六方氮化硼(h-BN)二维原子晶体以其独特的结构、优异的性质以及广泛的应用前景引起了人们的普遍关注。高质量h-BN材料的制备是其性质研究与实际应用的前提。机械剥离的h-BN尺寸有限, 普遍采用的化学气相沉积(CVD)技术通常以过渡金属为衬底, 器件应用时需要将h-BN转移到其它衬底上。因此, 在介质衬底上直接生长h-BN成为二维材料研究领域的一个重要发展方向。本文总结了近年来介质衬底(包括: Si基衬底、蓝宝石衬底和石英衬底等)上直接生长h-BN二维原子晶体的主要进展。人们采用CVD、金属有机气相外延法(MOVPE)、物理气相沉积法(PVD)等方法, 通过提高生长温度、衬底表面处理、两步生长等工艺实现了介质衬底上直接生长h-BN。此外, 还介绍了介质衬底上h-BN二维原子晶体的主要应用。

银纳米线透明导电薄膜材料作为新兴的无铟电极材料, 以其优越的光电性能和力学柔韧性, 在显示器件、触控面板、太阳能电池、智能加热和电磁屏蔽等领域崭露头角, 吸引越来越多的来自科研界及产业界的关注。然而, 银纳米线透明导电薄膜在应用中面临着较为严重的稳定性问题, 主要表现为容易被痕量含硫气体腐蚀, 在300 ℃以上的温度下纳米线出现断裂和球形化等结构失稳现象, 在紫外光照条件下腐蚀及球形化加剧, 在加载电场条件下出现离子迁移并产生孔洞及断裂现象。本文详细介绍了以上各种失效现象, 分析了失效的微观机制, 介绍了解决各种失效现象的具体措施。银纳米线透明导电薄膜失效行为的研究, 有助于进一步推动该材料的实际应用进程。

采用PASCAN-64型水浸超声设备并配合扫描电镜对8wt %Y₂O₃-ZrO₂(8YSZ)双层热障涂层热震过程中内部组织结构演变进行了检测。结果表明, 当超声波从垂直陶瓷层方向入射至粘结层反射所获得的回波信号影像主要反映了陶瓷层组织结构演变, 从垂直基底方向入射至粘接层/陶瓷层界面处反射所获得的回波信号影像主要反映了热生长氧化物层组织结构演变, 从垂直陶瓷层方向透射整个试片所获得的回波信号影像综合反映了整个涂层组织结构演变。当陶瓷层中均匀分布着孔隙率<11%、最大横向尺寸<50 μm的孔隙以及热生长氧化物层主要为致密的α-Al₂O₃时, 回波信号的幅值dB<0, 反映在影像中的信号分布均匀, 表明涂层处于良好状态。当陶瓷层中均匀分布着孔隙率>44%、最大横向尺寸>100 μm的孔隙以及热生长氧化物层主要为具有稀疏结构且厚度>5.2 μm的Cr、Co氧化物时, 回波信号的幅值dB>0的区域连接成片, 则预示着涂层即将失效或已失效。可见, 水浸超声技术能够较准确地反映热障涂层内部组织结构演变, 是一种较好的热障涂层内部缺陷的无损检测方法。

以2D碳纤维预制体为增强体, 采用电耦合和等温化学气相渗联合工艺制备C/C复合材料, 研究不同预制体结构对C/C复合材料及其螺栓力学性能的影响。结果表明, 不同预制体结构增强的C/C复合材料表现出不同的力学行为。对于针刺结构, 随着针刺密度由35 pin/cm ²降至25 pin/cm ², C/C复合材料的拉伸、弯曲强度分别由60.1、119.9 MPa增大至69.5、176.8 MPa; 随着碳纱丝束由12 K变为3 K, C/C复合材料的拉伸、弯曲强度分别由69.5、176.8 MPa增大至105.5、184.4 MPa。对于12 K双向缝合结构, C/C复合材料的拉伸、弯曲强度分别为68.1、123.7 MPa。不同碳纤维预制体结构增强的C/C复合材料力学性能的差异主要取决于长纤维的完整性、大孔的分布和数量等因素。C/C复合材料的螺栓性能由于体材料性能和加工过程中缺陷的影响, 其拉伸强度略低于其体材料, 并表现出更为明显的脆性断裂模式。

TFA-MOD工艺制备的YBa₂Cu₃O_7-x(YBCO)薄膜有独特的生长机制, 高温晶化后的YBCO薄膜表面存在一层由Ba-Cu-O异质相及a轴生长的YBCO晶粒组成的杂质层。为了满足零电阻超导焊接和超导带材钎焊搭接的研究需要, 在不破坏超导特性和晶体结构的前提下, 采用Ar离子对TFA-MOD工艺制备的YBCO薄膜进行刻蚀, 对薄膜进行纳米级的减薄, 实现对薄膜表面杂质的去除。利用拉曼光谱、扫描电子显微镜和X射线衍射等方法对不同刻蚀时间下的薄膜状态进行表征。结果表明, 1.3 μm厚的YBCO薄膜表面杂质层厚度约为220 nm, 并且在过度刻蚀的情况下, YBCO薄膜仍然是c轴取向, 晶体结构没有被破坏。刻蚀后,薄膜内部氧空位缺陷的产生会造成超导转变及载流性能的降低, 但通过吸氧处理后薄膜性能可恢复。

采用SPM (Sulfuric-Peroxide Mixtures, 98wt%H₂SO₄+30wt%H₂O₂)+兆声(方法1)和氧等离子体+HPM (Hydrochloric/Peroxide Mixture, 37wt%HCl+30wt%H₂O₂+DIH₂O)+兆声(方法2)两种清洗方法对多层介质膜脉宽压缩光栅进行清洗, 并对清洗前后样品的表面元素含量、衍射效率、表面粗糙度、表面温升以及激光损伤阈值等参数进行测量以评估两种清洗方法清洗效果。在入射角70°, 脉宽12 ns, s偏振, 波长1064 nm的激光辐照下, 经过清洗方法1清洗后的光栅样品单脉冲激光损伤阈值为7.55 J/cm ², 而方法2清洗后的样品损伤阈值为5.32 J/cm ²。另外, 虽然经过方法2清洗后样品表面杂质含量更低, 但是在衍射效率、表面粗糙度和表面温升都劣于经方法1清洗后的样品, 进一步分析发现方法2中氧等离子体清洗过程引入的Fe元素影响了其样品损伤性能和温升性能。因此, SPM清洗方法可以作为多层介质膜脉宽压缩光栅提升抗激光损伤性能的优化清洗方案。

采用导模法生长了内孔径470 μm的蓝宝石晶棒和内孔径160 μm板形蓝宝石晶体。基于求解拉普拉斯方程的数值解, 得到生长界面处微孔的熔体膜轮廓曲线, 采用插入钼丝的方法设计了生长模具以形成和维持晶体内的微孔尺寸, 同时解决了微孔蓝宝石长晶生长过程中的两个难点: (1)获得高质量的蓝宝石晶体; (2)在蓝宝石晶体中形成并维持所需的内孔尺寸。所生长的晶体透明完整、无开裂、双晶摇摆曲线测定显示其衍射半峰宽为3.8°, 具有良好的结晶质量

Cu₂S是一种声子液体-电子晶体材料, 具有优良的热电性能, 但是传统的制备方法过程繁琐而且难以得到成分均匀、致密度高以及性能优良的块体材料。本研究引入了仅耗时30 s的强脉冲电场合成法来一步完成Cu₂S材料的合成与烧结。在强脉冲电场作用下Cu₂S的合成分为三步, 最初是形成了少量的CuS和Cu₂S, 接着生成了大部分Cu₂S与部分Cu_1.96S, 最终未完全反应的Cu_1.96S与Cu生成了完全单相的Cu₂S。本方法得到的Cu₂S块体是致密且均匀的单相, 并且包含丰富的多尺度微观结构。通过Cu缺失比可以使Cu_2-xS的性能得到优化, 其中Cu_1.97S能在873 K时获得最高的ZT(0.72), 相比于本征样品提升了49%。

采用水热法合成高质量的Fe₄[Fe(CN)₆]₃(HQ-FeHCF)纳米材料, 并对材料进行X射线衍射(XRD), 扫描电子显微镜(SEM), 透射电子显微镜(TEM)和热重分析测试(TGA)等表征。结果表明：Fe₄[Fe(CN)₆]₃呈规则立方体, 颗粒大小约500 nm, 属面心立方结构。Fe₄[Fe(CN)₆]₃在NaClO₄-H₂O-聚乙二醇电解液中1C、2C、5C、10C、20C、30C和40C的容量分别为124、118、105、94、83、74和64 mAh·g ^-1, 表现出优异的倍率性能; 以5C倍率循环500次, 容量保持率接近100%, 表现出极佳的循环稳定性。以Fe₄[Fe(CN)₆]₃和磷酸钛钠分别为正负极的全电池工作电压高达1.9 V, 能量密度可达126 Wh·kg ^-1; 以5C倍率恒流充放电测试140次后全电池容量保持率为92%, 且库伦效率始终接近100%。

本研究利用溶剂热反应, 以柠檬酸为碳源, 甲酰胺和水为混合溶剂, 一步合成氮掺杂碳量子点。研究表明, 所制备的氮掺杂碳量子点具有良好的水溶性和明亮的蓝光发射, 以及典型的依赖于激发光的荧光发射特性。特别的是, 该碳量子点显示出不同于普通碳量子点的、独特的pH响应行为, 除了具有传统的荧光强度随着pH变化的响应行为外, 还表现出在碱性条件下, 产生新的不依赖于激发光的红光发射的性能。通过系统研究碳量子点在不同碱性环境和不同羟基含量溶液中的荧光特性, 结合拉曼光谱、红外、XPS等表征, 分析其化学组成与表面态分子, 探讨了其发光机制, 证实这种特异性pH响应行为是由于在强碱性环境中含有的大量氢氧根结合在碳量子点表面, 从而改变碳量子点的表面状态, 形成新的稳定的发光中心。最后, 通过细胞毒性实验及细胞成像分析表明, 所获得的碳量子点具有低细胞毒性, 并可作为荧光探针应用于细胞成像, 显示其在生物成像领域的潜在应用价值。

采用锆盐和2-氨基对苯二甲酸以溶剂热法成功制备了氨基化的金属有机骨架化合物NH₂-UIO-66, 并利用浸渍还原法成功负载RuCuMo纳米粒子, 制备了RuCuMo@NH₂-UIO-66催化剂。通过X射线粉末衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、场发射扫描电镜(SEM)等技术对NH₂-UIO-66、RuCuMo@NH₂-UIO-66的结构、形貌、组成和比表面积进行了表征, 并对载体、多金属负载型催化剂以及无载体的RuCuMo纳米粒子的产氢性能进行了分析。结果显示, Ru₁Cu₂Mo_0.5@NH₂-UIO-66催化剂的催化活性最高, 引入Cu和Mo能显著增强Ru对氨硼烷水解产氢的催化活性。这主要归因于RuCuMo纳米粒子之间强的协同作用, RuCuMo纳米粒子与载体NH₂-UIO-66间的双功能效应, 以及MOFs上氨基的锚锭作用, 可以阻止金属粒子的团聚, 促进超细粒子的形成。催化反应的活化能(E_a)为30.1 kJ?mol ^-1, 转化频率(TOF)为180.83 $\text{mo}{{\text{l}}_{{{\text{H}}_{2}}}}\cdot \text{mol}_{\text{Ru}}^{-1}\cdot {{\min }^{-1}}$, 非贵金属Cu和Mo的引入为催化活性的提高和工业应用提供了重要的研究价值。

采用溶胶-凝胶法制备载体SiO₂, 并通过水解法制备出负载型TiO₂@SiO₂复合光催化抗菌材料, 采用SEM、XRD、BET、FT-IR、XPS和粒度仪对材料进行表征和分析。在UVA紫外光照下, 通过降解甲基橙溶液考察了复合材料的光催化性能, 在照射3 h后, 不同钛掺杂量复合材料的光催化降解率均能达到99.9%, 钛掺比为0.58时催化效率最高。通过平板涂布法检测了复合材料对大肠杆菌的抗菌效果, 发现抗菌性能随着钛含量的增加而提高, 在紫外照射条件下最高可达92%以上, 同时在可见光照射下也能表现出良好的抗菌性能。通过细菌荧光检测, 可以有效证明复合材料所产生的活性氧迁移到了细胞内部, 造成细胞体氧化损伤, 这是光催化材料抗菌机理研究的重要依据。

通过逐步合成法制备了具有储存电子和物理阻隔功能的CeO₂/CdS纳米复合材料, 并用于光电阴极保护。通过XRD, TEM, UV-Vis和PL等手段对制备的纳米复合材料进行表征。在模拟白光照射下研究不同质量比的CeO₂/CdS复合材料的光电化学性质。在黑暗条件下, 涂有CeO₂/CdS(质量比0.2 : 1)的304不锈钢涂层的电位比 CeO₂/CdS(质量比0.2 : 1)粒子涂层更正。在白光照射下, CeO₂/CdS(质量比0.2 : 1)复合材料的最大光电流密度为 700 μA·cm ^-2, 涂有CeO₂/CdS(质量比0.2 : 1)的304不锈钢涂层的电位为-650 mV(vs. SCE), 明显低于304不锈钢腐蚀电位(-200 mV vs. SCE), 表明片状CdS具有物理阻隔性能及CeO₂/CdS复合材料具有显著的光电化学性能。这主要是由于CeO₂纳米颗粒和CdS纳米片之间形成了异质结, 促进了光致电子和空穴的有效分离, 从而提高了光电转换效率。此外, 由于CeO₂具有储存电子的功能, 在黑暗条件下可以继续释放电子, 能够提供12 h的阴极保护性能。

利用共沉淀法合成的粉体, 通过真空烧结结合热压烧结后处理制备了掺镱的氟化钙透明陶瓷(Yb:CaF₂)。在600 ℃预烧1 h, 700 ℃热压烧结2 h制备的5at%Yb:CaF₂透明陶瓷在1200 nm处的直线透射率达到92.0%。对陶瓷的显微结构、光谱特性和激光性能进行了测试和讨论。研究结果表明, 陶瓷样品的显微结构均匀, 平均晶粒尺寸为360 nm。此外, 计算得到Yb:CaF₂陶瓷在977 nm处的吸收截面和1030 nm处的发射截面分别为0.39×10 ^-20和0.26×10 ^-20cm ²。最后, 对Yb:CaF₂陶瓷激光性能进行了表征, 得到最大输出功率为0.9 W, 最大斜率效率为23.6%。

以熔融的MK树脂(聚甲基倍半硅氧烷)为前驱体, 采用改进的前驱体浸渍裂解法(PIP)制备了致密的C/SiOC复合材料。为了降低MK树脂的固化温度, 选择有机磺酸作为交联剂, 并采用红外光谱分析仪(FT-IR)和热重分析-差热分析仪(TG-DTA)研究了MK树脂的固化机理和陶瓷化行为。研究表明: MK树脂的陶瓷产率高达85wt%, 其裂解得到的SiOC陶瓷自由碳含量低于3wt%, 有利于提高陶瓷的高温稳定性。经过8次PIP制备的C/SiOC复合材料的密度可达1.82 g/cm ³。对得到的C/SiOC复合材料进行三点弯曲测试, 其弯曲强度为(312±25) MPa, 表现出明显的非脆性断裂行为。