硅纳米管的研究进展

元素硅是sp3杂化,而不是易于形成石墨管状结构的sp2杂化,所以具有这种sp3杂化键的物质难于形成中空一维硅纳米材料,即硅纳米管.综述了硅纳米管及性能的理论研究,同时论述了采用模板法合成硅纳米管的最新实验进展情况,指出了目前硅纳米管的研究中需要解决的一些问题,并展望了发展.     

石墨炔及其聚集态结构与性能研究进展

石墨炔是由sp和sp²杂化形成的具有一种新型二维网络结构的碳的同素异形体,具有丰富的碳化学键、大的共轭体系、宽面间距、优良的化学稳定性。由于其具有特殊的电子结构及类似硅的优异的半导体性能,石墨炔有望广泛应用于电子、半导体与光电器件、催化以及新能源领域。本文总结了石墨炔的结构、超分子类石墨炔结构、石墨炔的多层超分子聚集体结构、类石墨炔碳纳米网络结构及其设计策略、石墨炔的力学性能等研究进展,对其在2D负泊松比材料分子设计研究方面进行了展望。     

硅/铜/碳纳米杂化材料制备及锂电性能研究

以纳米硅粉为硅源,乙酸铜为铜纳米粒子前驱体,双官能团甲基丙烯酸酯单体为溶剂和碳源,利用热引发聚合方法,结合高温氩气气氛煅烧,原位可控合成硅/铜/碳纳米杂化材料,并通过后续不同气氛(空气或者空气结合氢气)、不同温度条件下热处理,进一步调控杂化材料中碳基质含量,达到改善单质硅负极材料循环性能、提高杂化材料导电性能的目的。采用粉末衍射(XRD)、能量弥散X射线谱图(EDX)、热重分析实验(TGA)、扫描电镜(SEM)、电化学阻抗测试(EIS)以及锂离子电池循环性能测试等方法对杂化材料的结构、结晶、组成、形貌、导电性能以及锂电循环性能进行了较为系统的研究。研究结果表明,单质硅以及单质铜均匀分布在碳基质中;单质铜的形成有效提高了杂化材料的导电性;后期热处理能够进一步调控碳基质含量,从而使得杂化材料初始放电比容量从1156mAh/g提高到1997mAh/g,而循环性能得到一定程度保持。     

紫外光辐照下钛硅共掺杂类金刚石薄膜微结构的演化

采用中频磁控溅射Ti80Si20合金靶在单晶硅表面制备了钛硅共掺杂的类金刚石薄膜。利用紫外-可见光多波长Raman光谱表征薄膜微结构, 并结合FTIR光谱研究了紫外光辐照对类金刚石薄膜微结构的影响, 进一步讨论了紫外光辐照下薄膜微结构的演化机理。结果表明: 非晶结构的类金刚石薄膜出现反式聚乙炔和聚对苯乙炔类聚合物结构以及sp杂化的线型卡宾碳结构。紫外光辐照诱导薄膜微结构驰豫和重构, 薄膜Si-O和C-O键含量增加, C=C和C-H键含量减少; 同时薄膜sp²团簇尺寸减小而无序度增大。     

层状结构碳材料与Ar离子束的相互作用

利用XPS分析技术原位研究了层状结构的石墨碳及碳纳米管材料与Ar离子束的相互作用机理，以及对层状碳材料电子结构的影响。研究结果表明，Ar离子束与层状碳材料作用后，构成层状结构的以sp2杂化为基础的C－C共轭π键被Ar离子束打断，形成了新的C－C键。原有的层状结构也被破坏，形成了无定形结构。Ar离子束的作用是通过与C－C共轭π键作用，促进C-C共轭π键的断裂，而不仅仅是单纯的剥离作用。     

甘蔗水热法一步合成水溶性荧光碳点

以甘蔗为碳源,通过水热法一步合成平均粒径为1.2~3.7nm的水溶性荧光碳点。探究了水热温度、水热时间、甘蔗添加量和pH等因素对制备碳点的影响。得到的碳点具有明亮的蓝色荧光,表现出激发依赖的荧光特性。研究表明碳点表面带有-OH、C=O和-COOH等官能团,存在sp3杂化和sp2杂化两种碳原子。还提出了一个该方法合成碳点的可能的机制。     

Si/PEDOT:PSS杂化太阳能电池的研究进展

硅有机/无机杂化太阳能电池结合了硅材料载流子迁移率高的优势,以及有机物的材料易合成、光电特性可调的特点,具有制备工艺简单、成本低以及柔性等适合未来应用发展的潜力特征。在介绍硅基杂化太阳能电池的基本结构和工作原理的基础上,从硅基材料的优化、有机导电聚合物PEDOT∶PSS改性、硅与PEDOT∶PSS界面修饰和结构优化,以及杂化太阳能电池的稳定性4个方面概况了近期的研究进展,重点针对Si/PEDOT∶PSS杂化太阳能电池结构优化及性能改进方面的最新研究热点,分析了当前硅基杂化电池发展的问题,指出了Si/PEDOT∶PSS杂化太阳能电池的发展方向。     

浅谈石墨烯性能及前沿应用

正碳元素(C)广泛存在于自然界中,并且是一种与所有生命体都息息相关的重要元素,其电子轨道杂化的多样性(sp、sp2、sp3杂化)使得以碳元素为唯一构成元素的同素异形体材料具有各式各样的存在形式。早在1985年Kroto等人发现了零维碳单质材料富勒烯~([1]);接着,1991年Iijima发现了一维碳单质材料碳纳米管~([2]);此后,碳材料便成为了材料科学界的     

非晶碳膜中sp2和sp3相的检测方法

非晶碳薄膜由sp2和sp3杂化的碳原子组成.sp2和sp3碳原子的比例是决定非晶碳膜的结构和性能的重要参数.如何定量或定性地分析碳薄膜中sp2和sp3碳的含量一直是十分重要的问题.目前用来测定sp2和sp3碳及其比例的实验方法有13C核磁共振谱(NMR)、电子能量损失谱(EELS)、X射线光电子能谱(XPS)、椭圆偏振谱、拉曼光谱(Raman)、红外光谱(IR)等.综述了这些测定方法及其特点.     

PECVD法沉积类金刚石膜的结构及其摩擦学性能

以C2H2为碳源,Ar气为辅助气体,利用射频等离子体化学气相沉积的方法在有机薄膜PET和载玻片上制备了类金刚石(diamond-like carbon,DLC)薄膜.通过红外光谱(FTIR)、拉曼光谱(Raman)分析了所制备DLC薄膜的结构;利用原子力显微镜(AFM)分析了薄膜的表面形貌;另外,还利用摩擦磨损仪对薄膜的机械性能进行了研究.实验得到:FTIR、Raman谱图分析发现碳氢膜主要由sp2和sp3杂化的碳氢化合物呈层状堆积而成,其组分与沉积参数密切相关;同时,sp2和sp3杂化比例影响所制备薄膜的致密性、均匀性和耐磨性能.     

碳元素的另一种同素异形体——白碳

白碳和金刚石、石墨这两种常见的碳的晶态结构不同,它是sp1杂化的碳元素的另一种晶态同素异形体.白碳具有一维直线碳链的特殊结构.本文对白碳材料的制备方法、结构特点、表征方法进行了综述,并展望了其在纳米器件、分子器件、以及场致电子发射等方面的应用前景.     

氟化非晶碳膜结构的Raman和FTIR研究

利用反应射频磁控溅射法,以单晶Si片为衬底,在不同功率下制备了氟化非晶碳膜样品,并进行了不同温度的退火处理。采用拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱和原子力显微镜对样品的结构进行了表征。通过谱线Lorentzian分峰拟合方法,分析比较了不同功率下制备的氟化非晶碳膜sp杂化结构,得到了薄膜生长过程功率控制与结构的关系,功率增大、退火温度升高,膜内sp2相对含量增加。退火温度达到350℃时,薄膜中石墨结构明显增加。     

树枝状纤维形纳米球催化剂的研究进展

树枝状纤维形二氧化硅纳米球(KCC-1,类似于MCM-41命名规则)是继MCM-41、SBA-15之后,又一种里程碑式的介孔材料。与传统介孔二氧化硅相比,KCC-1具备三维中心辐射状孔道和多级孔结构,因而具有更高的比表面积、更大的孔体积、更高的孔渗透性、粒子内表面更易接触等优点。在KCC-1中,客体物质(如贵金属纳米粒子和生物大分子等)能够沿着中心辐射状孔道进行负载和/或输送,因此,KCC-1在纳米催化剂载体方面极具应用前景。近年来,KCC-1的成功开发掀起了树枝状纤维形纳米球及其催化剂的研究热潮。一方面,人们尝试基于其他本体材质构建树枝状纤维形纳米球,制备出树枝状纤维形二氧化钛纳米球、树枝状纤维形硅钛杂化纳米球、树枝状纤维形碳纳米球、树枝状纤维形碳氮杂化纳米球、树枝状纤维形硅铝杂化纳米球、树枝状纤维形硅铜铝杂化纳米球等。另一方面,随着研究的深入,以树枝状纤维形结构为基础的核-壳型、空心型、蛋黄-蛋壳型等新颖结构纳米催化剂也被成功开发,并在特定体系中展现出优越的催化性能。本文从构成树枝状纤维形纳米球的本体材料(元素)出发,对具有三维中心辐射状孔道和多级孔结构的纳米球催化剂进行分类,总结了各自的结构特征、催化对象及催化性能,综述了近几年树枝状纤维形纳米球催化剂的研究进展。最后,对树枝状纤维形纳米球催化剂的研究思路与发展趋势进行了分析和展望。     

基体温度对中频脉冲非平衡磁控溅射技术沉积类金刚石薄膜结构与性能的影响

利用中频脉冲非平衡磁控溅射技术在不同的基体温度下制备了类金刚石(DLC)薄膜,采用Raman光谱、X射线光电子能谱(XPS)、纳米压痕测试仪、椭偏仪对所制备DLC薄膜的微观结构、机械性能、光学性能进行了分析。Raman光谱和XPS结果表明,当基体温度由50℃增加到100℃时,DLC薄膜中的sp3杂化键的含量随基体温度的升高而增加,当基体温度超过100℃时,DLC薄膜中的sp3杂化键的含量随基体温度的升高而减少。纳米压痕测试表明,DLC薄膜的纳米硬度随基体温度的增加先增加而后减小,基体温度为100℃时制备的薄膜的纳米硬度最大。椭偏仪测试表明,类金刚石薄膜的折射率同样随基体温度的增加先增加而后减小,基体温度为100℃时制备的薄膜的折射率最大。以上结果说明基体温度对DLC薄膜中的sp3杂化键的含量有很大的影响,DLC薄膜的纳米硬度、折射率随薄膜中的sp3杂化键的含量的变化而变化。     

借助硅气凝胶改善和调控聚丙烯腈热交联膜孔结构及性能

以正硅酸乙酯(TEOS)为前驱体,采用溶胶-凝胶法制备硅溶胶并将其引入聚丙烯腈超滤膜孔道中,经过热交联制得具有丰富海绵状孔结构的TPAN/SiO_2(TPS)杂化膜,考察了TEOS浓度对TPS杂化膜的孔结构和渗透性能的影响.结果表明,TPS杂化膜孔内引入的硅气凝胶限制了膜孔道结构在热交联过程的融并;随着TEOS浓度的增加,TPS杂化膜的平均有效孔径增加,水通量提高,所制备的杂化膜的BSA截留率都在98%以上;同时,杂化膜表现出优异的热稳定性和良好的耐溶剂性.     

磁控溅射非晶CNx薄膜的热稳定性研究

为了研究非晶CNx薄膜的热稳定性,采用射频磁控溅射方法沉积了非晶CNx薄膜样品,并在真空中退火至900℃,利用FTIR,Raman和XPS谱探讨了高温退火对CNx薄膜化学成分及键合结构的影响.研究表明:CNx薄膜样品中N原子分别与sp、sp2和sp3杂化状态的C原子相结合,退火处理极大地影响了CN键合结构的稳定性;当退火温度低于600℃时,膜内N含量的损失较少,CNx薄膜的热稳定性较好,退火温度超过600℃时,将导致CNx膜中大多数C、N间的键合分离,造成N大量损失,膜的热稳定性下降;退火可促使膜内sp3型键向sp2型键转变,在膜中形成大量的sp2型C键,导致CNx膜的石墨化.     

负载银簇的硅基杂化纳米颗粒制备及其SERS性能

本研究发展了一种简便的“原位还原”策略构建负载银簇的硅基杂化纳米颗粒(Ag@SHNPs)。首先利用两亲性嵌段共聚物PS₈₉-b-PAA₁₆自组装行为和3-巯基丙基三甲氧基硅烷(MPTMS)在亲水链段PAA区域的水解缩聚反应形成有机硅胶束杂化纳米结构, 再利用有机硅骨架中丰富的巯基作为还原位点, 原位将银盐转化为银簇, 最终得到负载银簇的硅基杂化纳米颗粒, 并对该杂化纳米颗粒的形貌、结构以及成分组成作了分析。通过测试材料对不同细胞系的毒性验证了其良好的生物相容性。最后以4-巯基苯甲酸(4-MBA)为探针分子, 对硅基杂化颗粒基底的表面增强拉曼散射(SERS)活性进行检测。在532 nm波长的激光激发下, 4-MBA标记的硅基杂化纳米颗粒展示出明显的拉曼信号增强特性, 增强因子约为10⁵。因此, 该硅基杂化基底材料在SERS生物成像和高灵敏检测方面具有潜在的应用前景。     

单点缺陷氧化石墨烯电子结构与光学特性的第一性原理研究

本研究采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 在局域密度近似和广义梯度近似下, 研究了单点缺陷下不同结构氧化石墨烯的电子结构和光学特性。研究结果表明: 文中四种构型的氧化石墨烯为力学稳定结构, 其中包含不饱和氧原子的氧化石墨烯结构在水裂解及制氢中具有重要应用潜力。能带及分波态密度计算结果表明, 包含不饱和氧原子的构型为间接带隙半导体, 其余构型均为直接带隙半导体, 且掺杂类型和带隙值随结构不同而改变。氧化石墨烯的光学吸收表现为各向异性, 且在垂直于平面方向上的吸收边蓝移到近紫外可见光区。包含sp ³杂化形式的结构光学吸收系数比包含sp ²杂化的结构高, 说明碳氧双键和悬挂键的存在对吸收光谱有重要影响。     

通过构筑嵌覆型碳结构提升Nb2O5的储锂性能

嵌入型过渡金属氧化物因具有安全的工作电压、高比容量和快速的嵌锂能力而受到广泛关注.但低本征电导率特性严重影响其作为锂电负极材料的寿命和性能.本文通过简便易行、可规模化放大的二氧化碳热处理方法构筑了具有新型嵌覆型碳结构的Nb₂O₅/C纳米杂化材料.在控制碳含量的前提下,实现了颗粒聚集体内部表面可控碳包覆.以嵌覆型碳结构的Nb₂O₅/C纳米杂化材料为负极组装的锂离子电池在40 mA g(-1)电流密度下容量可达387 mA hg(-1),而在200 mA g(-1)电流密度下循环500次后,容量保持率在92%以上.采用电化学滴定、差分电化学质谱(DEMS)等方法对嵌覆型五氧化二铌/碳纳米杂化材料脱嵌锂动力学过程以及产气行为进行了研究.本文提出的嵌覆型碳结构有望为高性能嵌入型过渡金属氧化物的结构设计提供参考.     

辅助气体压强比例对中频脉冲非平衡磁控溅射沉积类金刚石薄膜结构与性能的影响

以高纯石墨为靶材、氩气(Ar)和甲烷(CH4)为辅助气体,利用中频脉冲非平衡磁控溅射技术在不同气体压强比例下制备了类金刚石薄膜,采用原子力显微镜、拉曼光谱仪、傅立叶变换红外光谱仪、纳米压痕测试仪对所制备薄膜的表面形貌、微观结构、机械性能进行了分析.结果表明:当Ar气压强比例由17％增加到50％时,类金刚石薄膜的RMS表面粗糙度、sp3杂化键含量、纳米硬度、弹性模量随Ar气压强比例的增加而增加,当Ar气压强比例由50％增加到86％时,薄膜的RMS表面粗糙度、sp3杂化键含量、纳米硬度、弹性模量随Ar气压强比例的增加而减小.以上结果说明辅助气体压强比例对类金刚石薄膜的表面形貌、微观结构、机械性能有较大的影响.