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基于复合超材料的多种结构的太赫兹频率开关

光谱学与光谱分析 2024年第2期44卷 331-335页

作者：陈姗姗张波太赫兹光电子学教育部重点实验室首都师范大学物理系北京100048

超材料可以应用于调制器,能够吸收特定频率的太赫兹波。然而当超材料的结构参数一旦确定,就只能在特定的共振频率产生完美吸收。设计了三种复合超材料结构探究复合超材料的共振,这三种结构的超材料均以石英为衬底,在该基底上加工一层具... 详细信息

超材料可以应用于调制器,能够吸收特定频率的太赫兹波。然而当超材料的结构参数一旦确定,就只能在特定的共振频率产生完美吸收。设计了三种复合超材料结构探究复合超材料的共振,这三种结构的超材料均以石英为衬底,在该基底上加工一层具有开口的金属谐振环。三种结构分别是单开口的金属谐振圆环,单开口的金属谐振方框和不对称双开口的金属谐振方框。在三种结构的开口中填入光敏材料氧化铟,改变氧化铟的电导率对这些复合超材料结构的太赫兹的调制特性进行了研究,同时对三种结构太赫兹频率开关的不同共振频率的电场分布进行了数值模拟。对于单开口不同形状的金属谐振环,共振频率不同,但都随着氧化铟电导率的增加,共振峰的吸收强度逐渐减小,从对应的电场分布图中可以看到,随着氧化铟电导率的增加,间隙边缘处的场强越来越弱,谐振峰吸收强度也就越来越弱,这个过程可以被认为是太赫兹波在共振频率的动态开关。对于不对称双开口的金属谐振方框,在偏离金属框中央处的开口填入氧化铟,这个结构可以看到两个谐振峰,随着电导率的增加,一个谐振峰吸收强度逐渐减弱,而另一个谐振峰吸收强度无明显变化,由此可得吸收强度随电导率增加而减弱的谐振峰为法诺共振,而另一个吸收强度一直无明显变化的谐振峰为偶极共振。从对应场分布图可以看到,法诺共振入射的太赫兹波的能量主要集中在金属谐振环的右侧金属臂上,而且随着电导率的增大,右侧金属臂的间隙处积累的电荷越来越多;而偶极共振入射的太赫兹波的能量主要集中在金属谐振环的左侧金属臂上,电导率增加,偶极共振的电场分布无明显变化。

关键词：太赫兹频率开关超材料

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耦合等离激元体系的复频率分析（特邀）

光学学报 2024年第10期 309-314页

作者：曾可博张霜香港大学物理系新基石科学实验室

耦合等离激元体系在光场调控、光学传感、光学成像及光电器件等领域中有着广泛应用。目前，阻碍耦合等离激元进一步实用化发展的关键问题是金属材料具有较大的损耗。结合数值仿真方法，从理论上研究了耦合等离激元的损耗机理，并进一步... 详细信息

耦合等离激元体系在光场调控、光学传感、光学成像及光电器件等领域中有着广泛应用。目前，阻碍耦合等离激元进一步实用化发展的关键问题是金属材料具有较大的损耗。结合数值仿真方法，从理论上研究了耦合等离激元的损耗机理，并进一步分析复频率光源激励对耦合等离激元体系的作用，提出了通过合成复频率波的方法来补偿损耗，从而恢复被削弱的耦合共振信号。所提优化手段具有泛用性高且无需额外成本的优势，研究结果对耦合等离激元体系在各个领域中的研究发展具有借鉴意义，有利于挖掘该体系的潜在应用价值。

关键词：物理光学纳米光学等离激元复频率波光学传感

MOFs衍生的二氧化钛促进Ti-Fe_(2)O_(3)光阳极高效光电化学水氧化的多重效应

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Chinese Journal of Catalysis 2024年第6期61卷 179-191页

作者：巴凯凯刘禹男张凯王平林艳红王德军李子亨谢腾峰吉林大学化学学院吉林长春130012 吉林师范大学化学学院教育部环保材料制备与应用重点实验室吉林长春130103 吉林大学物理学院先进电池物理与技术重点实验室吉林长春130012

光电化学(PEC)分解水是一种清洁可持续的获取氢燃料的方法,其中产氧半反应(OER)是制约整个水分解过程效率的关键步骤.因此,光阳极的性能是决定太阳能到氢能转化效率的关键因素.在各种水氧化光阳极材料中,赤铁矿(α-Fe_(2)O_(3))因具有... 详细信息

光电化学(PEC)分解水是一种清洁可持续的获取氢燃料的方法,其中产氧半反应(OER)是制约整个水分解过程效率的关键步骤.因此,光阳极的性能是决定太阳能到氢能转化效率的关键因素.在各种水氧化光阳极材料中,赤铁矿(α-Fe_(2)O_(3))因具有良好的化学稳定性、合适的带隙(~2.1 eV)、无毒、储量丰富等优点而成为最有前途的光阳极材料之一.然而,α-Fe_(2)O_(3)丰富的受体表面态和缓慢的水氧化动力学导致光生电荷复合严重,限制了其在光电化学中的实际应用.因此,有必要对α-Fe_(2)O_(3)进行表面工程设计以提高水氧化效率.本文提出了一种新方法,以金属有机框架(Ti-MOFs)为模板,在Ti-Fe_(2)O_(3)表面煅烧合成TiO_(2)层,然后将富活性位点的ZIF-67加载在TiO_(2)/Ti-Fe_(2)O_(3)上作为助催化剂,制备出具有较好光电化学性能的ZIF-67/TiO_(2)/Ti-Fe_(2)O_(3)复合光阳极.X射线衍射、高分辨透射电镜、X射线光电子能谱和拉曼光谱等表征结果证实成功合成了ZIF-67/TiO_(2)/Ti-Fe_(2)O_(3).同时,氮气等温吸附脱附曲线和表面接触角测试结果表明,MOFs衍生的TiO_(2)为介孔材料.采用表面光伏技术、光致发光光谱、飞秒-瞬态吸收光谱和电化学阻抗谱分析,研究了光生电荷的分离和复合行为.结果表明,MOFs衍生的TiO_(2)不仅可以作为钝化层有效抑制了表面复合,还作为Ti-Fe_(2)O_(3)的电子阻挡层,显著减少了电子向表面的流失,从而大大提高了Ti-Fe_(2)O_(3)表面和体相的电荷分离效率.进一步的累积电荷量测试、电化学阻抗谱和Bode图分析显示,负载MOFs衍生TiO_(2)后,可以明显促进光生空穴向电解质的注入,其多孔结构也可以增加反应接触面积,这有利于光生电荷在固液界面传输.此外,理论计算结果表明,Ti-Fe_(2)O_(3)水氧化速控步骤的能垒(ΔG=3.38 eV)明显高于TiO_(2)(ΔG=1.67 eV),说明OER更容易在TiO_(2)/Ti-Fe_(2)O_(3)表面发生,这与其光电流密度结果一致.为进一步提高反应活性和加快水氧化动力学,负载助催化剂ZIF-67后,ZIF-67/TiO_(2)/Ti-Fe_(2)O_(3)复合光阳极实现了较好的光电化学性能,其在1.23 V ***时光电流密度高达4.04 mA cm^(‒2),是Ti-Fe_(2)O_(3)的9.3倍,并且复合光阳极的入射光子电流转换效率和空穴注入效率分别达到93%(390 nm)和91%.综上所述,本研究通过MOFs衍生的TiO_(2)和ZIF-67助催化剂改性α-Fe_(2)O_(3)光阳极,显著提升了其光电化学水氧化性能.其中,MOFs衍生TiO_(2)不仅优化了电荷分离,还促进了光生空穴的注入,从而显著提高其光电化学水氧化性能.本研究为构筑高性能的有机-无机杂化光阳极提供了新思路.

关键词： Ti-Fe_(2)O_(3)光阳极电荷分离多孔TiO_(2) 多重效应水氧化

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高压极端条件下的富氢高温超导体

高压物理学报 2024年第2期38卷 33-42页

作者：陈胤圻王洪波吉林大学物理学院超硬材料国家重点实验室吉林长春130012

自从在汞中发现4.2 K的超导转变温度以来,寻找室温超导体一直是凝聚态物理领域的研究热点。近年来,科学家在高压极端条件下发现了以共价型H_(3)S(T_(c)=203 K)和离子型LaH_(10)(T_(c)=250 K)、CaH_(6)(T_(c)=215 K)为代表的系列高温超导... 详细信息

自从在汞中发现4.2 K的超导转变温度以来,寻找室温超导体一直是凝聚态物理领域的研究热点。近年来,科学家在高压极端条件下发现了以共价型H_(3)S(T_(c)=203 K)和离子型LaH_(10)(T_(c)=250 K)、CaH_(6)(T_(c)=215 K)为代表的系列高温超导体,先后刷新了超导转变温度纪录,这些工作开启了学界在富氢化合物中寻找室温超导体的新篇章。本文重点介绍了目前高压下二元和三元富氢高温超导体的理论模拟以及实验制备和表征方面的相关研究进展,分析在富氢化合物中发现室温超导体面临的挑战和可能途径,为实现室温超导做出基础性贡献。

关键词：高压极端条件富氢超导体晶体结构预测金刚石对顶砧

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固体氢在极端压强下的超导性能

高压物理学报 2024年第2期38卷 50-58页

作者：杜昱孙莹王彦超钟鑫吉林大学物质模拟方法与软件教育部重点实验室吉林长春130012 吉林大学物理学院吉林长春130012

氢元素在常压下具有最简单的晶体结构和物理性质。随着压强增加,氢单质发生相变,由绝缘体转变为金属,被称为金属氢。数值模拟表明,金属氢具有高温超导电性,因此,金属氢研究也被称为高压物理领域的“圣杯”课题。利用基于密度泛函理论的... 详细信息

氢元素在常压下具有最简单的晶体结构和物理性质。随着压强增加,氢单质发生相变,由绝缘体转变为金属,被称为金属氢。数值模拟表明,金属氢具有高温超导电性,因此,金属氢研究也被称为高压物理领域的“圣杯”课题。利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对固体氢在极端高压(0.5~5.0 TPa)下的结构和超导电性开展了系统研究。研究结果表明:固体氢的高压相变序列为I4_(1)/amd→oC12→cI16;对于同一种结构,随着压强增加,电声耦合系数减小,费米面处电子态密度减小,特征振动频率增加,超导转变温度发生小幅变化;在2.0 TPa压强下,固体氢的超导转变温度高达418 K(库伦赝势经验值μ^(*)=0.10)。研究工作将为金属氢及其超导电性的后续理论和实验研究提供参考。

关键词：金属氢超高压强高温超导相变

高温高压下透明纳米聚晶金刚石的合成与微观形貌

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硅酸盐学报 2024年第3期52卷 804-811页

作者：张松朋但雅倩陈旺江皓崔思雯赵行斌朱品文崔田马帅领宁波大学物理科学与技术学院&高压物理科学研究院浙江宁波315211 吉林大学超硬材料国家重点实验室长春130012

透明陶瓷是一种具有广泛应用前景的新一代无机非金属材料,而透明纳米聚晶金刚石具有极高的硬度和良好的透光性,是透明陶瓷中极具代表的典型材料之一。本工作介绍了一种在高温高压条件下制备的超硬透明陶瓷—纳米聚晶金刚石,并对其性能... 详细信息

透明陶瓷是一种具有广泛应用前景的新一代无机非金属材料,而透明纳米聚晶金刚石具有极高的硬度和良好的透光性,是透明陶瓷中极具代表的典型材料之一。本工作介绍了一种在高温高压条件下制备的超硬透明陶瓷—纳米聚晶金刚石,并对其性能进行了X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、Raman等测试分析。结果表明:高温高压法是一种制备高性能透明陶瓷的有效途径,石墨原材料可在15 GPa、2 600℃、保温1 min条件下转变为透明的纳米聚晶金刚石。同时,样品腔的温度梯度导致样品透明度不均匀,温度的升高有利于增加纳米聚晶金刚石的透明度。形貌测试分析结果表明样品存在马氏体相变的层状结构和扩散型相变的均匀颗粒结构,层厚和晶粒尺寸均约为100 nm。高压和应力导致样品内部出现部分位错,有助于提高样品的力学强度。纳米聚晶金刚石作为硬度最高的透明陶瓷,有望在极端条件下的特殊光学窗口等领域得到广泛应用。

关键词：透明陶瓷透明纳米聚晶金刚石高温高压合成

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弹性聚合物固态电解质界面膜保护金属锂负极

硅酸盐学报 2024年第7期52卷 2187-2196页

作者：卢微王子豪赵安顺于明希杜米赵雪张文静刘梅冯明吉林师范大学功能材料物理与化学教育部重点实验室吉林师范大学信息技术学院吉林师范大学物理学院

固态电解质界面膜（SEI）的性质直接影响着锂金属电池中金属锂负极的稳定性。本文通过原位紫外光聚合方法构筑了弹性聚合物人工固态电解质界面膜（EP-SEI）保护的金属锂负极。这种EP-SEI具有优异的均匀性、稳定性和弹性，在电池循环中... 详细信息

固态电解质界面膜（SEI）的性质直接影响着锂金属电池中金属锂负极的稳定性。本文通过原位紫外光聚合方法构筑了弹性聚合物人工固态电解质界面膜（EP-SEI）保护的金属锂负极。这种EP-SEI具有优异的均匀性、稳定性和弹性，在电池循环中促进锂离子均匀沉积。这些特性可以抑制锂枝晶的生成，缓冲金属锂负极在循环时的体积变化，有效保护金属锂负极。这种EP-SEI保护的金属锂负极组装的LFP||Li电池和NCM811||Li电池在0.5 C倍率下的最高容量分别可达到164.1 m A·h·g-1和187.1 m A·h·g-1，并稳定循环500圈。

关键词：人工固态电解质界面金属锂负极锂金属电池聚合物高弹性

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高压拉曼光谱研究均苯四甲酸二酐

光谱学与光谱分析 2024年第9期44卷 2434-2438页

作者：丛广宇李东飞刘嘉睿长春光华学院基础教研部吉林长春130033 长春师范大学物理学院吉林长春130032 吉林师范大学物理学院吉林四平136000

测量了常温常压下的均苯四甲酸二酐的拉曼光谱,并对所测量的各个拉曼谱线进行归属认证。获得了从常压到24GPa压强条件下的原位拉曼光谱,通过频率-压强关系曲线可以得出该材料在2Gpa存在晶体结构相变,定义了均苯四甲酸二酐在低于2GPa压... 详细信息

测量了常温常压下的均苯四甲酸二酐的拉曼光谱,并对所测量的各个拉曼谱线进行归属认证。获得了从常压到24GPa压强条件下的原位拉曼光谱,通过频率-压强关系曲线可以得出该材料在2Gpa存在晶体结构相变,定义了均苯四甲酸二酐在低于2GPa压强条件的晶体结构为相Ⅰ,高于2GPa压强条件的晶体结构相为相Ⅱ。在相变前后,绝大多数的拉曼谱线频率-压强曲线斜率变小,说明与相Ⅰ相比,各官能团对压强的敏感程度下降,相Ⅱ的分子晶体具有更紧密的堆积结构。拉曼光谱强度能够给出丰富的材料结构信息,通过对C—O伸缩振动的倍频(常压位于1837cm^(-1))和C=O伸缩振动基频(常压位于1865cm^(-1))的相对拉曼光谱强度随压强的变化规律进行分析,发现两拉曼谱线强度比在2GPa附近存在突变,为均苯四甲酸二酐在2GPa附近发生结构相变提供了实验依据。

关键词：拉曼光谱高压相变均苯四甲酸二酐

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高压下主族金属富氮化合物的结构与含能特性

高压物理学报 2024年第4期38卷 2-12页

作者：翟航杨锦坭王建云李全吉林大学物理学院物质模拟方法与软件教育部重点实验室吉林长春130012

氮是地球大气的主要成分,体积分数约为78%。在常温常压下,氮以三键的形式(N≡N)结合为稳定的双原子分子。然而,在极端高压的作用下,氮气可以解离成含有双键(N=N)甚至单键(N―N)的固体聚合氮结构。由于N≡N与N=N、N―N之间存在巨大的能... 详细信息

氮是地球大气的主要成分,体积分数约为78%。在常温常压下,氮以三键的形式(N≡N)结合为稳定的双原子分子。然而,在极端高压的作用下,氮气可以解离成含有双键(N=N)甚至单键(N―N)的固体聚合氮结构。由于N≡N与N=N、N―N之间存在巨大的能量差异,其转变过程中伴随着巨大的能量释放,因此,聚合氮是备受关注的高能量密度物质。然而,单质聚合氮必须在高于百万大气压(100 GPa)的环境下才能实现实验制备,苛刻的合成条件极大地限制了其发展及应用。研究发现,金属元素的引入可降低反应势垒,提供化学压力,有效降低聚合氮的合成压强,并形成丰富多样的聚合氮构型。为此,本文重点介绍了高压下主族金属氮化物的结构和含能特性研究进展,讨论了金属富氮化合物在高压下稳定的物理机制,并对未来新型富氮化合物的设计和制备方向提出展望。

关键词：高压富氮化合物高能量密度材料聚合氮

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