新能源材料与器件专题

• 风能收集型摩擦纳米发电机研究进展

  王启曼;李文豪;郭家玮;王堃;吴朝兴;

  有效地将自然界中的能量转换为电能对于构建环境友好型社会具有重要意义。摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator, TENG)是一种新型的机械能-电能转换装置，可实现将微弱机械能高效地转换为电能。在自然界众多的机械能中，风能因其分布广和储存量大而受到广泛关注。近年来，将风能高效率地转换为电能是TENG技术的研发重点之一。研究人员对此展开了细致的研究工作，获得大量研究进展。一般说来，风能收集型TENG的研究内容主要包括器件结构优化、摩擦起电材料的物理与化学改性以及电源管理电路设计优化。针对这些研究内容，详细介绍了近年来TENG在收集风能方面的研究进展，剖析存在的问题，并对其未来的应用和发展进行了展望。

  2022年02期 v.41;No.360 111-119页 [查看摘要][在线阅读][下载 1895K]
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• 不同孔结构碳电极材料亲电解质性改性及电化学性能研究

  赵磊;李媛;张倩倩;彭元佑;冉奋;

  碳电极材料良好的亲电解质性能够促进电解质离子在其表面吸附/脱附，从而提高其电化学性能。为了探究亲电解质性对不同孔结构碳电极材料电化学性能的影响，采用悬浮聚合、可逆加成断裂链转移活性聚合和超浓乳液聚合分别制备碳微球、介孔碳和分级多孔碳，并将具有良好亲水性的聚乙二醇(PEG)分子刷接枝在三种碳材料的表面改善它们的亲水系电解质性。电化学测试表明，相比于碳微球和介孔碳电极材料，亲水系电解质性对分级多孔碳电极材料的电化学性能的影响更为显著。在电流密度为0.625 A/g时，PEG改性的分级多孔碳电极材料比容量比未改性的分级多孔碳电极材料的比容量高245.4%。此外，当电流密度提高10倍(6.25 A/g)时，PEG改性的分级多孔碳电极材料比容量仍然达到其在0.625 A/g电流密度下比容量的64%。

  2022年02期 v.41;No.360 120-127页 [查看摘要][在线阅读][下载 1849K]
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• Ni-MOF衍生的NiMoO_4材料的超电容性能

  陈俊琳;杜佳琪;冀佳帅;刘伟;宋朝霞;

  开发可控的NiMoO_4纳米结构合成方法是获得高性能赝电容器电极材料的关键。以Ni-MOF为前驱体，采用模板转化法合成NiMoO_4纳米球，以改善其结构并提升电化学性能。采用XRD、FTIR和SEM对所制备的NiMoO_4样品的结构和形貌进行表征，并通过氮气吸脱附表征了其孔径和比表面积。MOF衍生的NiMoO_4纳米球由超薄的纳米片状结构组成，这为电解质的渗透提供了有利的路径。在1 mol/L KOH水溶液的三电极体系中测试样品的电化学性能。当电流密度为1 A·g~(-1)时，比电容高达1116 F·g~(-1)。NiMoO_4纳米球具有高比电容和优异的倍率性能，这归功于其大的比表面积和高电导率。以NiMoO_4样品为正极，活性炭(AC)为负极制备的非对称超级电容器具有长期循环稳定性，经4000次循环(5 A·g~(-1))后的容量保持率为84.6%。

  2022年02期 v.41;No.360 128-136页 [查看摘要][在线阅读][下载 2307K]
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• 树枝状氧化铁单晶的合成及其电化学性能研究

  余石金;朱文珍;童家浩;陈天瑞;何璇男;

  因其低成本和高的储锂能力，Fe_2O_3作为一种极具潜力的锂离子电池负极材料而受到广泛的关注。采用水热法一步合成Fe_2O_3,并应用在锂离子电池负极材料。采用XRD、SEM和TEM对样品的晶型与形貌进行分析，表明合成样品为树枝状Fe_2O_3单晶。在电池的电化学测试中，树枝状Fe_2O_3单晶电极表现出优异的循环稳定性(在100 mA/g下循环50次后为866.5 mAh/g)、良好的倍率性能(1 A/g充放电时的比容量保持为862.5 mAh/g)和高导电性。树枝状Fe_2O_3单晶电极良好的电化学性能可能源于单晶的高导电性、三维树枝状结构大的表面积和更多电化学活性位点。

  2022年02期 v.41;No.360 137-142页 [查看摘要][在线阅读][下载 1771K]
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• 不同SOC区间及倍率下锂电池老化分析

  庞轶;尚丽平;屈薇薇;

  选择合适的荷电状态(State of Charge, SOC)区间及放电倍率可有效减缓锂电池的老化。将可大倍率放电的钴酸锂电池作为研究对象，将其SOC划分为四个区间，结合三个不同的放电倍率进行双因素老化实验。结果表明，相同放电深度(Depth of Discharge, DOD)情况下，SOC区间越高电池老化越快；释放的容量相同，则DOD越大电池老化越快；电池老化速度在低SOC区间受放电倍率影响较小，而在中高SOC区间，则放电倍率越大老化速度越快。以DOD、SOC区间中值、放电倍率作为模型三要素，建立了基于幂率方程的锂电池老化模型，并通过实验证明了所提出的模型能较准确地预测锂电池的老化情况，拟合优度可达97.5%以上。

  2022年02期 v.41;No.360 143-148页 [查看摘要][在线阅读][下载 1557K]
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• Se和Cd掺杂GaN电子结构与光学性质的第一性原理研究

  马磊;刘晨曦;潘多桥;雷博程;赵旭才;张丽丽;

  基于密度泛函理论的第一性原理，使用GGA+U方法分别计算Se和Cd单掺与共掺杂GaN体系的晶格常数、电子结构及光学性质。结果表明：与本征GaN相比，掺杂后体系的晶格常数发生了改变，禁带宽度减小，吸收光谱均发生红移，表明掺杂使体系的光谱响应范围得到更大拓展。其中，Cd单掺GaN体系的禁带宽度最小，并在费米能级附近有杂质能级出现，说明该体系电子跃迁所需的能量最少。该体系在可见光范围内吸收系数最大，且红外现象最为明显，可推测出Cd-GaN体系的光催化性能最好，可为降解污染物提供更多的选择。

  2022年02期 v.41;No.360 149-156页 [查看摘要][在线阅读][下载 2851K]
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综述与评论

• 抑制或消除RC-IGBT回跳现象的技术发展概述

  杨贺;

  逆导型绝缘栅双极型晶体管(RC-IGBT)以其良好的软关断特性、短路特性以及良好的功率循环特性等优点，成为现在半导体功率器件技术领域研究的热点。RC-IGBT在拥有众多优点的同时，最典型的问题就是电压回跳现象，如何抑制或消除器件开启初期固有的回跳现象是RC-IGBT器件领域的技术关键。通过对RC-IGBT领域的国内外专利申请进行整理、分析，具体介绍了解决RC-IGBT器件回跳问题的五个主要技术分支：引导IGBT区法、阻断电子电流法、强化集电极短路电阻法、超结结构法、绝缘分离法，并展示了相应的典型器件结构、工作原理及其技术效果，为完全消除RC-IGBT的回跳现象以提升器件整体性能指明了技术发展方向。

  2022年02期 v.41;No.360 157-163页 [查看摘要][在线阅读][下载 1468K]
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研究与试制

• 酞菁钴微纳米线的制备及其湿敏特性研究

  徐晓洁;王浩;塔力哈尔·夏依木拉提;彭敏;

  在预处理衬底上采用物理气相输运法制备了长度100μm以上的CoPc微纳米线，并采用滴注法构筑了基于CoPc微纳米线的电阻式湿度传感器。研究了传感器的湿敏特性及其响应机理。结果显示基于CoPc微纳米线的电阻式湿度传感器具有良好的重复稳定性、低检测下限(33%RH)和快速响应-恢复时间(分别为5 s和2 s)。研究表明有机微纳米材料在高性能、低成本、柔性湿度传感器领域中具有广阔的发展前景。

  2022年02期 v.41;No.360 164-169页 [查看摘要][在线阅读][下载 1838K]
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• 基于磁流变弹性体的超材料吸波器设计与研究

  杨芾藜;郑可;

  设计了基于磁流变弹性体的超材料吸波器，该吸波器主要由硅橡胶和羰基铁粉构成。其中，在吸波器的制备阶段通过施加不同的磁场阵列形成不同的周期性结构单元，进而在不同的宏观结构和微观结构的共同作用下实现吸波特性。通过COMSOL软件仿真分析所设计吸波器的性能，然后制备相应的实物并进行测试。结果表明：反射损耗的实测结果与仿真结果基本吻合，对电磁波的损耗以磁损耗为主。当羰基铁粉质量分数为40%时，在7.28～18 GHz频段内，反射损耗均在-10 dB以下，其中9.12～12.16 GHz频段内的最小反射损耗可达-24.15 dB,吸收率达到99%以上。

  2022年02期 v.41;No.360 170-179页 [查看摘要][在线阅读][下载 2828K]
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• 基于单层频率选择表面的轻质宽频吸波体设计

  曹文博;麻晢乂培;黄小忠;姜超;

  为解决现有的微波吸波体不能同时具有低面密度和高吸收率的问题，提出了一种电阻式闵可夫斯基环频率选择结构(RMLFSS)。RMLFSS整体厚度为6.6 mm,面密度不超过0.678 kg/m~2。RMLFSS有三层，分别是电阻频率选择表面(RFSS)、PMI泡沫板和金属地面。RFSS由打印在PI薄膜上的闵可夫斯基环阵列构成，每个单元上加载8个贴片电阻。仿真结果表明正入射下，在4.7～16.75 GHz范围内，RMLFSS的反射系数小于-10 dB,分数带宽为112.4%,对应90%的吸收率，在5.8～15.95 GHz范围内，反射系数小于-15 dB,吸收率为96.8%。实测结果与仿真结果吻合较好，验证了设计的有效性。

  2022年02期 v.41;No.360 180-185页 [查看摘要][在线阅读][下载 1711K]
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• 基于分数阶忆阻器的混沌电路分析与设计

  吴朝俊;祁永伟;刘璋;杨宁宁;

  提出了一种新型的分数阶忆阻混沌电路。首先，建立了分数阶忆阻器的数学模型，通过数值仿真验证了分数阶广义忆阻器满足忆阻器的基本特性。然后，将分数阶广义忆阻器与蔡氏振荡电路相结合，建立了一种基于分数阶广义忆阻器的混沌电路模型。通过稳定性理论，对分数阶系统的稳定性进行了分析。为了进一步研究电路参数对系统动态行为的影响，利用相位图和分岔图等分析了系统随参数变化的动力学特性。结果表明，分数阶忆阻混沌电路会表现出周期和混沌等不同的动力学行为。最后，设计了分数阶忆阻混沌电路的等效电路模型，并进行电路仿真验证。实验结果与数值仿真结果基本一致，表明分数阶忆阻混沌电路具有一定的实际应用价值。

  2022年02期 v.41;No.360 186-194页 [查看摘要][在线阅读][下载 3267K]
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• 一种新型布局的圆极化微带天线阵优化设计

  傅世强;张宁;房少军;

  提出了一款高增益低副瓣新型圆极化微带天线阵。单元天线采用叠层切角圆极化微带结构，通过八边形边界布局和顺序旋转交叠组阵技术，实现了天线阵方向性图的对称性和圆极化辐射性能的最优化；馈电网络采用威尔金森功分器和最大平坦式阻抗变换器实现不等功分宽带阻抗匹配，通过改进馈电方向寻求对称结构，简化了馈电网络的设计。制作了天线阵实物并进行了测量。测试结果表明：天线在3.2～4.6 GHz频段内S_(11)<-10 dB,阻抗相对带宽36%;在3.8～4.5 GHz频段内顶点轴比小于3 dB,圆极化相对带宽17%;在4～4.4 GHz频段内天线增益均在15 dB以上，最高增益达17 dB。

  2022年02期 v.41;No.360 195-199+205页 [查看摘要][在线阅读][下载 1667K]
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• 宽频率范围的单子带压控振荡器设计

  张博;蔡林钰;吴昊谦;

  基于TSMC 180 nm CMOS工艺，提出了一种振荡频率为2～3 GHz的宽频率范围、低相位噪声的单子带压控振荡器(VCO)。采用双平衡吉尔伯特混频结构，将单子带5～6 GHz压控振荡器与固定频率3 GHz压控振荡器进行下混频，可得到振荡频率为2～3 GHz的单子带压控振荡器，实现相对带宽从18.18%到40%的展宽。其中5～6 GHz单子带压控振荡器采用互补交叉耦合结构，更易达到起振条件，采用两组可变电容的并联形式以提高调谐曲线的线性度，拓宽压控振荡器的输出频率调谐范围。通过芯片测试验证，在1.8 V电源电压下，调谐电压变化范围为0.6～2.8 V时，实际输出频率范围为1.85～3 GHz,最大调谐灵敏度为1000 MHz/V,2 GHz频点处相位噪声为-123.2 dBc/Hz@1 MHz,芯片尺寸为1.2 mm×0.7 mm。

  2022年02期 v.41;No.360 200-205页 [查看摘要][在线阅读][下载 1422K]
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• 基于高摆率误差放大器的无片外电容LDO设计

  孙帆;黄海波;王卫华;

  为了解决无片外电容低压差线性稳压器(LDO)的瞬态响应性能较差的问题，采用跨导提高技术设计了一种高摆率的误差放大器。在误差放大器的基础上，通过电容将LDO的输出端耦合至电流镜构建瞬态增强电路，提升LDO的瞬态响应能力，且瞬态增强电路可以引入两个左半平面零点，改善环路的稳定性。同时，误差放大器采用动态偏置结构，进一步减小下冲和过冲电压，缩短稳定时间。电路基于TSMC 0.18μm CMOS工艺设计。仿真结果表明，在片上负载电容为50 pF,压差为200 mV的条件下，LDO环路在100μA～100 mA的负载电流下保持稳定。负载电流在0.5μs内在100μA和100 mA之间跳变时，输出最大下冲和过冲电压均小于100 mV,稳定时间小于1μs。

  2022年02期 v.41;No.360 206-212页 [查看摘要][在线阅读][下载 1593K]
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技术与应用

• 多层陶瓷电容器端电极用低温烧结铜浆及烧结特性研究

  黄俊;曹秀华;宁礼健;张勇强;梁金葵;

  多层陶瓷电容器(MLCC)端电极低温烧结技术仍是目前研究的重点与难点。为了改善MLCC低温烧结铜端电极的烧结形貌与质量，开发出适用于低温烧结的端电极铜浆的新型玻璃粉，探讨了玻璃粉的转变温度、含量、粒径以及玻璃粉与陶瓷基片的烧结润湿性与铜浆烧结特性之间的关系。此外，研究了铜粉形貌、粒径等对端电极烧结特性的影响。结果表明：当玻璃粉转变温度为577.6℃,铜浆中玻璃粉含量为质量分数10%(D_(50)=2.0μm),类球形铜粉Cu-2和板状铜粉Cu-4的质量比为6∶4(D_(50)=1.4μm)时，得到烧结质量最佳的MLCC铜端电极，其致密度高达99.87%。

  2022年02期 v.41;No.360 213-220页 [查看摘要][在线阅读][下载 3075K]
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