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科研方向
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科研方向

(1)高电导率和高透过率p型和n型TCO薄膜材料的制备与研究

    n型ZnO基TCO薄膜研究

    用溶胶-凝胶法制备掺杂Bi、Zr、Mo、Pb等高价态元素的ZnO基TCO薄膜,测量它们的微结构、方块电阻、电阻率、载流子浓度,载流子迁移率、光谱性质(透射、反射、吸取等参数),结合理论计算(如用基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算能带结构,用van-der-Pauw法、等离子振荡波长法和光谱拟合法等计算载流子迁移率)来分析掺杂元素种类和价态、掺杂量对能带结构的影响,研究它们对载流子各种散射机制(如带电离子、电中性复合粒子)、薄膜电导率、载流子浓度和迁移率、可见光与近红外波段透射率的影响及内在物理机制。

    分析不同实验条件对样品微观结构(晶粒形状、尺寸,薄膜厚度,缺陷等)、光电性能的影响,深入思考如何优化溶胶-凝胶法实验条件,寻求突破与改进方法,进一步提高TCO薄膜的红外透射率,提高载流子迁移率,促进它在更高光电转换效率的太阳能电池领域的应用。

    Cu基铜铁矿结构薄膜(CuAlO2、CuCrO2、CuYO2等)研究

    通过化学溶液法等薄膜制备方法,制备Cu基铜铁矿结构薄膜(CuAlO2、CuCrO2、CuYO2等)薄膜,研究制备工艺、离子掺杂浓度、价态等对薄膜光学和电学性质的影响规律,设法提高薄膜的光电性质,对实验结果进行理论分析,说明其中的机理。

 

(2)热电材料的制备和研究   

    新型钴基氧化物YCoO3体系制备与热电性能研究

    Sr替代化合物Y1-xSrxCoO3 (0?x?0.2)的电输运和热电性能研究

    采用溶胶-凝胶方法合成Sr的替代化合物Y1-xSrxCoO3,研究了其20K至780K范围内的电输运和热电性能。结果显示,随着Sr替代含量的增加,Y1-xSrxCoO3的电阻率降低,这可能归功于晶格扭曲度的减小。热电势是正值,主要电荷载流子是空穴,且随着Sr 替代量的增加,热电势降低。此外,实验上获得了五倍大的功率因子,在650K最大值达到2.69?10-5W/mK2,如图3所示。这说明适量的Sr替代可以有效增强Y1-xSrxCoO3的热电性能。相关文章发表在Ceramics International 39 (2013) pp. 8189-8194。

    Ni替代化合物YCo1-xNixO3 (0?x?0.07)的电输运和热电性能研究

    采用溶胶-凝胶方法合成Ni的替代化合物YCo1-xNixO3 (0?x?0.07),研究了其100K至780K温度区间的电输运和热电属性。研究结果显示,随着Ni的掺杂量的增加,直流电阻率降低。在温度T<~304K(样品x=0)与~230K< T<~500K(样品x= 0.02, 0.05, 0.07)低温区间和高温区间(T>~655K),样品YCo1-xNixO3的电阻率温度关系满足lnr∝1/T,获得激活能随着掺杂量的增加而降低。在极低温度范围(T<~230K)样品YCo1-xNixO3 (x≥0.02)的电阻率温度关系满足模特定律,这来源于重掺杂引起的局域态。功率因子的计算显示,在300K至740K,YCo0.98Ni0.03O3的功率因子增加了6倍。

    Ca替代化合物Y1-xCaxCoO3 (0?x?0.1) 的高温电输运和热电性能研究

    研究显示,Ca2+对Y3+的替代引入空穴使Y1-xCaxCoO3 的电阻率随着Ca 的替代含量的增加而减小。Y1-xCaxCoO3 的电阻率温度关系与小极化子跳远电导模型一致。热电势的研究显示,在低温T<~550K, 随着x的增加而减小,然而,高温(~800K)所有样品的热电势都接近一个极限值~150mV/K, 这来源于电子构型的兼并。热导率的主要贡献来源于晶格热导率。实验还显示,Ca的替代有效增强了Y1-xCaxCoO3 的热电性能,样品Y0.95Ca0.05CoO3的ZT值在660K增强了10倍达到0.019,如图6所示.

    另,Mn(Mo)替代后,观察到有趣的新现象,少量替代其室温热电势(YCoO3的为正值)具有很大的负值-570mV×K-1;Zn的掺杂可显著提高YCoO3的中温区300-550K的热电性能。

    从事了CrSb2体系热电输运和热电性能研究

    Ti对CrSb2替代的低温输运和热电性能研究

    研究了在7至310K温度范围的Ti的替代化合物Cr1-xTixSb2 (0? x ?0.1)的电输运和热电性能。结果显示Ti替代后替代化合物Cr1-xTixSb2的电阻率和热电势的温度关系没有大的变化。然而,随着Ti 替代含量的增加,Cr1-xTixSb2的电阻率和热电势的值单调降低,这由于Ti 对Cr的替代引入大量电子而引起。实验结果还显示,随着Ti 替代含量的增加,Cr1-xTixSb2的低温热导率降低,这源于Ti原子数量的增加引起的声子散射的加强。结果显示轻掺杂x=0.03能有效增强CrSb2的热电性能,在310K,ZT值增加了11%。

    Ni替代CrSb2的低温电阻率、热电势和热导率研究

    实验结果显示,随着Ni替代含量的增加,Cr1-xNixSb2的电阻率和热电势有较大降低,源于Ni 的替代引入大量的电子而引起。由于Ni 的替代引起声子散射的增强,导致Cr1-xNixSb2的低温晶格热导率降低。Ni 的替代,CrSb2的热电性能得到有效增强,在310K,Cr0.99Ni0.01Sb2的热电优值增强了~29%。

 

 (3)稀土近红外下转换光学材料的制备和研究

    (a)寻找合适的发光体系。要增强材料在紫外可见波段的吸取,选择合适的敏化离子变得尤为关键。可采用对晶场环境十分敏感的过渡族金属离子、Ce3+,Eu2+和其他稀土离子与Yb3+离子形成配对,这些离子的吸取光谱和发射光谱一般都具有宽谱带的特征,而且这些离子的吸取光谱和发光光谱极易受到晶场环境的影响,因此可以选择合适的基质调制其吸取和发光行为,使得这些敏化离子既能在紫外可见区域有很强的宽带吸取,又能发出两倍于硅半导体带隙能量的光,并与发光离子Yb3+有很高的能量传递效率。从而提高从紫外可见区域到近红外区域的能量转换效率。

    (b)在合适的发光体系下,制备稀土近红外量子剪裁纳米粉末和玻璃陶瓷。在制备稀土纳米粉末方面大家已有很好的工作基础。初步设想用共沉淀法、水热法和溶胶凝胶法制备稀土氧化物、含氧酸盐、氟化物和卤氧化物,如氧化钇,氧化釓,钇铝石榴石,镥铝石榴石,溴氧化釓等等,同时研究不同的制备方法,合成温度,粉末颗粒度的大小,形状和分布对发光的影响。在此基础上,尝试制备稀土离子掺杂的近红外量子剪裁玻璃陶瓷。

    (c)进行稀土离子掺杂的研究,包括掺杂浓度。在结构表征和成分分析的基础上,研究在紫外可见光源激发下所制备材料的发光特性,包括室温下发光的动态和静态特性,研究敏化离子与作为发光中心的Yb3+间的能量传递及其传递效率。研究基质结构、组分和种类对同一离子对的发光影响。

    (d)深入研究在具体的发光体系中,粉末和玻璃陶瓷的发光性能,能量传递机理,量子剪裁效率并进行对比,找出发光规律,进行理论分析,并发现应用前景。

    总之,该方向是光学学科方向的重要分支。若补充设备申请可以立项,将对光学学科建设起到重要的支撑作用,对提高学院整体的科研和教学水平起到积极的促进作用。

 

(4)微纳光学器件设计、制备和应用研究

    本研究方向围绕微纳光学器件的设计、制备和应用开展研究。近年来,微电子加工工艺的发展使得人们的研究领域进入到了微米、纳米领域,使人的认识进一步深入,使得传统的光学及其技术进入到了微光学、微机械的领域。这对光学领域特别是信息领域的发展将产生难以估量的作用。

    微电子工业在光刻和刻蚀技术的逐渐发展成熟,已经可以为制作体积更小、具有更加精细结构的元件提供了完善的工具。同时衍射光学理论和计算机技术的发展为设计具有微米、亚微米量级特征尺寸的光学元件提供了理论基础。利用该类型的衍射微光学元件可以实现光束的发射、聚焦、传输、成像、分光、图像处理、光计算等一系列的功能。该方向是现代光学与微电子技术、计算机技术、光电检测技术相互融合、渗透而形成的前沿交叉学科。微纳光学器件以光的衍射作为基本原理,具有微型化、轻型化、可复制、价格低、可设计产生任意形状的波前、可把多种功能集中于一个器件上等其他器件不可比拟的特点。目前,微纳光学产业正逐渐形成,且发展迅猛,已经成为二十一世纪的前沿学科。

    前期主要针对微纳米尺度的光学效应、加工工艺及微纳米光学元件在光电检测应用中的关键基础性技术问题开展研究,主要开展的研究内容为:

    (1)微纳光学基础理论的研究:利用波前调制方法得到小于爱里斑衍射极限的光斑,从而提高光学系统的分辨率。开展了利用环带型相位光瞳滤波器提高光学系统分辨率的理论研究,开发出了一系列的新型微光学结构;

    (2)微纳光学器件加工工艺的研究:开展了利用微电子工艺制作微光学器件的研究,重点研究了利用压印与软刻蚀方法制作微光学器件的工艺,此方法具有工艺简单、造价低、可大批量生成的优点,利用此工艺分别加工制作了微结构光栅、达曼光栅、微透镜阵列等微光学器件;

    (3)微纳光学器件在提高传统光电检测设备性能应用的研究:利用超分辨光瞳滤波器减小了光学头的聚焦尺寸,从而极大提高了光盘存储容量。相关研究成果多次发表在《Applied Optics》和《中国激光》等国内外期刊上,并且已经申请了两项国家发明专利。

 

 

 

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