压电材料通过受主掺杂或烧结挥发等可以形成缺陷偶极子, 缺陷偶极子对材料的性能有显著的影响。本文综述了压电材料中缺陷偶极子的产生及其在外场下的响应机理, 同时, 从缺陷偶极子运动的角度分析了压电材料中老化、电滞回线异常及电致形状记忆效应等现象的起源, 简要分析了偶极子弛豫现象, 并对未来发展高可靠性压电驱动器的研究作了展望。

利用金属有机物分解法(MOD)在Pt/Ti/SiO₂/Si(111)衬底上制备了Bi_3.15(Eu_0.7Nd_0.15)Ti₃O₁₂ (BENT)薄膜, 并经600℃、650℃、700℃、750℃退火处理。通过纳米压痕法测试了薄膜的硬度和弹性模量, 采用X射线衍射(XRD)测量了薄膜的残余应力。BENT薄膜的晶粒尺寸随着退火温度的升高而不断变大。当晶粒尺寸从37 nm增大到46 nm时, 薄膜的硬度值从8.4 GPa减少到3.1 GPa, 弹性模量从171.5 GPa减小到141.6 GPa。随着退火温度从600℃升高到750℃时, 薄膜的残余压应力值从-743 MPa减小到了-530 MPa。退火温度为600℃的BENT薄膜具有最大的硬度和弹性模量。

采用超声共混法制备了不同管径的CNTs/Al₂O₃-TiO₂复合粉末, 利用等离子喷涂技术制备了CNTs/Al₂O₃-TiO₂复合涂层, 对不同管径的CNTs/Al₂O₃-TiO₂复合粉末和喷涂后的复合吸波涂层进行了拉曼光谱分析, 等离子喷涂处理后, CNTs的拉曼光谱特征D峰和G峰强度明显增大, 随CNTs管径的增大, 复合涂层中CNTs的D峰和G峰的强度比I_D/I_G值减小, 石墨化程度提高。吸波反射率结果显示: 涂层厚度为1.0 mm的CNTs/Al₂O₃-TiO₂复合涂层的吸波效果不佳, 随着厚度的增加, 涂层的吸波性能提高。随管径的增大, 涂层厚度为1.5 mm的CNTs/Al₂O₃-TiO₂复合涂层的反射率峰值先减小后增大, 小于-5 dB频带宽逐渐减小, 小于-10 dB频带宽不断增大, 谐振频率向高频移动。涂层厚度增加到2.0 mm, CNTs/Al₂O₃-TiO₂复合涂层的反射率峰值向低频移动。

以F 掺杂透明导电玻璃(FTO)为基底, 利用一步电化学沉积法制备了Cu(In_1-x,Ga_x)Se₂(CIGS)薄膜, 系统地研究了电解液pH值对CIGS薄膜的化学组分、结构及其光电性能的影响。结果显示通过改变电解液pH值可以有效调控薄膜中In和Ga的化学计量比。X射线衍射(XRD)分析和扫描电子显微镜(SEM)结果表明, pH值为2.0时制备的CIGS薄膜结晶性较好, 颗粒尺寸分布均匀。并且利用表面光伏技术研究了不同化学计量比对CIGS薄膜中光电荷动力学过程的影响, 结果表明n(Ga)/n(In+Ga)约为0.3时, CIGS薄膜的光电性能最好。

采用溶剂热法和热分解法分别制备纳/微米的β-NaYF₄:20%Yb³⁺,2%Er³⁺晶体. 根据两种不同粒径颗粒的TG-DTA测试分析, 对其进行不同温度的热处理。通过XRD、SEM、FT-IR以及PL等手段研究不同热处理温度对两种粒径的颗粒的尺寸、形貌以及上转换发光性能的影响. 研究结果表明, 随着热处理温度的升高, 纳/微米颗粒的发光性能主要呈现出先升高后下降的趋势。与未作热处理样品对比发现, 适当的热处理(580℃)可以提高纳米颗粒的发光强度, 却不利于改善微米颗粒发光性能。分析认为, 结晶质量的提高、缺陷浓度的降低以及有机配体的去除, 导致了纳/微米颗粒的发光性能的逐步提高。而过高处理温度(>580℃)引起的相转变(β→α)和表面Na₂CO₃的生成又大大降低了稀土离子的发光效率。热处理过程中颗粒之间的不同团聚程度是造成纳/微米颗粒发光性能差异变化的主要原因。

采用柠檬酸络合溶胶-凝胶法制备了Eu³⁺掺杂BiVO₄新型光催化剂, 通过XPS、XRD、SEM、BET和UV-Vis等手段对其进行表征和分析。并以甲基橙为模拟污染物, 考察了 BiVO₄的可见光催化活性。结果表明, Eu³⁺掺杂前后BiVO₄均为单斜白钨矿型, 无其他杂质相生成, 且由于掺杂Eu³⁺, 晶体中V⁴⁺和氧空缺增多。掺杂后样品光吸收性能发生红移, 但掺杂对其形貌和比表面积改变较小。Eu³⁺掺杂有效提高了BiVO₄的可见光催化活性, 当Eu³⁺掺杂量为0.2mol%时, BiVO₄光催化效率最高, 50 min内对甲基橙溶液的脱色率达95%, 比纯BiVO₄提高了62%左右。

采用生长掺杂方式制备了Cu掺杂ZnSe高效量子点, 探索了不同Zn、Se前驱体配比对ZnSe晶核以及ZnSe:Cu量子点质量的影响, 并研究了Cu离子掺杂过程中的光谱特征。研究表明, 进一步通过在表面掺杂的ZnSe:Cu量子点上同质包覆ZnSe壳层, 能够实现其发光效率和稳定性的有效提高; 采用配体交换能够实现ZnSe:Cu量子点由油溶性到水溶性的转变。这种新型的掺杂量子点有望替代传统含Cd量子点应用于环境友好型固体发光器件和生物标记。

用高温熔融法制备了Tm₂O₃摩尔掺杂浓度分别为0.1%、0.25%、0.5%、0.75%和1%的33Bi₂O₃-50SiO₂-17PbO玻璃。采用DSC方法对该种玻璃的析晶性能进行研究, 发现其T_x-T_g为138℃, 说明该玻璃抗析晶性能良好。基于其吸收光谱, 采用Judd-Ofelt理论计算了Tm³⁺离子的J-O参数和部分激发态能级的跃迁几率、荧光寿命和分支比等光谱参量。分析³F₄能级寿命随掺杂浓度变化关系, 发现产生自淬灭的临界浓度为3.54×10²⁰ ions/cm³。用McCumber理论计算在33Bi₂O₃-50SiO₂-17PbO玻璃中Tm³⁺离子³F₄→³H₆能级跃迁的吸收截面和发射截面, 最大吸收截面和最大受激发射截面分别为3.7×10^-21和7.2×10^-21 cm²。研究结果表明33Bi₂O₃-50SiO₂-17PbO玻璃具有较好的光谱性质, 是一种实现~2 μm激光的较理想玻璃基质。

采用聚丙烯酰胺凝胶法制备高浓度Al掺杂ZnO(AZO)前驱体(x(Al)=5.5mol%、6.5mol%), 研究煅烧工艺对AZO粉体光学性能的影响. 结果表明: 随着煅烧温度升高, Al在ZnO中的固溶度降低。当煅烧温度为750℃时, 生成ZnAl₂O₄相。提高煅烧温度, 粉体的紫外吸收峰从366 nm红移至373 nm; 延长煅烧时间, 紫外吸收峰发生蓝移, 吸收强度明显增大。室温下AZO粉体光致发光(PL)光谱主要由354 nm的紫外发射峰、406 nm的近边紫外发射峰和430 nm的蓝光发射峰组成。

以TiCl₄为前驱体, 铁黄(α-FeOOH)为载体, 采用水解沉淀法在不同温度下制备了系列TiO₂/α-FeOOH纳米复合材料。应用XRD、HRTEM、STEM等方法对样品的物相、形貌、微结构等进行系统表征, 采用UV-DRS光谱仪检测其光学性能。结果表明: 随着反应温度的升高(30℃→90℃), 两相形成的包覆结构先逐渐变的连续, 然后再逐渐失去连续性, 其中45℃反应合成的TiO₂/α-FeOOH包覆结构连续致密; 包覆外层是由晶粒细小的金红石相TiO₂组成, 内层由晶粒较大的针铁矿相(α-FeOOH)组成, 金红石连续致密地包覆在α-FeOOH外面; TiO₂与α-FeOOH之间形成了稳定的共格结构, 部分TiO₂生长到α-FeOOH外层, 晶格畸变变大, 复合结构良好。光学性能测试结果表明, 包覆结构良好的复合材料吸收峰红移最大, 大大拓宽了光谱响应范围, 从而有效提高了对太阳光的利用率。

本工作采用低温溶剂水浴热法, 以葡萄糖、柠檬酸盐为辅助剂, 首先制备了柠檬酸锌空心微球, 然后在空气气氛中500℃煅烧制得ZnO空心微球。应用XRD、TG-DSC、SEM、TEM、IR对产物的组成、结构以及形貌进行了研究, 研究发现该方法制备的前驱体为直径约为2 μm, 壁厚约为200 nm的空心微球。由前驱体煅烧后得到的ZnO空心微球由粒径为20~30 nm的纳米粒子组装成, 平均直径约为1 μm, 壁厚约为100 nm。此外还采用光致发光光谱仪(PL)对产物的光学性能进行了研究, 结果表明ZnO空心微球在激发波长为325 nm的条件下具有较好的蓝光发光性能, 发光峰位于469 nm处。

通过改变阳极氧化处理程度得到了具有不同表面结构的碳纤维, 然后将其与环氧树脂加工成碳纤维/树脂基复合材料, 研究了碳纤维的化学结构与湿热环境下复合材料吸湿之间的关系。结果显示: 阳极氧化处理后碳纤维表面的活性显著提高, 碳纤维表面含氧官能团的含量大幅增加, 尤其是-OH由处理前18.62%提高到处理后的34.84%。随着湿热处理条件的改变, 复合材料的吸湿机理也有所差异, 且温度是影响复合材料吸湿的重要因素。碳纤维表面活性越高, 复合材料达到吸湿平衡时的平衡吸湿量越大, 而平衡吸湿量的增加又会导致复合材料层间剪切强度(ILSS)下降幅度增大。

采用多靶磁控溅射技术, 制备了TiN、VCN单层膜及调制比为1:1的系列调制周期的TiN/VCN多层膜。利用X射线衍射仪、纳米压痕仪、高温摩擦磨损测试仪和扫描电子显微镜研究了各种薄膜的微结构、力学性能及室温和高温摩擦磨损性能。研究表明: TiN/VCN多层膜以δ-NaCl面心立方结构为主; TiN/VCN多层膜的最大硬度值为28.71 GPa, 约为按混合法则计算所得理论硬度值的1.23倍, 并据此分析了TiN/VCN多层膜的致硬机理; TiN/VCN多层膜在室温下摩擦系数与TiN单层膜摩擦系数相近, 但当环境温度为700℃时, 摩擦系数约0.4, 较TiN单层膜(0.52)低。TiN/VCN多层膜室温和高温下的磨损率相比TiN单层膜减小了约3×10^-14 m³/(N·m)。从晶体化学和热测量方法角度讨论了TiN/VCN多层膜的Magnéli相V₂O₅的润滑机制。

在单晶Si和多晶Cu基底表面上使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法沉积了SiC薄膜. 通过高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)及扫描电子显微镜(SEM)研究基底温度对SiC薄膜成分、结构及生长速度的影响规律。结果表明: 在60~500℃基底温度下制备的SiC薄膜均为非晶态薄膜, 薄膜的生长速度随基底温度的升高而线性降低, 并且在相同沉积条件下, 薄膜在Si基底上的生长速度要高于Cu基底。此外, 薄膜中的硅碳原子比随基底温度的升高而降低, 当基底温度控制在350℃左右时, 可以获得硅碳比为1:1较理想的SiC薄膜。

以 Fe₂O₃、NH₄H₂PO₄和H₂NCONH₂为原料, 采用流变相法合成 FePO₄, 探究了温度对其合成过程的影响。以此 FePO₄ 为铁源, 再采用流变相法制备出正极材料 LiFePO₄。产物FePO₄和LiFePO₄的晶型、形貌分别通过XRD和SEM表征, XRD结果表明, FePO₄ 属三斜晶系, 具有α-石英结构, 而LiFePO₄属于斜方晶系, 具有橄榄石结构; SEM结果表明, FePO₄ 样品颗粒呈层状分布, LiFePO₄ 晶体形貌为类球形, 两者分散度良好, 平均粒径均为2 μm左右; 对所得正极材料 LiFePO₄ 进行恒电流充放电测试, 其初始放电容量达163.4 mAh/g。采用循环伏安、交流阻抗等对 LiFePO₄ 电化学性能表征, 结果均显示其电化学性能良好。表明以Fe₂O₃为原料采用流变相法所得磷酸铁是合成锂离子电池正极材料磷酸铁锂的较理想的铁源。

以化学计量比的SrCO₃、Co₃O₄和Tb₄O₇为原料, 采用固相法合成了中温固体氧化物燃料电池阴极材料Sr_1-xTb_xCoO_3-δ(STC, x≤0.3), 采用XRD、ND、TGA、范德堡直流四探针法和电化学方法对STC的晶体结构、高温失重、电导率、极化电阻以及电池进行了研究。结果表明: Sr_0.9Tb_0.1CoO_3-δ的晶体结构是立方相Pm-3m空间群结构; Sr_0.8Tb_0.2CoO_3-δ和Sr_0.7Tb_0.3CoO_3-δ是四方相I4/mmm结构。在500~800℃时, STC的总电导率(σ)均大于407 S/cm。极化电阻(R_p)和活化能(E_a)随着x的增加而增大。当x=0.1时, STC的氧离子空位浓度最大, 具有最好的阴极性能, 由其组成的单电池最大功率密度为836 mW/cm²。

用球磨法制备具有非晶纳米晶结构的CeMg₁₂+100wt%Ni+Ywt%TiF₃(Y=0、3、5)电极合金, 研究在球磨过程中加入不同含量的TiF₃对合金的微观结构及电化学性能影响。主要从电化学放电容量、循环稳定性以及电化学动力学方面对制备的合金电化学性能进行探讨, 并运用电化学PCT(压力-组成-温度)法从热力学角度进一步研究制备合金电化学性能变化的内在原因。结果表明: TiF₃有助于增强球磨CeMg₁₂+100wt%Ni+Ywt%TiF₃(Y=0、3、5)储氢合金玻璃化形成能力, 改善合金的电化学与动力学性能。另外, 球磨过程中加入TiF₃可以在一定程度上降低合金氢化物的热稳定性, 有利于电化学释氢反应的进行。

利用熔融法和等离子放电烧结(SPS)制备单相双原子填充Ba_xEu_yCo₄Sb₁₂方钴矿材料并测试其高温热电性能。实验发现, 在高填充量下(x+y>40%), 材料在高温时具有高的功率因子(>60 W/(cm•K²))。在方钴矿的晶格空洞中同时引入Ba和Eu两种填充原子, 能增强晶格声子散射, 从而大幅降低方钴矿的晶格热导。实验证实, Ba_xEu_yCo₄Sb₁₂体系的晶格热导显著降低, 其室温晶格热导最低达1.7 W/(m•K)。与此对应的是双原子填充Ba_xEu_yCo₄Sb₁₂方钴矿材料的热电优值(ZT值)明显增大, 其中Ba_0.19Eu_0.23Co₄Sb₁₂的ZT值在850 K时达到了1.3。

为了提高VO₂薄膜的热致相变性能, 采用复合结构与掺杂相结合的方法, 首先通过溶胶-凝胶法在云母基底上制备锐钛型TiO₂薄膜, 再在光致亲水性处理的TiO₂/云母基底上涂覆V₂O₅以及掺钨V₂O₅水溶胶, 然后经热处理获得VO₂/TiO₂及V_xW_1-xO₂/TiO₂复合薄膜。采用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)研究薄膜的物相、表面形貌以及热致相变特性. 结果表明, VO₂/TiO₂复合薄膜晶体生长为(011)面择优取向; V_xW_1-xO₂/TiO₂复合薄膜产生多种取向。TiO₂中间层有助于使VO₂薄膜生长致密, 相变温度降低, 更使V_xW_1-xO₂/TiO₂复合薄膜滞后温宽降至约4℃。