钙钛矿结构锰氧化物由于同时存在电荷、自旋、轨道、晶格等多种自由度, 它们之间很强的相互作用和相互竞争导致了一系列新颖的物理现象, 如庞磁电阻效应、巨磁熵效应、绝缘体-金属转变、电子相分离、电荷/轨道有序等现象, 使其成为凝聚态物理学研究的热点。随着微电子器件日趋集成化和微型化, 其特征尺寸越来越小, 目前基于钙钛矿结构锰氧化物微电子器件的特征尺寸已经进入纳米尺度。在纳米尺度钙钛矿结构锰氧化物具有显著的尺寸效应, 表现出与薄膜及块材不同的电、磁输运特性, 在新一代微电子器件领域具有重要的应用价值。近年来人们在钙钛矿锰氧化物低维纳米结构制备、电磁输运特性测量、微结构表征及理论模拟方面, 都取得了较大的研究进展, 本文对此进行了评述。首先, 概述了钙钛矿锰氧化物低维纳米结构的微结构研究进展; 介绍了钙钛矿锰氧化物低维纳米结构的电子相分离及电荷有序现象; 评述了其电磁输运特性的纳米尺度表征; 讨论了钙钛矿锰氧化物低维纳米结构在自旋电子学、磁随机存储器和传感器方面的应用进展。最后指出了未来钙钛矿锰氧化物低维纳米结构研究需要重点解决的一些问题。

氧化铈基电解质是中低温固体氧化物燃料电池最常用的材料之一。本研究利用密度泛函理论计算方法阐述了Li₂O和CeO₂分子之间的相互作用, 计算结果表明Li₂O对CeO₂具有助烧作用。在此基础上, 在氧化铈基电解质Gd_0.1Ce_0.9O_1.95(GDC)中掺入不同比例(0~5mol%)Li₂O, 通过烧结曲线测试及扫描电镜分析了其实际烧结过程, 并对其电化学性能进行了研究。实验结果表明, 添加Li₂O后, GDC的烧结开始收缩温度明显向低温偏移, 随掺杂量的增加, 最大收缩速率的温度也逐渐降低, 其中掺入2.5mol%Li₂O-GDC在650 ℃就开始迅速收缩, 900 ℃时相对致密度在99%以上; 添加Li₂O后, GDC总电导率提高, 同时电池开路电压没有降低。因此, Li₂O是一种很好的燃料电池氧化铈基电解质的助烧剂, 具有很好的应用前景。

以商业化多晶硅粉为原料, 采用金属银催化剂诱导化学腐蚀的方法制得三维多孔硅材料。通过优化腐蚀条件, 得到孔径约为130 nm, 比表面为4.85 m²/g的多孔硅材料。将多孔硅和PAN溶液混合球磨并经高温烧结后在多孔硅表面包覆上一层致密的无定形碳膜, 从而制得多孔硅/碳复合材料作为锂离子电池的负极材料。3D多孔硅结构可以缓解电化学嵌/脱锂过程中材料的体积效应, 无定形碳膜层可有效改善复合材料的导电性能。电化学性能测试表明, 该多孔硅/碳复合负极材料电池在0.4 A/g的恒电流下, 首次放电容量3345 mAh/g, 首次循环库伦效率85.8%, 循环55次后容量仍保持有1645 mAh/g。并且在4 A/g的倍率下, 容量仍维持有1174 mAh/g。该方法原料成本低廉, 可规模化生产。

采用微波化学气相渗透工艺, 以炭毡为预制体, 甲烷为前驱气体, 氮气为载气, 制备了具有不同微观组织结构的炭/炭复合材料。通过偏光显微镜、场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪和拉曼光谱仪表征了复合材料的结构, 通过热电性能测试仪和激光热导仪测试了其热电性能。结果表明, 炭/炭复合材料具有正的热电效应, 且复合材料的热电性能与热解炭的取向性有很大的关系: 从各向同性、低织构、中织构到高织构, 其Seebeck系数、电导率和热导率逐渐增加, 同时织构化的增强对载流子的影响大于对声子的影响, 进而使热电优值ZT随着织构化的增强逐渐增大。

以高纯金属La块、Nd块和B粉为原料, 通过蒸发-冷凝与放电等离子烧结(SPS)结合的技术成功制备了高纯高致密的多元稀土六硼化物La_1-xNd_xB₆块体材料。系统研究了La_1-xNd_xB₆材料的物相组成、力学性能、电阻率及热电子发射性能。结果表明, 采用上述工艺制备了高纯高致密的La_1-xNd_xB₆单相块体材料。烧结样品的维氏硬度和抗弯强度可达26.70 GPa和230.48 MPa。热电子发射性能测试结果表明, La_0.1Nd_0.9B₆成分块体具有最佳的热发射性能, 在1600℃, 4 kV外加电压条件下, 发射电流密度达到32.04 A/cm², 零场电流密度达到12.72 A/cm², 在同样条件下优于纯LaB₆和NdB₆块体材料的热发射性能。计算得到La_0.1Nd_0.9B₆在不同温度下的平均有效逸出功为2.72 eV, 表明适当比例的复合可以降低逸出功, 提高热电子发射性能。

采用溶胶-凝胶法制备Ca_0.25(Li_0.43Sm_0.57)_0.75TiO₃(CLST)微波介质陶瓷纳米粉体, 研究了ZnO掺杂量和烧结温度对CLST+ xmol% ZnO陶瓷烧结性能和微波介电性能的影响。XRD分析结果表明: 随着ZnO掺杂量x的增加, 陶瓷的晶体结构从正交相变为伪立方相, 并在x≥1.5的样品中出现了杂相。CLST+ xmol% ZnO陶瓷的致密化烧结温度随x的增加而降低, x=1.0的样品的致密化烧结温度比x=0的降低了200 ℃。介电常数ε_r和频率品质因数Qf 随x增加和烧结温度的升高具有最优值, 频率温度系数则单调降低。x=1.0的样品在1100 ℃烧结时具有优异的综合性能: ρ = 4.85 g/cm³, ε_r =102.8, Qf = 5424 GHz, τ_f = -8.2×10^-6/℃。表明ZnO掺杂的CLST陶瓷是一种很有发展潜力的微波介质陶瓷。

以硝酸钪, 钨酸铵等为原料, 氧化石墨烯为表面活性剂, 采用水热法制备了类十字架状Sc₂W₃O₁₂粉体。利用XRD、TG-DSC、Raman及SEM考察了加入氧化石墨烯对所合成产物结构和形貌的影响, 采用TMA测试了所得Sc₂W₃O₁₂粉体的热膨胀性质。分析表明: 在200℃水热条件下, 氧化石墨烯包裹在Sc₂W₃O₁₂晶粒表面并抑制了原有某些晶面的增长, 使晶粒逐渐长为棒状, 进而纳米棒团聚成类十字架状, 产物经620℃热处理10 min后得到纯净的Sc₂W₃O₁₂粉体, 其在室温~800℃均呈现出负热膨胀特性, 且平均热膨胀系数为-4.75×10^-6 /K。

采用电镀法在SUS430合金表面镀钴作为阻挡层, 然后通过丝网印刷和高温烧结在钴镀层表面制备La_0.6Sr_0.4CoO_3-δ接触层。为提高接触层的低温烧结效果, 添加了适量的 Co₃O₄ 作为烧结助剂。经热处理, 合金试样表面最终形成Co₃O₄ 和La_0.6Sr_0.4CoO_3-δ双层涂层。利用XRD、SEM 和EDS 对涂层的物相、微观形貌和元素扩散进行了分析, 结果表明所制得的双层涂层均致密平整, 涂层之间及涂层与基体之间结合紧密, 阻挡层有效地限制了合金表面氧化膜的生长和Cr的往外扩散, 并用直流四端子法测得金属连接体在800℃下连续氧化200 h后的表面比电阻为23 mΩ·cm²。双层涂层有效地改善了SUS430合金的高温抗氧化性能和电学性能。

将70 keV的Ag离子以5×10¹⁶ cm^-2的剂量注入到SiO₂基底中, 随后分别在400~800℃的Ar、N₂、空气气氛中退火, 详细研究了样品的表面形貌、光吸收特性、结构及成分随退火气氛及退火温度的变化规律。原子力显微镜、紫外-可见分光光度计及掠入射X射线衍射仪的测试结果显示: Ar气氛退火样品中形成的Ag纳米粒子(NPs)细小均匀, 其颗粒密度在700℃时达到最大值, 光吸收性能最佳; N₂气氛退火引发Ag纳米颗粒的团聚生长, 在样品近表面形成较大的Ag NPs, 其颗粒密度也在700℃时达到最大值; 而空气中退火后, 由于AgO的形成、分解, 样品的光吸收强度随退火温度升高持续下降。最后, 卢瑟福背散射研究结果表明, 样品的这些变化主要归因于Ag原子在不同退火气氛下随退火温度的扩散行为不同。

利用无容器技术制备了(La_0.94-xEr_0.06Yb_x)(Ti_0.95Zr_0.05)_2.25O₆(x=0~0.24, 间隔0.04)球状透明玻璃, 其稀土离子掺杂浓度最大值达到30%。通过DTA分析发现, 玻璃具有很好的热稳定性, x=0时玻璃化转变温度T_g和析晶起始温度T_o分别为818℃和906℃, ΔT(ΔT= T_o-T_g)为88℃, 玻璃形成能力较低。随着Yb³⁺浓度提高, T_g、T_o和ΔT逐渐下降, 说明Yb³⁺降低了玻璃的热稳定性和形成能力。利用紫外可见分光光度计测定了样品的吸收/透过光谱, 玻璃在975 nm具有很强的吸收峰, 表明Yb³⁺可以有效提高玻璃对入射光的吸收强度; 在可见光范围内除特征吸收外具有近70%的透过率, 说明玻璃具有良好的透可见光性能, 有望获得高强上转换发光输出。上转换荧光光谱研究表明: 在980 nm激光泵浦下, 获得了中心位于535、554和672 nm处的绿、红发光带, x=0.16的发光最强, 672 nm处的红光强度是x=0的近130倍。上转换发光强度与泵浦功率关系的分析表明: 535、554 nm处的绿光和672 nm处的红光发光均是双光子发光过程。

采用碳热还原氮化法合成了Eu²⁺/Tb³⁺掺杂的Sr₂Si₅N₈基荧光粉, 并重点研究了Tb³⁺-Eu²⁺共掺时Sr₂Si₅N₈基荧光粉的发光性能。研究结果表明: 由于Tb³⁺的f → d间的跃迁是自旋允许的, Sr₂Si₅N₈:Tb³⁺在330 nm激发光下, 在490、543、585和623 nm四处各有一发射峰, 它们分别来源于Tb³⁺的⁵D₄ → ⁷F_j (j = 6、5、4、3)能级跃迁; 掺入Tb³⁺对Sr_1.96Si₅N₈:0.04Eu²⁺的激发谱和发射谱的形状及峰位无明显影响, 当共掺离子Tb³⁺浓度为x = 0.01时, 样品发射强度比未共掺的Sr_1.96Si₅N₈:0.04Eu²⁺提高了约20%, Tb³⁺主要通过电多极能量传递的方式转向Eu²⁺。

以CrTe作为掺杂源、以Te作为溶剂, 用温度梯度溶液法生长了Cr掺杂的ZnTe晶锭。晶锭头部的晶粒尺寸较大(>10 mm×10 mm), 且Te夹杂相较少。Te夹杂相的大小、形状和分布可以反映晶锭中的温场分布。晶锭的径向非对称温场导致富Te相沿径向非对称分布。Te夹杂相在温度梯度作用下的热迁移会导致其相互融合长大、变长。Te夹杂相也会在晶体中引入裂纹和空洞等缺陷。部分未被掺入ZnTe中的CrTe富集于固液界面处, 表明温度梯度溶液法生长晶体时具有一定的排杂作用。Cr掺杂的ZnTe晶体的电阻率(约1000 Ω·cm)高于未掺杂的ZnTe(约300 Ω·cm)。Cr掺杂晶体在约1750 nm处的吸收峰表明Cr²⁺离子被成功地掺入了ZnTe中。但是Cr掺杂后晶体的红外透过率降低, 表明Cr掺杂引入了较多的缺陷。

采用简单的水热法获得了一维结构的α-MoO₃纳米带, 利用XRD、SEM、TEM、EDS和UV-Vis-DRS光谱等测试手段对其相组成、形貌、纯度和光吸收特性进行表征。以噻吩模拟含硫污染物探讨了α-MoO₃纳米带对模拟FCC汽油的光催化氧化脱硫( Photo-Cat-ODS) 活性及其光催化氧化脱硫机理。结果表明: 一维α-MoO₃纳米带有利于抑制光生电子和空穴的复合, 对模拟FCC汽油光催化脱硫活性远高于商品MoO₃和商品二氧化钛(P25), 可见光光照240 min模拟汽油FCC的脱硫率达到86.9%。

采用乙二醇溶剂热法原位制备氧缺陷Bi₂WO_6-x催化剂, 利用XRD、SEM、N₂吸附-脱附、XPS、ESR、UV-Vis DRS、PL及电化学方法对样品的理化性能进行了表征, 考察了样品在可见光下(λ > 400 nm)对气相苯的光催化降解性能。结果表明: 乙二醇溶剂热法制备的催化剂具有较大比表面积, 形成了Bi-O_v和W-O_v氧缺陷中心; 缺陷的生成改变了催化剂的能带结构, 缩小其光响应带隙宽度, 并有效抑制了光生电子-空穴对的复合, 催化剂的活性增强。Bi₂WO_6-x降解苯的转化率和矿化率分别为52.5%和80.6%, 是Bi₂WO₆的1.72倍和1.84倍。

采用油菜花粉为生物模板、LDHs晶核溶液为前驱体, 通过共沉淀、辅助微波晶化方法, 经原位生长和煅烧, 简单温和地合成了ZnAlCe三元复合氧化物多孔材料。采用SEM、FT-IR、XRD、EDX、XPS和N₂吸附-脱附分析等对其进行形貌与结构的表征, 并对其催化H₂O₂-α-蒎烯环氧化反应进行了测定。结果表明, ZnAlCe三元复合氧化物能复制花粉模板表面的微纳米结构, 多级孔有序排列, 孔径分布在2~150 nm范围的介孔与大孔尺寸之间, 比表面积达112.94 m²/g, 具有良好的结晶度, 晶型规整; 当α-蒎烯/H₂O₂摩尔比为1: 1.4、催化剂用量为15.0 mg、溶剂(乙酸乙酯/H₂O体积比=4:1)为2 mL、30℃下反应4 h时, α-蒎烯转化率可达61.81%, 产物2, 3-环氧蒎烷、马鞭草烯醇和马鞭草烯酮的选择性分别为40.54%、27.36%、32.10%。

提出了一种炭辅助的固态粒子烧结工艺, 可在大孔烧结金属载体表面直接制得无过渡层的多孔陶瓷膜。以纳米TiO₂为成膜粒子, 以大孔不锈钢滤管为载体, 以聚乙烯醇(PVA)为粘结剂, 采用浸渍提拉法在载体表面涂覆。考察了不同烧结气氛(氮气和空气)对陶瓷膜制备的影响。通过扫描电子显微镜、X射线衍射、热重分析和孔径测试对材料进行表征。实验发现, 试样在空气中烧结后膜层发生严重剥落, 而在氮气中烧结后膜层完整。这是由于PVA在氮气中高温碳化生成炭, 所形成的TiO₂和炭的混合结构削弱了因载体表面状况差和陶瓷—金属间热膨胀系数不匹配而引起的陶瓷层烧结应力。待陶瓷颗粒烧结后, 涂层中的炭经空气热处理脱除。所制备的多孔TiO₂/不锈钢膜的膜层厚度约10 μm, 平均孔径为0.21 μm, 室温下氮气通量为1.72 m³/(m²·h·kPa)。

本研究采用球磨对磷酸钙骨水泥(CPC)起始粉末进行机械活化处理, 以期改善CPC力学性能, 并探讨了其影响机理。采用激光粒度仪、比表面积测量仪和X射线衍射仪(XRD)表征球磨后的CPC粉末(Ball milling CPC, BCPC)。利用发泡法制备多孔BCPC支架, 采用万能力学试验机、XRD和扫描电子显微镜(SEM)表征多孔BCPC支架。结果显示, 球磨后的BCPC粉末平均粒径减小, 比表面积增大, 表观密度、堆积密度及紧密密度减小。BCPC支架孔隙率为(77.98 ± 0.58)%, 抗压强度为(4.11 ± 0.46) MPa, 相比CPC支架的(64.23 ± 2.32)%和(1.99 ± 0.43) MPa有显著提高。SEM结果显示BCPC支架具有数微米和数百微米的两种孔隙结构。XRD结果表明机械活化作用降低了DCPD、α-TCP、CaCO₃和HA的晶粒尺寸和结晶度, 促使DCPD向DCPA转化, 促进了各相磷酸钙盐的水化和HA的沉积, 提高了BCPC支架的力学性能, 为增强CaP基多孔材料的力学性能和扩展其临床应用提供了新途径。

在不添加任何表面活性剂及模板剂的情况下用熔盐法制备出纳米氧化铜颗粒, 用扫描电子显微镜观察发现制备的纳米氧化铜呈现多面体结构, 且氧化铜晶粒大小可通过控制合成过程的煅烧温度来控制, 煅烧温度越高则晶粒越大。在H₂O₂作用下进行了纳米多面体结构氧化铜催化降解罗丹明B的研究。研究结果表明: 与商用纳米氧化铜相比, 该实验制备的纳米氧化铜尽管具有更低的比表面积, 但是其催化性能得到显著的提升。这可能是因为纳米多面体氧化铜的高结晶度及特定指数晶面的暴露所构成的协同作用大幅度提高了其催化性能。

采用简易的一步水热法制备了超长的VO₂(B)纳米带。对纳米带的结构、形貌、最优合成条件及电化学性能进行了研究。结果发现: 制得的VO₂(B)纳米带长度约为几十微米, 宽度为~200 nm; 且最优合成条件为在钒源与还原剂摩尔比为2:1的条件下, 200℃水热反应24 h。当该VO₂(B)纳米带被作为锂离子电池的阳极材料时, 显示出了优异的电化学性能, 尤其是循环稳定性, 循环500周后的电容量损失率仅为10.41%, 极大的解决了钒类纳米材料作为锂离子电池阳极材料时稳定性差的问题, 提高了其成为锂离子电池阳极材料的可能性。