多尺度晶体材料的原位表征技术与计算模拟研究进展 被引量：3

1

作者 陈昆峰 胡乾宇 +1 位作者 刘锋 薛冬峰 《无机材料学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2023年第3期256-269,共14页

大尺寸晶体材料是半导体、激光、通讯等领域的基础原料,大尺寸、高品质晶体材料的制备已成为制约相关行业发展的瓶颈。我国面临的“卡脖子”技术中大多与关键基础材料相关。大尺寸晶体材料制备理论与技术是我国新材料产业高质量发展的... 大尺寸晶体材料是半导体、激光、通讯等领域的基础原料,大尺寸、高品质晶体材料的制备已成为制约相关行业发展的瓶颈。我国面临的“卡脖子”技术中大多与关键基础材料相关。大尺寸晶体材料制备理论与技术是我国新材料产业高质量发展的一个重要方面,也是提升相应高技术产业的基础,突破大尺寸晶体材料的制备理论和技术是获得高品质大尺寸晶体材料的关键。探究并准确理解大尺寸晶体生长机理需要借助原位表征技术和多尺度计算模拟方法。单一的原位表征和模拟技术只能探究特定时间和空间范围内的结晶信息,为了准确反映结晶过程需要综合应用多种方法。本文综述了最新的多尺度晶体生长研究的原位表征方法、多尺度计算模拟技术以及机器学习方法,为发展结晶理论和控制晶体品质提供重要的实验和理论依据,并将为提升大尺寸晶体生长工艺的开发而服务。 展开更多

关键词 晶体生长 多尺度结晶 振动光谱 原位观测 多尺度模拟计算 综述

在线阅读 下载PDF 职称材料

大尺寸晶体快速生长理论与技术的研究进展 被引量：9

2

作者 刘锋 陈昆峰 +1 位作者 彭超 薛冬峰 《人工晶体学报》 CAS 北大核心 2022年第9期1732-1744,共13页

“如何突破大尺寸晶体材料的制备理论和技术”是中国科协发布的2021年度的十大前沿科学问题之一,揭示晶体生长机制和突破生长关键技术是大尺寸功能晶体发展的两个趋势。在原子分子尺度上,晶体生长可以是有势垒的热激活过程,也可以是无... “如何突破大尺寸晶体材料的制备理论和技术”是中国科协发布的2021年度的十大前沿科学问题之一,揭示晶体生长机制和突破生长关键技术是大尺寸功能晶体发展的两个趋势。在原子分子尺度上,晶体生长可以是有势垒的热激活过程,也可以是无势垒的超快结晶过程,这与具体的体系以及晶面有关。从界面属性角度来看,光滑界面是以台阶拓展的方式生长;粗糙界面没有明显的固-液分层,通过局部原子固化进行生长。本文从晶体生长理论模型、生长技术及其应用实例,以及分子动力学方法在晶体生长中的应用等方面探讨了近些年大尺寸晶体快速生长理论和技术的研究进展。目前有多种方法制备大尺寸晶体,但普遍存在制备的晶体质量差和性能不稳定等问题。需要突破对晶体生长微观机制上的认识,建立机制与温度、流速等外界因素的内在联系。而利用机器学习力场以及分子动力学模拟方法,建立固-液界面,模拟晶体生长,将是探究晶体生长微观机制的一种有效方式。 展开更多

关键词 大尺寸晶体 人工晶体 晶体生长模型 生长理论 固-液界面

在线阅读 下载PDF 职称材料

双碳目标下的多尺度稀土新材料研究 被引量：8

3

作者 陈昆峰 马天宇 +2 位作者 王安良 张一波 薛冬峰 《无机盐工业》 CAS CSCD 北大核心 2021年第12期1-13,共13页

“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”是中国对国际社会的庄重承诺。材料是实现碳减排技术的重要物质基础。通过介绍多尺度稀土新材料在能源存储、废气/尾气催化、电催化、永磁电机等领域应用的最新研究... “二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”是中国对国际社会的庄重承诺。材料是实现碳减排技术的重要物质基础。通过介绍多尺度稀土新材料在能源存储、废气/尾气催化、电催化、永磁电机等领域应用的最新研究进展,分析了多尺度稀土新材料在攻坚双碳目标中发挥的作用。稀土是重要的“工业维生素”,着重介绍了稀土在原子离子、纳米微米、体块等尺度上对功能材料展现的独特作用。在量子材料方面,分析了稀土强关联固态电解质、稀土超导材料及稀土阻挫材料的最新研究进展。希望新型稀土功能材料的开发在减少碳排放方面起到促进作用。 展开更多

关键词 尾气废气催化材料 电池材料 永磁体 电催化材料 量子材料

在线阅读 下载PDF 职称材料

介尺度设计功能新材料研究进展 被引量：2

4

作者 史国强 徐珂 +1 位作者 陈昆峰 薛冬峰 《无机盐工业》 CAS CSCD 北大核心 2023年第3期1-9,共9页

随着材料多尺度问题的认识与提高,新材料设计的构效关系已经远远超越了结构-性能关联,而是往更加本质的体系自由度及其耦合机制方向深入拓展。新材料设计需要从材料的量子本质明确其性质来源。介尺度结构的动态演变过程表现出了丰富的... 随着材料多尺度问题的认识与提高,新材料设计的构效关系已经远远超越了结构-性能关联,而是往更加本质的体系自由度及其耦合机制方向深入拓展。新材料设计需要从材料的量子本质明确其性质来源。介尺度结构的动态演变过程表现出了丰富的量子效应,同时材料中的电荷、自旋、轨道、晶格、缺陷、掺杂等自由度及其耦合是材料丰富功能的本质起源。基于介尺度动态结构演变的思想,建立从“分立结构”到“动态结构”到“多尺度多层次结构”的新材料设计思路,基于多自由度耦合范式建立多自由度耦合、解耦的模型,定性、定量、定位地表达各种相互作用对功能材料性质的贡献,是实现功能新材料量子设计的有效途径。重点论述了介尺度设计功能新材料的最新研究进展,特别集中于团簇、量子点、量子材料、稀土基材料等介尺度调控及其特殊性能。 展开更多

关键词 介尺度 多自由度 量子设计 功能新材料

在线阅读 下载PDF 职称材料

稀土倍半氧化物晶体材料研究进展 被引量：2

5

作者 刘锋 陈昆峰 薛冬峰 《材料导报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第3期95-101,共7页

稀土倍半氧化物晶体是一类非常适合用于超快激光增益介质、磁光介质的材料,人们对其研究始于20世纪20年代,其由于具有高热导率、宽荧光光谱、低声子能量等优点,至今仍然是先进材料领域的研究热点。“如何突破大尺寸晶体材料的制备理论... 稀土倍半氧化物晶体是一类非常适合用于超快激光增益介质、磁光介质的材料,人们对其研究始于20世纪20年代,其由于具有高热导率、宽荧光光谱、低声子能量等优点,至今仍然是先进材料领域的研究热点。“如何突破大尺寸晶体材料的制备理论和技术”位列2021年中国科协发布的十大前沿科学问题之首,这也明确了提高大尺寸晶体材料的制备技术是晶体商业应用的关键。材料的结晶本征属性及其晶体质量是多尺度水平上体系不同自由度相互耦合的结果,因此,开发高品质的稀土倍半氧化物材料需要从多尺度水平上研究体系中稀土离子键合、熔体结构演化、晶体生长等多层次多因素问题。本文聚焦在微观尺度上稀土离子电负性的强弱对熔体中阳离子配位数的影响、熔体结构的实验与模拟计算研究以及晶体生长等方面的最新进展。稀土倍半氧化物熔点高(≥2400℃),限制了铱坩埚以及大多数熔体法生长技术的使用,导致英寸级稀土倍半氧化物晶体开发缓慢。采用助溶剂法、热交换法以及设计低熔点组分是制备大尺寸高质量稀土倍半氧化物晶体的研发重点。为了推动稀土倍半氧化物的商业化应用,揭示稀土离子配位结构、熔体结构演化、生长过程中的缺陷形成机制,开发大尺寸晶体生长技术是目前需要亟待解决的关键科学挑战和技术瓶颈。 展开更多

关键词 稀土倍半氧化物晶体 计算模拟 晶体生长与制备

在线阅读 下载PDF 职称材料

晶格工程电子态调控研究

6

作者 张丹彤 薛冬峰 《量子电子学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第6期839-851,共13页

晶格工程在材料科学和器件设计领域扮演着关键角色,通过精确构建晶格有序态、超晶格态、晶格缺陷态等,能够有效构筑材料的拓扑有序态,实现宏观尺度晶格架构定制并提升其在光、电、磁等领域的性能。基于晶格的本征周期性形成的拓扑有序... 晶格工程在材料科学和器件设计领域扮演着关键角色,通过精确构建晶格有序态、超晶格态、晶格缺陷态等,能够有效构筑材料的拓扑有序态,实现宏观尺度晶格架构定制并提升其在光、电、磁等领域的性能。基于晶格的本征周期性形成的拓扑有序态材料,其特殊的能带结构在电子输运过程中表现出高导电性、较低的能量损耗以及特殊的量子霍尔效应;基于超晶格的空间组装性和纵向旋转性构筑的摩尔条纹系列材料,为光电传感器和光子学器件等性能的提升开辟了新途径;而晶格缺陷能够有效构筑局域电子态、缺陷自旋态等特殊效应,有利于设计磁性调控和磁存储器件。 展开更多

关键词 量子光学 晶格工程 晶格缺陷 超晶格 晶格应变

在线阅读 下载PDF 职称材料

稀土改性锂基氧化物固态电解质研究现状与展望 被引量：2

7

作者 张家庆 张达 +2 位作者 陈昆峰 薛冬峰 梁风 《材料导报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第3期74-82,共9页

全固态锂电池具有能量密度高和安全性好等优点,成为新能源领域的研究热点。固态电解质作为全固态锂电池的核心部分,决定了电池的能量密度、循环稳定性以及安全性等。其中,氧化物固态电解质因离子电导率高、电化学窗口宽、力学性能优异... 全固态锂电池具有能量密度高和安全性好等优点,成为新能源领域的研究热点。固态电解质作为全固态锂电池的核心部分,决定了电池的能量密度、循环稳定性以及安全性等。其中,氧化物固态电解质因离子电导率高、电化学窗口宽、力学性能优异而备受青睐,所涉及的研究体系主要包括石榴石型、NASICON型以及钙钛矿型固态电解质。然而,烧结温度高、室温离子电导率低、结构不稳定使其难以满足实际应用。本文概述了石榴石型、NASICON型以及钙钛矿型氧化物固态电解质近年的研究现状和存在的问题;总结了具有大离子半径、高价态、低电负性、可变配位数和4f5d电子结构的稀土离子在改性氧化物固态电解质时起到的增加致密度、提高离子电导率以及稳定高离子导电晶相的作用;分析了当前稀土改性氧化物固态电解质面临的主要科学问题和技术瓶颈;最后,对未来稀土改性氧化物固态电解质发展方向进行了展望。 展开更多

关键词 稀土 氧化物固态电解质 改性 离子电导率

在线阅读 下载PDF 职称材料

凝结时空精华,铸就序构材料,力促大尺寸功能晶体新发展 被引量：1

8

作者 薛冬峰 苏良碧 徐军 《无机材料学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2023年第3期225-227,共3页

中国科学技术协会发布的2021年重大科学问题、工程技术难题和产业技术问题,将“如何突破大尺寸晶体材料的制备理论和技术”列为首要问题,位居十个对科学发展具有导向作用的前沿科学问题之首。这不仅对于进一步激发功能晶体材料领域研究... 中国科学技术协会发布的2021年重大科学问题、工程技术难题和产业技术问题,将“如何突破大尺寸晶体材料的制备理论和技术”列为首要问题,位居十个对科学发展具有导向作用的前沿科学问题之首。这不仅对于进一步激发功能晶体材料领域研究人员的好奇心和自由探索热情,引领科技创新趋势和科研攻关方向,服务国家科技创新发展具有重要意义,而且将引导功能晶体材料领域广大科技工作者围绕问题开展原创性、引领性的科技攻关,为加快建设科技强国作出更大贡献,以优异成绩丰富中国式现代化内涵。大尺寸晶体材料在矿物学领域自然天成,常常令材料科技工作者感到震惊。例如,在所有已获认证的晶体中,最大尺寸的晶体是来自马达加斯加共和国的绿柱石,长18 m,直径3.5 m,体积约为143 m^(3),质量约为380 t。追溯矿物的形成过程,人们不难发现形成大尺寸晶体在时空上的基本要求是时间长、空间大。因此,道法自然,生长大尺寸功能材料装备的研制与晶体生长动力学研究是两个关键自由度。由于晶体生长动力学与热力学互为函数,晶体生长的宏观行为不但在多尺度水平上受到结晶学结构对称性、组成元素间键合行为、晶体缺陷等多种物理化学因素制约,而且在多层次上受到生长装备塑造的生长环境的影响。随着数值模拟计算、SolidWorks和COMSOL多物理场仿真软件,以及结晶固液界面形态可视化技术、装备自动化升级和多种原位检测技术的广泛应用,可利用电子背散射衍射和中子衍射等检测手段,从多维度、多尺度表征晶体的色心、局域配位结构、位错和晶界缺陷。开展晶体生长动力学与热力学研究可以依赖越来越丰富的精确数据。基于对“零缺陷”功能晶体的发展需求,大尺寸人工晶体总体上呈现从传统的单温区向多温区、传统的单加热体向多加热体耦合方向发展,更多深入系统的研究成果将会越来越振奋人心。 展开更多

关键词 科技工作者 加热体 科技强国 最大尺寸 自然天成 中子衍射 人工晶体 创新趋势

在线阅读 下载PDF 职称材料

高热稳定性α-氧化铁的宏量制备及其电化学性能研究

9

作者 路正 陈昆峰 薛冬峰 《无机盐工业》 CAS CSCD 北大核心 2022年第3期45-50,共6页

氧化铁(Fe2O3)是一种重要的n型半导体材料,被广泛应用于染料、废水处理、光催化和锂离子电池等领域。采用水热法合成了不同直径大小的片状结构的α-氧化铁,其中大尺寸的片状α-氧化铁在1000℃仍能保持原有的表观颜色和形态,证明了其具... 氧化铁(Fe2O3)是一种重要的n型半导体材料,被广泛应用于染料、废水处理、光催化和锂离子电池等领域。采用水热法合成了不同直径大小的片状结构的α-氧化铁,其中大尺寸的片状α-氧化铁在1000℃仍能保持原有的表观颜色和形态,证明了其具有高热稳定性,在油漆、染料等领域具有较大的应用潜力。研究了氢氧化钠与三氯化铁溶液浓度及其混合顺序对α-氧化铁材料性能的影响,并且分析了片状α-氧化铁的带隙、锂离子电池性能及粉体表观颜色与颗粒尺寸的依赖关系。结果表明,通过调整氢氧化钠溶液的浓度和氢氧化钠与三氯化铁的滴加顺序可以得到不同尺寸的片状α-氧化铁,α-氧化铁的颜色随着其颗粒尺寸的增大而加深,带隙随着颗粒尺寸的减小呈现上升趋势,并且纳米级颗粒相对于微米级颗粒会提高锂离子电池的实际容量。该研究有助于研发α-氧化铁的宏量制备工艺及发掘其在电化学、陶瓷釉料、颜料等方面的应用,对降低传统能源活动的碳排放、推动中国早日实现“双碳”的国家目标具有重要的意义。 展开更多

关键词 氧化铁 片状结构 水热法 电化学性能 粒子尺寸

在线阅读 下载PDF 职称材料

大尺寸Er,Yb:YAG单晶的生长及其性能 被引量：2

10

作者 王志强 吴济安 +1 位作者 陈昆峰 薛冬峰 《无机材料学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2023年第3期329-334,共6页

Er^(3+)和Yb^(3+)共掺杂的YAG晶体是一种非常重要的光学晶体,目前,该晶体已经广泛应用于高功率固体激光器,但是采用提拉法生长大尺寸、低缺陷的掺杂YAG晶体仍然面临很多挑战。本工作采用快速提拉法成功获得了直径为80 mm、长度为230 mm... Er^(3+)和Yb^(3+)共掺杂的YAG晶体是一种非常重要的光学晶体,目前,该晶体已经广泛应用于高功率固体激光器,但是采用提拉法生长大尺寸、低缺陷的掺杂YAG晶体仍然面临很多挑战。本工作采用快速提拉法成功获得了直径为80 mm、长度为230 mm的Er^(3+)和Yb^(3+)共掺杂的YAG单晶。采用不同测试方法评价其结构、掺杂浓度、光吸收、发光性能和刻蚀缺陷。晶片不同位置的拉曼峰峰位以及半峰宽没有明显变化,说明晶片中心和边缘部分的晶体结构和应变是均匀的。刻蚀结果表明,腐蚀坑均匀分布在整个腐蚀表面上,没有观察到位错腐蚀坑特征,这意味着晶体接近完美。Er^(3+)和Yb^(3+)在不同波长下的强发光峰以及辉光放电质谱结果证明Er,Yb:YAG单晶中成功掺杂了稀土离子。本工作采用提拉法成功生长了大尺寸、低缺陷的Er,Yb:YAG单晶,证实了快速生长方法对YAG晶体中掺杂双稀土离子是有效的。 展开更多

关键词 YAG单晶 稀土掺杂 快速提拉法 发光性能

在线阅读 下载PDF 职称材料

电负性评估稀土离子电荷转移跃迁理论及在量子调控发光中的应用

11

作者 史国强 薛冬峰 《材料导报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第3期24-28,共5页

发光过程中存在微观粒子之间的相互作用,可将其归结为量子行为。而稀土晶态材料作为发光的载体,包含了晶格、电荷、自旋以及轨道在内的多种自由度。稀土离子在晶体中可以看作一种无机晶格活性掺杂剂。由于稀土离子半径较大,其掺杂到晶... 发光过程中存在微观粒子之间的相互作用,可将其归结为量子行为。而稀土晶态材料作为发光的载体,包含了晶格、电荷、自旋以及轨道在内的多种自由度。稀土离子在晶体中可以看作一种无机晶格活性掺杂剂。由于稀土离子半径较大,其掺杂到晶体中容易引起晶格畸变,形成空位缺陷,并进一步导致晶体的电子结构和晶格环境发生改变,形成缺陷、晶格、电子结构等多尺度结构。由稀土离子掺杂引起的缺陷可以归结为局域对称性破缺,影响晶格自由度。此外,稀土离子f电子的复杂性导致了体系中的电荷、自旋、轨道等自由度的不稳定性。因此,通过多自由度耦合方法可以明确稀土晶态材料中发光来源的本质。通过电负性评估稀土离子电荷转移跃迁理论,可以将稀土晶态材料中离子尺度的晶格自由度,以及电子尺度的电荷、自旋以及轨道自由度整合起来,实现稀土晶态材料发光的量子调控。本文主要论述电负性评估稀土离子电荷转移跃迁理论及其在量子调控发光中的应用。 展开更多

关键词 量子调控 稀土离子 离子电负性标度 自由度 电荷转移跃迁理论

在线阅读 下载PDF 职称材料