目前, 人工智能在人类社会发挥着越来越重要的作用, 以深度学习为代表的人工智能算法对硬件算力的要求也越来越高。然而随着摩尔定律逼近极限, 传统冯·诺依曼计算架构越来越难以满足硬件算力提升的迫切需求。受人脑启发的新型神经形态计算采用数据处理与存储一体架构, 有望为开发低能耗、高算力的新型人工智能技术提供重要的硬件基础。人工神经元和人工突触作为神经形态计算系统的核心组成部分, 是当前研究的前沿和热点。本文聚焦氧化物人工神经元, 从神经元数学模型出发, 重点介绍了基于氧化物电子器件的霍奇金-赫胥黎神经元、泄漏-累积-发射神经元和振荡神经元的最新研究进展, 系统分析了器件结构、工作机制对神经元功能模拟的影响规律。进一步, 根据不同尖峰发射动态行为, 阐述了基于氧化物神经元硬件的脉冲神经网络和振荡神经网络的研究进展。最后, 讨论了氧化物神经元在器件、阵列、神经网络等层面面临的挑战, 并展望了其在神经形态计算等领域的发展前景。

迟滞效应是影响钙钛矿太阳能电池性能和稳定性的重要问题, 离子迁移和由此产生的界面离子积累是引起迟滞效应最重要的原因之一。本研究采用上转换发光纳米材料(Upconversion Luminescent Nanoparticles, UCNP)修饰电子传输层/钙钛矿活性层的界面及本征钙钛矿活性层, 系统探究了UCNP对钙钛矿的形貌、结构、光谱/光电性能和离子迁移动力学的影响。结果表明: 钙钛矿活性层经过UCNP修饰后器件的光电转换效率(Power Conversion Efficiency, PCE)最佳(16.27%), 而且迟滞因子(Hysteresis Factor, HF)得到显著改善(0.05)。进一步采用回路切换瞬态光电技术系统探究了钙钛矿太阳能电池不受光生载流子干扰的离子迁移动力学过程, 证明UCNP在光电转换过程中起到抑制离子累积和迁移的双重作用: 一方面UCNP可以形成阻隔层, 阻碍离子累积; 另一方面, UCNP可以在退火过程中进入到钙钛矿体相晶界处, 阻碍离子迁移, 使恢复电压从0.43 V降低到0.28 V。极化诱导缺陷态模型解释了离子-载流子相互作用机制, 阐释了UCNP抑制钙钛矿光伏器件迟滞效应的机理。本研究可以为调控钙钛矿太阳能电池迟滞提供一种有效的解决方案。

鉴于平板式固体氧化物燃料电池(SOFC)电堆对低面电阻、高稳定性阴极接触材料的需求, 本研究阐明了LaNi_0.6Fe_0.4O₃(LNF)颗粒尺寸调控对导电和SOFC单电池性能演变的影响机制, 优化了LNF预处理工艺, 降低了接触组件面电阻，提升了SOFC单电池性能及热循环稳定性。结果表明：预压造粒的样品(LNF-2)与高温烧结预处理的样品(LNF-3)的面电阻更小, 分别为0.074和0.076 Ω·cm²; 在750 ℃施加1 A/cm²电流负载后, 能够更快地进入稳态, 并保持颗粒尺寸稳定。其中, LNF-2单电池在750 ℃下的峰值功率密度0.94 W/cm²较未处理的LNF的 0.66 W/cm²高, 但在热循环过程中性能衰减较大,下降了20%; 而LNF-3单电池在20次热循环后峰值功率密度仅下降了4%。本研究对高可靠SOFC电堆装配及其长寿命稳定运行具有指导及参考价值。

本研究采用水热-磷化-电化学沉积法在磷化钴表面构筑了金属氢氧化物层, 制备了NiFeOH/CoP/NF复合电极, 考察了复合电极电解水制氢的性能。在1.0 molּ/L的KOH介质中, NiFeOH/CoP/NF复合电极表现出良好的催化电解水性能。在电流密度为100 mA/cm²时, NiFeOH/CoP/NF复合电极电催化析氢(HER)和析氧反应(OER)所需的过电势分别为141和372 mV。在电流密度为10 mA/cm²时, NiFeOH/CoP/NF同时用作阴极和阳极电解水所需电压仅为1.61 V。NiFeOH保护层增强了CoP在电解水反应中的活性和稳定性, NiFeOH/CoP/NF复合电极在恒电流电解中表现出高的HER和OER稳定性, 活性可维持60000 s, 性能未见明显衰减。将NiFeOH/CoP/NF两电极电解池与GaAs太阳能电池组成光伏-电解水系统, 该系统在100 mW/cm²模拟光照条件下, 太阳能至氢能转化效率达到18.0%, 并可稳定运行200 h。

纳米TiO₂具有高催化活性、高化学稳定性、成本低廉和安全无毒等优势, 是目前广泛使用的一类光催化剂, 但较大的禁带宽度和较高的光生电子-空穴复合速率使其光子利用率偏低。本研究利用微刻蚀法设计合成了二维TiO₂纳米片, 并进一步与Ru复合, 构建了三明治结构Ru@TiO₂高效光催化剂。采用不同表征手段研究了三明治结构Ru@TiO₂的表面形貌、电子结构、光电特性和光降解盐酸四环素的性能。结果表明: 插入Ru将TiO₂的光响应范围由紫外光区拓展至整个可见-近红外光区, 光子吸收和载流子分离效率得以提升,同时提高了体系光催化活性。模拟太阳光(AM 1.5G, 100 mW·cm^-2)照射80 min, 三明治结构Ru@TiO₂高效光催化剂对盐酸四环素的降解效果出色, 降解效率达到91.91%。本研究为TiO₂基高效光催化剂结构设计提供了一条有效途径。

活性炭以其丰富的孔道结构和高比表面积而在吸附苯乙烯废气上具有巨大的应用潜力, 然而含氧官能团对弱极性苯乙烯的吸附作用机理尚未明晰。本研究通过酸浸渍法制备改性活性炭AC-S和AC-N, 探究改性活性炭孔径结构、比表面积和含氧官能团的演变规律及其对苯乙烯吸附性能的影响。结果表明, 酸改性可以明显提高活性炭对苯乙烯的吸附量。通过吸附动力学、吸附等温拟合发现, 活性炭改性前后均受物理吸附与化学吸附的复合作用影响, 改性后活性炭更倾向于单层吸附。HNO₃改性活性炭(AC-N)的孔隙结构在苯乙烯有效吸附孔径范围内没有显著改变, 表面含氧官能团含量增加提高了AC-N对苯乙烯的吸附性能。表面含氧官能团分析表明, 内酯基是提高改性活性炭对苯乙烯吸附量的关键因素。密度泛函理论(DFT)计算表明, AC-N上的内酯基官能团与苯乙烯的乙烯基产生强相互作用, 增强了苯乙烯在改性活性炭上的吸附。

陶瓷基复合材料力学性能与界面相的微观结构和均匀性有密切关系。本研究在碳纤维布表面沉积PyC界面相, 探究沉积温度、丙烯分压、滞留时间和氢气分压等工艺参数对PyC界面相微观结构及均匀性的影响规律。使用多种手段对PyC界面相微观形貌、织构进行表征, 并分析了微观结构、均匀性与工艺参数之间的内在关联。结果表明: 界面相织构的规整度随沉积温度和丙烯分压的提高而提高, 随氢气分压的提高而降低, 而受滞留时间影响较小; 沉积温度和丙烯分压升高均导致界面相厚度分布更加不均匀, 且丙烯分压过高会直接产生炭黑, 延长滞留时间有利于提高界面相的均匀性; 对于中织构和高织构, 随着氢气分压提高, 界面相均匀性先降低后增加, 而低织构的界面相均匀性受其影响较小。最后, 阐明了PyC界面相生长模式, 揭示了工艺参数对PyC界面相织构形态及均匀性的影响规律, 为PyC界面相的精细调控提供了基础。

Cr²⁺掺杂ZnSe纳米晶是一种重要的中红外材料, 核壳结构的ZnSe基半导体纳米晶表现出优异的光学、电学与催化性能。纳米晶的缺陷可以影响其性能, 如具有孪晶结构的纳米晶拥有更高的强度和硬度。为了提高掺杂纳米晶的综合性能, 本工作以可溶性Zn盐为Zn源, 以新制NaHSe溶液为Se源, 以Cr(AC)₂为掺杂源, 通过两次水热过程制备了核壳结构Cr²⁺:ZnSe/ZnSe, 在氩气保护或高真空下分别于400和800 ℃烧结获得了室温下化学性质稳定的纳米晶。结构和形貌表征结果显示, 纳米晶尺寸主要集中在20~30 nm之间, 壳体厚度约为2.6 nm, 纳米晶具有层错缺陷, 并由此发展成为孪晶。分析可知孪晶面为(111), 相邻两晶面夹角为70.02°, 误差在±0.5°以内。随着样品结晶度提高, 孪晶密度增大, 表明释放晶格畸变能为层错和孪晶的形成提供驱动力, 孪晶的形核与长大符合位错诱导机制。XPS分析表明, Cr元素以+2价存在于纳米晶中; 反射光谱测试结果分析发现, 烧结的纳米晶在1775 nm附近存在吸收带, 表明所制纳米孪晶具有潜在的中红外发光性能。

异质外延为金刚石晶圆合成提供了一个有效的实现路径, 而Ir衬底上金刚石形核生长技术经过20多年的发展已经有能力制备最大直径为3.5英寸的晶体, 开启了金刚石作为终极半导体在电子信息产业应用的大门。然而,表面形核、偏压技术窗口、金刚石外延生长等一系列发生在异质衬底上的问题都需要从生长热力学的角度给予解释。本研究针对化学气相沉积气氛中金刚石如何实现外延形核与生长这一关键问题, 利用第一性原理计算从原子尺度对金刚石形核生长过程展开了系列探究。研究结果如下: C原子在Ir衬底表面位点吸附比在体相位点吸附更稳定, 表明无偏压条件下金刚石形核只能在衬底表面发生; 离子轰击作用下非晶氢化碳层中sp³杂化C原子个数随着离子动能的增加呈现先增大后减小的变化规律, 证实了金刚石高密度形核存在一定的离子动能与偏压大小窗口; 金刚石沿着Ir衬底外延生长时界面结合能最低(约为-0.58 eV/C), 意味着界面结合能是决定外延形核生长的主要热力学因素。本研究阐明了偏压辅助离子轰击促进金刚石单晶外延生长的热力学机制, 对于指导金刚石及其他碳基半导体生长具有重要意义。

反铁电材料由于电场诱导的反铁电-铁电相变而在高性能介质储能电容器应用中显示出极大的潜力。然而, 场致相变带来大的极化滞后使得反铁电材料难以同时获得高储能密度(W_rec)和高储能效率(η)。本工作通过在0.76NaNbO₃-0.24(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃中引入第三组元Bi(Mg_0.5Ti_0.5)O₃调控其弛豫特性, 改善了NaNbO₃基无铅反铁电陶瓷的储能性能。采用传统固相合成法制备了(0.76-x)NaNbO₃-0.24(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-xBi(Mg_0.5Ti_0.5)O₃无铅弛豫反铁电陶瓷材料, 并研究了该材料的相结构、微观形貌以及介电、储能和充放电特性。结果表明, 引入Bi(Mg_0.5Ti_0.5)O₃在不改变基体反铁电正交R相结构的基础上明显增强了陶瓷的介电弛豫特性, 显著减小了陶瓷的极化滞后性。特别是在x=0.050组成中实现了具有极低滞后的类线性电滞回线。同时, 陶瓷的显微形貌还得到明显改善, 介电常数降低, 击穿场强显著提高。因此, x=0.050的组成在30 kV/mm的中等电场下同时获得了高的储能密度W_rec=3.5 J/cm³与储能效率η=93%。此外, x=0.050组成还显示出优异的充放电特性, 在20 kV/mm下具有高功率密度P_D=131(1±1%) MW/cm³、高放电能量密度W_D=1.66(1±6%) J/cm³以及快的放电速率t_0.9<290 ns。该充放电特性在25~125 ℃的宽温区内保持良好的稳定性。这些研究结果表明, 0.71NaNbO₃-0.24(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-0.050Bi(Mg_0.5Ti_0.5)O₃陶瓷是一种非常有应用潜力的高功率储能电容器介质材料。

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。

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(ReO_xH_y)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(ΔT_sol=35.1%, ΔT_{l um}=37%, Δε_{8-13 μm}=0.12)。研究还通过优化制备气氛，实现了GdO_xH_y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。

硼硅酸盐玻璃包覆钙钛矿CsPbBr₃量子点(PQDs@glass)能够大幅提高PQDs的稳定性, 使其在LED照明和显示技术中拥有广泛的应用空间。然而, 玻璃包覆的同时也导致了PQDs发光强度与量子产率降低。本工作为提高其发光强度探讨了热诱导温度及Pb²⁺的含量对PQDs@glass结构的影响，当热诱导温度为460 ℃，Pb²⁺浓度为6 mol时，其发光强度最高。研究发现，Pb²⁺浓度的增加会导致玻璃网状结构的致密化，改变玻璃组分的扩散行为，影响PQDs的析晶过程，导致PQDs@glass发光强度的变化。本工作得到量子产率高达95.6%的PQDs@glass，并实现了硼硅酸盐玻璃基质内PQDs的尺寸可控制备。结果表明, PQDs尺寸分布在10 nm左右, 超过86%的颗粒尺寸在6~14 nm内, 且具有优越的稳定性, 经历10次室温至200 ℃热循环后, 发光强度仍能保持初始强度的98.9%。最后, 为了验证其在LED照明及显示领域的应用, 将制备的量子点微晶玻璃粉料与二甲基硅氧烷(PDMS)混合, 得到的LED器件性能优异, 色域范围覆盖110% sRGB。本研究为PQDs@glass的大规模制备及其在LED器件领域的应用奠定了基础。