新能源材料与器件专题

• 不同维度MnO_2基复合材料在超级电容器领域的研究进展

  陈雷;刘亭亭;

  MnO_2以其天然储量丰富、价格低廉、环境友好等优势常被用作超级电容器电极材料，但其较差的导电性限制了其应用，因而为获得优良电化学性能，MnO_2基复合材料的研究十分广泛。本文从不同维度MnO_2基复合材料的角度，对近年来其在超级电容器领域的研究和应用进行了综述。对MnO_2同碳材料、导电聚合物以及其他过渡金属(氢)氧化物复合所形成的球型结构复合材料以及一维、二维、三维复合材料的结构特点、合成方法、电化学性能进行了总结和对比。并对MnO_2基复合材料在超级电容器领域未来的研究重点进行了分析和展望。可为MnO_2基超级电容器复合电极材料结构的合理设计、构筑及电化学性能改善提供参考。

  2022年06期 v.41;No.364 551-559页 [查看摘要][在线阅读][下载 749K]
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• 全无机铯铅卤化物钙钛矿基光催化剂性能研究进展

  张春艳;苗锦;王振华;蔡苇;

  全无机铯铅卤化物钙钛矿凭借带隙窄、量子效率高等诸多优点逐渐被用于光催化领域，但在光催化实际反应中依旧面临着稳定性不高、电子-空穴对分离速率低等问题，因此科研人员通过改性对钙钛矿进行性能优化。本文简述了通过离子掺杂、表面处理等手段调控钙钛矿的能带结构，通过离子掺杂、表面处理以及材料复合等手段提高钙钛矿稳定性，以及通过不同类型异质结的构筑促进钙钛矿材料电子-空穴对分离的相关研究进展，并对未来的研究方向进行了展望。

  2022年06期 v.41;No.364 560-573页 [查看摘要][在线阅读][下载 1732K]
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• 高电压窗口Na_2Mn_3O_7∥AC非对称超级电容器的开发与利用

  刘慧;黄贤敏;李紫薇;范馨予;高红艳;

  超级电容器比能量密度的提高可以通过提高比电容或电压窗口来实现，然而在高电压窗口下水的分解大大限制了水系超级电容器的储能潜力。以高锰酸钾(KMnO_4)为原料，在硝酸钠(NaNO_3)熔盐体系中经过高温化学反应制备了片状Na_2Mn_3O_7。用X射线粉末衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱仪(XPS)分析了样品的物相、形貌和化学状态，结果表明将Na~+引入锰氧结构中可使其电压窗口显著变宽。采用循环伏安法(CV)、三电极恒电流充放电和电化学阻抗研究了样品的电化学性能。在三电极体系中得到了0～1.3 V的高电压窗口，当电流密度为1 A·g~(-1)时，比电容可达到137 F·g~(-1)。以Na_2Mn_3O_7作为非对称超级电容器正极、活性炭作为负极、1 mol/L Na_2SO_4作为电解液构建电压窗口为2.4 V的非对称超级电容器，该电容器在607 W·kg~(-1)时，能量密度为77.2 Wh·kg~(-1)。在电流密度为10 A·g~(-1)循环5000次以后，容量保持率可达75.6%。相较于锰氧化物，Na_2Mn_3O_7有着更高的极化电位，说明Na~+离子的嵌入使锰氧结构在相对高电位时更为稳定。

  2022年06期 v.41;No.364 574-581页 [查看摘要][在线阅读][下载 1915K]
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• Zn-Co@ZIF衍生的双金属氧化物超级电容器性能研究

  谢文菊;欧倡余;杨自涛;吴方棣;刘俊劭;

  采用溶剂热法制备了Zn-Co@ZIF前驱体，经过500℃氩气退火得到核壳结构的中间体，再经空气退火得到Zn-Co@ZIF衍生的双金属氧化物。研究了空气气氛下不同退火温度对材料结构、形貌的影响，并通过循环伏安(CV)、恒电流充放电(GCD)和电化学阻抗(EIS)的方法对电极的电化学性能进行测试。当在空气气氛下退火温度为600℃时，该电极材料晶型较好，电化学性能也较优异。随着退火温度的升高，材料的团聚增加。样品Zn-Co-600在电流密度为0.5 A/g时，电容量最高达169.5 F/g。在电流密度为1 A/g下循环1000次后的比容量保持率为86.9%,说明在低电流密度下电容的保持性较好。

  2022年06期 v.41;No.364 582-586+594页 [查看摘要][在线阅读][下载 1146K]
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• Sm、Nd、Ca多掺杂铈基固体电解质的制备及性能研究

  姜晓峰;周芬;张永和;郜建全;宋希文;

  采用溶胶-凝胶法制备铈基固体电解质粉体Ce_(0.8)Sm_(0.15-)_xNd_xCa_(0.05)O_(2-δ)。粉体经干压成型后，于空气气氛下1300℃烧结5 h得到陶瓷试样。通过X-射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪(Raman)、X射线光电子能谱仪(XPS)、紫外-吸收光谱仪(UV-Vis)、扫描电子显微镜(SEM)和交流阻抗(AC)等技术分别对样品的结构、表面化学状态、禁带宽度、微观形貌及电性能进行表征测试及分析。研究结果表明：经800℃焙烧后合成了具有单一立方萤石结构的电解质粉体。经1300℃常规烧结的陶瓷样品断面致密，相对密度均大于95%。由Raman、XPS等半定量分析粉体样品结果表明，其组成为Ce_(0.8)Sm_(0.10)Nd_(0.05)Ca_(0.05)O_(1.875)时电解质的氧空位浓度最大；通过外推的线性拟合曲线得到禁带宽度值最小为2.58 eV;陶瓷样品在700℃时电导率最大为2.24×10~(-2) S/cm,活化能值最低为0.936 eV。

  2022年06期 v.41;No.364 587-594页 [查看摘要][在线阅读][下载 1398K]
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• 基于多孔中空振子的球形摩擦纳米发电机性能研究

  罗元政;叶志诚;莫良浩;王凤鑫;廖帅;

  为研发高效获取波浪能的滚动式摩擦纳米发电机(TENG),针对其内部机械结构提出一种基于多孔聚合物包覆的中空振子结构球形TENG,用于收集水体环境的中低频振动机械能。借助绿色无污染的糖模板工艺，在球形骨架外表面原位聚合多孔硅胶包覆层(厚度<10 mm),并与铝电极、聚酰亚胺薄膜和亚克力球壳组装球形TENG以收集低频不规则的振动能。采用扫描电镜对该包覆层结构进行表征，其孔隙结构有利于振子与聚酰亚胺介电层之间的接触和摩擦，与实心和全泡沫结构振子相比功率输出更大，共可点亮26个功率约为0.06 W的直插式LED灯，同时多孔包覆层结构大幅提升了球形滚动式TENG的开路电压(84 V)和短路电流(13μA)。此外，利用Comsol仿真分析结果对该结构纳米摩擦发电机的工作原理进行讨论，为球形TENG的优化设计和最终走向实用化提供了新途径。

  2022年06期 v.41;No.364 595-601页 [查看摘要][在线阅读][下载 1351K]
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综述与评论

• 离散型Sigma-Delta调制器的研究进展

  刘振宇;宋树祥;马宗鹏;赵媛;岑明灿;

  Sigma-Delta调制器是一种重要的模数转换器，以其高精度的优点广泛应用于音频、医疗、传感器等众多领域。简述了近年来国内外学者的研究成果以及国外Analog Devices, Inc(ADI)、Texas Instruments(TI)两家公司基于Sigma-Delta架构最新的芯片性能。介绍了离散型Sigma-Delta调制器各个组成部分的设计要点。通过分析离散型Sigma-Delta调制器的工作原理、系统结构及其各部分内部电路，指出近年来国内外研究遇到的问题和解决方案。分析表明，通过改进调制器整体架构和噪声整形滤波器、量化器的设计，可以降低调制器的功耗，提升调制器精度。

  2022年06期 v.41;No.364 602-610页 [查看摘要][在线阅读][下载 1350K]
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研究与试制

• 基于图形设计的吸波材料表面波衰减特性研究

  朱亚光;张珊;王蕾;蔡长旭;陆海鹏;

  隐身技术的发展使武器装备的镜面散射得到了有效抑制，抑制表面波散射是进一步降低RCS的重要手段。分析了吸波材料厚度及电磁参数的变化与表面波衰减特性之间的关系。设计了一种蛇形图案结构并研究了此结构对材料表面波衰减性能的影响。通过对该材料/图形结构的优化设计，进一步研究了改进型蛇形图案吸波结构的表面波衰减性能。结果表明：吸波材料的电磁参数会对其表面波衰减性能产生一定影响，加载蛇形图案结构对表面波衰减性能有所改善，该吸波结构的改进设计可使表面波衰减性能进一步优化，其中表面波上限截止频率从4 GHz提高到8 GHz,为雷达吸波结构材料实现宽频带高表面波衰减提供了设计思路。

  2022年06期 v.41;No.364 611-615页 [查看摘要][在线阅读][下载 1138K]
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• 用于WPT的高效率氮化镓E类功率放大器研究

  杨沛;唐君;袁芳;郭玉洁;张旭;

  无线能量传输系统(WPT)具有高度的灵活性和便利性，可作为电源元件广泛应用于可穿戴和便携式电子设备领域。但受传输频率、发射模块功率放大电路的损耗等因素对传输效率和传输距离的影响，WPT无法充分发挥其预期的潜力。为改善WPT的传输效率，提出了一种高效率氮化镓E类功率放大器，并通过理论分析确定了工作频率和功率管型号，然后运用ADS软件对基于氮化镓(GaN)的E类功率放大电路进行了参数设计和仿真调试。仿真结果表明，在工作频率为13.56 MHz、负载为50Ω的情况下，功率附加效率(PAE)最大可达97.4%,输出功率可达44.4 dBm,同时在20～100Ω负载范围内，PAE都能达到90%以上，符合分析结果，可用于提高WPT系统的传输效率和传输距离。

  2022年06期 v.41;No.364 616-620+626页 [查看摘要][在线阅读][下载 1047K]
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• 一种具有子沟槽结构的屏蔽栅MOSFET的研究

  朱晨凯;赵琳娜;顾晓峰;周锦程;杨卓;

  为了降低屏蔽栅沟槽型(SGT, Shield Gate Trench) MOSFET的导通电阻、提高器件的品质因数，通常使用增加屏蔽栅沟槽深度和密度的方法，但是在刻蚀高密度深沟槽时会使晶圆产生严重的翘曲现象。因此，提出一种100 V具有子沟槽(ST, Sub-Trench)的SGT (ST-SGT)器件结构。在相邻的主沟槽间插入子沟槽后，显著降低了器件栅极附近的电场峰值，避免栅氧化层出现过早击穿，同时较浅的子沟槽提升了外延层纵向电场分布的均匀性，改善了高密度深沟槽带来的晶圆翘曲问题。通过使用Sentaurus TCAD仿真软件，调节子沟槽深度和上层外延层电阻率两个重要参数，对ST-SGT进行优化设计。结果表明，当子沟槽深度为2.5μm、上层外延电阻率为0.23Ω·cm时，对应的ST-SGT的品质因数(FOM, Figure of Merit)最大，此时击穿电压为135.8 V,特征导通电阻为41.4 mΩ·mm~2。优化后的ST-SGT与传统SGT相比，其FOM提高了19.6%。

  2022年06期 v.41;No.364 621-626页 [查看摘要][在线阅读][下载 1054K]
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• 离散分数阶忆阻系统建模及其在Logistic映射中的应用

  李小敏;王震;

  为了拓宽忆阻器的研究范围，通过分析分数阶差分理论和三次非线性磁控忆阻器数学模型，建立了由分数阶差分方程确定磁通量的离散分数阶忆阻模型。数值模拟结果显示，紧缩磁滞回线具有忆阻器的三个特征，这表明所提出的离散分数阶忆阻器满足忆阻器的定义。最后，作为应用，设计了分数阶忆阻Logistic映射，并得到了系统在特定初值和阶次下的多稳定性和新的混沌序列。建立的忆阻模型输入电流不再局限于连续信号，并且将阶次推广至分数阶，拓宽了忆阻器的研究范围。

  2022年06期 v.41;No.364 627-634页 [查看摘要][在线阅读][下载 1114K]
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• 一种复合左右手结构的高扫描率微带漏波天线

  马民政;王宏建;刘明月;

  提出了一种新型复合左右手结构微带漏波天线，利用超材料的左手特性消除开路阻带效应、曲折线单元在纵轴上的垂直偏移提高天线增益以及调节群时延法提高天线的扫描率。采用全波分析法分析了天线的阻抗带宽和辐射特性，实测结果表明在9.7～11.45 GHz工作频段内，天线的回波损耗小于-10 dB,当频率从9.7 GHz变化到11.1 GHz时，主波束可以从-50°到+31°进行电子扫描且增益均大于9.8 dB。该天线具有高增益、高扫描率和小型化的优点，可以应用于轻质机载频扫雷达系统中。

  2022年06期 v.41;No.364 635-640页 [查看摘要][在线阅读][下载 1455K]
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• Sb、Bi、Ni元素对Sn基无铅焊点电迁移可靠性的影响

  任杰;王乙舒;周炜;王晓露;郭福;

  智能汽车的高集成化发展，使得组装焊点尺寸减小，对焊点抗电迁移服役可靠性的要求提高。目前用于汽车电子的三元系焊料SnAgCu无法满足日益严苛的服役环境，而多元合金化焊料是最有潜力的解决方案之一。通过差示扫描量热法、润湿性实验以及电子背散射衍射仪、扫描电子显微镜、能谱仪等表征手段，系统研究了添加Ni、Sb、Bi元素对SnAgCu焊料的焊接性能和电迁移可靠性的影响。结果表明：添加Ni、Sb、Bi元素降低了SnAgCu焊料的熔点和过冷度，改善了焊料的润湿性。在高电流密度载荷作用下，这些元素的引入可以有效地缓解焊点电迁移行为，进而提高焊点的服役可靠性。

  2022年06期 v.41;No.364 641-647+654页 [查看摘要][在线阅读][下载 2741K]
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• IPM中覆铜陶瓷基板的热传导性能研究

  胡娟;鲍婕;周云艳;汪礼;

  覆铜陶瓷(DBC)基板在功率模块的封装中应用广泛，其热传导性能对于功率模块的可靠性至关重要。基于智能功率模块(IPM)中覆铜陶瓷基板的图形化结构，制作不同材料及厚度的DBC基板样品并进行了热传导性能测试。通过仿真研究，进一步讨论DBC基板各层材料及厚度等因素的影响规律。实验与仿真结论一致，DBC基板的热传导性能随铜层厚度增加先增强后降低，随陶瓷层厚度增加而降低。在瞬态研究中发现，相同功率加载的初始10 s内，不同材料结构的DBC基板样品最高温度差高于55℃。因此，优化DBC基板的陶瓷层材料和尺寸设计对于提升功率模块的热可靠性有着重要的意义。

  2022年06期 v.41;No.364 648-654页 [查看摘要][在线阅读][下载 1130K]
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• 甲酸预处理对基于Cu/Ag混合纳米颗粒的Cu-Cu键合的影响

  万建坤;杨文华;黄鑫;

  针对功率电子器件中电气互连的需求，提出了一种适用于功率电子器件封装的Cu-Cu键合工艺。采用纳米尺寸的Cu/Ag混合颗粒浆料作为Cu-Cu键合的中间层，并利用甲酸气体在最佳预处理温度180℃对Cu/Ag混合纳米颗粒浆料进行预处理，之后在260℃的键合温度、外加5 MPa压力的情况下完成Cu-Cu键合。通过测试发现，甲酸气体预处理后混合纳米颗粒浆料中Cu纳米颗粒表面的氧化物得到了有效还原，使得混合纳米颗粒烧结得更充分，键合后的截面变得更致密。此外，甲酸气体预处理后的断面上产生了明显的韧性形变，且Cu-Cu键合的剪切强度平均值达到65.6 MPa。结果表明，该种键合工艺可靠，为功率电子器件封装中高可靠的Cu-Cu键合提供了新的解决方案。

  2022年06期 v.41;No.364 655-660页 [查看摘要][在线阅读][下载 1299K]
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