周期孔状金属薄膜传感器的研究_郑超

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纳米叠层金属基复合材料的力学行为

㊀第41卷㊀第5期2022年5月中国材料进展MATERIALS CHINAVol.41㊀No.5May 2022收稿日期:2020-11-17㊀㊀修回日期:2021-01-16基金项目:国家自然科学基金项目(52001204,51771111);中国博士后创新人才支持计划项目(BX20190196);中国博士后科学基金资助项目(2020M671114)第一作者:郑思婷,女,1997年生,硕士研究生通讯作者:赵㊀蕾,女,1988年生,讲师,硕士生导师,Email:lzhao39@郭㊀强,男,1982年生,教授,博士生导师,Email:guoq@DOI :10.7502/j.issn.1674-3962.202011021纳米叠层金属基复合材料的力学行为郑思婷,赵㊀蕾,郭㊀强(上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海200240)摘㊀要:纳米叠层金属基复合材料(nano-laminated metal matrix composites,NLMMCs)由金属和增强材料(陶瓷㊁非晶以及纳米碳材料)以层状形式交替叠加组成,是构型化金属基复合材料的一种典型代表㊂由于组分相的纳米尺度㊁叠层构型以及大量的异质界面,NLMMCs 表现出优异的综合力学和功能性能,成为近年来材料科学的研究热点㊂以金属-陶瓷型㊁金属-非晶型和金属-纳米碳型NLMMCs 为主要对象,重点综述了NLMMCs 的常见制备工艺及相应的特点,并聚焦于采用微纳力学方法探究内在和外在特征尺度㊁叠层取向以及界面特性等对其强韧化和变形机制影响的研究新进展㊂最后展望了NLMMCs 的发展趋势,指出了NLMMCs 在特定服役条件下的力学响应机制有待进一步研究,提出了需要开发适用于在多物理场下工作的微纳尺度材料表征和测试系统,以便更精准地探究NLMMCs 的使役行为㊂关键词:金属基复合材料;纳米叠层构型;微纳力学测试;强韧化机制;变形机制中图分类号:TB331㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:1674-3962(2022)05-0371-12引用格式:郑思婷,赵蕾,郭强.纳米叠层金属基复合材料的力学行为[J].中国材料进展,2022,41(5):371-382.ZHENG S T,ZHAO L,GUO Q.Mechanical Behavior of Nano-Laminated Metal Matrix Composites[J].Materials China,2022,41(5):371-382.Mechanical Behavior of Nano-LaminatedMetal Matrix CompositesZHENG Siting,ZHAO Lei,GUO Qiang(State Key Laboratory of Metal Matrix Composites,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)Abstract :Nano-laminated metal matrix composites (NLMMCs)are composed of metal and reinforcement (such as ceram-ic,amorphous and nanocarbon materials)alternately stacked in layers,which is a typical representative of architectured metal matrix composites.Due to the presence of the nano-scale of component phases,laminated configuration and abundant heterogeneous interfaces,NLMMCs are widely reported to have excellent mechanical and functional properties.Taking met-al-ceramic,metal-amorphous and metal-nanocarbon NLMMCs as the objects,this article reviews the recent development on the common fabrication processing and the corresponding features of the composites.Particular emphasis is given to the effect of internal and external dimensions,nanolaminate orientation and interface feature on the strengthening,toughening and de-formation mechanisms.To meet the requirements of engineering application,the study on the mechanical behavior under special service conditions is to be carried out and a micro-/nano-scale material characterization and testing system suitable for working in multiple physical fields should be developed.Key words :metal matrix composites;nano-laminated structure;micro-/nano-mechanical tests;strengthening and tough-ening mechanism;deformation mechanism1㊀前㊀言向超细晶/纳米晶金属基体中引入纳米颗粒(陶瓷㊁非晶)或纳米碳材料(碳纳米管㊁石墨烯及其衍生物)形成的金属基纳米复合材料(metal matrix nanocomposites,MMNCs)由于具有优异的综合力学和功能特性,受到了研究者的广泛关注[1-5]㊂然而,与传统金属基复合材料(metal matrix composites,MMCs)的发展瓶颈相似,超细晶/纳米晶基体有限的加工硬化能力,以及界面附近的应All Rights Reserved.中国材料进展第41卷变局域化导致了MMNCs强度的提高通常伴随着均匀延伸率的下降,即存在强度-塑(韧)性倒置关系,很大程度上制约了其进一步的发展与应用[6-8]㊂复合构型化(即不改变基体和增强体成分,仅仅改变基体和增强体的尺寸和空间分布)是解决MMNCs强韧化矛盾㊁提升其综合性能的有效途径[9-12]㊂纳米叠层结构是自然界硬质生物材料广泛采用的复合构型㊂通过组分相的纳米尺度,叠层构型提供的几何约束效应,以及各种内在和外在韧化机制,能够破解强韧性倒置的难题[13,14]㊂受此启发,研究者们开发了具有优异力学性能的金属-陶瓷[15]㊁金属-非晶[16]㊁金属-纳米碳[17]等纳米叠层金属基复合材料(nano-laminated metal matrix composites,NLMMCs)㊂对于传统单一均匀的MMCs,研究者通常采用宏观的单轴拉伸[18]㊁压缩[19]和三点弯曲[20]等测试方法表征复合材料的力学性能,并结合断口的形貌来推测复合材料的强韧化机制[21]㊂然而,相比于传统的MMCs,NLM-MCs中复合界面占比显著增加,界面在其强化㊁变形和断裂过程中发挥了极为重要的作用,上述宏观力学测试方法很难准确地评价界面对NLMMCs强韧化机制的影响㊂另外,部分NLMMCs以薄膜的形式存在,宏观的力学测试方法难以对其性能开展研究㊂近年来发展起来的微纳力学测试方法(如纳米压痕[22]㊁微柱压缩与拉伸[23-25]㊁微悬臂梁弯曲[26])结合精确定点 (site-specif-ic)的透射电子显微镜(transmission electron microscope, TEM)分析[27],为研究NLMMCs的力学性能㊁探索其强韧化机制提供了新思路和新方法,尤其是其满足了纳米叠层金属基复合薄膜材料力学行为研究的需求[28,29]㊂特别地,扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)和TEM中的原位微纳力学测试方法可以实时获得材料变形过程中的力学性能数据和显微结构变化,更加准确地阐释界面-结构-性能关系,为NLMMCs性能优化设计提供了强有力的支撑㊂因此,本文重点综述近年来NLMMCs的制备工艺,并聚焦于微纳力学方法探究NLMMCs的强韧化和变形机制的研究新进展,最后展望NLMMCs的发展趋势和其面临的挑战㊂2㊀纳米叠层金属基复合材料的制备方法2.1㊀磁控溅射法磁控溅射法是目前金属-陶瓷㊁金属-非晶型NLMMCs 最常使用的制备方法,其制备原理如图1a所示[29]:在电场作用下,工作气体氩气(Ar)发生电离,离子化气体进入暗空间鞘层(靠近靶材的较薄区域)时会因电压降而强烈加速,之后以很高的速度撞击目标靶材,使原子㊁分子或原子团簇从靶材表面溅射出来㊂这些溅射出的靶材粒子沉积在基板表面,形成薄膜㊂在制备过程中,通过调节电源功率㊁沉积速率和挡板闭合时间等工艺参数交替溅射2种不同材料,可以获得所需层厚和层厚比的金属-陶瓷和金属-非晶纳米叠层复合薄膜,如图1b和1c 中的Cu-非晶CuZr[30]和Al-SiC[31]纳米叠层复合薄膜所示㊂磁控溅射法具有沉积温度低㊁组元成分和厚度易控制㊁成膜质量好等优点,但溅射速率低的缺点限制了其在宏量化制备方面的应用,故常用于制备薄膜和模型材料㊂图1㊀磁控溅射法制备叠层薄膜的示意图(a)[29],Cu-非晶CuZr 纳米叠层薄膜(插图为Cu的选区电子衍射图谱)(b)[30]和Al-SiC纳米叠层薄膜(c)的TEM照片[31]Fig.1㊀Schematic diagram of the fabrication of one layer film using mag-netron sputtering(a)[29],TEM image of Cu-amorphous CuZrnanolaminates(the inset is selective area electron diffraction im-age of Cu)(b)[30]and Al-SiC nanolaminates(c)[31]2.2㊀逐层累积法Kim等[32]采用纳米级金属层和单层石墨烯逐层累积组装的方法制备了具有纳米叠层结构的石墨烯增强铜基和镍基复合材料薄膜,制备过程如图2所示㊂首先,采用化学气相沉积(CVD)方法在铜箔上生长出高质量的单层石墨烯,并通过湿法转移过程(聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)旋涂以及铜箔刻蚀等)将石墨烯转移到通过真空273All Rights Reserved.㊀第5期郑思婷等:纳米叠层金属基复合材料的力学行为蒸镀法沉积的金属(铜或镍)薄膜上;然后,通过多次循环金属纳米层沉积和石墨烯转移过程,制备出金属-石墨烯纳米叠层复合材料薄膜㊂在薄膜制备过程中,石墨烯的CVD生长和转移过程需要严格控制工艺参数,以免产生表面缺陷和残留有机污染物,降低复合材料的力学和物理性能㊂该制备方法通用性强,适合制备模型材料以研究石墨烯增强金属基复合材料中的界面效应㊁强化和变形机制㊁内外尺寸效应等基础性科学问题㊂图2㊀逐层累积法制备纳米叠层石墨烯增强铜基和镍基复合材料的制备路线图[32]Fig.2㊀Fabrication process of graphene reinforced Cu-and Ni-matrix nanolaminated composites based on the layer-by-layer approach[32]㊀㊀在此基础上,Yang等[33]采用辊间(roll-to-roll,R2R)CVD法累积多层Cu-石墨烯复合薄膜,并结合热等静压(hot isostatic pressing,HIP)技术(图3)制备了石墨烯层数可控且平行分布的石墨烯增强Cu基复合材料㊂这种方法的优点是易于实现NLMMCs中石墨烯大面积㊁高覆盖率和高度平行取向分布㊂同时,通过调整石墨烯生长参数可精确控制石墨烯的结晶度和层数㊂图3㊀辊间累积化学气相沉积法结合热等静压法制备石墨烯-Cu纳米叠层复合材料块体的示意图[33]Fig.3㊀Schematic diagram of the fabrication process of graphene-Cunano-laminated bulk composites via Roll-to-Roll CVD combinedwith hot isostatic pressing(HIP)[33]2.3㊀片状粉末冶金法启迪于自然界中贝壳珍珠层的砖砌结构,作者课题组开发了片状粉末冶金(flake powder metallurgy,FPM)工艺,制备了多壁碳纳米管(multi-walled carbon nano-tubes,MWCNTs)-Al砖砌结构纳米叠层复合材料块体,获得了优异的强韧性[34,35]㊂典型的片状粉末冶金工艺如图4所示:首先,通过球磨获得纳米厚度的片状Al粉末,并对其表面进行聚乙烯醇(PVA)溶液包覆,同时在分散剂的辅助下对MWCNTs团簇进行超声分散形成均匀的MWCNTs分散液;然后,将片状Al粉与MWCNTs分散液均匀混合,使得MWCNTs均匀吸附到Al片表面;最后通过冷压㊁烧结和热挤压等致密化过程,获得MWC-NTs-Al纳米叠层复合材料块体㊂在此基础上,作者课题组进一步改进了FPM工艺,制备了具有纳米叠层结构的石墨烯-Al[17,36-39]㊁石墨烯-Cu[40-42]㊁单壁碳纳米管(single-walled carbon nanotubes,SWCNTs)-Al复合材料[43]㊂该制备工艺过程中,纳米碳材料没有经过高能球磨,因此制备的复合材料可以保持纳米碳材料结构的完整性㊂另外,此方法通用性强,适合于大规模制备复合材料块体㊂2.4㊀共沉积法共沉积法是将纳米碳材料分散到金属材料中的有效方法,主要包括物理喷涂沉积法和电化学沉积法㊂例如,Meng等[44]通过把均匀分散的石墨烯溶液以一定的压力喷涂到酸洗的Mg箔片表面获得复合单元,然后将复合单元层层堆叠,通过后续的热压和热轧工艺制备了石墨373All Rights Reserved.中国材料进展第41卷图4㊀片状粉末冶金(FPM)法制备MWCNTs-Al纳米叠层复合材料示意图[34]Fig.4㊀Fabrication process for MWCNTs-Al nanolaminated composites by the flake powder metallurgy(FPM)method[34]烯-Mg叠层复合材料㊂该方法通过控制喷涂时间可以控制石墨烯的体积分数㊂电化学沉积工艺中,在阴极与阳极之间施加的电流(直流㊁脉冲或脉冲反向电流)作用下,通过电解液中金属离子(Cu2+㊁Ni2+等)的还原作用,将金属膜沉积在阴极(镀有纳米碳的金属箔)表面上,并形成叠层结构[45]㊂该方法操作简单,但纳米碳与金属是非共价键结合,界面结合强度较弱㊂此外,未经处理的CNTs具有疏水性,使得金属盐很难穿透CNTs之间的缝隙,从而会在沉积层内形成缺陷[12]㊂另外,Kang等[46]将选择性浸涂(selec-tive dip-coating)和电沉积技术相结合,制备了MWCNTs-Cu叠层复合材料㊂首先,采用阴离子表面活性剂(SDS)对MWCNTs进行表面官能团化,获得带负电的MWCNTs 溶液;然后把基体浸入MWCNTs溶液中后以3mm/min 的速度取出;最后,在酸性电解液中电沉积Cu层㊂由于电解液中的Cu2+与带负电荷的官能团化MWCNTs层之间的电荷吸引作用,Cu层电沉积在MWCNTs层表面,并填充了MWCNTs层的间隙;多次循环浸涂和电沉积过程,最终形成叠层结构Cu-MWCNTs复合材料㊂2.5㊀累积叠轧法累积叠轧(accumulative roll-bonding,ARB)法是将表面经过处理㊁尺寸相等的2块薄板材料在一定温度下叠轧并使其自动焊合,然后反复叠片㊁轧制获得叠层复合材料的工艺㊂ARB后材料微观结构细化,力学性能得到大幅度提升㊂例如,Yao等[47]以铜和石墨为原料,在室温下通过ARB工艺循环30次(每次循环厚度减少50%)制备Cu-石墨烯叠层复合材料,如图5所示㊂该研究表明,ARB能把原始的石墨转化为仅有5层的石墨烯,且在Cu基体中良好分散,从而获得了高的硬度和电导率㊂图5㊀累积叠轧法制备石墨烯-铜纳米叠层复合材料的示意图[47] Fig.5㊀Schematic diagram of the fabrication process for graphene-Cu nanolaminated composites via accumulative roll-bonding(ARB)process[47]3㊀纳米叠层金属基复合材料的强韧化机制3.1㊀纳米叠层金属基复合材料的强化机制3.1.1㊀界面结构特性及其对NLMMCs强化机制的影响纳米叠层结构的金属及其复合材料含有高密度的异质界面,这些界面通常作为位错形核源㊁位错湮灭阱㊁位错运动的障碍和位错存储和反应的择优位点[48],进而显著影响材料的力学行为㊂对于金属-金属纳米叠层材料,其界面结构包括共格界面㊁半共格界面和非共格界面[49],如图6所示㊂共格界面中界面上下的2种材料具有相同的晶体学结构和较小的晶格失配(通常为百分之几的量级)㊂由于较小的晶格失配导致界面具有高的共格应力,阻碍了位错穿过界面转移至相邻层,从而提高了材料强度㊂对于半共格界面,相邻两层之间存在较大的晶格失配,从而导致界面具有相对较低的抗剪强度㊂为了减少晶格畸变,在半共格界面上通常会产生失配位错[50]㊂界面通过剪切以响应失配位错的应力场,并吸引图6㊀金属-金属纳米叠层材料的3种界面结构示意图[49] Fig.6㊀Schematic illustration of the three kinds of interface structures in metal-metal nanolaminates[49]473All Rights Reserved.㊀第5期郑思婷等:纳米叠层金属基复合材料的力学行为位错至界面处㊂半共格界面成为位错滑移传输的障碍,从而实现材料的强化㊂而非共格界面是指相邻两层的界面由不同的晶体结构组成,其具有相对较大的晶格失配㊂在这种界面上,相邻层的滑移系统之间没有连续性,其具有较低的抗剪强度,使得位错核沿界面扩展,被界面吸收,阻碍了滑移传递至相邻层,从而使材料获得了高强度[51,52]㊂金属-金属纳米叠层材料界面结构对强化机制的影响详见综述论文[48,50,53,54]㊂金属-陶瓷(主要指晶体陶瓷)型NLMMCs的界面结构类似于金属-金属非共格界面,其界面强化机制也与之相似㊂对于金属-非晶(包括金属玻璃㊁非晶陶瓷和C或Si族元素玻璃)型NLMMCs,其金属-非晶界面(crystal-line-amorphous interfaces,CAIs)由基于位错调控塑性变形的金属层和基于剪切过渡区(shear transition zones,STZs)或剪切带(shear bands,SBs)调节塑性变形的非晶层组成[48]㊂CAIs中很容易形成剪切滑移,导致材料的屈服强度降低;此外,CAIs也是加载过程中位错形核和位错发射的择优位点[55]㊂对于金属-纳米碳型NLMMCs,其界面结构也类似于非共格界面,该类复合材料强度的提高主要来自于载荷从基体到纳米碳的跨界面传递㊁纳米碳抑制基体晶粒生长引起的细晶强化,以及纳米碳通过界面阻碍位错运动引起的位错强化和背应力强化[56,57]㊂结合强度大小合适的界面才能有效传递载荷并抑制材料发生破坏性变形[58]㊂然而,通常由于大的表面能差异和低润湿性,纳米碳材料与金属基体之间形成弱的范德华力或机械结合[59],使纳米碳层的承载强化未能充分发挥㊂研究者们通过形成强共价键[60,61]㊁表面金属化[62]和界面反应[63]等方法,解决界面不相容和润湿性差的问题,形成具有高结合强度的界面,从而显著提高界面强度,进一步提高材料强度㊂3.1.2㊀内在特征尺寸对NLMMCs强化机制的影响随着微纳力学测试方法的快速发展,纳米叠层金属及其复合材料的力学行为得以深入研究㊂除了各组分材料的本征强度以外,各组分的内在特征尺度也显著地影响纳米叠层金属及其复合材料的强度[64-68]㊂类似于金属-金属纳米叠层材料,NLMMCs的强度随软相金属层厚度的变化规律可以用以下3种强化机制来描述㊂当金属层厚度h相对较大(亚微米到微米尺度)时,NLMMCs的强度σ与金属层厚度h遵循Hall-Petch关系[31],即σɖh-0.5,此时,软相金属层中产生大量位错并在界面处塞积,引起材料强化㊂当金属层厚度h减小到某一临界尺寸(通常不大于200nm)时,材料强度仍然单调增加,但明显偏离Hall-Petch关系,此时NLMMCs的强度变化规律符合约束层滑移(confined layer slip,CLS)模型[31,68-70],这是因为层厚的减小使得单个金属层内难以形成位错塞积,而是以单个位错约束在金属层内滑移的形式来调节塑性变形进而影响材料强度㊂然而,对于金属-金属纳米叠层材料,当叠层厚度进一步降低至1~2nm时,位错源开动困难,界面不再具有阻碍位错运动的能力,单个位错能够穿过界面,此时材料强度达到饱和甚至有所降低,对应于界面势垒强度(interface barrier strength,IBS)模型[71]㊂特别地,对于非连续纳米碳增强的NLMMCs,除金属基体特征尺寸以外,纳米碳材料的横向尺寸也会通过影响纳米碳的承载强化和纳米碳阻碍位错运动影响复合材料的强度㊂例如,Zhao等[56]对Al基体层厚为200nm㊁石墨烯(reduced graphene oxide,RGO)横向尺寸分别为(186ʃ7)nm和(603ʃ58)nm的RGO-Al纳米叠层复合材料开展了基于单次和多次加载-卸载循环的微柱压缩实验,发现RGO尺寸较小的RGO-Al复合微柱具有更高的强度㊂通过对强化机制的分析发现,RGO尺寸较小的复合材料承载强化贡献小于RGO尺寸较大的复合材料;而RGO尺寸较小的复合材料中石墨烯与位错相互作用引起的各向同性硬化和动力学硬化的贡献远远大于RGO尺寸较大的复合材料㊂3.1.3㊀外在尺寸对NLMMCs强化机制的影响另一方面,除了内在尺寸效应以外,采用微纳力学方法研究NLMMCs力学行为所制备的微纳试样外在尺寸也会显著影响其力学行为[72-76]㊂例如,Zhang等[77]制备了调制比(非金属层与金属层厚度比η)相同,单层厚度h 从5nm变化到150nm的Cu-CuZr金属-非晶多层膜,采用聚焦离子束(focus ion beam,FIB)加工了直径D从350nm 变化到1425nm的微柱,并对其开展了单轴压缩实验㊂研究结果表明,当h或D发生单一变化时,微柱的强度符合越小越强(smaller is stronger) 的规律㊂当h在10~ 150nm范围内时,位错活动主要受晶粒控制,微柱的强度仅依赖于内在特征尺度,而与外在直径无关,且强度与层厚的关系符合CLS模型;当hɤ10nm时,较小样品体积内包含位错的概率大大降低,样品外表面对位错行为的影响达到了与内界面相当的程度,导致样品强度受内在和外在尺寸共同影响㊂此外,Wang等[75]从不同调制比(η=0.1~3.0)的Cu-CuZr金属-非晶多层膜上切割不同直径(D=300~ 1500nm)的微柱开展单轴压缩测试,结果如图7所示㊂可以看出,在给定微柱直径时,微柱强度随着调制比的增加而增大;当调制比一定且小于0.5(η=0.1和0.3)时,微柱强度随直径的增大而降低,呈现越小越强的趋势;而当调制比大于0.5时,微柱强度随直径的增大而增大,呈现越大越强的趋势㊂这主要是由于复573All Rights Reserved.中国材料进展第41卷合薄膜在小的调制比(0.1)时,非晶的层厚小于剪切带形成需要的临界尺寸,剪切带(shear bands,SBs)难以形成,因此,更厚的软相金属层主导微柱的塑性变形㊂随着微柱直径的减小,金属层中位错源的数量减少,而且微柱中含有大晶粒的概率降低,因此,位错活动需要在较高的应力下进行,因此,微柱尺寸越小,其强度越高㊂当调制比大时(η=3.0),非晶层(<100nm)通常包含一定数量的内部缺陷,在这些缺陷处可以轻松激活剪切过渡区(shear transformation zones,STZs)并聚集形成SBs㊂随着直径减小,单个SBs 形成引起的软化更容易发生在较小的微柱中㊂图7㊀不同调制比η下Cu-CuZr 微柱2%流变应力与微柱直径的关系图[75]Fig.7㊀The flow stress at 2%strain offset of Cu-CuZr micro-pillars ob-tained from the true stress vs strain curves as a function of pillardiameter with different modulation ratio η[75]在纳米碳-金属型NLMMCs 中,Zhao 等[36]和Hu 等[76]分别研究了90ʎ(叠层方向垂直于加载方向)和0ʎ(叠层方向平行于加载方向)RGO-Al 纳米叠层复合微柱的外在尺寸效应㊂研究结果表明,直径大小对90ʎRGO-Al复合微柱的强度没有明显的影响㊂而对于0ʎRGO-Al 复合微柱,当微柱直径比铝层厚度(~200nm)大一个数量级时,微柱直径对其强度没有明显的影响,微纳米尺度下材料的力学性能能够反映宏观复合材料的力学性能㊂3.1.4㊀叠层取向对NLMMCs 强化机制的影响叠层取向与加载方向之间的相对角度会影响NLM-MCs 中的应力状态,进而影响其强度㊂例如,Mayer等[78]对0ʎ㊁45ʎ和90ʎ的Al-SiC 纳米叠层复合微柱开展单轴压缩实验,发现0ʎ微柱中增强相SiC 层处于承载方向,强度最高;45ʎ微柱由于协调剪切变形更容易,强度最低;90ʎ微柱中SiC 层出现的裂纹限制了其强度提高㊂另外,Fu 等[79]从RGO-Al 宏观块体材料中切割0ʎ和90ʎ纳米叠层RGO-Al 复合微柱,并对其开展了单轴微拉伸实验(图8a)㊂结果表明,0ʎRGO-Al 微柱的屈服强度显著高于90oRGO-Al 微柱,且都高于相应的纯铝微柱,如图8b 所示㊂经计算分析得知,90ʎRGO-Al 微柱强度的提高主要来自于RGO /Al 界面对位错的阻碍作用,而0ʎRGO-Al 复合微柱的强化来自于RGO 显著的承载强化以及RGO /Al 界面对位错的阻碍作用㊂3.2㊀纳米叠层金属基复合材料的韧化机制NLMMCs 由于纳米尺度㊁叠层构型以及大量异质界面的存在,被认为具有比传统单一均匀MMCs 更加优异的断裂韧性㊂特别是,近些年随着微纳力学技术的发展,NLMMCs 的韧化机制得到了更加深入的阐释㊂在金属-陶瓷型NLMMCs 领域,界面的存在使脆性陶瓷层中产生的裂纹发生偏转,改变了裂纹扩展的路径,并且陶瓷层中也有可能产生位错[80],实现与韧性金属层的塑性共变形,从而增加复合材料的韧性㊂Yang 等[81]采用微柱劈裂法(micro-pillar splitting,图9a)和缺口悬臂梁弯曲法(图9b)研究了叠层厚度和叠层取向对Al-SiC 纳米叠层复合薄膜断裂韧性的影响㊂结果发现,Al-SiC 纳米叠层复合薄膜在载荷平行于叠层时的断裂韧性高于其在图8㊀0ʎ和90ʎ纳米叠层RGO-Al 复合微拉伸试样示意图和SEM 照片,其中拉伸方向由黑色箭头标出(a);0ʎ和90ʎ纳米叠层RGO-Al 和纯Al 的屈服强度对比图(b)[79]Fig.8㊀Schematic illustration and SEM images of as-fabricated microtensile composite specimens with 90ʎand 0ʎRGO laminate orienta-tions (a);summaries of the 0.2%offset yield strength of 90ʎand 0ʎRGO-Al composite and pure Al samples (b)[79]673All Rights Reserved.㊀第5期郑思婷等:纳米叠层金属基复合材料的力学行为垂直于叠层时的断裂韧性㊂当载荷平行于叠层时,裂纹扩展沿着金属/陶瓷界面发生,并且由于Al 层塑性变形的作用,断裂韧性随层厚的增加而增加,在层厚为100nm时达到最大㊂当载荷垂直于叠层时,裂纹扩展到界面处出现了偏转,断裂韧性随着层厚的减小而增加,在层厚为25nm 时达到最大,这归因于层厚减小导致了更高的界面密度㊂图9㊀微柱劈裂法(a)和缺口悬臂梁弯曲法(b)研究Al-SiC 纳米叠层复合材料断裂韧性的加载示意图[81]Fig.9㊀Schematic diagrams of the load directions for the fracture tough-ness testing of Al-SiC nanolaminates via micro-splitting (a)andnotched cantilevers bending methods (b)[81]在金属-非晶型NLMMCs 领域,非晶层具有力学不稳定性,而叠层结构限制了非晶层中裂纹和剪切带的形成和扩展,并且在一定条件下可以实现非晶层和金属层之间产生塑性共变形,提高复合材料的塑韧性[48]㊂为了揭示金属-非晶纳米叠层复合薄膜的韧化机制和潜在的破坏机理,Wang 等[82]制备了层厚为50nm㊁宽度B 为500~3500nm 的Ag-CuZr 和Mo-CuZr 多层膜悬臂梁(图10a),并通过SEM 中的原位弯曲实验研究多层膜组分和悬臂梁外在尺寸对断裂行为的影响㊂结果如图10b 所示,当悬臂梁宽度在500~3500nm 范围内变化时,Ag-CuZr 多层膜的断裂韧性总是高于Mo-CuZr 多层膜㊂另外,Ag-CuZr 多层膜的断裂韧性随悬臂梁宽度的增加而增加;而Mo-CuZr 多层膜的断裂韧性随悬臂梁宽度的增加而减小,当悬臂梁宽度超过~1500nm 时保持不变㊂对其断裂机理的分析发现,Ag-CuZr 悬臂梁中非晶CuZr 层中开动的微裂纹在多层结构中出现了互连(图10c),而Mo-CuZr 悬臂梁中的裂纹破坏性地穿过多层薄膜扩展(图10d),导致了Ag-CuZr 悬臂梁表现为韧性断裂,而Mo-CuZr 悬臂梁表现为脆性断裂,且Ag-CuZr 断裂韧性高于Mo-CuZr 多层薄膜㊂非晶纳米叠层复合薄膜的断裂韧性随成分和悬臂梁尺寸的变化主要归因于韧性相的塑性能耗散,裂纹尖端钝化㊁裂纹桥接以及塑性区应变梯度对裂纹扩展的影响等韧化机制㊂图10㊀金属-非晶纳米叠层复合薄膜的断裂韧性及断裂机制[82]:(a)典型的多层膜悬臂梁的SEM 照片,(b)Ag-CuZr 和Mo-CuZr 悬臂梁的断裂韧性随宽度B 的变化规律,(c,d)Ag-CuZr(c)和Mo-CuZr(d)悬臂梁的断裂机制示意图Fig.10㊀Fracture toughness and fracture mechanisms of metal-amorphous nanolaminated composite films [82]:(a)typical SEM image ofthe Ag-CuZr micro-cantilevers,(b)cantilever width B -dependent fracture toughness K Q in Ag-CuZr and Mo-CuZr nanolami-nates,(c,d)schematic diagrams of fracture mechanisms in Mo-CuZr (c)and Ag-CuZr (d)micro-cantilevers773All Rights Reserved.。

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一
热解法制各了ＺＳＯ合氧化物。对于Ｈ灵敏度可达到ｎｎ复Ｓ
５．０３０；对于乙醇，经７００￣烧的样品灵敏度最高为４．ｏＣ煅７０，
经６００ ℃煅烧的样品的最佳工作温度都为２５，６００，８０２℃ ０ ℃ 煅烧材料的灵敏度略高于７０Ｃ煅烧的材料，８０Ｃ煅烧样品０￣０￣的灵敏度明显低于６０Ｃ７０Ｃ烧的材料。０￣及０￣煅桂阳海等人选用Ｈ０纳米ｚ粉进行两步氧化，制备，，对ｎ出形貌不同的纳米ＺＯ料，对苯、甲苯、二甲苯灵敏度最ｎ材高，在３０时，其灵敏度分别达到９９１．，ｌ。经研２℃ ．，１８３究表明其气敏机理为：ｃｌＯ６０＋Ｈ０１ｅ；＋５。Ｃ３，５一Ｈ＝＋
锌锡的复合物ＺＳＯ是一种良好的气敏材料，可以用ｎｎ
化学或物理的方法来制备，ＺＳＯ敏性能较纯ＺＯＳ优ｎｎ３气ｎ、

溶液空间限域法制备有机-无机杂化卤化铅钙钛矿单晶薄膜及其器件应用研究进展

第53卷第4期2024年4月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS Vol.53㊀No.4April,2024溶液空间限域法制备有机-无机杂化卤化铅钙钛矿单晶薄膜及其器件应用研究进展张庆文,单东明,张㊀虎,丁㊀然(吉林大学电子科学与工程学院,集成光电子学国家重点实验室,长春㊀130012)摘要:近年来,有机-无机杂化卤化铅钙钛矿材料因其出色的光电特性在国际上备受瞩目,并已成功应用于太阳能光伏㊁光电探测㊁电致发光等多个领域㊂目前绝大部分器件研究都集中在钙钛矿多晶材料上,但钙钛矿单晶材料拥有更低的缺陷态密度㊁更高的载流子迁移率㊁更长的载流子复合寿命㊁更宽的光吸收范围,以及更高的稳定性等优异的性质,可有效减少载流子传输过程中的散射损失,以及在晶界处的非辐射复合,并抑制离子迁移所引起的迟滞效应㊂采用钙钛矿单晶薄膜作为器件有源层有望制备性能更高效且更稳定的钙钛矿光电器件㊂目前,已报道的多种钙钛矿单晶薄膜制备方法包括溶液空间限域法㊁化学气相沉积法㊁自上而下加工法等,其中溶液空间限域法的发展和应用最为广泛㊂本文聚焦利用溶液空间限域法制备高质量钙钛矿单晶薄膜的相关方法,以及钙钛矿单晶薄膜在光电探测器㊁太阳能电池㊁场效应晶体管和发光二极管等相关器件应用中的研究进展,并对钙钛矿单晶薄膜及其光电器件的未来发展趋势进行了展望㊂关键词:钙钛矿半导体材料;溶液空间限域法;钙钛矿单晶薄膜;光电子器件;单晶薄膜生长中图分类号:O78;O484;TN36㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1000-985X (2024)04-0572-13Research Progress on Preparation of Organic-Inorganic Hybrid Lead Halide Perovskite Single-Crystalline Thin-Films by Solution-Processed Space-Confined Method and Their Device ApplicationsZHANG Qingwen ,SHAN Dongming ,ZHANG Hu ,DING Ran(State Key Laboratory of Integrated Optoelectronics,College of Electronic Science and Engineering,Jilin University,Changchun 130012,China)㊀㊀收稿日期:2023-11-20㊀㊀基金项目:国家重点研发计划青年科学家项目(2022YFB3607500);国家自然科学基金(62274076)㊀㊀作者简介:张庆文(1999 ),男,山东省人,硕士研究生㊂E-mail:zhangqw1012@ ㊀㊀通信作者:丁㊀然,教授,博士生导师㊂E-mail:dingran@Abstract :In recent years,organic-inorganic hybrid lead halide perovskite materials have attracted much attention in the world because of their excellent photoelectric properties,and have been successfully applied in many fields such as solar photovoltaic,photoelectric detection,electroluminescence and so on.At present,most of the device research focuses on perovskite polycrystalline materials,but perovskite single crystal materials have excellent properties such as lower defect state density,higher carrier mobility,longer carrier recombination lifetime,wider light absorption range and higher stability,which can effectively reduce the scattering loss during carrier transport and non-radiative recombination at the grain boundary,and inhibit the hysteresis effect caused by ion ing perovskite single crystal thin film as the active layer of the device is expected to produce more efficient and stable perovskite photoelectric devices.At present,many preparation methods of perovskite single crystal films have been reported,mainly including solution-processed space-confined method,chemical vapor deposition method,top-down processing method,etc.Among them,solution-processed space-confined method is the most widely developed and applied.This paper focuses on the preparation of high-quality perovskite single crystal thin films by solution-processed space-confined method,and the research progress of perovskite single crystal thin films in photodetectors,solar cells,field effect transistors,light-emitting diodes and other related devices,and prospects the future development trend of perovskite single crystal thin films and photoelectric devices.㊀第4期张庆文等:溶液空间限域法制备有机-无机杂化卤化铅钙钛矿单晶薄膜及其器件应用研究进展573㊀Key words:hybrid perovskite semiconductor;solution-processed space-confined method;perovskite single-crystalline thin-film;optoelectronic device;growth of single crystal thin film0㊀引㊀㊀言近年来,有机-无机杂化卤化铅钙钛矿材料因高的光吸收系数[1]㊁高的载流子迁移率[2-3]㊁长的载流子扩散距离[4]㊁带隙可调谐[5-7]等优异的光电性能,引起了科研界和产业界的广泛关注㊂尤其是在光伏器件领域,钙钛矿电池的功率转换效率(power conversion efficiency,PCE)从最初的3.8%[8]攀升到目前的25.9%[9],发展速度出人意料且远超其他光伏材料体系㊂理论计算得到单结钙钛矿电池的最高转换效率可达33%,这一效率优于晶体硅的理论极限效率29.4%㊂除光伏领域外,钙钛矿材料在光电探测[5,10-15]㊁电致发光[16-19]㊁光泵激光[20-23]和辐射探测[24-26]等诸多光电领域也展现出巨大的应用前景㊂有机-无机杂化卤化铅钙钛矿材料化学结构式通常为ABX3,一般为立方体或八面体结构[27],对于典型的三维钙钛矿材料,其中A代表一价阳离子(如MA+㊁FA+等),B代表二价Pb2+阳离子,X为一价卤素阴离子(如Cl-㊁Br-㊁I-等)㊂在钙钛矿材料中,B离子位于立方晶胞的中心[28],被6个X离子包围形成配位立方八面体结构㊂钙钛矿光电器件有源层材料以多晶薄膜为主,多晶材料虽然在器件应用方面已展现出卓越的性能,但是内部存在大量晶界,且在晶界处存在高密度的晶格位错,以及无序的晶粒生长,从而导致薄膜内存在大量的晶格缺陷和可自由移动的离子㊂多晶膜内大量晶粒㊁晶界㊁空隙和表面缺陷等,会显著增大非辐射复合过程并诱使激子猝灭,严重限制光电及电光转换效率[29-30]㊂同时,在外场作用下钙钛矿多晶膜中会产生明显的离子迁移现象,移动的离子会抑制自由载流子的感生㊁积累与传输,也将极大影响器件的光电性能[31]㊂相比之下,钙钛矿单晶拥有更低的缺陷态密度㊁更长的载流子扩散长度㊁更长的载流子复合寿命㊁更宽的光吸收范围,以及更高的稳定性等[32-33]㊂这些优秀的本征特性为克服以上挑战提供了良好的载体,有望制备性能更高效且更稳定的钙钛矿光电器件㊂从晶体形态学角度区分,钙钛矿单晶材料主要可分为块体[34-35]和薄膜两种类型[36-38]㊂相比于单晶块体材料,单晶薄膜更易于与传统半导体工艺相集成,并有望制备性能更加优越的光电器件,更因其突出的柔性[39]和机械性,在未来柔性电子器件领域也展现出良好的应用前景㊂目前,已报道的钙钛矿单晶薄膜制备方法中,主要包括溶液空间限域法[36-37,40]㊁化学气相沉积法[41-44]㊁自上而下加工法[13,45-48]等,其中溶液空间限域法的发展和应用最为广泛㊂由于单晶各向异性生长,为了有效控制单晶薄膜厚度,抑制薄膜沿垂直纵向方向生长,并且提高水平横向方向的生长速率㊁增大薄膜的表面积,常引入空间结构限制策略,实现可控制备钙钛矿单晶薄膜㊂本文聚焦利用溶液空间限域法制备高质量钙钛矿单晶薄膜的相关技术方法,以及钙钛矿单晶薄膜在光电探测器㊁太阳能电池㊁场效应晶体管和电致发光器件等相关器件应用中的研究进展㊂同时,对未来钙钛矿单晶薄膜材料的发展及其应用所面临的难题提出可行的解决方案㊂1㊀钙钛矿单晶薄膜生长策略目前,溶液法生长钙钛矿单晶块体技术较为成熟,包括冷却结晶法[4,49-52]㊁逆温结晶法[46,53-57]㊁反溶剂扩散法[58-62]等方法,但单晶块体的厚度较厚,展现出较高的光吸收损耗和较长的激子扩散距离,不适于垂直结构型光电器件的应用㊂为了进一步扩展钙钛矿单晶材料在光电器件领域的应用,急需开发厚度和形貌可控㊁重复性高的钙钛矿单晶薄膜制备方法㊂2016年,陕西师范大学刘生忠教授团队报道采用空间限域结合动态流反应系统的生长方法,通过控制两个玻璃片之间的间隙大小,确保钙钛矿单晶薄膜在预设的限域空间结构内生长,达到单晶薄膜厚度可控的目的,如图1(a)所示[37]㊂利用蠕动泵驱动空隙中溶液流动,为单晶薄膜生长提供源源不断的前驱体溶液,最终实现一系列厚度约为150μm的MAPbI3单晶薄片㊂然而,微米厚度的钙钛矿单晶薄膜依然无法满足垂直结构型器件的需求,通过施加外部压力的方式来控制几何限域空间的间隙距离,达到进一步减薄钙钛矿单晶薄膜的作用㊂2016年,中国科学院化学研究所胡劲松研究员团队设计如图1(b)所示装置,实现可控制备厚度均匀的钙钛矿单晶薄膜生长方法[36]㊂实验具体流程是将两个平面衬底夹在一起,通过控制夹具的压力来限制几何限域空间间隙,再垂直浸入钙钛矿前驱体溶液中,在毛细力的作用下溶液会填充满整个限域空间,然后加热底部前驱体溶液,控制溶剂挥发速率,形成底部饱和㊁顶部过574㊀综合评述人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第53卷饱和的溶液环境,由于温度差引起的热对流,底部的溶液不断向顶部流动补充,为限域空间内生长钙钛矿单晶薄膜提供充足的前驱体溶液㊂制备的单晶薄膜具有厚度从纳米至微米可调㊁表面积达到亚毫米尺寸㊁横纵比可达~105等特点㊂同时,该方法可将钙钛矿单晶薄膜制备在各种衬底(如玻璃㊁石英㊁氧化铟锡(indiumtin oxide,ITO)㊁氟掺杂氧化锡(F-doped tin oxide,FTO))上,其厚度只取决于两个衬底之间的间隙距离,不同厚度的薄膜呈现出多彩均匀的颜色㊂图1㊀溶液空间限域法中厚度可控策略制备钙钛矿单晶薄膜㊂(a)溶液空间限域结合动态流反应系统生长法[37];(b)溶液空间限域法生长厚度可调的钙钛矿单晶薄膜[36]Fig.1㊀Strategies for the growth of thickness-controlled perovskite single-crystalline thin-films.(a)Schematic diagram of the geometry-confined dynamic-flow reaction system[37];(b)schematic diagram of the solution-processed space-confined growthmethod for perovskite single-crystalline thin-films[36]为了扩大钙钛矿单晶薄膜的横向尺寸,从晶体成核动力学角度出发,降低溶液空间限域法中衬底的表面能,将有助于提高溶剂中离子的扩散速度和扩散距离,诱导晶体沿横向方向加速生长㊂2017年,美国北卡罗来纳大学教堂山分校黄劲松教授团队提出对衬底表面进行疏水处理,在ITO衬底表面旋涂疏水的聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](Poly[bis(4-phenyl)(2,4,6-trimethylphenyl)amine,PTAA)空穴传输层材料,再用两片PTAA修饰后的ITO衬底构建限域空间,在空间内滴加MAPbBr3前驱体溶液后,将衬底结构置于㊀第4期张庆文等:溶液空间限域法制备有机-无机杂化卤化铅钙钛矿单晶薄膜及其器件应用研究进展575㊀110ħ热台上[1]㊂对比PTAA处理和未处理的衬底所构建限域空间内前驱体溶液的扩散差异,从图2(a)不难发现,由于疏水材料处理的衬底表面具有较低的表面能,将加速前驱体溶液中离子的扩散速率,解决生长过程中离子长程输运差的问题,有助于减少多晶成核结晶概率,同时增大单晶薄膜的横向生长尺寸㊂基于该衬底修饰方法,实现MAPbBr3单晶薄膜厚度可控制在10~20μm,横向截面尺寸可达数十mm2,该工作证明了对衬底表面进行合理改性对于控制钙钛矿单晶薄膜横向生长至关重要㊂2020年,北京大学马仁敏教授团队采取对衬底表面进行特异性处理的策略[63]㊂具体方式是对玻璃衬底进行不同的亲疏水处理,由于具有特异性的亲疏水能力,衬底展现出大小不同的溶液接触角㊂在观测亲疏水能力与单晶成核密度之间的关系后,发现从亲水到疏水的转变过程中,衬底表面的成核密度显著降低㊂分析其原因是亲水表面的成核自由能垒相对低于疏水条件下的表面成核自由能垒,从而拥有较快速的成核速率;并且亲水表面更易于吸附和捕获前驱体溶液中的离子,而降低了离子的扩散速率,导致单晶结晶速率较为缓慢㊂因此,疏水处理的衬底可有效降低单晶成核密度,并且加快单晶生长速率,更易于制备大尺寸的钙钛矿单晶薄膜㊂制得的MAPbBr3单晶薄膜边长尺寸达到1cm,厚度控制在10μm,同时展现出较好的结晶质量,薄膜陷阱态密度仅为1011cm-3,载流子迁移率超过60cm2/(V㊃s)㊂除了衬底修饰策略,衬底自身独特的表面特征也有助于钙钛矿单晶薄膜的生长㊂2020年,天津理工大学吴以成教授团队以云母作为溶液空间限域法的生长衬底[64],如图2(b)所示,将含有适量油酸(oleic acid,OA)的钙钛矿前驱体溶液滴加到两片云母组成的间隙中,旋转云母衬底去除多余的前驱体溶液,然后放置于热板上加热,最终获得超薄的MAPbBr3单晶薄膜㊂该方法是基于云母表面的钾原子与钙钛矿中卤素原子之间会产生较强的相互作用,导致界面能降低并促进钙钛矿单晶薄膜在云母表面横向生长,同时油酸作为表面改性剂附着在钙钛矿表面,抑制钙钛矿单晶薄膜沿纵向方向的生长,最终成功制备出厚度仅为8nm㊁横向尺寸可达数百微米的MAPbBr3单晶薄膜㊂图2㊀溶液空间限域法中衬底修饰策略制备钙钛矿单晶薄膜㊂(a)PTAA处理和未处理的ITO衬底结构中前驱体溶液扩散速度对比图[1];(b)云母衬底上生长钙钛矿单晶薄膜流程示意图[64]Fig.2㊀Substrate modification for the growth of perovskite single-crystalline thin-films.(a)Comparison of the diffusion rate of precursor solution within the PTAA treated and untreated ITO substrates[1];(b)growth of perovskite single-crystalline thin-films on mica substrates[64]钙钛矿单晶薄膜的生长开始于成核阶段,考虑到处于复杂溶液环境中,晶体将发生各向异性生长,容易形成多个晶核,并诱使出现晶畴㊁晶界等结构,严重影响钙钛矿单晶成膜的结晶质量[65]㊂为解决这一问题,科研人员提出了一种晶种法技术策略,首先生长钙钛矿单晶种子,再将种子转移到目标衬底,最后在合适的溶液环境中再结晶生长形成高质量的钙钛矿单晶薄膜㊂2018年,中国科学院化学研究所宋延林研究员团队提出了一种溶液空间限域结合晶种印刷法的生长策略,通过晶种再生长的方式,实现了厚度可控㊁重复性好㊁576㊀综合评述人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第53卷结晶质量高的钙钛矿单晶薄膜[66]㊂如图3(a)所示,首先使用喷墨打印技术将钙钛矿前驱体溶液选择性滴加在目标衬底上,随着前驱体溶液的挥发,形成规则排布的钙钛矿单晶种子㊂获得的钙钛矿单晶种子将有效抑制无序成核结晶现象㊂然后,将载有钙钛矿单晶种子的衬底转移并浸入到钙钛矿前驱体饱和溶液中,置于热台上加热结晶后,通过控制钙钛矿单晶种子的数量和尺寸,最终制备出批量的毫米级钙钛矿单晶薄膜㊂2021年,韩国首尔大学Lee教授团队进一步拓展了晶种生长法,结合种子转移技术,如图3(b)所示[67]㊂首先在两片玻璃片中注入前驱体溶液,玻璃片之间由厚度为25μm的聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)薄膜隔开,在110ħ的加热温度下,过饱和的钙钛矿前驱体溶液成核结晶,形成厚度为23μm㊁尺寸为100~200μm 的MAPbBr3单晶种子㊂然后,挑选出单个种子转移至一个密封式液体池腔体中,随着浓度为1mol/L的MAPbBr3前驱体溶剂以5μL/min速率源源不断地流入液体池腔体内,基于逆温结晶法,MAPbBr3单晶薄膜将匀速生长,最终制得了高质量㊁大尺寸的MAPbBr3单晶薄膜,其厚度为40μm,表面积可达16.23mm2,表面粗糙度为0.51nm,缺陷态密度仅有7.61ˑ108cm-3㊂图3㊀溶液空间限域法中晶种法策略制备钙钛矿单晶薄膜㊂(a)溶液空间限域结合晶种印刷法制备钙钛矿单晶薄膜技术流程示意图[66];(b)晶种生长法结合晶种转移技术制备钙钛矿单晶薄膜技术流程示意图[67]Fig.3㊀Seed-induced methods for the growth of perovskite single-crystalline thin-films.(a)Technical flow diagram of preparation of perovskite single crystal film by solution-processed space-confined combined with seed printing[66];(b)process flow diagram of preparation of perovskite single crystal thin film by seed growth and seed transfer technology[67]图案化生长钙钛矿单晶薄膜对于推动钙钛矿单晶材料面向集成化光电器件应用至关重要㊂其主要思路是通过引入周期性的模板,构建结构化限域空间用于生长图案化钙钛矿单晶[68-74]㊂2021年,合肥工业大学罗林保教授团队利用高密度数字视频光盘(digital video disc,DVD)上的沟道作为结构化限域空间用于溶液空间限域法,如图4(a)所示[71]㊂首先,将聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)溶液旋涂在准备好的DVD磁盘上,固化后形成与磁盘沟道结构和形貌一致的PDMS模板㊂然后,在亲水性衬底上滴加钙钛矿前驱体溶液,溶液在亲水衬底上形成一层均匀的液膜,再将表面具有周期性沟道结构的PDMS模板覆盖其上,前驱体溶液便被重新分配并限制在PDMS模板与亲水性衬底形成的纳米沟道之间㊂放置于热台上加热之后,晶体沿着纳米沟道不断生长,最终形成规则且均匀的钙钛矿单晶阵列,得到的钙钛矿单晶阵列的结构完全与磁盘沟道形貌相一致,并可实现在不同衬底上生长大规模钙钛矿单晶阵列结构㊂2022年,苏州大学揭建胜教授团队开发了类似的三维限制结晶方法,在三维结构化的微通道模板上方利用一个三角形PDMS 基板协助溶液剪切过程,用于生长钙钛矿单晶阵列,PDMS模板紧密地附着在微通道表面,避免了溶液剪切㊀第4期张庆文等:溶液空间限域法制备有机-无机杂化卤化铅钙钛矿单晶薄膜及其器件应用研究进展577㊀过程中对微通道的破坏,同时利用PDMS模板表面的疏水性,可以有效防止溶液黏附在三角形PDMS基板上,如图4(b)所示[72]㊂在底部进行加热的情况下,缓慢移动三角形玻璃基板,钙钛矿前驱体溶液逐渐挥发结晶,最终形成与模板结构相同的MAPbI3单晶阵列㊂为了进一步提高钙钛矿单晶阵列横向尺寸,韩国汉阳大学Sung教授团队引入滚筒印刷技术,如图4(c)所示[73]㊂首先,钙钛矿前驱体溶液加在180ħ加热的基板衬底上,通过旋转图案化的PDMS模具包裹的圆柱形金属滚轮,PDMS模具上具有宽度为10mm㊁深度为200nm的周期性阵列,前驱体溶液被限制在模具和基板衬底之间,随着前驱体溶液的迅速蒸发而结晶,最终制得的钙钛矿单晶薄膜阵列与滚筒图案完全一致㊂成功实现了总宽度为10mm,周期尺寸为400nm,厚度为200nm的MAPbI3单晶薄膜阵列㊂利用该方法不仅可以在横向方向上约束钙钛矿单晶的生长,并且实现滚筒印刷制备大尺度钙钛矿单晶薄膜阵列的目的㊂通过上述总结,围绕溶液空间限域法制备大尺寸㊁高质量钙钛矿单晶薄膜,详细阐述了从厚度可控㊁衬底修饰㊁晶种生长㊁图案化生长等几个主要方面的生长和制备方法,相关性能参数如表1所示,对于未来实现可控制备钙钛矿单晶薄膜材料,进一步扩展其在光电器件领域的应用至关重要㊂图4㊀溶液空间限域法中图案化生长策略制备钙钛矿单晶薄膜㊂(a)磁盘沟道模板生长钙钛矿单晶阵列的技术流程图[71];(b)三维限制结晶方法生长钙钛矿单晶阵列装置示意图[72];(c)滚筒印刷技术制备大尺度钙钛矿单晶阵列的装置流程图[73] Fig.4㊀Periodic structures for the growth of perovskite single-crystalline thin-films.(a)Digital channel template for the growth of perovskite single-crystalline arrays[71];(b)schematic diagram of apparatus for growing perovskite single crystal array by a three-dimensional restricted crystallization method[72];(c)flow chart of device for preparing large-scale perovskite singlecrystal array by roller printing technology[73]578㊀综合评述人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第53卷表1㊀溶液空间限域法及其改进策略制备钙钛矿单晶薄膜的相关性能参数Table1㊀Performance parameters of the perovskite single-crystalline thin-films prepared by solution-processedspace-confined method and its improvement strategySolution-processed space-confined method and its improvement strategy Perovskitematerial type Thickness/μmDensity of defectstates/cm-3Carrier mobility/(cm2㊃V-1㊃s-1)Surface dimension ReferenceDynamic-flow reaction system MAPbI3~1506ˑ10839.6 5.84mmˑ5.62mm[37] Thickness controlledgrowth method MAPbBr30.01~1 4.8ˑ101015.7Hundreds of microns[36]Substrate treatment MAPbI310~40Electron:36.8ʃ3.7Hole:12.1ʃ1.5Tens of square millimeters[1] Substrate specific processing MAPbBr3~10 1.6ˑ1011>601cm[63] Mica substrate MAPbX30.008~0.01436.5Hundreds of microns[64] Seed printing method MAPbX3,CsPbBr30.1~10 2.6ˑ101014000μm2[66] Seed transfer technology MAPbBr3407.61ˑ10816.23mm2[67] Digital channeltemplate method MAPbI3~0.065cycle:760nm[71] Three-dimensional confinedcrystallization method MAPbI30.5~58.5ˑ1010cycle:8μm[72] Rolling mould printingtechnology MAPbI30.2or0.545.64cycle:400nm[73] 2㊀钙钛矿单晶薄膜器件应用钙钛矿单晶薄膜因其高的光吸收系数㊁高的载流子迁移率㊁长的载流子扩散长度㊁带隙可调谐等优异的光电性能,被广泛应用于光电探测器㊁太阳能电池㊁场效应晶体管㊁发光二极管等器件中㊂光电探测器是基于传统光电效应将光信号转变为电信号的器件装置,其在光通信㊁激光雷达㊁医疗诊断㊁安防监控等多个领域应用广泛㊂传统光电探测器多以无机半导体材料为主,例如Si㊁GaAs㊁GaN等材料[11]㊂近年来,随着有机-无机杂化卤化物钙钛矿半导体材料的出现,其展现出的巨大的应用潜力,有望促进光电探测器在成本和性能上取得进一步的提升和跨越㊂大量研究表明,由于较低的光吸收损耗和理想的激子扩散距离,钙钛矿单晶薄膜光电探测器[68-69,75-77]相比于单晶块体探测器,在光电探测方面已展露出明显的性能优势㊂2015年,阿卜杜拉国王科学大学Bakr教授团队首次报道利用直接生长在ITO玻璃衬底上的MAPbCl3单晶薄膜,制备一种具有金属-半导体-金属器件结构的光电导型探测器[54],并展现出出色的光电探测性能,具有较高的探测率与开关比,响应时间在ms数量级,这与当时商用的III-V族半导体光电晶体管的性能几乎相当㊂2017年,黄劲松团队利用MAPbBr3单晶薄膜制作了垂直器件结构为p-i-n型的Cu/BCP/C60/MAPbBr3/PTAA/ITO钙钛矿单晶探测器[78],如图5(a)所示,该光电探测器的探测率(D∗)高达1.5ˑ1013Jones㊂由于单晶薄膜较低的缺陷态密度,探测器对于弱光探测极为敏感,探测最低可达pW/cm2量级,同时线性动态范围高达256dB,是当时报道最高的结果㊂2018年,马仁敏教授团队系统性研究了光电探测器性能与单晶薄膜厚度之间的依赖关系[14]㊂发现随着钙钛矿单晶薄膜的厚度从10μm降低到几百nm,光电探测器的探测能力提升了2个数量级,增益提升了4个数量级㊂通过优化钙钛矿单晶薄膜的厚度以及结晶度,器件的增益可达5ˑ107,增益带宽积为70GHz㊂钙钛矿材料具有可低温㊁液相制备的特点,并可与多种柔性衬底相兼容,制备可弯折的柔性光电子器件㊂同时,钙钛矿单晶薄膜展现出较好的柔性和机械性,可用于制备柔性钙钛矿单晶薄膜光电探测器㊂为此, 2020年,马仁敏教授团队引入超薄钙钛矿单晶薄膜作为有源层,制备了高性能的柔性光电探测器[39],如图5 (b)所示,该光电探测器的单晶薄膜厚度仅为20nm,器件响应度高达5600A/W,在经过1000次循环弯折后,探测器的光电流和开关比没有出现明显的下降,展现出较好的弯折稳定性㊂高质量的钙钛矿单晶纳米线阵列有利于限制载流子在几何通道内输运,提高载流子的迁移率和扩散距离㊂2021年罗林保教授团队制备的基于MAPbI3单晶纳米线阵列的光电探测器[71],在520nm入射光照射下,随入射光功率的升高,该光电探㊀第4期张庆文等:溶液空间限域法制备有机-无机杂化卤化铅钙钛矿单晶薄膜及其器件应用研究进展579㊀测器的光电流呈线性递增,最低暗电流为0.3nA,最高光电流达350nA,总开关比高达1.2ˑ103㊂同时,该探测器的响应度为20.56A/W,探测率达到4.73ˑ1012Jones㊂由于钙钛矿单晶纳米线阵列展现出良好的偏振敏感性,该类型器件也适用于探测线偏光的偏振度㊂为了解决钙钛矿材料中铅毒性[79]和不稳定性的问题,2020年,中山大学匡代彬教授团队在ITO玻璃上原位生长不含铅元素的全无机Cs3Bi2I9单晶薄膜并制备了相应的光电探测器[80]㊂制得的Cs3Bi2I9钙钛矿单晶薄膜的陷阱态密度比多晶材料低3个数量级,载流子迁移率也高出3.8ˑ104倍㊂这些优异的性质有利于实现高性能的光电探测器,基于此材料制备的垂直结构型光电探测器的开关比高达11000㊂而且,在未封装的情况下,处在潮湿环境中1000h之后,该钙钛矿单晶薄膜光探测器的光电流仍维持初始值的91%,体现了该材料出色的环境稳定性㊂由于钙钛矿多晶薄膜内存在大量的晶界㊁空穴和缺陷态等,太阳能电池存在显著的非辐射复合能量损失,限制了钙钛矿太阳能电池PCE的进一步提升㊂而无晶界㊁低缺陷态密度的钙钛矿单晶薄膜成为解决材料内在问题及器件PCE的理想材料体系㊂2017年,中国科学院深圳先进技术研究院李江宇教授团队在FTO/TiO2衬底上直接生长MAPbI3单晶薄膜,并制造了相应的钙钛矿单晶薄膜太阳能电池,该电池器件的PCE达到了8.78%[81]㊂同年,黄劲松教授团队利用在PTAA空穴传输层上直接生长的MAPbI3单晶薄膜,构建器件结构为ITO/PTAA/MAPbI3/PCBM/C60/BCP/Cu的太阳能电池器件,如图5(c)所示[1]㊂通过优化钙钛矿单晶薄膜厚度,其电池的光谱响应范围可以扩展到820nm,比相对应的多晶薄膜材料的光谱响应要宽20nm,器件的最佳短路电流密度J sc为20.5mA/cm2,开路电压V oc为1.06V,填充因子(fill factor,FF)为74.1%,PCE可达16.1%㊂在使用MAI离子溶液对单晶薄膜表面进行钝化处理之后,有效降低了MAPbI3单晶薄膜表面的电荷陷阱,器件最佳PCE提升到17.8%㊂2019年,Bakr教授团队利用20μm厚的MAPbI3单晶薄膜制备太阳能电池,器件结构为ITO/PTAA/MAPbI3/C60/BCP/Cu[82]㊂该钙钛矿单晶薄膜电池器件的PCE达到21.09%,填充因子FF为84.3%㊂之后,该团队通过优化前驱体溶液,采用碳酸丙烯酯(propylene carbonate,PC)和γ-丁内酯(1,4-butyrolactone,GBL)的混合溶剂,90ħ下生长MAPbI3钙钛矿单晶薄膜㊂基于此单晶材料制备的钙钛矿太阳能电池的V oc明显提高,PCE达到21.9%[84]㊂2021年,该团队在之前的器件结构基础上,将钙钛矿单晶的成分改为混合阳离子FA0.6MA0.4PbI3钙钛矿单晶,如图5(d)所示,制备的钙钛矿太阳能电池对近红外响应要比纯FAPbI3器件扩展了50meV,J sc达到26mA/cm2,PCE达到22.8%[84]㊂2023年,该团队在亲水性的([2-(3,6-dimethoxy-9H-carbazol-9-yl)ethyl]phosphonic acid,MeO-2PACz)单分子层表面生长FA0.6MA0.4PbI3钙钛矿单晶薄膜,与PTAA上生长的单晶薄膜相比,MeO-2PACz有效提高了钙钛矿单晶薄膜与衬底的机械粘附力,PCE达到创纪录的23.1%[85]㊂伴随着钙钛矿单晶薄膜生长技术的更新和迭代,钙钛矿单晶薄膜太阳能电池的器件性能有望超越钙钛矿多晶太阳能电池,在太阳能电池器件领域占据一席之地[86]㊂从钙钛矿材料结构角度出发,由金属阳离子和卤化物阴离子形成的强共价或离子键相互作用结合的钙钛矿八面体骨架结构,将为材料提供高的载流子迁移率骨架模型,据理论预测的迁移率最高可达1000cm2/(V㊃s);有机阳离子可以间接扭曲无机骨架,在分子尺度上影响材料的晶体结构和电学特性㊂因此,钙钛矿材料因其展现出较高的载流子迁移率,被认为是发展新一代半导体电子技术最理想的光电材料㊂基于钙钛矿单晶薄膜材料的场效应晶体管研究起步相对较晚,2018年,阿卜杜拉国王科技大学Amassian教授团队制备了底栅顶接触的钙钛矿单晶薄膜场效应晶体管器件,器件的沟道长度为10~150μm,如图5(e)所示[87]㊂该团队设计和制备了一系列基于MAPbCl3㊁MAPbBr3㊁MAPbI3单晶薄膜的场效应晶体管器件,测量和分析器件的转移和传输特性曲线,其空穴迁移率最高分别可达2.6㊁3.1㊁2.9cm2/(V㊃s),电子迁移率分别为2.2㊁1.8㊁1.1cm2/(V㊃s),且器件开关比分别可达2.4ˑ104㊁4.8ˑ103㊁6.7ˑ103㊂该系列场效应晶体管器件展现出良好的电学输运特性,为进一步推动钙钛矿单晶薄膜材料在集成电子器件领域的应用提供了良好的研究基础㊂钙钛矿发光二极管(perovskitelight emitting diodes,PeLED)近年来也发展迅速,自2014年英国剑桥大学的Friend教授课题组首次报道室温下PeLED器件以来,PeLED以其优异的光电性能㊁较低的器件成本,以及。

p–GaN

表面技术第52卷第6期p–GaN/ZnO纳米线/ZnO薄膜三明治异质结紫外光电探测器光电性能李刚1,2，付政伟1,3，宋艳东1,3，马宗义3，刘子童3，冯礼志3，冯思雨3（1.辽宁工程技术大学材料科学与工程学院，辽宁阜新 123000；2.营口理工学院材料科学与工程学院，辽宁营口 115000；3.中国科学院金属研究所，沈阳 110000）摘要：目的通过设计一种新型p–GaN/ZnO（薄膜+纳米线）三明治异质结结构，提高ZnO对紫外光的响应。

方法利用化学气相沉积（CVD）方法，在蓝宝石/GaN衬底上生长出纳米线+薄膜交错排列的ZnO，得到具有三明治结构的p–GaN/ZnO材料。

通过旋涂Ag纳米线（NWS）、滴银胶为电极，制备三明治结构的异质结紫外（UV）光电探测器。

利用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）表征物相及形貌；利用光致发光（PL）和拉曼（Raman）光谱分析晶体结晶情况；利用半导体分析测试仪对该三明治异质结UV光电探测器进行光电性能测试，得到其光电性能变化规律。

结果该三明治结构光电探测器顶部为ZnO薄膜，中间为ZnO NWS与纳米片交错排列分布，底部为GaN。

这种二维（2D）/一维（1D）/2D结构使入射光在结构内多次反射和散射，提高了光程长度，进而提高了光吸收。

另外，由于p–GaN和n–ZnO形成PN结，在内建电场作用下，可以有效提高光生电子–空穴分离效率。

光电性能测试结果表明，在偏压2 V、光功率密度520 μW/cm2（365 nm）条件下，响应度（R）为35.8 A/W，上升时间（t r）为41.83 ms，下降时间（t d）为43.21 ms，外量子效率（E q）为122%，比探测率（D*）为1.31×1012 cm·Hz1/2·W−1。

结论通过一步CVD 法制备新型p–GaN/ZnO纳米线/ZnO薄膜三明治结构UV光电探测器，可以有效提高ZnO对紫外光的响应，为探索新式结构光电探测器提供可能。

连续体束缚态介电质超表面的高效设计和计算传感方法研究

连续体束缚态介电质超表面的高效设计和计算传感方法研究摘要：一、引言1.连续体束缚态介电质超表面的背景和重要性2.研究目的：高效设计和计算传感方法二、全介质超表面简介1.全介质超表面的组成和特性2.环形偶极束缚态的概念和应用三、高效设计方法1.设计原理和步骤2.入射角对环形偶极束缚态的影响3.蓝移现象及其作用四、计算传感方法1.传感原理和模型2.全介质超表面在折射率和温度传感中的应用3.性能评估和优化五、结论1.研究的主要发现和成果2.对未来研究的展望和建议正文：连续体束缚态介电质超表面的高效设计和计算传感方法研究随着科技的快速发展，连续体束缚态介电质超表面因其独特的物理特性和广泛的应用前景而备受关注。

本文旨在研究连续体束缚态介电质超表面的高效设计和计算传感方法，以实现高性能的折射率和温度传感。

全介质超表面是由周期性排列的介电柱组成的二维结构，具有独特的电磁响应特性。

环形偶极束缚态作为一种特殊的表面波模式，在全介质超表面中具有广泛的应用前景。

本文首先介绍了全介质超表面的组成和特性，以及环形偶极束缚态的概念和应用。

在设计全介质超表面时，我们采用了高效的设计方法。

设计原理基于入射角对环形偶极束缚态的影响，通过调整入射角可以实现对束缚态的优化。

同时，本文分析了蓝移现象及其作用，发现蓝移可以提高传感性能。

在计算传感方法方面，我们提出了基于全介质超表面的折射率和温度传感模型。

利用该模型，我们可以有效地计算出全介质超表面在折射率和温度传感中的应用效果。

通过性能评估和优化，我们发现全介质超表面具有较高的传感性能。

综上所述，本文研究了连续体束缚态介电质超表面的高效设计和计算传感方法。

研究发现，通过合理设计入射角和利用蓝移现象，可以实现高性能的折射率和温度传感。

本文的研究成果为全介质超表面的实际应用提供了理论依据和技术指导。

未来，我们将继续深入研究全介质超表面的传感性能和应用潜力，以期为实际工程应用提供更加完善的设计方法和计算策略。

双线极化宽带1-bit_可编程智能超表面设计

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３－３１１４．２０２４．０２．０１９引用格式：朱利豪，郑哲，韩家奇，等．双线极化宽带１ｂｉｔ可编程智能超表面设计［Ｊ］．无线电通信技术，２０２４，５０（２）：３７３－３８０．［ＺＨＵＬｉｈａｏ，ＺＨＥＮＧＺｈｅ，ＨＡＮＪｉａｑｉ，ｅｔａｌ．ＤｅｓｉｇｎｏｆＤｕａｌＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＢｒｏａｄｂａｎｄ１ｂｉｔＲｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＳｕｒｆａｃｅ［Ｊ］．ＲａｄｉｏＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２４，５０（２）：３７３－３８０．］双线极化宽带１ｂｉｔ可编程智能超表面设计朱利豪，郑　哲，韩家奇，李　龙（西安电子科技大学电子工程学院，陕西西安７１００７１）摘　要：智能超表面（ＲｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＳｕｒｆａｃｅ，ＲＩＳ）因其对电磁波的灵活调控特点，广泛应用于新型无线通信网络系统中，满足了６Ｇ移动通信对低成本、低剖面、易布局、低能耗、多功能器件的要求。

然而，现有超表面器件往往局限于单极化的调控，且工作带宽较窄，极大限制了其在新一代无线通信系统中的应用。

提出了一种新型的双线极化宽带１ｂｉｔ可编程ＲＩＳ，通过接收贴片、可重构缝隙和辐射贴片的形式，在完成双线极化电磁波极化转换的同时，实现３．５ＧＨｚ附近的１ｂｉｔ相位调控，设计的超表面单元－３ｄＢ带宽为２．９８～４．６ＧＨｚ，相对带宽达到４２．７％，所设计单元也可以实现圆极化的波束调控；通过平面波角谱理论，对该单元所建超表面进行分析综合；建立的１６×１６阵列可以实现多功能电磁波调控，包括波束扫描、聚焦以及涡旋波束生成等，可以在二维平面±６０°内实现高增益波束扫描，－３ｄＢ相对带宽达到３６．７％。

关键词：智能超表面；双线极化调控；宽带超表面中图分类号：ＴＮ９１９．２３文献标志码：Ａ开放科学（资源服务）标识码（ＯＳＩＤ）：文章编号：１００３－３１１４（２０２４）０２－０３７３－０８ＤｅｓｉｇｎｏｆＤｕａｌＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＢｒｏａｄｂａｎｄ１ｂｉｔＲｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＳｕｒｆａｃｅＺＨＵＬｉｈａｏ，ＺＨＥＮＧＺｈｅ，ＨＡＮＪｉａｑｉ，ＬＩＬｏｎｇ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＸｉｄｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｎ７１００７１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＲｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＳｕｒｆａｃｅ（ＲＩＳ）ａｒｅｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｎｅｗｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋｓｙｓｔｅｍｓｄｕｅｔｏｔｈｅｉｒｆｌｅｘｉｂｌｅｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｗａｖｅｓ．Ｔｈｅｙｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙｍｅｅｔｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆ６Ｇｍｏｂｉｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｆｏｒｌｏｗｃｏｓｔ，ｌｏｗｐｒｏｆｉｌｅ，ｅａｓｙｌａｙｏｕｔ，ｌｏｗｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ａｎｄｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｄｅｖｉｃｅｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｅｘｉｓｔｉｎｇｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｄｅｖｉｃｅｓａｒｅｏｆｔｅｎｌｉｍｉｔｅｄｔｏｓｉｎｇｌｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｈａｖｅａｎａｒｒｏｗｏｐｅｒａｔｉｎｇｂａｎｄｗｉｄｔｈ，ｇｒｅａｔｌｙｌｉｍｉｔｉｎｇｔｈｅｉｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｎｅｘｔｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｏｐｏｓｅｓａｄｕａｌｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｂｒｏａｄｂａｎｄ１ｂｉｔＲＩＳ，ｗｈｉｃｈａｃｈｉｅｖｅｓ１ｂｉｔｐｈａｓｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｄｕａｌｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｗａｖｅｓｎｅａｒ３．５ＧＨｚｔｈｒｏｕｇｈｒｅｃｅｉｖｉｎｇｐａｔｃｈ，ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅｇａｐ，ａｎｄｒａｄｉａｔｉｏｎｐａｔｃｈ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｅｌｅｍｅｎｔｈａｓａ－３ｄＢｂａｎｄｗｉｄｔｈｏｆ２．９８～４．６ＧＨｚ，ｗｉｔｈａｒｅｌａｔｉｖｅｂａｎｄｗｉｄｔｈｏｆ４２．７％．Ｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇａｎｄｓｙｎｔｈｅｓｉｚｉｎｇｔｈｅｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｂｙｔｈｅｅｌｅｍｅｎｔｕｓｉｎｇｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｐｌａｎｅｗａｖｅａｎｇｌｅｓｐｅｃｔｒｕｍ，ａ１６×１６ａｒｒａｙｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈｃａｎａｃｈｉｅｖｅｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｗａｖｅｃｏｎｔｒｏｌ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｂｅａｍｓｃａｎｎｉｎｇ，ｆｏｃｕｓｉｎｇ，ａｎｄｖｏｒｔｅｘｂｅａｍｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ．Ｉｔｃａｎａｃｈｉｅｖｅｈｉｇｈｇａｉｎｂｅａｍｓｃａｎｎｉｎｇｗｉｔｈｉｎ±６０°ｏｆｔｈｅｔｗｏｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｐｌａｎｅ，ｗｉｔｈａ－３ｄＢｒｅｌａｔｉｖｅｂａｎｄｗｉｄｔｈｏｆｕｐｔｏ３６．７％．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＲＩＳ；ｄｕａｌｌｉｎｅａｒｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ；ｂｒｏａｄｂａｎｄｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅ收稿日期：２０２３－１２－０７基金项目：国家自然科学基金（６２２８８１０１）；国家重点研发计划（２０２１ＹＦＡ１４０１００１）；陕西省重点研发计划（２０２１ＴＤ０７）ＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＩｔｅｍ：ＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（６２２８８１０１）；ＮａｔｉｏｎａｌＫｅｙＲ＆ＤＰｒｏｇｒａｍｏｆＣｈｉｎａ（２０２１ＹＦＡ１４０１００１）；ＫｅｙＲ＆ＤＰｒｏｇｒａｍｏｆＳｈａａｎｘｉＰｒｏｖｉｎｃｅ（２０２１ＴＤ０７）０　引言近几十年，超材料的提出促进了微波［１］、太赫兹［２］和光学方向［３］的迅速发展，并进一步在热学［４］、声学［５］等领域也掀起热潮。

液态镓合金与铜电极间接触电阻特性与可靠性提升

表面技术第52卷第10期表面功能化液态镓合金与铜电极间接触电阻特性与可靠性提升纪越1a,1b，张彦鹏1a,1b，李醒飞2，张志佳1c（1.天津工业大学 a.控制科学与工程学院，b.天津市电气装备智能控制重点实验室，c.材料科学与工程学院，天津 300387；2.天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072）摘要：目的针对使用液态金属的电气设备中源极输出电阻波动的抑制问题，分析接触电阻随接触面间接触应力的变化规律，探索电极材料镀膜方法减小膜层电阻变化进而提高接触可靠性。

方法理论推导建立了镓合金与铜电极的固液接触电阻理论模型，并据此使用COMSOL Multipyhsics软件仿真了随着接触应力的变化接触电阻的变化情况。

使用化学气相沉积法在铜基底上生长碳纳米薄膜来减小膜层电阻对铜电极的影响，并对生长了石墨烯薄膜的电极与镓合金的接触电阻进行了稳定性实验。

结果仿真结果表明接触电阻随着接触应力的增加而减小，接触应力较小时的接触电阻变化较大，随着接触应力的不断增加，接触电阻变化也逐渐缓慢，并进行了实验验证；通过调整化学气相沉积法中碳源的通入量来生长更符合电极使用条件的石墨烯薄膜，在6 mL/min乙炔流量下生长的石墨烯薄膜接触电阻由未生长石墨烯薄膜的246 μΩ减小到165 μΩ，减小了镓合金与铜电极间的固液接触电阻，并且自身电阻值增加较小。

长期稳定性实验也表明石墨烯薄膜可以有效防护铜电极，并通过相关的接触角实验进一步分析了生长碳纳米薄膜后电极表面润湿性变化。

结论铜电极表面生长石墨烯薄膜可以有效防护电极，提高铜基底电极与液态镓合金形成固液接触电阻的稳定性，同时控制接触面的接触应力，可以量化控制接触电阻的数量级。

关键词：气相沉积法；接触电阻；液态金属；接触应力；膜层；石墨烯中图分类号：TG174.442 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)10-0267-11DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.10.022Characteristics and Reliability Improvement of Contact Resistancebetween Liquid Gallium Alloy and Copper ElectrodeJI Yue1a,1b, ZHANG Yan-peng1a,1b, LI Xing-fei2, ZHANG Zhi-jia1c(1. a. School of Control Science and Engineering, b. Tianjin Key Laboratory of Intelligent Control ofElectrical Equipment, c. School of Material Science and Engineering, Tiangong University, Tianjin 300387, China;2. State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments, Tianjin University, Tianjin 300072, China)ABSTRACT: This paper mainly analyzes the characteristics of the contact resistance between copper electrode and gallium-indium-tin alloy. In order to solve the fluctuation problem of the output resistance, the change rule of contact resistance收稿日期：2022-09-02；修订日期：2023-03-01Received：2022-09-02；Revised：2023-03-01基金项目：国家自然科学基金面上项目（62173245）；国家自然科学基金重点项目(61733012)Fund：General Program of National Natural Science Foundation of China (62173245); Key Program of National Natural Science Foundation of China (61733012)引文格式：纪越, 张彦鹏, 李醒飞, 等. 液态镓合金与铜电极间接触电阻特性与可靠性提升[J]. 表面技术, 2023, 52(10): 267-277.JI Yue, ZHANG Yan-peng, LI Xing-fei, et al. Characteristics and Reliability Improvement of Contact Resistance between Liquid Gallium Alloy and Copper Electrode[J]. Surface Technology, 2023, 52(10): 267-277.·268·表面技术 2023年10月with different contact stress was analyzed. Besides, the electrode coating method was explored to reduce the change of film resistance and improve contact reliability.Firstly, the theoretical model of solid-liquid contact resistance was established by theoretical derivation. According to the model, the change of contact resistance with the state of contact stress was simulated by COMSOL Multiphysics software.Secondly, in order to avoid the reaction between the copper electrode and gallium-indium-tin alloy, the copper electrode was covered by high-performance graphene films. The amount of acetylene gas as a carbon source in the graphene growth process played a very important role in the thickness and quality of the generated graphene. The copper sheet was used as the substrate in the experiment, and hydrogenated graphite was grown on its surface by low temperature chemical vapor deposition. The three-dimensional network graphene could be grown on copper substrates by pyrolysis at high temperature and rapid cooling.Different thicknesses of graphene film material growing on copper substrates were made to reduce the effect of the film on solid-liquid contact resistance. Thirdly, a contact angle measurement apparatus was used to measure the contact angle of gallium-indium-tin alloys on the copper electrode with different grown films. A self-assembled device consisted of acrylic glass, micro-ohmeter, computer and other equipment was designed to measure the contact resistance. The contact angle and the solid-liquid contact resistance with different substrate films were measured and analyzed.In terms of the contact resistance research based on contact pressure, the simulation results showed that the contact resistance decreased with the increase of contact stress. The decrease amplitude of the contact resistance was great when contact stress was small. In terms of the contact resistance research based on films, growth of high-quality graphene films could be regulated by the volume flow rate of acetylene gas during graphene growth. Four acetylene gases with the volume flow rates of17 mL/min, 12 mL/min, 9 mL/min, 6 mL/min were selected as carbon sources. When 6 mL/min of acetylene gas wasintroduced, the graphene film was thinner and more uniform and the contact resistance was reduced from the 246 μΩ to 165 μΩ.In order to analyze the effect of the film, a wettability experiment using the contact angle meter was performed. The contact angles between the liquid gallium alloy and the electrodes with grown film at the four volume flow rates were respectively (124±1)°, (116±1)°, (115±1)°, (113±1)°. The experiment results showed that all the grown graphene could effectively improve the wettability, reduce the contact angle and then increase the actual contact area between the liquid metal and copper electrode.The study indicates that the growth of graphene films on the surface of copper electrodes can effectively reduce the reaction between copper and gallium and improve the stability of the solid-liquid contact resistance. What is more, the control of the contact stress on the contact surface can quantitatively change the contact resistance by orders of magnitude.KEY WORDS: vapor deposition method; contact resistance; liquid metal; contact stress; film; graphene液态金属镓合金具有无毒、稳定性好、高导电性（3.46×106 S/m）、高导热性（16.5 W/(m/K)）、和常温下液态等特点[1]，是目前应用最广泛的液态金属材料，常常作为一种液态电极材料使用[2]，在能源、传感器等领域中具有相当广泛的应用前景[3]。

基于金属溅射薄膜技术的烧蚀传感器[发明专利]

专利名称：基于金属溅射薄膜技术的烧蚀传感器专利类型：发明专利
发明人：李炜,孔凡玲
申请号：CN201510990668.X
申请日：20151225
公开号：CN105444661A
公开日：
20160330
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种基于金属溅射薄膜技术的烧蚀传感器，包括一个内置有烧蚀传感器敏感组件的外壳，其中烧蚀传感器敏感组件由金属丝栅、基底材料、引线组成，金属丝栅通过金属溅射薄膜工艺镀在基底材料上，引线的一端与金属丝栅连接，另一端自外壳向外引出的信号传接至信号调理模块，在外壳与烧蚀传感器敏感组件之间塞置有填充物。

本发明的特点是可实现对C/C复合材料的线烧蚀量进行实时在线测量，输出信号大小与C/C复合材料线烧蚀量的变化成正比例关系，同时分辨率高、测量精度高，对被测材料本体的破坏也很小。

申请人：陕西电器研究所
地址：710025 陕西省西安市灞桥区洪庆镇田王街特字1号
国籍：CN
代理机构：西安文盛专利代理有限公司
代理人：李中群
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压电复合薄膜触觉传感器的研制及其坐姿识别应用

压电复合薄膜触觉传感器的研制及其坐姿识别应用
王超;高国伟;周昭
【期刊名称】《微纳电子技术》
【年(卷),期】2024(61)2
【摘要】对溶液流延法和静电纺丝法制备出的聚偏二氟乙烯(PVDF)/钛酸钡(BaTiO3)复合薄膜进行压电性能分析,并且对不同质量分数BaTiO3的压电复合薄膜进行性能测试,确定最佳的掺杂比例,使用丝网印刷方法制备出传感器阵列。

设计信号转换电路、复位电路、供电电路、多路选通电路,使用PyQt5编写上位机图形可视化界面。

在坐姿的识别过程中对五种不同的坐姿(左倾、右倾、正常、前倾、后倾)进行数据采集,对采集到的数据进行线性插值滤波,使用支持向量机(SVM)对数据进行分类,通过添加不同的核函数进行对比分析,实验结果表明识别准确率达到88.33%。

【总页数】9页(P111-119)
【作者】王超;高国伟;周昭
【作者单位】北京信息科技大学自动化学院;北京信息科技大学传感器北京市重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TP212
【相关文献】
1.压电复合薄膜传感器的制备与应用性研究
2.基于PVDF压电薄膜灵巧手触觉传感器的研究
3.基于PVDF压电薄膜的触觉传感器研究
4.基于压电薄膜传感器的机器人触觉识别系统
5.PET-CT预测IA期肺腺癌隐匿性淋巴结转移的临床分析
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发明与专利

发明与专利
佚名
【期刊名称】《传感器世界》
【年(卷),期】2022(28)2
【摘要】本发明公开了一种用于水体中汞离子浓度检测的比色传感器,反应组分包括:自延伸DNA模板、Bst3.0 DNA聚合酶、dNTPs底物及纳米金胶体。

本发明利用特定的错配碱基对实现汞离子的高特异性识别,以启动后续的DNA自延伸反应。

同时,利用结构极其简单的自延伸DNA模板实现快速的信号放大。

由于dNTPs底物与双链的扩增产物在稳定纳米金胶体上存在显著差异,纳米金胶体颜色的显著差异可以直观地指示样品中的汞离子浓度,方便了检测结果的观察。

该发明具有检测灵敏度高、检测特异性和抗干扰能力强以及结果可直接观测的优点,是检测水体中重金属汞污染的有效方法。

【总页数】2页(P44-45)
【正文语种】中文
【中图分类】TB3
【相关文献】
1.发明专利申请授权条件的变化之研究——专利法及其实施细则第三次修改对发明专利申请实质审查的影响
2.化学发明专利的马库什权利要求——北京万生药业公司与专利复审委员会等发明专利无效案
3.依据专利合作协议在国外取得发明专利权(国际发明专利申请书的编写,办理手续和提交)
4.中国发明专利号：
ZL02115787.1已通过英国国际联邦专利技术推广认证中国专利与市场开发促进委
员会推荐为优秀发明专利技术5.高校发明专利转化为市场应用的机制研究--基于近十年C9高校联盟的发明专利数据
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基于SWCNTs薄膜的多谐振环太赫兹超表面传感特性

基于SWCNTs薄膜的多谐振环太赫兹超表面传感特性
张向;罗帆;任铭欣;宋博晨;王玥
【期刊名称】《太赫兹科学与电子信息学报》
【年(卷),期】2024(22)4
【摘要】基于单壁碳纳米管(SWCNTs)薄膜,构建了一种具有多频窄带共振效应的
新型太赫兹(THz)超表面。

深入分析了周期性微结构单元参数对超表面的共振特性
的影响;通过仿真及理论计算对器件的共振耦合机理进行研究,二者具有较好的一致性。

通过在超表面覆盖不同折射率的介质层,分析这种THz超表面器件的折射率传感特性,灵敏度分析结果显示,该超表面器件可实现最高64 GHz/RIU的折射率传感。

【总页数】8页(P353-359)
【作者】张向;罗帆;任铭欣;宋博晨;王玥
【作者单位】西安理工大学陕西省超快光电技术与太赫兹科学重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TN607
【相关文献】
1.基于双开口谐振环超表面的宽带太赫兹涡旋光束产生
2.太赫兹多谐振环偶极子超表面中的类EIT效应
3.一种基于半圆形开口谐振环结构的太赫兹环偶极子超表面设计
4.基于太赫兹超材料吸波体的谐振及传感特性研究
5.基于金属裂环谐振器的太
赫兹连续域束缚态超表面
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金属光子晶体薄膜可见光和微波波段传输性能

金属光子晶体薄膜可见光和微波波段传输性能赵亚丽;贾琨;张晗;马江将;雷忆三;明海【期刊名称】《光电工程》【年(卷),期】2017(44)2【摘要】一维金属光子晶体薄膜是由金属-介质多层结构组成的等效均匀的各向异性超构材料.相比单层金属膜层,该结构在色散调控方面具有更多的自由度.在该结构中由于表面等离子体激元(SPP)的存在,可实现倏逝波的定向传输.在本文中,等效介质理论、时域有限元差分法(FDTD)的计算结果和实验结果都表明,传输倏逝波的波长、频宽和强度可通过金属光子晶体结构调整实现主动设计.金属膜厚比例越小,传输波长的中心和截止波长越长,频带越宽.当金属膜层厚度小于SPP穿透深度时,可获得宽频段的倏逝波的传输.同时,对金属光子晶体在微波波段的传输性能也进行了研究,发现其在微波波段等效介电常数为负,具有良好的反射性能.该结构的屏蔽效能远大于厚度相近的ITO薄膜的电磁屏蔽效能.在厚度只有几百纳米时,该结构即可实现良好的电磁屏蔽效能.通过金属光子晶体薄膜可实现电磁屏蔽材料的薄膜化、轻质化和可视化.%The one-dimensional metallic photonic crystal film is an anisotropic metamaterial with an equivalent and uniform metal-medium multilayered structure. Compared with the single-layer metal film, the one-dimensional metal photonic crystal film has a higher degree of freedom in terms of chromatic dispersion regulation and control. With theexisting of surface plasmon polariton (SPP), directional transmission of evanescent waves can be achieved. The experimental results and the calculated results of the equivalent medium theory and the finite-difference time domain(FDTD) method show that the active control on the wavelength, bandwidth and strength of the evanescent waves during transmitting can be realized by regulating the metal photonic crystal structure. The smaller is the ratio of metal film thickness, the longer are the center of the transmission wavelength and the cutoff wavelength, and the wider is the frequency band. When the thickness of the metal film layer is smaller than the penetration depth of the SPP, wide frequency-band evanescent waves can be transmitted. This paper also studied the transmission performance in the microwave band of the metal photonic crystal, finding that at the microwave band, the equivalent dielectric constant of the metal photonic crystal is negative and the metallic photonic crystal has a good reflection property. Furthermore,the shielding effectiveness of the metal photonic crystal film is far better than the electromagnetic shielding effectiveness of the ITO film with the same thickness. Even at the thickness of a few hundred of nanometers, the metallic photonic crystal film can achieve good electromagnetic shielding effectiveness. Thus, by adopting the metallic photonic crystal film, light and visual electromagnetic shielding materials with thin films can be created.【总页数】8页(P226-233)【作者】赵亚丽;贾琨;张晗;马江将;雷忆三;明海【作者单位】中国电子科技集团公司第三十三研究所,太原 030006;中国电子科技集团公司第三十三研究所,太原 030006;中国电子科技集团公司第三十三研究所,太原 030006;中国电子科技集团公司第三十三研究所,太原 030006;中国电子科技集团公司第三十三研究所,太原 030006;中国科学技术大学光学与光学工程系,合肥230026【正文语种】中文【中图分类】O484.3【相关文献】1.太赫兹波段二维金属光子晶体传输器件的研究 [J], 谭毅2.微波波段二维光子晶体带隙影响因素的分析与研究 [J], 张卫宇;徐旺;郭一飞3.色散SiO_2/TiO_2薄膜组成的Fibonacci序列一维光子晶体在可见光波段的传输特性 [J], 于志明;周静4.Ka波段平板光子晶体波导传输特性测量 [J], 戴作杏;王家礼5.微波段左手材料光子晶体带隙特性研究 [J], 刘文莉;唐婷婷;何修军因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

高灵敏度金属—压电陶瓷触觉传感器

高灵敏度金属—压电陶瓷触觉传感器
陈建强;高国伟
【期刊名称】《压电与声光》
【年(卷),期】1993(15)1
【摘要】本文设计了一种新型的金属—压电陶瓷结构的触觉传感器.由于具有月牙状浅穴的作用.可将z方向的应力转变成很大的径向应力.因此在d_k中d_(33)与d_(31)不再是相减,而是相加,因而传感器的灵敏度大大提高.这种结构的传感器制作简单,成本低廉,具有极强的耐磨性和耐冲击性,且动态范围宽,可靠性强等特点.【总页数】3页(P35-37)
【关键词】金属-陶瓷;压电陶瓷;触学传感器
【作者】陈建强;高国伟
【作者单位】西安交通大学
【正文语种】中文
【中图分类】TP212
【相关文献】
1.基于压电陶瓷的高灵敏度光纤光栅电压传感器 [J], 钟丽娜;孙洪雷
2.新型高灵敏度压电陶瓷多层膜结构加速度传感器 [J], 张望重;李国荣;郑嘹赢;殷庆瑞
3.金属电极压电陶瓷传感器的研究 [J], 胡信裕;李春云
4.基于PVDF的压电触觉传感器的研究进展 [J], 刘玉荣; 向银雪
5.基于PVDF压电薄膜的触觉传感器研究 [J], 李铁军;戴骐;杨若曦;马涛;刘今越因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

利用吸合电极实现亚微米电极间隙的可制造性设计

利用吸合电极实现亚微米电极间隙的可制造性设计
郑超越;孙珂;钟朋;王放;杨恒
【期刊名称】《传感器与微系统》
【年(卷),期】2024(43)1
【摘要】提出一种利用吸合电极结构的可制造性设计手段,实现亚微米电极间隙的方法。

利用静电力拉动可动电极位移实现超出光刻和刻蚀能力的超窄间隙,使得敏感电极间隙由1.3μm减小至300nm,通过该方法获得的亚微米电极间隙对工艺离散性不敏感,电极间隙的不一致性可以下降1个数量级。

结合本文提出的I2BAR结构的可制造性设计方法,可以实现完整的微机电系统(MEMS)振荡器可制造性设计。

【总页数】5页(P103-106)
【作者】郑超越;孙珂;钟朋;王放;杨恒
【作者单位】中国科学院上海微系统与信息技术研究所传感技术联合国家重点实验室;中国科学院大学
【正文语种】中文
【中图分类】TN303;TP212
【相关文献】
1.亚微米尺寸金属电极的制备工艺
2.亚微米K_(0.4)MoO_3电极材料的制备与电化学特性
3.熔盐法制备亚微米Co_3O_4超级电容器电极材料
4.悬浮导体电极电晕放电凝并亚微米颗粒物研究
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《氢气等离子体处理Ga2O3及Ce掺杂Ga2O3薄膜的光电特性研究》范文

《氢气等离子体处理Ga2O3及Ce掺杂Ga2O3薄膜的光电特性研究》篇一一、引言随着科技的发展，氧化镓（Ga2O3）及其掺杂材料在光电子器件、传感器和太阳能电池等领域的应用日益广泛。

其中，氢气等离子体处理技术在薄膜材料改性中起到了重要作用。

本篇论文主要探讨了氢气等离子体处理对未掺杂氧化镓（Ga2O3）及铈（Ce）掺杂氧化镓薄膜的光电特性的影响。

二、材料与方法1. 材料准备本实验采用未掺杂氧化镓（Ga2O3）及铈（Ce）掺杂氧化镓薄膜作为研究对象。

通过溶胶-凝胶法制备薄膜，并在适当的温度下进行热处理。

2. 氢气等离子体处理将制备好的薄膜样品置于氢气等离子体环境中，通过控制氢气流量、处理时间和温度等参数，对薄膜进行等离子体处理。

3. 光电特性测试采用紫外-可见分光光度计、X射线衍射仪、霍尔效应测试仪等设备，对处理前后的薄膜样品进行光电特性的测试和分析。

三、结果与讨论1. 氢气等离子体处理对Ga2O3薄膜的影响氢气等离子体处理后，Ga2O3薄膜的透光性能得到显著提高，尤其在可见光区域。

此外，薄膜的结晶性能也有所改善，晶粒尺寸增大，晶界更加清晰。

这可能是由于氢气等离子体处理过程中，氢气与薄膜表面的氧发生反应，减少了表面缺陷，提高了薄膜的结晶质量。

2. Ce掺杂对Ga2O3薄膜的影响Ce掺杂可以进一步提高Ga2O3薄膜的光电性能。

掺杂后，薄膜的禁带宽度减小，光吸收边发生红移，有利于提高薄膜对可见光的响应。

此外，Ce的引入还可能引入了新的能级，提高了薄膜的光生载流子浓度和迁移率。

3. 氢气等离子体处理对Ce掺杂Ga2O3薄膜的影响氢气等离子体处理对Ce掺杂Ga2O3薄膜的影响更为显著。

处理后，薄膜的光电性能得到进一步提升，透光性能、导电性能和光响应性能均有明显提高。

这可能是由于氢气等离子体处理过程中，氢气与Ce离子发生反应，形成了新的能级结构，进一步提高了薄膜的光电性能。

四、结论本篇论文研究了氢气等离子体处理对未掺杂Ga2O3及Ce掺杂Ga2O3薄膜的光电特性的影响。

《Bi5Ti3FeO15基薄膜的多铁性与铁电光伏效应》范文

《Bi5Ti3FeO15基薄膜的多铁性与铁电光伏效应》篇一一、引言随着材料科学的发展，多铁性材料因其同时具有多种铁性而备受关注。

其中，Bi5Ti3FeO15基薄膜因其优异的铁电、铁磁和铁弹性等特性，在微电子、传感器和记忆存储等领域具有广泛的应用前景。

本文将详细探讨Bi5Ti3FeO15基薄膜的多铁性及其铁电光伏效应，旨在深入理解其物理性质及潜在应用。

二、Bi5Ti3FeO15基薄膜的制备与结构特性Bi5Ti3FeO15基薄膜的制备通常采用溶胶-凝胶法、脉冲激光沉积法或磁控溅射法等方法。

制备过程中，通过控制温度、压力、气氛等参数，可获得具有特定晶体结构和电学性能的薄膜。

该类薄膜具有复杂的晶体结构，包括钙钛矿结构和双钙钛矿结构等，这些结构决定了其多铁性的产生。

三、Bi5Ti3FeO15基薄膜的多铁性Bi5Ti3FeO15基薄膜具有铁电性、铁磁性和铁弹性等多种铁性。

其中，铁电性源于其内部电荷分布的不对称性，使得薄膜在电场作用下发生极化；铁磁性则与薄膜中的磁性离子有关，使其具有磁化强度；铁弹性则与薄膜的晶格结构有关，使得薄膜在应力作用下发生形变。

这些特性的共同作用，使得Bi5Ti3FeO15基薄膜成为一种多铁性材料。

四、Bi5Ti3FeO15基薄膜的铁电光伏效应铁电光伏效应是Bi5Ti3FeO15基薄膜的重要特性之一。

当薄膜受到光照时，光生载流子在铁电畴内分离并产生光电压。

这一过程涉及光吸收、电荷分离和传输等多个物理过程。

此外，薄膜的铁电畴结构也会影响光电压的产生和分布。

通过对薄膜的铁电畴结构进行调控，可以实现对其光电压的优化和提高。

五、实验与讨论为了研究Bi5Ti3FeO15基薄膜的多铁性和铁电光伏效应，我们采用了一系列实验方法。

通过X射线衍射、扫描电子显微镜等手段，我们观察了薄膜的晶体结构和形貌；通过铁电测试和磁性测试，我们分析了薄膜的铁电性和铁磁性；通过光伏测试系统，我们测量了薄膜的光电压。

实验结果表明，Bi5Ti3FeO15基薄膜具有优异的多铁性和铁电光伏效应。