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聚苯胺包覆的硫化锌-碳纳米管用作正极载体材料提高锂硫电池性能

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材料导报 2024年第1期38卷 10-16页

作者：周宇祥施天宇赵晨媛尹海宏宋长青郁可南通大学信息科学技术学院江苏南通226019 华东师范大学物理与电子科学学院极化材料与器件教育部重点实验室上海200241

随着石油等化石燃料的逐渐枯竭,人们对绿色能源和电动汽车的需求持续增长,可循环的电能储存系统也得到了快速发展。然而,传统的锂离子电池已接近理论极限,因而寻找开发下一代电池电极材料受到了极大的关注。锂硫电池因为具备出色的理论... 详细信息

随着石油等化石燃料的逐渐枯竭,人们对绿色能源和电动汽车的需求持续增长,可循环的电能储存系统也得到了快速发展。然而,传统的锂离子电池已接近理论极限,因而寻找开发下一代电池电极材料受到了极大的关注。锂硫电池因为具备出色的理论比容量和能量密度、环境友好、成本低廉等优点而备受关注。然而,锂硫电池中活性硫及其放电产物导电性差、可溶性多硫化物在电极间穿梭、体积膨胀等问题导致电池的反应动力学缓慢、容量迅速下降。为了解决这些问题,有必要对硫正极进行合理设计,研究表明引入碳纳米结构(如碳纳米管、碳纳米纤维、介孔碳、石墨烯等)作为骨架负载硫能提高锂硫电池的性能。这些碳骨架具有多层次的交叠多孔结构、大比表面积和高电子迁移率等优势,为离子提供迁移通道的同时能形成物理屏障限制多硫化物的迁移,进而抑制穿梭效应改善电池的循环稳定性。但是由于碳纳米结构的非极性特点,多硫化物与碳骨架之间的相互作用较弱,只能通过物理相互作用抑制多硫化物的穿梭。为了提高抑制效果,可以将极性材料(如金属氧化物、硫化物等)与碳纳米结构进行耦合,这样就兼具了极性材料和碳纳米结构的优点。极性材料与多硫化物的相互作用较强,同时碳纳米结构的高导电性和物理屏障作用亦得以保留,因而能大幅减缓穿梭效应,提高锂硫电池的循环稳定性和倍率性能。此外,多种导电聚合物,如聚吡咯(PPy)、聚噻吩(PTh)和聚苯胺(PANI)等,亦能作为包覆层或导电载体改善锂硫电池的循环性能和倍率性能。其中聚苯胺(PANI)具有导电性高、易合成、共形性好等特点,作为包覆层能有效地防止多硫化物向外扩散,提高电子的迁移率,从而保证电池的长期循环稳定性。本工作制备了一种ZnS-CNTs/S@PANI正极材料来抑制上述缺陷,提高锂硫电池性能,该正极材料以ZnS修饰的CNTs为骨架来负载硫,再在外层包覆聚苯胺(PANI)导电聚合物制备而成。该正极材料中由碳纳米管构成的导电网络有利于电子的快速迁移,并能容纳循环过程中硫的体积膨胀;ZnS量子点的修饰在碳纳米管表面增加了大量极性位点,能够增强对多硫化物的吸附,进而抑制穿梭效应;外侧的聚苯胺作为极性导电包覆层有利于提高电极整体的导电性,增强对多硫化物的吸附,并且能够通过物理限制效应防止活性材料流失。因此该正极材料表现出良好的电池性能,其初始比容量在0.5 C时为952.33 mAh·g^(-1),经过150次循环后比容量为776.37 mAh·g^(-1),容量保持率为81.52%。其在2 C倍率下的放电容量为633.62 mAh·g^(-1),优于CNTs/S和ZnS-CNTs/S电极。该结果证明了ZnS-CNTs/S@PANI正极材料具备优异的锂硫电池性能,为了锂硫电池向实用化发展提供了一种正极制备方案。

关键词：锂硫电池硫化锌正极聚苯胺

基于HEDTA配体修饰的纯红色CsPb(Br/I)_(3)钙钛矿发光二极管

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发光学报 2024年第9期45卷 1399-1409页

作者：瞿牡静张淑兰段嘉欣代恒龙宣曈曈解荣军李会利华东师范大学物理与电子科学学院纳光电集成与先进装备教育部工程研究中心上海200241 华东师范大学重庆研究院精密光学重庆市重点实验室重庆401120 厦门大学材料学院福建省表界面工程与高性能材料重点实验室福建厦门361005

近年来,钙钛矿发光二极管(Perovskite light-emitting diodes,PeLEDs)已表现出了超高色纯度、超宽色域、高发光效率等一系列卓越性能,尤其绿光和近红外光PeLEDs的外量子效率(External quantum efficiency,EQE)和亮度迅速提升,但荧光峰位... 详细信息

近年来,钙钛矿发光二极管(Perovskite light-emitting diodes,PeLEDs)已表现出了超高色纯度、超宽色域、高发光效率等一系列卓越性能,尤其绿光和近红外光PeLEDs的外量子效率(External quantum efficiency,EQE)和亮度迅速提升,但荧光峰位于620~640 nm的纯红光PeLEDs器件的性能(效率、亮度、可靠性等)发展则相对缓慢。本文采用热注射和N-羟乙基乙二胺三乙酸(HEDTA)配体后处理相结合的工艺制备了光学性能和稳定性均显著提升的纯红色混合卤素钙钛矿CsPb(Br/I)_(3)纳米晶。HEDTA多齿配体通过与纳米晶表面的Pb^(2+)和I-有效结合,钝化表面Pb^(2+)有关的缺陷,同时抑制了致使卤化物偏析的I-弗伦克尔缺陷的形成。基于配体交换处理后的CsPb(Br/I)_(3)纳米晶为发光层制备的PeLEDs,发射峰位于636 nm的纯红色范围,最大EQE和最大亮度分别为18.62%和1880 cd/m^(2)。表征器件工作稳定性的T50(器件亮度衰减至初始亮度一半所需的时间)由未修饰器件的11.4 min提升至74.5 min。

关键词：纯红色钙钛矿发光二极管 CsPb(Br/I)_(3) 配体工程缺陷钝化

CsPbBr_(3)@MIL-53纳米复合荧光粉的合成、性能及其白光LEDs应用

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无机材料学报 2024年第9期39卷 1035-1043页

作者：瞿牡静张淑兰朱梦梦丁浩杰段嘉欣代恒龙周国红李会利华东师范大学物理与电子科学学院纳光电集成与先进装备教育部工程研究中心上海200241 华东师范大学重庆研究院精密光学重庆市重点实验室重庆401120 中国科学院上海硅酸盐研究所中国科学院透明光功能无机材料重点实验室上海201899

全无机钙钛矿(CsPbX3,X=Cl,Br,I)纳米晶因其卓越的光电性能被广泛应用于光电子器件领域,但稳定性问题仍然是制约其商业化发展的主要因素之一。基于此,本研究以提高CsPbBr_(3)纳米晶的稳定性和固态发光性能为研究目标,选用具有优异疏水... 详细信息

全无机钙钛矿(CsPbX3,X=Cl,Br,I)纳米晶因其卓越的光电性能被广泛应用于光电子器件领域,但稳定性问题仍然是制约其商业化发展的主要因素之一。基于此,本研究以提高CsPbBr_(3)纳米晶的稳定性和固态发光性能为研究目标,选用具有优异疏水性能的多孔MIL-53(Al)金属有机框架(MOFs)作为封装基质,通过热注射工艺在MIL-53(Al)孔道内原位限域生长CsPbBr_(3)纳米晶,成功制备了优异发光性能和稳定性的CsPbBr_(3)@MIL-53纳米复合荧光粉。MIL-53通过包含的苯环和有机配体与CsPbBr_(3)纳米晶螯合,将其稳固地锚定在孔道内,既保护了CsPbBr_(3)纳米晶免受外界环境的影响,又有效防止了纳米晶之间的聚集,从而避免了固态荧光猝灭。此外,MIL-53中的COO-官能团与CsPbBr_(3)纳米晶表面未配对的Pb2+结合,钝化了其表面的缺陷,抑制了载流子的非辐射复合。MIL-53包含的苯环及有机长链又赋予了纳米复合荧光粉出色的疏水性能。这些因素的协同作用显著提升了CsPbBr_(3)@MIL-53纳米复合荧光粉的光学性能和水稳定性,其荧光量子产率(Photoluminescence Quantum Yield,PLQY)为75.4%,是固态CsPbBr_(3)纳米晶粉体(33.2%)的2.3倍。将CsPbBr_(3)@MIL-53纳米复合荧光粉完全浸泡在水中10h,其荧光强度仍能维持初始值的75.6%。最后,将绿光发射的CsPbBr_(3)@MIL-53纳米复合荧光粉应用于白光发光二极管(LightEmittingDiodes,LEDs)器件,实现了126%NTSC和85%Rec.2020的宽色域覆盖面积,表明其在显示器件领域具有优异的应用前景。

关键词：全无机钙钛矿金属有机框架 CsPbBr_(3)@MIL-53 稳定性白光LEDs

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微腔激子极化激元的自旋轨道耦合效应

中国激光 2024年第18期 1-14页

作者：龙腾李一鸣罗筱璇廖清李峰首都师范大学光功能材料与器件北京市重点实验室西安交通大学电子科学与工程学院电子物理与器件教育部重点实验室西安财经大学信息学院空军工程大学防空反导学院

光学微腔中的偏振劈裂效应作为一种等效光子规范场，可引发光子自旋轨道耦合机制，对微腔光子的能带结构、自旋分布和动力学行为产生独特的影响。尤其是在微腔光子与激子发生强耦合的物理体系内，基于光子自旋轨道耦合效应对微腔激子极... 详细信息

光学微腔中的偏振劈裂效应作为一种等效光子规范场，可引发光子自旋轨道耦合机制，对微腔光子的能带结构、自旋分布和动力学行为产生独特的影响。尤其是在微腔光子与激子发生强耦合的物理体系内，基于光子自旋轨道耦合效应对微腔激子极化激元进行调控展现出了更大的自由度和多样化特征。此外，外加磁场、各向异性激子材料、束缚性和周期性势场等都会引入新类型的等效规范场，产生一系列全新的光子自旋轨道耦合机制与现象。上述成果为微纳光子器件和光量子模拟器等提供了丰富的理论方法与应用平台。

关键词：微腔光子学激子极化激元自旋轨道耦合光子规范场

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基于准连续域束缚态的强圆二色性超表面

物理学报 2024年第17期73卷 285-293页

作者：夏兆生刘宇行包正王丽华吴博王刚王辉任信钢黄志祥安徽大学计算智能与信号处理教育部重点实验室合肥230601 安徽大学信息材料与智能感知安徽省实验室合肥230601 合肥师范学院电子信息系统仿真设计安徽省重点实验室合肥230001

连续域束缚态最初是在量子力学中发现的,它是一种可保持局域化的波动现象.这种效应已在各种材料系统中得到广泛研究,包括压电材料、石墨烯和光子晶体.本工作提出了一种由中断的环形槽组成的四重旋转对称硅超表面.通过同时打破晶胞的面... 详细信息

连续域束缚态最初是在量子力学中发现的,它是一种可保持局域化的波动现象.这种效应已在各种材料系统中得到广泛研究,包括压电材料、石墨烯和光子晶体.本工作提出了一种由中断的环形槽组成的四重旋转对称硅超表面.通过同时打破晶胞的面内反转对称性,实现了具有高品质因子和显著手性的准连续域束缚态.通过对动量空间中拓扑荷的研究,揭示了由超表面的内部共振机制产生的准连续域束缚态的独特拓扑特征.在合适的对称破坏下,具有平面内对称破坏的四重旋转对称超表面表现出–0.93的强圆二色性,并且其显示出了在对称破坏较大时的强圆二色性.这项工作所取得的成果在手性生物传感器和低阈值激光器等领域具有广阔的应用前景.

关键词：连续域束缚态超表面手性品质因子

基于相干反馈的相敏放大器强度差压缩增强研究

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物理学报 2024年第13期73卷 135-141页

作者：刘婷婷杨晓华韩亚帅王军民山西科技学院通识教育学院晋城048000 安徽师范大学物理与电子信息学院芜湖241000 安徽师范大学光电信息材料功能调控与应用安徽省重点实验室芜湖241000 山西大学光电研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室太原030006 山西大学极端光学协同创新中心太原030006

基于原子四波混频的光参量放大器是实现强度差压缩态光场的最有效手段之一.然而,受限于原子蒸气对光场的吸收损耗,其输出的压缩度仍有待提升.光参量放大器输出的非经典光场部分反馈回输入端口,可实现其输出光场量子特性的增强.本文对相... 详细信息

基于原子四波混频的光参量放大器是实现强度差压缩态光场的最有效手段之一.然而,受限于原子蒸气对光场的吸收损耗,其输出的压缩度仍有待提升.光参量放大器输出的非经典光场部分反馈回输入端口,可实现其输出光场量子特性的增强.本文对相干反馈的相敏放大器开展理论分析,研究了其输出光场的强度差压缩与反馈强度、强度增益和损耗的依赖关系.研究结果表明,在无损耗的理想情况下,通过调控反馈强度和位相可实现无穷大的压缩输出.在考虑实际的实验参数条件下,此方案也可在一定的反馈强度范围内和特定的位相条件下,实现显著的压缩增强.本研究结果可为实验实现高质量非经典光场提供有益的参考.

关键词：光参量放大器压缩态光场相干反馈压缩增强

自支撑BaTiO_(3)薄膜的制备与铁电性研究

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真空科学与技术学报 2024年第4期44卷 369-375页

作者：张军沈玙璠苏天聪吕梁学院化工与材料工程系吕梁033001 山西师范大学磁性分子与磁信息材料教育部重点实验室太原030006

BaTiO_(3)(BTO)铁电氧化物薄膜因其在非易失信息存储、智能传感、生物医疗、纳米发电机等领域潜在的应用而受到了人们的广泛关注。目前,为了保证BTO薄膜能高质量外延生长,通常选择晶格匹配的氧化物做衬底,所生长的薄膜与衬底之间存在较... 详细信息

BaTiO_(3)(BTO)铁电氧化物薄膜因其在非易失信息存储、智能传感、生物医疗、纳米发电机等领域潜在的应用而受到了人们的广泛关注。目前,为了保证BTO薄膜能高质量外延生长,通常选择晶格匹配的氧化物做衬底,所生长的薄膜与衬底之间存在较强的化学键,很难将其从衬底上大面积地剥离下来,所以也无法实现下一步转移到可用于高密度器件集成的的Si基衬底上。文章使用水溶Sr_(3)Al_(2)O_(6)(SAO)为牺牲层的方法,将生长在Nb-SrTiO_(3)(Nb-STO)衬底上的BTO外延薄膜可以大面积、无褶皱地转移到Si基衬底上。并且,转移后的自支撑薄膜仍然保持了完美的结晶度和室温铁电性。此结论对自支撑氧化物薄膜在高密度铁电器件的集成方面奠定了一定的基础。

关键词： BaTiO_(3)薄膜铁电性自支撑柔性器件

小型化光学超声传感器及其在光声成像中的应用进展(特邀)

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激光与光电子学进展 2024年第2期61卷 453-465页

作者：邱显坤赵佳玉沈乐成中山大学电子与信息工程学院广东广州510006 华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室上海200241

目前光声成像中用于探测超声波的主流器件是基于压电材料的超声换能器,考虑到这类换能器的探测性能随器件尺寸的减小而大幅下降,科研者们近年来开始逐渐关注于小型化光学超声传感器的研究与开发。相较于传统的压电超声换能器,这些小型... 详细信息

目前光声成像中用于探测超声波的主流器件是基于压电材料的超声换能器,考虑到这类换能器的探测性能随器件尺寸的减小而大幅下降,科研者们近年来开始逐渐关注于小型化光学超声传感器的研究与开发。相较于传统的压电超声换能器,这些小型化的光学超声传感器通常具备较宽的探测带宽和与尺寸几乎无关的高灵敏度,在推动更深和更高分辨率的光声成像方面展现出了巨大的潜力。本文首先对光学超声传感器的发展历程进行了简要回顾,然后比较了3种重要的小型化光学超声传感器以及并行寻址的方法,其次介绍了这些传感器在光声活体成像方面的应用进展,最后展望了光学超声传感器的未来前景。

关键词：光声成像光学超声传感器片上器件法布里-珀罗干涉仪光纤布拉格光栅微环谐振器

聚苯胺包覆的硫化锌-碳纳米管用作正极载体材料提高锂硫电池性能（英文）

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材料导报 2024年第1期 14-20页

作者：周宇祥施天宇赵晨媛尹海宏宋长青郁可南通大学信息科学技术学院华东师范大学物理与电子科学学院极化材料与器件教育部重点实验室

随着石油等化石燃料的逐渐枯竭，人们对绿色能源和电动汽车的需求持续增长，可循环的电能储存系统也得到了快速发展。然而，传统的锂离子电池已接近理论极限，因而寻找开发下一代电池电极材料受到了极大的关注。锂硫电池因为具备出色的... 详细信息

随着石油等化石燃料的逐渐枯竭，人们对绿色能源和电动汽车的需求持续增长，可循环的电能储存系统也得到了快速发展。然而，传统的锂离子电池已接近理论极限，因而寻找开发下一代电池电极材料受到了极大的关注。锂硫电池因为具备出色的理论比容量和能量密度、环境友好、成本低廉等优点而备受关注。然而，锂硫电池中活性硫及其放电产物导电性差、可溶性多硫化物在电极间穿梭、体积膨胀等问题导致电池的反应动力学缓慢、容量迅速下降。为了解决这些问题，有必要对硫正极进行合理设计，研究表明引入碳纳米结构(如碳纳米管、碳纳米纤维、介孔碳、石墨烯等)作为骨架负载硫能提高锂硫电池的性能。这些碳骨架具有多层次的交叠多孔结构、大比表面积和高电子迁移率等优势，为离子提供迁移通道的同时能形成物理屏障限制多硫化物的迁移，进而抑制穿梭效应改善电池的循环稳定性。但是由于碳纳米结构的非极性特点，多硫化物与碳骨架之间的相互作用较弱，只能通过物理相互作用抑制多硫化物的穿梭。为了提高抑制效果，可以将极性材料(如金属氧化物、硫化物等)与碳纳米结构进行耦合，这样就兼具了极性材料和碳纳米结构的优点。极性材料与多硫化物的相互作用较强，同时碳纳米结构的高导电性和物理屏障作用亦得以保留，因而能大幅减缓穿梭效应，提高锂硫电池的循环稳定性和倍率性能。此外，多种导电聚合物，如聚吡咯(PPy)、聚噻吩(PTh)和聚苯胺(PANI)等，亦能作为包覆层或导电载体改善锂硫电池的循环性能和倍率性能。其中聚苯胺(PANI)具有导电性高、易合成、共形性好等特点，作为包覆层能有效地防止多硫化物向外扩散，提高电子的迁移率，从而保证电池的长期循环稳定性。本工作制备了一种ZnS-CNTs/S@PANI正极材料来抑制上述缺陷，提高锂硫电池性能，该正极材料以ZnS修饰的CNTs为骨架来负载硫，再在外层包覆聚苯胺(PANI)导电聚合物制备而成。该正极材料中由碳纳米管构成的导电网络有利于电子的快速迁移，并能容纳循环过程中硫的体积膨胀；ZnS量子点的修饰在碳纳米管表面增加了大量极性位点，能够增强对多硫化物的吸附，进而抑制穿梭效应；外侧的聚苯胺作为极性导电包覆层有利于提高电极整体的导电性，增强对多硫化物的吸附，并且能够通过物理限制效应防止活性材料流失。因此该正极材料表现出良好的电池性能，其初始比容量在0.5 C时为952.33 mAh·g-1,经过150次循环后比容量为776.37 mAh·g-1,容量保持率为81.52%。其在2 C倍率下的放电容量为633.62 mAh·g-1,优于CNTs/S和ZnS-CNTs/S电极。该结果证明了ZnS-CNTs/S@PANI正极材料具备优异的锂硫电池性能，为了锂硫电池向实用化发展提供了一种正极制备方案。

关键词：锂硫电池硫化锌正极聚苯胺