₃薄膜中的氧空位浓度明显降低,但蓝宝石衬底中的Al极易扩散至Ga₂O₃薄膜层,并随退火时间的增加Al浓度明显增加,氧空位的降低和Al杂质的增加是导致β-Ga₂O₃薄膜光学带隙变宽的主要原因。     

α籽晶促进低温反应溅射沉积α-Al2O3薄膜

分别使用反应溅射Al+α-Al₂O₃(15% α-Al₂O₃,质量分数)复合靶和在金箔基体表面预植α-Al₂O₃籽晶,促进α-Al₂O₃薄膜的低温沉积。使用扫描电子显微镜(SEM)、掠入射X射线衍射(GIXRD)和能谱仪(EDS)等方法表征薄膜样品的表面形貌、相结构和元素组成。结果表明,在射频反应溅射Al+α-Al₂O₃复合靶、沉积温度为560℃条件下能在Si(100)基体上沉积出化学计量比的单相α-Al₂O₃薄膜;使用射频反应溅射Al靶、沉积温度为500℃条件下能在预植α-Al₂O₃籽晶(籽晶密度为10⁶/cm²)的金箔表面沉积出化学计量比的单相α-Al₂O₃薄膜。两种研究方案的结果均表明,α-Al₂O₃籽晶能促进低温沉积单相α-Al₂O₃薄膜。     

低温反应溅射Al+α-Al2O3复合靶沉积α-Al2O3薄膜

低温沉积α-Al₂O₃薄膜是拓展其实际工程应用的关键。本研究以Al、α-Al₂O₃和Al + 15wt% α-Al₂O₃为靶材, 用射频磁控溅射在Si(100)基体上沉积氧化铝薄膜。用掠入射X射线衍射(GIXRD)、透射电子显微镜(TEM)、能谱仪(EDS)对所沉积薄膜的相结构和元素含量进行研究, 用纳米压痕技术测量薄膜硬度。结果表明, 在550 ℃的基体温度下, 反应射频磁控溅射Al+α-Al₂O₃靶可获得单相α-Al₂O₃薄膜。靶中的α-Al₂O₃溅射至基片表面能优先形成α-Al₂O₃晶核, 在550 ℃及以上的基体温度下可抑制γ相形核, 促进α-Al₂O₃晶核同质外延生长, 并最终形成单相α-Al₂O₃薄膜。     

雾化辅助CVD腔体的优化设计与实现

为了实现雾化辅助CVD (chemical vapor deposition，化学气相沉积)腔体的可定制性、可复用性及经济性，并满足高质量单晶氧化镓(Ga₂O₃)薄膜制备的实际需求，设计开发了一种新型雾化辅助CVD腔体。该腔体主要由反应腔室模块、冷却模块和缓冲腔室模块组成。采用新型腔体和常规腔体进行了单晶Ga₂O₃薄膜制备实验，对Ga₂O₃薄膜进行了X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)图谱分析，并采用原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)观察其表面形貌。实验结果表明：采用新型腔体可制备出性能更优的α-Ga₂O₃、β-Ga₂O₃薄膜；采用新型腔体和常规腔体制备的α-Ga₂O₃薄膜的(006)晶面的半峰宽分别为0.172°、0.272°，表面粗糙度分别为25.6 nm和26.8 ...     

宽禁带半导体Ga2O3基日盲紫外探测器的研究进展

β-Ga₂O₃是一种超宽禁带半导体材料，对应太阳光谱的深紫外波段，可用于制备日盲紫外探测器。日盲紫外探测器抗干扰能力强、探测灵敏度高、背景噪声低，在军事和航空航天领域具有极大的应用前景。本文主要介绍Ga₂O₃材料的基本性质，包括不同的晶相结构及其制备方法，并总结不同结构的Ga₂O₃器件在日盲紫外探测领域的研究进展。其中，金属-半导体-金属(MSM)结构的Ga₂O₃器件最为普遍，特别是基于薄膜材料的器件已具备了商业化参数，有望实现产业化应用。基于Ga₂O₃的异质结和肖特基结日盲紫外探测器也表现出优异的性能，并呈现出自供电特性。此外，薄膜晶体管结构Ga₂O₃器件结合MSM结构和晶体管结构的工作机制，可获得更大的光增益，适用于微弱信号的探测，成为一种极具潜力的日盲紫外探测器件。     

基于低温原位法制备Ga2O3或In2O3电子收集层的高效有机太阳电池

有机太阳电池(OSCs)中,温和的界面材料制备工艺对于拓宽材料适用范围和提高器件能量转换效率(PCE)具有重要作用.本文提出了简便易行的In₂O₃和Ga₂O₃电子收集层的制备方法,即旋涂In(acac)3和Ga(acac)3异丙醇前驱体溶液并结合低温热退火.在基于PM6:Y6的OSCs中引入In₂O₃和Ga₂O₃电子收集层,得到了性能优异的器件, PCE分别达到16.17和16.01.对比研究发现, In₂O₃的功函数WF为4.58 eV,这比WF为5.06 eV的Ga₂O₃更有利于与ITO电极形成欧姆接触,因此基于前者的器件开路电压更高.此外,电化学阻抗谱EIS的研究进一步揭示了In₂O₃和Ga₂O₃对器件内部电荷转移过程的影响及其性能差异的由来:In₂O₃的串联电阻损耗虽然较低,但Ga₂O₃的复合电阻较高,所以一定程度上提高了基于Ga₂O₃的器件的填充因子,进而补偿了其串联电阻的损失.本论文的对比研究发现, In₂O₃和Ga₂O₃都是OSCs优异的电子收集层.     

Effect of sintering temperature on the chemical bonding,electronic structure and electrical transport properties of β-Ga1.9Fe0.1O3 compounds

A model system,which is based on iron(Fe)doped gallium oxide(Ga₂O₃)(Ga_1.9Fe_0.1O₃),has been considered to elucidate the combined effect of transition-metal ion doping and processing temperature on the chemistry,local structure and chemical bonding,and electrical transport properties of a wide band gap oxide(Ga₂O₃).The Ga_1.9Fe_0.1O₃ compounds were synthesized using standard high-temperature solid state reaction method.The effect of processing conditions in terms of different calcination and sintering environments on the structural and electrical properties of Ga_1.9Fe_0.1O₃ compounds is studied in detail.Structural characterization by Raman spectroscopy revealed that Ga_1.9Fe_0.1O₃ compounds exhibit monoclinic crystal symmetry,which is quite similar to the intrinsic parental crystal structure,though Fedoping induces lattice strain.Sintering temperature(T_sint)which was varied in the range of 900-1200℃,has significant impact on the structure,chemical bonding,and electrical properties of Ga_1.9Fe_0.1O₃ compounds.Raman spectroscopic measurements indicate the proper densification of the Ga_1.9Fe_0.1O₃ compounds achieved through complete Fe diffusion into the parent Ga₂O₃ lattice which is evident at the highest sintering temperature.The X-ray photoelectron spectroscopy validates the chemical states of the constituent elements in Ga_1.9Fe_0.1O₃ compounds.The electrical properties of Ga_1.9Fe_0.1O₃ fully controlled by T_sint,which governed the grain size and microstructural evolution.The temperature and frequency dependent electrical measurements demonstrated the salient features of the Fe doped Ga₂O₃ compounds.The activation energy determined from Arrhenius equation is 0.5 e V.The results demonstrate that control over structure,morphology,chemistry and electrical properties of the Ga_1.9Fe_0.1O₃ compounds can be achieved by optimizing T_sint.     

无催化β-Ga2O3纳米棒的可控制备

由于氧化镓(Ga₂O₃)纳米棒具有独特的物理和化学性质,在纳米光电子器件等领域具有广泛的应用前景,因此氧化镓纳米棒的可控制备具有十分重要的意义。本文采用化学气相沉积(CVD)的方法,在无催化条件下,在硅Si(100)衬底上成功生长出β-Ga₂O₃纳米棒。通过X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜等表征,发现氧化镓纳米棒按照气-固(V-S)机制生长,当生长温度从850℃升高到950℃时,纳米棒的密度、直径和长度增加,纳米棒的形貌从杂乱无序的随机生长转变为沿衬底垂直且具有不同夹角方向生长。结果表明,反应温度和氧气浓度决定了氧化镓纳米棒的形貌和尺寸,通过控制温度和氧气浓度能够有效调控氧化镓纳米棒的形貌和光学性能。     

原位气相生长法制备碳纳米管/Al2O3陶瓷复合材料

以Al₂O₃陶瓷成型体为基体,通过化学气相反应在陶瓷体内原位生长碳纳米管（CNTs）,制备出CNTs/Al₂O₃陶瓷复合材料。结果表明,Al₂O₃陶瓷体中均匀分布有可观量的多壁CNTs,碳管根部嵌于Al₂O₃晶粒间并从晶粒表面生长出。在Al₂O₃陶瓷成型体中原位生长CNTs需严格控制生长条件,尤其是生长温度（850℃）,温度过高和过低都难以长出CNTs,此外造孔剂、碳源和催化剂也影响CNTs的原位生长。对原位生长的CNTs/Al₂O₃复合体进一步高温烧结获得致密化的复合材料,其导电率达3.7 S/m,较纯Al₂O₃提高13个数量级。在陶瓷成型体中原位生长CNTs是一步法制备CNTs/陶瓷复合材料的新方法,可用于发展高性能的结构陶瓷和具有导电导热等多功能特性的新型陶瓷复合材料。     

温度控制织构金属基带上YBCO外延薄膜生长及缺陷研究

采用直流溅射法在Y₂O₃/YSZ/CeO₂(YYC)缓冲层的织构NiW基带上, 通过基片温度调制YBa₂Cu₃O_7-δ(YBCO)外延薄膜生长。X射线衍射仪(XRD)表征显示, 基片温度强烈地影响YBCO薄膜的外延生长: 在较低的基片温度下薄膜趋于a轴取向生长, 随基片温度升高薄膜逐渐变为纯c轴取向生长。由于a轴晶粒引起的大角度晶界会阻碍超导电流在a-b面内的传输, 因此YBCO薄膜的微观结构和超导电性能随温度升高而得到改善, 但是随着基片温度继续升高, 基带的氧化程度加剧, YBCO与缓冲层间发生界面反应, 从而导致薄膜质量衰退。本     

Sc2W3O12薄膜制备及其负热膨胀性能

采用脉冲激光沉积法制备了斜方相Sc₂W₃O₁₂薄膜。利用X射线衍射仪(XRD)和场发射扫描电镜(FESEM)对Sc₂W₃O₁₂靶材和Sc₂W₃O₁₂薄膜组分、表面形貌和靶材断面形貌进行表征, 研究衬底温度与氧分压对薄膜制备的影响。采用变温XRD和热机械分析仪(TMA)分析了Sc₂W₃O₁₂陶瓷靶材和薄膜的负热膨胀特性。实验结果表明: 经1000℃烧结6 h得到结构致密的斜方相Sc₂W₃O₁₂陶瓷靶材, 其在室温到600℃的温度范围内平均热膨胀系数为-5.28×10^-6 K^-1。在室温到500℃衬底温度范围内脉冲激光沉积制备的Sc₂W₃O₁₂薄膜均为非晶态, 随着衬底温度的升高, 薄膜表面光滑程度提高; 随着沉积氧压强增大, 表面平整性变差。非晶膜经1000℃退火处理7 min后得到斜方相Sc₂W₃O₁₂多晶薄膜, 在室温到600℃温度区间内, Sc₂W₃O₁₂薄膜的平均热膨胀系数为-7.17×10^-6 K^-1。     

多级结构形貌β-Bi2O3/BiOCOOH复合光催化剂的制备及其光催化性能

用水热法合成具有多级结构形貌的甲酸氧铋,将其作为自牺牲前驱体调节热处理温度制备出不同的产物,其中一种是具有可见光响应的新型β-Bi₂O₃/BiOCOOH复合光催化材料。使用X射线衍射(XRD)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、扫描电子显微镜(SEM)和光电化学响应等手段表征不同温度热处理后产物的晶型结构、光吸收性能、形貌、光电流等物理化学性质。以罗丹明B作为光催化活性评价的探针分子,研究了在不同温度热处理产物的可见光光催化性能。结果表明,热处理温度从250℃提高到330℃、400℃、450℃,甲酸氧铋发生以下转变：BiOCOOH→β-Bi₂O₃/BiOCOOH→β-Bi₂O₃→α-Bi₂O₃。在330℃和350℃热处理后的β-Bi₂O₃/BiOCOOH复合光催化剂可见光催化性能最优,其降解速率比β-Bi₂O₃、α-Bi₂O₃分别高6.7倍和100倍。对罗丹明B表现出最佳脱色率的样品,光照90 min的矿化率可达88%。与纯相物质(β-Bi₂O₃、BiOCOOH)相比β-Bi₂O₃/BiOCOOH复合材料具有更大的光电流响应和更小的阻抗。结合UV-vis DRS和莫特-肖特基曲线可推测,β-Bi₂O₃与BiOCOOH可紧密结合形成Z-型光催化结构,具有更高的光生载流子分离效率并实现光生电荷的分离。     

Yb2O3 掺杂氮化硅复合材料的高温动态疲劳行为

研究了N2 气氛加压烧结制备的6 wt %Yb₂O₃ 和2 wt %Al₂O₃ 掺杂氮化硅复合材料在高温下的动态疲劳行为。用维氏压痕法在试样上获得规范的预制裂纹。分别在1000 ℃、1200 ℃、1300 ℃、1400 ℃下, 以1 、0. 5 、0. 1 、0. 01 mm/ min 的不同压头速率对试样进行四点弯曲试验。不同温度下疲劳应力2加载速率函数曲线的对比表明, 这种材料在1200 ℃时, 对亚临界裂纹生长具有最高的抵抗力(即具有最大的亚临界裂纹生长指数N) 。XRD、TEM 分析表面晶界相的晶化、裂纹愈合可以提高亚临界裂纹生长指数。EDS 分析表明, 1200 ℃下氮化硅陶瓷断裂面的氧化有助于晶界相的晶化, 但是在更高的温度下, 则会产生不利影响。      

溶胶-凝胶法制备Gd4Ga2O9: Dy3+白光发射荧光粉及其性能

通过溶胶-凝胶法制备了具有白光发射的Gd₄Ga₂O₉:x%Dy³⁺荧光粉,利用X射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)和荧光光谱等对产物的物相结构、形貌、组分和光学性能进行研究,并分析了Dy³⁺掺杂量对样品的影响。XRD结果表明,所制备的样品为Dy³⁺掺杂的Gd₄Ga₂O₉单斜晶体和少量Ga₂O₃杂质相的混合物。紫外-可见漫反射光谱结果表明制备的Dy³⁺掺杂Gd₄Ga₂O₉晶体是一种光学带隙为5.29 eV的直接带隙半导体。荧光检测结果表明Dy³⁺掺杂Gd₄Ga₂O₉荧光粉可被属于Gd³⁺     

不同晶型Fe2O3催化H2O2湿法脱硝的实验研究

研究了以α-Fe₂O₃、β-Fe₂O₃和γ-Fe₂O₃为催化剂的类Fenton试剂溶液氧化吸收NO的过程,分析了3种Fe₂O₃的晶相结构和表面性质对NO脱除效率的影响机理。脱硝性能测试结果表明：γ-Fe₂O₃的活性最好,在H₂O₂浓度为1.5 mol/L、催化剂浓度为20 mmol/L、pH值为5以及反应温度为55℃等条件下,γ-Fe₂O₃的脱硝率可达87.5%。机理研究表明：3种Fe₂O₃催化H₂O₂分解湿法脱除NO的反应发生在催化剂表面,反应过程中存在氧化还原循环,H₂O₂催化分解的主要产物是·OH。活性差异分析结果表明：Fe₂O₃的晶相结构和表面性质对NO的脱除效果具有显著的影响,γ-Fe₂O₃的活性最高是由于比表面积大、分散性高和表面的Fe²⁺含量更多,而β-Fe₂O₃的活性高于α-Fe₂O₃是由于表面的氧空位含量更多。     

退火温度对Ta2O5薄膜光学和表面特性的影响

针对退火温度影响Ta₂O₅薄膜的光学和表面特性的问题，采用电子束蒸发技术在石英基底上制备了该薄膜，并将薄膜样品分别在200℃、400℃和600℃下进行退火。利用光谱仪测试了薄膜的透射率并反演计算得到薄膜的折射率和消光系数的变化规律，采用X射线衍射仪和原子力显微镜表征了薄膜的表面性能。研究表明，薄膜透射率曲线的峰值随退火温度升高而显著提升。随着退火温度升高，薄膜的折射率和消光系数均逐渐变大，表面粗糙度呈现下降的趋势，表面变得致密。退火前后薄膜均为非晶态。该研究为进一步提高Ta₂O₅薄膜的性能提供了试验数据。     

稀土氧化物Pr2O3掺杂对高压ZnO压敏电阻性能的影响

采用低温固相化学反应法制备了Pr₂O₃掺杂的ZnO纳米复合粉体, 并用此粉体在不同烧结温度下制备了高压ZnO压敏电阻。采用X射线衍射、 比表面测试、 透射电镜、 扫描电镜等手段对制备的ZnO纳米复合粉体及高压ZnO压敏电阻进行了表征, 并与未掺杂ZnO压敏电阻进行了对比研究, 探讨了稀土氧化物Pr₂O₃掺杂对高压ZnO压敏电阻电性能的影响机制。结果表明: 较低的烧结温度(1030～1130 ℃)时, 掺杂的稀土氧化物Pr₂O₃偏析于ZnO晶界中, 有活化晶界、 促使晶粒生长的作用; 同时, Pr₂O₃掺杂导致1080 ℃烧结的ZnO压敏陶瓷体中晶体相互交织形成晶界织构, 比未掺杂的更均匀和致密, 这有助于高压ZnO压敏电阻晶界性能的改善, 从而提高其综合电性能。当烧结温度为1080 ℃时, Pr₂O₃掺杂的高压ZnO压敏电阻的综合电性能最佳: 电位梯度为864.39 V/mm, 非线性系数为28.75, 漏电流为35 μA。     

煅烧温度及硼酸用量对α-Al2O3粉体的影响

以工业氧化铝粉体为原料，以H₃BO₃为矿化剂，以高温煅烧为方法制备α-Al₂O₃粉体，研究煅烧温度和H₃BO₃用量对α-Al₂O₃转相率、杂质Na₂O含量以及晶粒粒径和形貌的影响规律。结果表明：H₃BO₃用量的增大对Al₂O₃转相率影响不大，添加H₃BO₃可加速α-Al₂O₃的晶粒生长，减少β-Al₂O₃和杂质Na₂O含量；随着煅烧温度的提高，α-Al₂O₃的粒径逐渐增大，晶粒形态规则，晶粒表面平整光滑，晶粒大小均匀，煅烧温度是影响Al₂O₃转相率、减少Na_...     

Bi@Bi4Ti3O12/TiO2等离子体复合纤维的制备及增强可见光催化性能

以电纺TiO₂纳米纤维为基质和反应物、乙二醇为还原剂,采用溶剂热法原位合成了新型Bi@Bi₄Ti₃O₁₂/TiO₂等离子体复合纤维。利用XRD、SEM、高倍透射电子显微镜（HRTEM）、XPS、紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）和光致发光图谱（PL）等分析测试手段研究了Bi@Bi₄Ti₃O₁₂/TiO₂复合纤维的结构和性能。结果表明:当反应温度低于210℃时,Bi@Bi₄Ti₃O₁₂/TiO₂复合纤维的Bi₄Ti₃O₁₂纳米片随反应温度升高逐渐缩小、增厚,且有金属Bi纳米粒子生成;当反应温度高于210℃时,Bi@Bi₄Ti₃O₁₂/TiO₂复合纤维的纳米片发生堆积、变形、表面金属Bi被氧化成Bi₂O₃。反应温度对Bi@Bi₄Ti₃O₁₂/TiO₂等离子体复合纤维的形貌和物相组成有重要影响;Bi@Bi₄Ti₃O₁₂/TiO₂复合纤维对罗丹明B表现出优异的光催化活性,可见光照5 h其降解率达97.8%。Bi@Bi₄Ti₃O₁₂/TiO₂复合纤维光催化性能提高归结于Bi₄Ti₃O₁₂与TiO₂间形成异质结、金属Bi等离子体共振效应及等离子体共振效应与异质结的协同作用。      

功能化Al2O3@SiO2/酚醛环氧-双马树脂复合材料的微观结构及性能

采用溶胶-凝胶法(Sol-gel)分别制备Al₂O₃和SiO₂,同时以KH560为架桥剂制得SiO₂包覆Al₂O₃(KH560-Al₂O₃@SiO₂)的增强体。以双马来酰亚胺树脂和酚醛环氧树脂(MBMI-EPN)为基体、4’4-二氨基二苯甲烷(DDM)为固化剂,采用原位聚合法制备了KH560-Al₂O₃@SiO₂/MBMI-EPN复合材料;表征KH560-Al₂O₃@SiO₂的微观结构及该增强体对复合材料性能的影响。结果表明:Al₂O₃@SiO₂粒子微观结构清晰,核壳结构完整,内核为短纤维状Al₂O₃,外壳为无定形SiO₂,二者通过化学键方式相连;Al₂O₃@SiO₂表面成功接枝上KH560基团,粒子堆积现象减弱。KH560-Al₂O₃@SiO₂/MBMI-EPN复合材料的微观形貌显示:KH560-Al₂O₃@SiO₂在MBMI-EPN基体中形成多相结构、分散性较好、界面作用稳定且断面形貌呈鱼鳞状,并未发现Al₂O₃@SiO₂粒子团聚体,整体结构完整。当KH560-Al₂O₃@SiO₂含量为1.5wt%时,复合材料的弯曲强度与冲击强度分别为126 MPa和14.7 kJ/m;,比树脂基体分别提高了21.2%和27.8%;材料的热分解温度为392.3℃,比树脂基体提高了14.5℃,力学性能和耐热性得到明显改善。