【虚拟专辑】敏感陶瓷(202409)

多功能MXene油墨：面向印刷能源及电子器件的新视角

邓顺桂, 张传芳

无机材料学报    2024, 39 (2): 195-203.

基于功能油墨的先进印刷技术(打印、涂布), 能够突破传统制造手段的瓶颈, 实现具有复杂结构和特定功能的个性化薄膜及电子器件的快速成型, 在可穿戴智能识别、能源存储、电磁屏蔽及吸波、触摸显示等领域展现出巨大的应用前景。印刷先进能源及电子器件的关键在于, 开发先进功能油墨材料和与之相匹配的先进印刷技术。2011年发现的MXene材料, 是一类由过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物所组成的二维大家族的总称, 因其卓越的物理和化学性质(如高电导率、出色的亲水性和丰富的表面化学)而受到广泛关注, 特别适合作为印刷电子器件的油墨材料。探索MXene油墨的印刷行为特征并厘清MXene油墨在印刷关键环节中的机理, 不仅有助于获得高精度的MXene油墨印刷图案, 而且可以为印刷多尺度、多材料的多功能薄膜和电子器件打下了坚实基础。本文首先介绍了MXene的制备及其片层胶体的化学稳定性, 并对其流变学特性、可打印油墨的形成、油墨印刷行为以及与之适配的打印方法进行了讨论, 着眼于MXene油墨在能源、健康监测和传感应用方面的最新进展, 分析了该领域面临的挑战和未来的发展方向, 为该领域的研究者提供新的视角和启示。

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MXene在压力传感中的研究进展

尹建宇, 刘逆霜, 高义华

无机材料学报    2024, 39 (2): 179-185.

近年来, 压力传感器在智能可穿戴纺织品、健康监测、电子皮肤等领域得到了广泛应用。二维纳米材料MXene的出现, 为压力传感带来了全新的突破。Ti3C2Tx是压力传感领域研究最多的MXene, 具有良好的机械性能、高导电性、优异的亲水性以及广泛的可修饰性, 是理想的压力传感材料。因此, 近些年研究者们对MXene在压力传感器中的设计和应用进行了大量探索和研究。本文总结了MXene的制备技术和抗氧化方法。同时介绍了基于MXene的微结构设计, 包括气凝胶/多孔结构材料、水凝胶、柔性衬底和薄膜。该类设计有利于提高压力传感器的响应范围、灵敏度和柔韧性, 促进了压力传感器的快速发展。此外, 进一步探讨了MXene压力传感器的工作机制, 包括压阻式、电容式、压电式、摩擦电式、电池式和纳米流体式等。MXene以其优异的特性而在各种机制的传感器中得到了广泛应用。最后, 对MXene材料的合成、性质以及其在压力传感方面的机遇和挑战进行了展望。

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高性能MXenes纳米复合材料研究进展

李雷, 程群峰

无机材料学报    2024, 39 (2): 153-161.

二维过渡金属碳/氮化物(MXenes)以其优异的力学和电学性能, 在多个领域展示出巨大的应用前景。近年来, 高性能MXenes纳米复合材料(包括一维纤维、二维薄膜和三维块体)的研究取得了显著进展, 但其力学性能仍远低于MXenes纳米材料的本征力学性能, 这主要归因于MXenes纳米复合材料中存在的孔隙缺陷、MXenes纳米片取向度低以及界面相互作用弱等关键科学问题。针对上述问题, 本文首先讨论了MXenes纳米材料的本征力学性能, 总结讨论了不同类型高性能MXenes纳米复合材料的发展历程, 并介绍了高性能MXenes纳米复合材料的最新研究进展, 包括如何消除孔隙缺陷、提高MXenes纳米片的取向度以及增强界面相互作用。同时, 介绍了高性能MXenes纳米复合材料在电热、热伪装、电磁屏蔽、传感以及储能等领域的应用。最后, 梳理了高性能MXenes纳米复合材料存在的挑战, 并展望了未来的发展方向。

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面向类脑计算的氧化物忆阻器

诸葛霞, 朱仁祥, 王建民, 王敬蕊, 诸葛飞

无机材料学报    2023, 38 (10): 1149-1162.

类脑神经形态计算通过电子或光子器件集成来模拟人脑结构和功能。人工突触是类脑系统中数量最多的计算单元。忆阻器可模拟突触功能, 并具有优异的尺寸缩放性和低能耗, 是实现人工突触的理想元器件。利用欧姆定律和基尔霍夫定律, 忆阻器交叉阵列可执行并行的原位乘累加运算, 从而大幅提升类脑系统处理模拟信号的速度。氧化物制备容易, 和CMOS工艺兼容性强, 是使用最广泛的忆阻器材料。本文梳理了氧化物忆阻器的研究进展, 分别讨论了电控、光电混合调控和全光控忆阻器, 主要聚焦阻变机理、器件结构和性能。电控忆阻器工作一般会产生微结构变化和焦耳热, 将严重影响器件稳定性, 改进器件结构和材料成分可有效改善器件性能。利用光信号调控忆阻器电导, 不仅能降低能耗, 而且可避免产生微结构变化和焦耳热, 从而有望解决稳定性难题。此外, 光控忆阻器能直接感受光刺激, 单器件即可实现感/存/算功能, 可用于研发新型视觉传感器。因此, 全光控忆阻器的实现为忆阻器的研究和应用打开了一扇新窗口。

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柔性压电器件及其可穿戴应用

冒爱琴, 陆文宇, 贾洋刚, 王冉冉, 孙静

无机材料学报    2023, 38 (7): 717-730.

可穿戴设备是能穿在身上, 实时获取人体或环境信息并进行传递和处理的功能设备, 在医疗健康、人工智能、运动娱乐等领域具有广阔的应用前景。随着可穿戴设备的发展, 各类柔性传感器应运而生。基于压电效应的柔性力学传感器因具有感应频率宽、响应快、线性好、自供电等优势而备受关注。然而传统的压电材料多为脆性陶瓷和晶体材料, 限制了其在柔性方面的应用。随着研究的深入, 越来越多的柔性压电材料和压电复合材料不断涌现, 给柔性可穿戴力学器件注入了新的发展活力。本文主要概括了柔性可穿戴压电器件的前沿进展, 包括压电原理、柔性压电材料的制备与性能提升方法。此外, 还详细总结了柔性可穿戴压电设备的主要应用方向, 包括医疗健康和人机交互, 以及遇到的挑战与机遇。

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用于新型冠状病毒检测的纳米材料及生物传感技术

李妍妍, 彭宇思, 林成龙, 罗晓莹, 滕峥, 张曦, 黄政仁, 杨勇

无机材料学报    2023, 38 (1): 3-31.

新型冠状病毒肺炎(Corona Virus Disease 2019, COVID-19)疫情大流行引起全球对此重大突发公共卫生事件的高度关注。新型冠状病毒(SARS-CoV-2)经过多次突变, 出现传染速度加快、免疫逃逸、隐匿性传播等特性, 令防控形势至今仍异常严峻。对患者的早发现、早隔离仍然是目前最有效的防控措施。因此, 迫切需要快速、高灵敏的检测手段来甄别此病毒, 以便及早识别感染者。本文简要介绍了SARS-CoV-2的一般特征, 并针对核酸、抗体、抗原及病原体作为检测靶标的不同检测手段及最新进展进行分类概述; 对一些光学、电学、磁学以及可视化的新型纳米传感器在SARS-CoV-2检测技术上的应用进行了分析。鉴于纳米技术的应用在提高检测灵敏度、特异性以及准确率上具有优势, 本文详细介绍了新型纳米传感器在SARS-CoV-2检测中的研究进展, 包括表面增强拉曼基生物传感器、电化学生物传感器、磁纳米生物传感器以及比色生物传感器等, 并探讨了纳米材料在新型生物传感器构建中的作用和挑战, 为纳米材料研究人员开发各种类型的冠状病毒传感技术提供思路。

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功能纳米材料应用于电化学新冠病毒生物传感器的研究进展

刘瑶, 尤勋海, 赵冰, 罗晓莹, 陈星

无机材料学报    2023, 38 (1): 32-42.

新冠疫情暴发对全球公共卫生构成了巨大威胁, 病毒的快速、准确诊断对新冠疫情防控具有至关重要的作用。近年来, 以纳米材料为基础的电化学传感技术在快速、高灵敏度/高特异性分子诊断方面显示出巨大的潜力。本文简要介绍了新型冠状病毒（SARS-CoV-2）的结构特征及常规检测方法, 总结了电化学生物检测相关传感特点和机制。在此基础上, 详细评述了金纳米材料、氧化物纳米材料、碳基纳米材料等为基础的电化学传感器用于快速、准确检测新冠病毒的研究进展。最后, 展望了基于电化学传感技术在未来生物分子诊断中的应用。

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基于硅酸铝纤维的柔性氧敏感元件的制备和性能

赵雅文, 屈发进, 汪岩屹, 王智文, 陈初升

无机材料学报    2024, 39 (10): 1084-1090.

柔性传感器可以适应各种复杂环境和曲面形状, 在生物医学、环境监测和智能可穿戴设备等领域具有广泛的应用前景。本研究旨在研发高稳定性的荧光淬灭型柔性氧敏感元件。采用硅酸铝纤维作为载体, 聚二甲基硅氧烷(Polydimethysiloxane, PDMS)作为基质, 四(五氟苯基)卟啉铂(Platinum(II)-5,10,15,20-tetrakis-(2,3,4,5,6-penta- fluorophenyl)-porphyrin, PtTFPP)荧光分子作为氧探针, 制备了柔性氧敏感元件。该元件的水接触角高达152°, 显示出超疏水性, 这有助于提升其在潮湿气氛和水溶液中的稳定性。元件对气相氧和溶解氧均表现出荧光淬灭效应, 荧光强度与氧含量之间的关系符合Stern-Volmer方程, 其气相Stern-Volmer常数KSV为0.020 h·Pa-1, 水相Stern-Volmer常数KSV为2.94 L·mmol-1。该氧敏感元件具有出色的循环可恢复性和响应性能: 从氮气切换至氧气的响应时间为0.9 s, 从氧气切换至氮气为2.7 s。此外, PtTFPP-PDMS膜具有出色的稳定性, 暴露于100 ℃水蒸气15 h、在pH 1~10的水溶液中浸泡和经历400次的弯曲循环后, 其相对荧光强度和水接触角均无明显变化。以硅酸铝纤维为载体的 PtTFPP-PDMS柔性元件具有优异的荧光氧敏感性和稳定性, 有望用于苛刻条件下气相氧和溶解氧的测定。

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BaSrGa₄O₈: Tb³⁺力致发光材料的制备及性能

史瑞, 刘伟, 李林, 李欢, 张志军, 饶光辉, 赵景泰

无机材料学报    2024, 39 (10): 1107-1113.

力致发光材料独特的机械能-光能转换方式使其在应力传感领域具有广泛的应用前景, 并有望成为新一代可视化应变传感材料。目前拓展力致发光材料体系和提高其性能仍然是研究的重点。本研究采用BaSrGa4O8基质(六方晶系, 空间群为P63, 具有非中心对称结构), 通过高温固相反应法合成了系列Tb3+掺杂绿色力致发光荧光粉。材料在不同的力学激励(拉伸、压缩、扭曲)下都可以发出明亮的绿光。用玻璃棒在制备的力致发光弹性体上分别书写B、S、G、O、T、b, 观察到清晰的笔记映射, 通过分析力致发光图像的颜色映射值, 可追溯材料在书写过程中的受力情况, 这是首次在上述基质掺杂体系中观测到的力致发光现象。在254 nm紫外光激发下, BaSr1-xGa4O8: xTb3+荧光粉亦呈现发射波长为543 nm的明亮绿光, 这归因于Tb3+的5D4-7F5跃迁, 具有和力致发光同样的发光中心, 去除紫外照射后样品仍显示出强烈的余辉发光。通过力致发光、光致发光、长余辉发光结合热释光分析, 进一步阐明了三者之间的内在联系。本研究拓宽了高性能力致发光材料体系的范围, 其在可视化应力传感、信息安全防伪等领域展现出潜在的应用前景。

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基于CuI/Si单边异质结的微光高灵敏双波段可切换光电探测器

杨佳霖, 王亮君, 阮丝园, 蒋秀林, 杨长

无机材料学报    2024, 39 (9): 1063-1069.

近年来, 碘化铜(CuI)因其较高的本征霍尔迁移率、高光吸收和较大的激子结合能而成为一种新兴的p型宽带隙半导体。然而, 在传统半导体材料表面制备高质量CuI薄膜非常困难, 已有CuI基异质结器件的光谱响应和光电转换效率较低。本研究采用一种简易的金属碘化法制备了一种p-CuI/n-Si结构的光电二极管。虽然获得的CuI是带有明显结构缺陷的多晶薄膜, 但CuI/Si二极管具有很高的弱光灵敏度。其高达7.6×104的整流比表明该光电二极管具有良好的缺陷容忍度, 这与p+n型二极管的单边异质结这一特殊结构有关。本研究对该p+n型二极管的光电响应进行了较为系统的研究, 选择波长分别为400、505、635和780 nm的不同单色激光器进行光响应测试。在零偏置电压条件下, 该器件为单边异质结, 耗尽层仅在硅一侧, 因此只有可见光被吸收。当施加-3 V的偏置电压时, 光电二极管被切换到“紫外-可见”双波段响应的工作模式。因此, 通过调整偏置电压可以使检测波长在“可见”波段和“紫外-可见”波段之间切换。此外, 本研究所得到的CuI/Si二极管对弱光照非常敏感。在入射光功率密度低至0.5 μW/cm2时, 其具有高达1013~1014 Jones的探测率, 明显优于其他铜基光电二极管。相关研究结果证实了CuI在与传统硅工业集成时的高应用潜力。

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电致变色型智能可视化湿度系统

甄明硕, 刘晓然, 范向前, 张文平, 严东东, 刘磊, 李晨

无机材料学报    2024, 39 (4): 432-440.

近年来, 湿度传感器在食品安全、土壤监测等领域的应用引起了广泛关注。传统湿度传感器具有稳定性好、灵敏度高等优点, 但大部分湿度传感系统通常采用有线连接和外接庞大设备来将湿度信号转换为可识别的波形, 无法对湿度信息的变化进行实时的可视化监测。将湿度信息直接转换为肉眼可观测的颜色信号为上述问题提供了一种理想解决方案。本研究将湿度传感器与电致变色器件集成一体来制备智能可视化湿度指示系统, 通过将湿度信号转换为电压信号来驱动电致变色器件(Electrochromic devices, ECDs), 从而实现系统稳定可逆的颜色变化。采用三氧化钨(WO3)作为负极、锌箔(Zn)作为正极制备的ECDs会根据湿度传感器的输出电压的变化来转变不同的工作状态, 从而产生肉眼可观测的颜色信号。采用紫外-可见分光光度计与电化学工作站对ECDs的电化学性能以及电致变色性能进行研究和表征。随后, 通过示波器和湿度发生平台对调理电路性能进行分析。结果表明: 智能电致变色型湿度指示器具有良好的稳定性和快速的响应性能, 其中, 着色时间与褪色时间仅为7.5和4.5 s, 并且在300个循环后, 光学调制幅度(ΔT)与初始值相比基本保持不变(保持率可达95%以上)。因此, 这种设计新颖、结构简单的可视化湿度系统在人工智能、智能农业等领域具有广阔的应用前景。

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基于含氧氢化钆薄膜的宽波段调制光致变色智能窗

李众少, 李明, 曹逊

无机材料学报    2024, 39 (4): 441-448.

光致变色窗户因结构简单、被动调光和零能耗输入而被认为是一种高效的节能智能窗, 然而有关光致变色智能窗的研究很少涉及中红外(MIR)波段，这限制了节能效率。本研究通过在ITO衬底上生长稀土含氧氢化物(ReOxHy)薄膜，实现了宽波段调制的能力。所开发的光致变色智能窗口能够通过感应光强度自动调节发射率，同时保持可见光和近红外(NIR)调制(ΔTsol=35.1%, ΔTl um=37%, Δε8-13 μm=0.12)。研究还通过优化制备气氛，实现了GdOxHy的一步制备并提高了稳定性，通过综合表征分析了光致变色机理。总之，这种跨越可见光-近红外-中红外的被动协同调制方法有望推动光致变色智能窗的发展。

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多孔NiMoO₄纳米片薄膜的直接水热生长及其电致变色性能

牛海滨, 黄佳慧, 李倩文, 马董云, 王金敏

无机材料学报    2023, 38 (12): 1427-1433.

钼酸镍(NiMoO4)是一种在储能和催化领域具有优异性能的材料, 但在电致变色领域还缺乏深入探索研究。本研究未使用晶种层, 采用水热法在透明导电玻璃基底上生长了多孔NiMoO4薄膜。采用掠入射X射线衍射仪(GIXRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)对NiMoO4纳米片薄膜样品的晶相和微观形貌进行了表征, 并研究了NiMoO4薄膜的电化学性能和电致变色性能。结果表明: NiMoO4电致变色薄膜具有多孔结构, 能够为离子迁移提供充足的通道和反应活性位点。因此, NiMoO4薄膜表现出优异的电致变色性能, 其光调制幅度达到79.6%, 着色效率为86.2 cm2·C-1, 着色和褪色时间分别为9.5和12.7 s(在褪色过程存在一个快速和一个慢速步骤), 经过100次着色和褪色循环后光调制幅度仍可以保持最大光调制幅度的99.7%。此外, 该薄膜在0.3 mA·cm-2的电流密度下的面积比电容高达49.59 mF·cm-2。上述优异的性能使NiMoO4纳米片薄膜有望在高性能电致变色器件中得到重要应用。在器件的组装过程中, 探索合适的电解质以及与NiMoO4薄膜相匹配的对电极将是下一步研究工作的重点。

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纳米晶液相镀膜制备WO₃电致变色薄膜研究和性能优化

陈长, 赵若伊, 韩少杰, 王焕燃, 杨群, 高彦峰

无机材料学报    2023, 38 (11): 1355-1363.

电致变色材料应用于节能建筑、智能显示等领域, 是最具研究前景的智能材料之一。液相法制备WO3电致变色薄膜可以构建复杂多元变色结构, 在光调制幅值、响应时间, 特别是大面积低成本制备方面显现出巨大的潜力。本研究旨在开发一种低成本、易于规模化的WO3纳米晶液相镀膜工艺, 改善液相法常见的循环稳定性差和制备工艺复杂的问题。通过该方法制备了光调制幅度高、响应迅速和抗疲劳性能好的WO3电致变色薄膜。本工作对退火工艺进行优化, 成功合成出低聚集度、高结晶性的WO3纳米粉体。通过球磨分散制备WO3纳米晶镀膜液, 探究球磨对WO3纳米粒子的性能影响, 针对薄膜微结构和镀膜液结晶性对其电致变色性能进行工艺优化。获得了高光学调制幅度(82%), 短响应时间(tc/tb: 8 s/4.2 s), 高着色效率(81.5 cm2·C-1)和高循环稳定性(>1000次)的WO3电致变色薄膜。本工作通过改性WO3纳米粉体结晶和分散性能, 全面提升了纳米晶液相镀膜技术制备的WO3电致变色薄膜性能, 表明采用液相法制备WO3电致变色薄膜在变色性能和循环稳定性上有望突破可实用水平。

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Ti₂Nb₁₀O₂₉薄膜的制备及其电致变色性能

孙佳伟, 宛心怡, 杨婷, 马董云, 王金敏

无机材料学报    2023, 38 (12): 1434-1440.

电致变色材料是一类可以通过调节光和热而减少能源使用的节能环保材料, 特别是化学性质稳定的过渡金属氧化物, 作为电致变色材料得到广泛研究。近年来, 双金属氧化物由于存在两种可变价态的金属离子, 具有更好的电化学活性而逐渐受到关注。本研究采用水热法成功在透明导电基底上直接生长了Ti2Nb10O29薄膜, 并探究了前驱体中铌钛原子比对薄膜电致变色性能的影响。结果表明, 由铌钛原子比为3 : 1的前驱体制备的薄膜具有较好的电致变色性能。Ti2Nb10O29薄膜在−1.6 V呈蓝灰色, 在0.4 V呈无色透明状; 在300~1100 nm的宽波长范围内, 均有较高的光调制幅度, 其褪色态的透过率接近90%; 在波长750 nm处的最大光调制幅度达69.4%; 对薄膜施加-1.6 V、60 s和0.4 V、15 s的方波电位, 测得其着色时间和褪色时间分别为29.8和5.9 s; 薄膜的着色效率为68.3 cm2·C-1。本研究制备的Ti2Nb10O29薄膜拓展了双金属氧化物电致变色材料的种类, 具有良好的应用前景。

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基于二维钙钛矿(PEA)₂PbI₄的光电探测器

蔡凯, 靳志文

无机材料学报    2023, 38 (9): 1069-1075.

二维(2D)钙钛矿以其固有的量子阱结构、较大的激子结合能和良好的稳定性, 在光电应用领域中具有广阔的前景。然而, 提高二维钙钛矿薄膜质量、降低成本并简化制备工艺仍然面临巨大的挑战。本工作在低退火温度(80 ℃)且无需其他特殊处理的条件下, 采用溶液法制备高质量二维钙钛矿(PEA)2PbI4薄膜, 并进一步制备了光电探测器。结果表明, 这种光电探测器有较低的暗电流(10-11 A), 在450 nm光照下具有良好的响应度(107 mA·W-1)、较高的探测率(2.05×1012 Jones)和快速响应时间(250 μs/330 μs)。持续控制光照1200 s后, 器件可以保持95%的光电流。此外, 器件静置30 d后光电流几乎保持不变。本研究为开发稳定和高性能光电器件提供了良好的途径。

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低维卤化物钙钛矿直接型X射线探测器研究进展

董思吟, 帖舒婕, 袁瑞涵, 郑霄家

无机材料学报    2023, 38 (9): 1017-1030. 

X射线探测在医学影像、安检、工业无损探测等领域应用广泛。卤化物钙钛矿X射线探测器因具有灵敏度高、检测下限低等显著优点而引人瞩目, 然而三维结构的钙钛矿内部离子迁移显著, 导致其稳定性较差。研究表明, 低维结构可以有效抑制钙钛矿中的离子迁移, 进而提高钙钛矿X射线探测器的稳定性。本文围绕X射线探测器的工作原理、关键性能参数、低维钙钛矿材料及器件等方面, 详细介绍了低维钙钛矿X射线探测器近期的研究进展,系统分析了低维钙钛矿材料的结构特性及其对X射线探测性能的影响。低维钙钛矿可实现兼具高灵敏度和高稳定性X射线探测器的制备, 是发展潜力巨大的候选材料。进一步优化材料体系, 设计器件结构, 制备大面积、像素化的成像器件, 深入研究探测器的工作机制等是促进低维钙钛矿X射线探测器走向应用的关键。

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溶液法制备AgBi₂I₇薄膜及其光电探测性能研究

胡盈, 李自清, 方晓生

无机材料学报    2023, 38 (9): 1055-1061.

AgBi2I7薄膜具有良好的光电特性和环境稳定性, 是构筑异质结紫外光电探测器的有力候选材料之一。本研究采用溶液法制备AgBi2I7薄膜, 通过优化前驱体溶液的浓度和溶剂类型(正丁胺和二甲基亚砜)等工艺参数, 研究了其光电探测性能。采用最优方案在宽带隙的GaN上制备AgBi2I7薄膜, 构建AgBi2I7/GaN异质结。该异质结对UVA射线具有良好的选择性探测(探测半峰宽约30 nm)。在3 V偏压和350 nm紫外光照射下, 器件开关比超过5个数量级, 达到27.51 A/W的高响应度和1.53×1014 Jones的高探测率。研究表明溶液法制备的AgBi2I7薄膜有望应用于构建高性能的异质结紫外光电探测器。

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Al³⁺掺杂对La_0.8Sr_0.2Mn_1-xAl_xO₃电输运性能的影响

张爱梅, 朱佳佳, 方天诚, 潘茜茜

无机材料学报    2023, 38 (2): 148-154.

钙钛矿锰氧化物La1–xSrxMnO3 (LSMO)作为一种代表性庞磁阻材料, 在磁传感器等领域具有广阔的应用前景, 但在低磁场和室温下很难获得显著的庞磁阻效应。 为提高LSMO磁电阻效应和转变温度, 本研究采用传统固相反应法制备了La0.8Sr0.2Mn1–xAlxO3 (0≤x≤0.25)(LSMAO)多晶样品, 并系统分析了Al3+掺杂对LSMO电输运性质和磁电阻效应的影响。X射线衍射(XRD)图谱表明LSMAO样品具有单一的菱方结构, 属于R3¯C空间群。电输运性质研究发现, 样品的电阻率随Al3+的掺杂呈指数型上升, 且外加磁场使金属-绝缘体转变温度有所提高。这可能是由于Al3+稀释了Mn3+/Mn4+离子网络, 在减少载流子数量的同时增加了磁无序。此外, LSMAO陶瓷的导电机理随Al3+的掺杂从小极化子模型(Small polaron hopping model, SPH)转变成变程跳跃模型(Variable range hopping model, VRH), 说明非磁性的Al3+抑制了铁磁团簇间的载流子交换, 使得小极化子热激活近邻跃迁过程被抑制。LSMAO的磁电阻效应从21.03% (x=0)增大到59.71% (x=0.25), 证明Al3+掺杂可有效增强LSMAO的磁电阻效应。

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不同形貌MoS₂的制备及对NH₃气敏性能的研究

李文博, 钱荣, 卓尚军, 江鸿, 盛成, 朱月琴

无机材料学报    2022, 37 (10): 1135-1140.

氨气污染是空气污染的重要因素之一, 且氨气容易诱发急性水肿和呼吸衰竭等疾病, 严重危害人体健康。开发高性能氨气传感器已经成为氨气实时监测和安全预警的重要手段。本工作采用水热法制备了纳米花状、纳米球状和纳米片状三种不同形貌的二硫化钼, 以此构建了三种MoS2氨气传感器, 并利用自主搭建的气敏检测平台进行气敏性能研究。气敏实验结果表明: 在三种不同形貌的MoS2氨气传感器中, 纳米花状MoS2传感器对于氨气具有更好的响应性能, 对于10×10-6 NH3的响应值为7.41%, 而相同氨气浓度条件下的纳米片状和纳米球状MoS2传感器的响应值分别为2.01%和5.11%。此外, 纳米花状MoS2传感器还表现出优异的可重复性、稳定性和选择性。纳米花状MoS2传感器具有优越的响应性能, 主要因为其具有较大的比表面积, 可为NH3的吸附提供更多的活性位点。本研究为采用MoS2作为基底材料制备高性能的NH3传感器提供了新思路。

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光电人工突触研究进展

杜剑宇, 葛琛

无机材料学报    2023, 38 (4): 378-386.

传统的人工视觉系统基于冯•诺依曼架构, 其视觉采集单元、处理单元和存储单元分离, 因而冗余数据在各个单元之间传递会造成高延迟和能耗。为了解决这一问题, 新一代神经形态视觉系统应用而生, 其具有感知、存储、计算一体化的架构, 既可以减少数据传递, 又可以提高数据处理效率。作为神经形态视觉系统的硬件实现基础, 光电人工突触器件近年来得到广泛研究。光电人工突触器件将光敏元件与突触器件的功能相结合, 为实现低延迟、高能效和高可靠性的神经形态视觉系统提供了新的可能。虽然光电人工突触材料千差万别, 但其工作机理主要包括氧空位的电离和解离、光生载流子的捕获和释放、光致相变以及光与铁电复杂相互作用等。本文从工作机理的角度, 介绍了光电人工突触器件的最新研究进展, 并分析了不同工作机理的优点及其面临的挑战。最后, 概述了未来光电人工突触的应用前景和发展方向。

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两步电沉积法制备Zn-Fe PBA薄膜及其在电致变色器件中的性能研究

张家强, 邹馨蕾, 王能泽, 贾春阳

无机材料学报    2022, 37 (9): 961-968.

电致变色材料因其颜色随外加电压变化的特性, 可用于新型显示器件。目前, 彩色电致变色器件(Multicolor electrochromic devices, MCECDs)大多使用几种不同颜色的有机材料制备的, 流程较为复杂。为了简化制备流程, 本课题组提出了一种具有红、蓝、绿、黄四种典型颜色的普鲁士蓝类似物的复合电致变色(MC-PBA)薄膜, 以实现性能优异的变色器件。本工作通过两步电沉积法制备了锌铁普鲁士蓝类似物(Zn-Fe PBA)薄膜, 其循环伏安曲线仅有一对氧化还原峰, 对应于FeⅢ/FeⅡ间的氧化还原反应, 在10000圈循环后性能几乎不发生衰减。该薄膜为白色且在电化学循环过程中几乎不发生颜色变化, 在与MC-PBA薄膜组装相应的电致变色器件(Z-MCECD)时不会对颜色产生影响, 并且其作为离子存储层可以显著减低过电势(从4.0 V降低至1.5 V)。得益于此, 所组装的Z-MCECD在保有红、蓝、绿、黄四种典型颜色状态的同时, 工作电压更低, 循环稳定性也得到显著提高(2400 s内透过率调控范围几乎没有发生衰减, 在3600 s后仍保持有初始的74.4%; 而对照组在1200 s后发生不可逆的性能衰减)。基于Z-MCECD的电致变色器件在彩色电致变色显示领域表现出相当大的应用潜力。

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基于Cu₃(HHTP)₂薄膜的离子液体电致变色电极

张笑宇, 刘永盛, 李然, 李耀刚, 张青红, 侯成义, 李克睿, 王宏志

无机材料学报    2022, 37 (8): 883-890.

室温离子液体具有宽电化学窗口和良好的环境稳定性, 是电致变色器件的理想电解质。然而传统电致变色材料的晶格间隙较窄, 限制了离子液体中大尺寸离子的扩散, 且大离子反复脱/嵌会破坏传统电致变色材料的结构, 导致性能衰减。金属有机框架材料(MOFs)是一种具有拓扑结构的多孔晶态材料, 有望为离子液体中大尺寸离子的传输提供通道。本工作在导电玻璃表面制备了三亚苯类Cu3(HHTP)2 (HHTP=2,3,6,7,10,11-六羟基三苯并菲) MOF薄膜, 并研究了Cu3(HHTP)2薄膜在离子液体电解质中电化学和电致变色行为和性能。结果表明, 相对于传统的LiClO4/PC和NaClO4/PC电解质, Cu3(HHTP)2薄膜在离子液体[EMIm]BF4中表现出更低的接触电阻和更高的离子扩散效率, 电极的着色/褪色速度得到了显著提高(着色时间由10.3 s缩短至8.0 s, 褪色时间由23.6 s缩短至5.2 s)。同时, Cu3(HHTP)2薄膜在[EMIm]BF4中也具有更高的光调制范围和着色效率。这项工作展现出MOFs/离子液体电化学体系在电致变色领域中的潜在应用价值。

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钙钛矿陶瓷薄膜的电致变色特性

黄郅航, 滕官宏伟, 铁鹏, 范德松

无机材料学报    2022, 37 (6): 611-616.

钙钛矿锰氧化物(Perovskite manganese oxide, PMO)因受外界条件激励而发生变色的特性, 在散热领域中受到广泛关注。目前绝大多数针对PMO的变色特性的研究都是以温度激励为基础, 以电场激励实现的散热器件仍旧缺乏。由于电场激励伴随着焦耳热的影响, 目前PMO材料是否存在电致变色性能尚未得到明确证明。针对以上问题, 本研究利用电场激励对PMO内部Mn元素的影响, 提出了一种针对PMO材料的电改性方法。通过电改性大幅减弱PMO热致变色性能, 进而使La0.7Ca0.25K0.05MnO3(LCKMO)在电场激励实验中能够排除焦耳热的影响。对LCKMO电改性前后的热致变色及电致变色性能进行研究。电改性前的LCKMO发射率随温度升高而增大, 最大增量为17%。并且在受21 V电场激励后, 其发射率在173、203、243、273和373 K分别出现了15%、16%、10%、0.6%和1.4%的增量。电改性后的LCKMO热致变色性能大幅减弱, 且在受21 V电场激励后, 其发射率在273和373 K出现了10.7%和9.3%的增量。电改性前后的实验结果表明: LCKMO存在电致变色性能, 并且电场激励对LCKMO发射率的调控机制存在明显规律。此外, 针对PMO材料的电改性方法不仅能令PMO材料在排除焦耳热的影响下进行电致变色研究, 更为调控PMO材料热致变色性能提供了新的可能。

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区熔法制备金属硫化物Ag₂S及其热电性能研究

金敏, 白旭东, 张如林, 周丽娜, 李荣斌

无机材料学报    2022, 37 (1): 101-106.

金属硫化物Ag2S具有优异的物理化学性能, 在催化、传感及光电子等领域具有广阔的应用空间。本工作利用一种区熔技术制备了尺寸为ϕ18 mm×50 mm的Ag2S并对其潜在热电性能进行了研究。Ag2S在450 K以下具有标准的α-Ag2S单斜P21/c结构, 450 K以上发生相变成为立方β-Ag2S相。Ag2S在300~650 K范围始终具有负的Seebeck系数而呈现n型半导体特征, 这主要是因为材料中存在Ag间隙离子而提供了多余电子。Ag2S的Seebeck系数在室温下约为-1200 µV·K-1, 440 K时降为-680 µV·K -1, 当转变为β-Ag2S后则大幅降至~-100 µV·K-1。α-Ag2S的电导率几乎为零, 然而在刚发生β-Ag2S相变(450 K)时, 电导率突然增加至~40000.5 S·m-1, 而后随着温度持续升高, 其值在650 K降低为33256.2 S·m-1。霍尔测试表明Ag2S的载流子浓度nH在相变时可从~1017 cm-3迅速增加到~1018 cm-3量级。α-Ag2S和β-Ag2S的总热导率κ几乎是常数, 分别为~0.20和~0.45 W·m-1·K-1。最终Ag2S在580 K获得最大ZT值0.57, 说明它是一种很有发展潜力的中温热电材料。

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