超拉伸水凝胶热电偶（英文）

可拉伸温度传感对实现人机触觉交互和温度调节至关重要,这些传感元件需要贴合特异性表面,且在拉伸条件下保持温度感知的精度.现有可拉伸温度传感器由于温度和形变引起电阻变化的相互干扰,在拉伸过程中存在固有的传感不稳定问题.本文提出了一种超可拉伸水凝胶热电偶,通过构建具有动态交联双网络的热电水凝胶,实现水凝胶热电偶的超拉伸性.通过设计的P型和N型热电水凝胶,构建热电偶单元.热电偶表现出1.93 mV K^-1的高塞贝克系数,即使在100%的拉伸应变下,灵敏度依然保持稳定.本文的研究结果为可拉伸温度传感器提供了一种新的策略,并有望广泛应用于智能可穿戴设备.     

溶解制造多孔金属玻璃（英文）

简单、精密、可控的制造技术在功能表面中具有广阔的应用前景.在这项工作中,我们通过使用食盐这种水溶性材料作为模板,利用金属玻璃优异的热塑成型性能,成功地实现了多孔金属玻璃的溶解制造.通过这种溶解制造方法制备的微/纳米结构具有良好的可调控性,不仅可以制备大面积多孔结构,还可以制备具有纳米级复制精度的有序规则阵列.其中,通过可溶性模板策略制备的无序多孔结构具有约140°的水滴接触角和接近于0°的油滴接触角,可用于油水分离,并且在强酸和强碱的环境中浸泡后表现出稳定的润湿性.即使在严重磨损后,带有多孔结构的表面仍可保持约130°的水滴接触角和约4°的油滴接触角.此外,该策略显示出优异的可重复使用性能.通过在同一个金属玻璃表面上重构三次多孔结构,发现每次重构的多孔结构的润湿性没有显著变化.本文的研究成果为制备多级孔结构及功能表面提供了一种简便可控的方法.     

自还原法合成超小尺寸钯加氢催化剂（英文）

负载型超小尺寸金属纳米颗粒在多相催化过程中表现出优异的催化性能.虽然已经发展了一些合成方法,但仍缺少便捷地合成超小尺寸催化剂的方法.通常情况下,加氢金属催化剂往往需要经过高温还原过程.但过量的还原剂,如H₂,会导致金属纳米颗粒的聚集.本研究利用含有有机配体的钯前驱体合成了金属氧化物负载的超小尺寸钯催化剂.在惰性气氛下,通过简单的煅烧即可得到尺寸均一、超小的Pd纳米颗粒(～1 nm).有机配体中的-CH_x基团与氧化物载体的表面氧物种反应促进了Pd物种的还原.同时,反应过程中原位产生的CO和氧空位稳定了超小尺寸纳米颗粒.该方法所制备得到的催化剂具有较高的抗烧结能力、优异和稳定的催化加氢反应性能.     

全氧化镓薄膜同质p-n结（英文）

制备p-n结以及探索其物理机制在发展各种功能器件和推进其实际应用中起到关键作用.超宽禁带半导体在制备高压高频器件上有着巨大的潜力,但是氧化镓p型掺杂困难限制了氧化镓同质p-n结的制备,进而阻碍了全氧化镓基双极型器件的发展.本文通过一种先进的相转变生长技术结合溅射镀膜的方法,成功制备了n型锡掺杂β相氧化镓/p型氮掺杂β相氧化镓薄膜.本工作成功制作了全氧化镓单边突变同质p-n结二极管,并且详细分析了器件机理.该二极管实现了4×10⁴的整流比、在40 V下9.18 mΩcm²的低导通电阻、4.41 V的内建电势和1.78的理想因子,并在交流电压下表现出没有过冲的整流特性以及长期稳定性.本工作为氧化镓同质p-n结初窥门径,为氧化镓同质双极型器件奠定了基础,为高压高功率器件的应用开创了道路.     

硅太阳能电池供能的有机电化学晶体管光电子器件（英文）

越来越多的研究将有机电化学晶体管(OECT)用于新颖的电学设备,然而这些设备天然需要两个仪器电源,不利于将其应用于对能源供应有严格要求的便携和可穿戴体系.本文通过将单晶硅太阳能电池组装到OECT的回路中并以光作为燃料,构建了自供能和光调控功能的有机光电化学晶体管(OPECT)光电子器件.以基于聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸酯)(PEDOT:PSS)的耗尽型和增强型OECT为例,我们设计了不同的光寻址结构并系统地研究和比较了相应的特性.通过合适的光调制,我们实现了不同的器件行为,且这些器件表现出优异的性能.在应用层面,我们设计了光逻辑电路,其不同的特性可以通过相应的辐照度来调控;此外,我们展示了光控的OECT单极逆变器,并根据系统的能源供应和阻抗进行了优化.本工作代表着新型的OPECT光电子器件,合理地将其与柔性基底和太阳能电池组装有望应用于便携和可穿戴器件领域.     

聚合物电介质表面电荷积聚的根本原因（英文）

聚合物电介质在使用过程中表面会积聚大量的电荷,导致局部电场畸变、闪络、爆炸和设备损坏等问题.由于造成电荷积聚的聚合物载流子深陷阱的主要构成目前仍不清楚,这一瓶颈问题目前仍未得到有效解决.本文基于开尔文探针力显微镜(KPFM)和磁力显微镜(MFM)观测了纳米微区聚合物自由基的电荷行为,发现自由基表现出深陷阱的特性.第一性原理计算发现出现自由基后的体系中存在深能级缺陷态.微观和宏观的电荷测量表明,清除自由基后的聚合物表面电荷量显著减少,这为聚合物电介质在诸多领域中的安全使用提供了有效的材料改性方案.本文首次揭示了电介质中的自由基是深陷阱,为后续关于聚合物电介质的电荷特性方面的研究提供了重要的理论指导.     

低温条件下反常的铁电保持（英文）

理解铁电材料畴结构在低温条件下的翻转行为,对于铁电物理以及其在宽温域的应用都非常重要;然而,目前在低温条件下直接观测介观尺度下的畴翻转仍然面临着巨大的挑战.本论文利用铁酸铋(BiFeO₃)作为模型来研究3.6–260 K温度范围内的铁电畴翻转行为.菱形相的BiFeO₃在温度为130 K时观测到了明显的铁电保持失效现象;这是因为BiFeO₃在130 K附近有较大的热释电系数,从而使其升温到该温度附近时释放了大量的热释电电荷,进而产生较强的退极化场,导致铁电极化翻转.另外,本论文还发现通过纳米尺度设计相界可以有效地抑制铁电保持失效.本研究为变温条件下,尤其是低温温域,研究铁电翻转提供了实验范式.     

相溶解协同提升高熵合金的强度和塑性（英文）

热处理是金属材料热机械加工的常用手段.随着热处理温度的升高而湮灭的缺陷通常导致材料的塑性提升而强度降低.本研究中,我们通过提高热处理温度促进相溶解而协同提升了TiZrNbTa高熵合金的强度和塑性.当热处理温度从800提升至1250°C,合金的拉伸屈服强度提高了40%,达到1003±16 MPa.同时,合金的伸长率增加了近一倍,达到16.79%±1.03%.热处理温度提升引起的相溶解加剧了晶格畸变,从而增强了晶格摩擦应力并提升了屈服强度.相溶解也降低了界面失配并缓解了应力集中.此外, 1250°C热处理合金中的局部化学有序结构促进了位错共平面滑移和位错增殖.两种机制共同提升了合金的塑性.该研究不仅扩展了关于金属材料中热处理和相溶解的理解,而且也为合金的强韧化设计提供了思路.     

表面自由能对二维结晶的影响（英文）

二维分子晶体是一类具有优异光电性能的新兴材料.然而,由于人们对决定二维结晶的因素知之甚少,二维分子晶体的生长极具挑战.我们研究了有机半导体的二维结晶和表面自由能之间的关系,提出了利用表面自由能各向异性因子来衡量二维结晶趋势的设想.以两个BTBT衍生物为例,我们发现具有大的g因子的分子有不受外界条件干扰的二维结晶趋势.这项工作为合理设计可二维结晶的有机半导体提供了指导.     

硼酸盐:氧离子导体设计的一个新方向（英文）

降低固体氧化物燃料电池(SOFCs)的工作温度正在推动新型氧离子导体材料的开发.在此,受氧离子导体材料结构共性的启发,基于Sr(Si/Ge)O₃材料中刚性(Si/Ge)₃O₉基团无法容纳氧空位,以及BO_n多面体在配位数、旋转、变形和连接上的巨大灵活性,我们首次通过计算预测和实验验证,报道了基于硼酸盐的新型氧离子导体材料(Gd/Y)_1-x-Zn_xBO_3-0.5x.(Gd/Y)BO₃中的氧空位可以通过孤立的B₃O₉三元环形成B₃O₈结构单元来容纳,并通过B₃O₉和B₃O₈单元之间的氧交换合作机制来传输,而这些结构单元作为过渡态的打开和伸展则有助于氧的传输.这项研究为设计和开发新型氧离子导体开辟了新方向,有望从硼酸盐家族发现更多新的氧离子导体.     

可定制多孔玻璃表面的溶解制造策略（英文）

玻璃表面微纳结构的设计和制造在实现所需功能方面具有重要意义.然而,玻璃固有的硬度和脆性给传统制造方法带来了不便.因此,开发一种简单且可控的制造策略对于制备具备功能应用的微纳结构玻璃至关重要.在本文中,我们提出了一种创新方法,利用可溶性氯化钠颗粒作为前驱体模板,在玻璃表面上创建可定制的多孔结构.通过我们的先导成型策略,成功利用可溶性氯化钠颗粒的潜力作为前驱体模板,从而便于制造量身定制的多孔玻璃表面.通过调节这些颗粒的大小和组合,我们实现了对所得多孔玻璃的连续调控,范围从超亲水(1°)到超疏水(142°).值得注意的是,制备的多孔玻璃表面表现出显著的亲油性,展示了在油水分离和自清洁等多种应用方面的巨大潜力.最重要的是,即使经过了10次制造迭代,玻璃表面的疏水-亲油功能依然完好,凸显了我们策略的耐久性和可重复性.这种方法为实现玻璃的特殊功能提供了方便且具有成本效益的途径,为不同领域的进展铺平了道路.     

超稳定石墨烯气凝胶的电磁屏蔽性能研究（英文）

石墨烯气凝胶(GAs)在解决下一代电子器件电磁屏蔽污染方面引起了广泛关注.但是,由于超轻石墨烯气凝胶在复杂环境中结构不稳定,其在电磁屏蔽的实际应用中仍面临巨大的挑战.在此,我们提出一类机械结构稳定的石墨烯气凝胶,其展示出优异可靠的电磁屏蔽性能.这类气凝胶呈现出面面堆叠的结构,在密度ρ=3.7 mg cm-3,高度1 m m时,电磁屏蔽效能可达到6 4.1 d B,比电磁屏蔽效能达到173,243 dB cm2g^-1,远超现有报道的碳基材料.同时,石墨烯气凝胶具有优异的环境适应性,在机械形变、极端温度、燃烧及水下等环境中均可保持性能稳定.此外,制备的石墨烯气凝胶可通过真空袋装工艺进行包装运输,解决了超轻材料实际应用中低密度与大体积的矛盾,且在这一极端变形过程中材料结构和性能均未产生破坏.该研究为石墨烯气凝胶电磁屏蔽材料的实际应用铺平了道路,且拓展了其实际应用场景,比如航天、军事战机及海洋领域.     

分子桥连石墨烯/银用于高性能导电浆料（英文）

印刷作为一种增材制备技术可以降低制备过程中的材料成本并减少对环境的污染.银导电浆料常用于各种电子印刷器件,如互联网、电感、天线等领域.然而贵金属银的高成本限制了其大规模应用.为了降低目前银导电浆料的成本,本文提出了一种分子桥连的石墨烯/银(MB-G/A)导电浆料,并应用于高导电性、低成本的纸基电子器件.石墨烯可以取代部分银纳米颗粒,降低成本的同时形成合适的导电网络,从而保证了良好的导电性能.采用巯基乙胺作为分子桥连剂,其一端通过叠氮反应锚定在石墨烯表面,另一端通过巯基官能团与银原子成键,实现石墨烯和银之间分子尺度的桥连,从而促进石墨烯/银界面的电荷传输.结果表明所制备的MB-G/A导电浆料的最大电导率可达2.0×10⁵S m^-1,且可成功应用于各种电子器件中.此外,最优的MB-G/A导电浆料的成本与纯银导电浆料相比减少了至少一半.该MB-G/A导电浆料在商业化电子器件领域具有良好的应用前景.     

3C-SiC各向异性行为的原位纳米划痕研究（英文）

立方碳化硅(3C-SiC)是一种在极端条件下具有优异机械和物理性能的理想材料.然而,由于其生长深度有限且脆性较高,研究其材料去除和摩擦性能具有一定的挑战性.在本研究中,我们使用扫描电子显微镜对厚度约为20μm的3C-SiC单晶进行了原位纳米划痕研究,并观察了其各向异性行为.随后在(100)平面上沿[110]和[100]方向分别进行了纳米划痕实验.与[100]方向相比,[110]方向在划痕过程中表现出更高的硬度,导致材料去除率较低和摩擦系数较高.通过对划痕沟槽的原子级分辨观察,我们发现3C-SiC的塑性去除是通过位错滑移和显著的晶格畸变实现的.在塑性变形阶段,两个划痕方向的亚表面主要经历了全位错滑移.此外,强烈的应变导致了多晶化,这是3C-SiC中的一个重要变形机制.     

波前可控的全硅太赫兹超构起偏器（英文）

直接从非偏振波中产生偏振波并同时操纵波前的超材料器件可用于先进的光学系统.然而,传统的波前可控偏振转换超表面(PCMs)依赖于具有特定偏振状态的入射波,而不是非偏振波.少数经特殊设计的超构起偏器虽然已经从非偏振波中获得了偏振波,但没有同步地实现波前操控.本文报道了基于全硅材料的波前可控的太赫兹超构起偏器,它比传统的超构起偏器和波前可控PCMs具有更高的集成特性.这种太赫兹超构起偏器将特定相位分布融入超构原子的波束干涉中,直接从非偏振太赫兹波产生偏振太赫兹波,并同步实现波前操控,有望为太赫兹波操控领域带来新的影响.     

基于透明活性层的高效柔性半透明有机太阳能电池（英文）

柔性和半透明是有机太阳能电池(OSCs)的重要优势,受到科学界和工业界的广泛关注.目前,提高柔性半透明OSCs(ST-OSCs)性能的关键是柔性透明电极(FTEs)和吸光活性层.本文制备了透过率为84.8%的复合FTEs,这使得活性层可以高效捕获太阳光,优化了器件中的光管理.此外,在活性层中采用了多种成熟的策略,包括构筑类合金近红外受体(Y6:m-BTP-PhC6)和稀释可见光范围强吸收的给体(PM6),使得每个光子被精确利用,有效平衡了ST-OSCs效率和透过率之间的冲突.利用以上策略,提高了活性层中可见光的透过和近红外光的吸收,最终获得了高透明度的活性层,其平均可见光透过率(AVT)值为39.3%.基于此,柔性不透明和半透明OSCs分别获得了16.44%和11.48%的能量转换效率,这是目前柔性ST-OSCs的最高效率之一.本工作对实现具有优异鲁棒性和高性能的ST-OSCs具有重要的指导意义,也为其实际应用迈出了重要一步.     

Sb掺杂的CaZnOS层状半导体中的宽带多模发射（英文）

力致发光(ML)智能材料由于其独特的机械能-光能转换特性,有望用于应力传感器、新型显示和先进的柔性光电器件.然而,单一材料的窄波长范围ML发射特性限制了它们的应用范围.在这项工作中,我们报道了Sb掺杂的Ca Zn OS层状半导体中的宽带多模态发射.使用高温固相法合成了一系列具有不同Sb³⁺掺杂浓度的Ca Zn OS层状结构粉末. Ca Zn OS:Sb³⁺荧光粉实现了400–900 nm ML的宽谱发光范围,可调光致发光,两个发射峰位于465和620 nm,我们还系统研究了X射线诱导发光特性.我们还实现了Sb³⁺和Bi³⁺共掺杂样品的超宽暖白光ML发射.因此,这些ML荧光粉将有望用于智能照明、显示、可见应力传感器以及X射线成像和检测.     

近红外光遥控酶催化反应的分子开关纳米平台（英文）

酶具有优异的生物催化功能,基于此高效催化性能,体内酶促反应在生物医学领域具有广阔的应用前景.然而,目前的主要局限在于如何在体内实现酶反应的精确控制.本文设计了一种以上转换纳米颗粒为核心,以供体-受体Stenhouse加合物(DASA)分子开关为包覆层的功能化纳米平台,用于近红外光触发的体内酶促反应.在近红外辐射下,上转换纳米颗粒可以发出明亮的绿光使聚合物异构化,进而改变分子开关门控聚合物层的渗透性,使酶与底物接触发生酶促反应.分子开关聚合物的光异构化是可逆过程,调控过程不影响酶的生物活性,因此基于该纳米平台的酶反应器调控具有可逆性,实现了对酶反应的精确时空控制.利用小鼠动物模型进一步证实了近红外光对酶催化反应的时空操控.这种纳米平台不仅拓宽了DASA的应用范围,也为体内药物传递和酶替代治疗提供了新的策略.     

用于人工突触的染料敏化钙钛矿/有机半导体三元晶体管（英文）

人工智能因其类脑工作模式和高效任务处理能力而受到广泛关注.光刺激突触器件在神经形态计算领域应用潜力巨大.本文报道了具有三元光敏材料体系的光刺激突触器件,该体系由有机金属卤化物钙钛矿CH₃NH₃PbBr₃、有机染料罗丹明B和有机半导体并五苯组成.我们发现,通过引入罗丹明B,复合器件的光吸收和光响应性能得到显著提升.通过调整输入信号,复合器件表现出了良好的仿真学习行为.并且,这些器件可对强度低至1.1μW cm^-2的光信号响应,并能在低电压下进行工作.器件在-50μV的源漏电压下实现了1.25 fJ的超低功耗,这一能量损耗与单次生物突触活动的能耗相当.此外,复合突触器件还实现了自我学习过程,表现出了良好的学习效率.同时,它们可识别不同摩斯电码之间的细微差别,未来可应用于加密信息解码领域.本文所提出的三元突触器件拥有优异的光性能,在开发人工智能方面具有广泛的应用前景.     

用于微电池的超高功率密度铁氧硫化物薄膜（英文）

作为微电池的核心指标之一,面积功率密度决定了微电池与应用于物联网的微电子器件集成时所需的面积.目前,由于微电子器件尺寸有限,微电池的实际应用受到低面积功率密度的限制.本文研究发现,经过原位等离子体预处理衬底后,溅射的铁氧硫化物薄膜(FeO_xS_y)具备超高功率特性.这种原位等离子体预处理可作为一种通用的界面优化策略来抑制长循环过程中的机械衰变.该正极薄膜展现出极高的功率密度和稳定的循环性能,这是由其高度的结构完整性(强大的界面粘附性和应力释放的岛)、完美的电化学可逆性以及近表面电荷交换(赝电容锂存储机制)的协同作用导致的.预处理的FeO_xS_y薄膜可以输出高达14.6 mW cm^-2的功率密度和291μW h cm^-2μm^-1的体积能量密度.制备得到的正极薄膜的功率密度优于已报道的具有相当面积容量的溅射薄膜.本工作提出了一种简单且高效的预处理方法来制备具有超高功率密度且稳定的微电池薄膜电极.