新能源材料与器件专题

• 基于液体-固体界面的摩擦纳米发电机在能量收集和传感方面的应用进展

  黄滔;覃爱苗;李铭;郝鑫禹;何炳贤;

  作为一种获取能源的新方法，摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator, TENG)因能有效收集低频机械能并转化为电能而受到广泛的关注和研究。液体-固体摩擦纳米发电机(LS-TENG)是通过液体和固体摩擦电材料之间的接触带电效应来获取电能，与固体-固体TENG(SS-TENG)相比，液体的流动特性使LS-TENG具有更高的接触紧密度和更大的接触面积，同时因其制造简单、成本低等特点，研究人员对其展开了广泛研究，并取得系列新进展。从接触起电和摩擦纳米发电机的基本原理出发，介绍了液体-固体界面接触起电的形成机理模型及LS-TENG的原理、主要类型和工作模式，总结了LS-TENG在能量收集和自供电传感等方面的代表性应用进展，简述了LS-TENG面临的挑战，并对未来的发展进行了展望。

  2022年09期 v.41;No.367 881-891页 [查看摘要][在线阅读][下载 1359K]
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• g-ZnO基异质结电子结构及光催化性能的第一性原理研究

  潘多桥;赵旭才;雷博程;黄以能;张丽丽;

  二维材料g-ZnO在光催化领域受到广泛关注，但由于宽带隙和电子空穴对复合的缺点，在光催化应用领域受到限制，如何提高g-ZnO的光催化性成为非常具有研究价值的问题，搭建g-ZnO基异质结是一种有效的解决办法。采用GGA+U方法，研究了g-ZnO和g-ZnO/X异质结的稳定性、电子结构及光学性质。结果表明：与g-ZnO相比，异质结体系带隙均减小，内部电子转移产生内置电场，解决了g-ZnO宽带隙和电子空穴对复合的问题。异质结体系均表现出明显的红移现象，其吸收带边拓展至可见光区域，说明异质结提高g-ZnO对可见光的吸收能力，其中g-ZnO/WS_2异质结的结合能最低且带隙最小，同时光学性质分析证明该异质结体系在可见光区域的红移程度最明显、吸收率峰值最高、静介电常数最大，以上结果证明g-ZnO/WS_2异质结的电子结构和光学性质表现最好，可推测该异质结将最有利于提高g-ZnO光催化活性，为其在光催化领域的应用提供新方向。

  2022年09期 v.41;No.367 892-901页 [查看摘要][在线阅读][下载 1109K]
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• 锂硫电池中ReS_2修饰碳纤维布复合正极的设计与制备

  周雨琼;许俊;

  锂硫电池因具有高理论容量和高能量密度被认为是最具前景的储能技术之一。然而，锂硫电池因硫电导率低、多硫化物穿梭效应、电极体积膨胀等问题限制了其实际应用。为了探究ReS_2纳米片对锂硫电池性能的影响，采用简单的水热法实现ReS_2纳米片在碳纤维布(CFC)上均匀生长，形成ReS_2-CFC复合材料；并通过熔融扩散法，将活性物质硫分散在ReS_2-CFC中作为锂硫电池正极(S/ReS_2-CFC)。借助扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和电化学技术等表征测试手段分析了S/ReS_2-CFC的形貌和电化学性能。结果表明，CFC和ReS_2通过物理和化学协同作用能够很好地抑制多硫化物的穿梭，提高电池倍率性能和循环稳定性。S/ReS_2-CFC正极电池在0.2C(1C=1675 mAh·g~(-1))倍率下有1522 mAh·g~(-1)的高放电比容量；在4C倍率下放电比容量能够达到768 mAh·g~(-1),经过500圈循环后保持在548 mAh·g~(-1),每圈衰减率为0.058%。

  2022年09期 v.41;No.367 902-907+932页 [查看摘要][在线阅读][下载 2870K]
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• 基于3D打印石墨烯气凝胶的非水系锂氧电池正极材料的研究

  刘闯;李强;薛志超;张添昱;孙红;

  锂氧电池因其环境友好和高理论比容量的特性，近年来备受关注。采用3D打印技术，以还原氧化石墨烯(rGO)为基底，碳纳米纤维(CNF)为增强导电剂，二硫化钼(MoS_2)为催化剂制备rGO-CNF-MoS_2复合正极。通过X射线光电子能谱、扫描电子显微镜和氮气吸脱附等检测技术对其组成成分、表面形貌以及比表面积进行表征分析，通过恒流定容充放电测试、深度充放电测试，研究复合正极对锂氧电池性能的影响。研究结果表明装配rGO-CNF-MoS_2复合正极的非水系锂氧电池具有较低的充放电电势差(1.21 V)和较高的电化学容量，其放电面积比容量达到11.68 mAh·cm~(-2)。

  2022年09期 v.41;No.367 908-915页 [查看摘要][在线阅读][下载 628K]
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• 基于PDMS-FTBA的锂空气电池防水透氧膜影响研究

  李洁;王雪;侯林发;刘千赫;孙红;

  有机电解质锂空气电池具有较高的理论能量密度，被视为最具有前景的新型能源电池，氧气的传输性能是决定锂空气电池性能的关键因素。为改善电池内部氧气传输效率，在聚二甲基硅氧烷(PDMS)疏水性材料基础上，引入增氧添加剂全氟三丁胺(FTBA),将聚丙烯膜作为基底负载PDMS-FTBA制得一种新型锂空气电池防水透氧膜(OSM)。同时对装有该OSM的锂空气电池进行了电化学测试以及关键材料的表征测试。结果表明，OSM可以提高锂空气电池在空气环境下工作的稳定性，当PDMS与FTBA质量比为25∶75时，电池性能最佳。由于高氧气溶解性以及良好的防水性使装有该OSM的锂空气电池在空气环境下稳定工作可达1460 h,放电比容量达到4693 mAh·g~(-1)。新型OSM具有良好的电化学性能且易于合成，在锂空气电池中具有广阔的应用潜力。

  2022年09期 v.41;No.367 916-922页 [查看摘要][在线阅读][下载 1157K]
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• Bi_2MoO_6/TiO_2纳米棒阵列异质结构的制备及光电化学性能研究

  周小桔;蒋鑫;胡正龙;任一鸣;

  为提高TiO_2光电极的光电化学性能，采用水热/溶剂热两步法在TiO_2纳米棒阵列上合成Bi_2MoO_6/TiO_2异质结构。通过XRD、SEM、TEM、HRTEM、XPS、UV-Vis、PL对样品的物相、形貌、微结构、元素价态和光学性能进行分析，结果表明成功制备了Bi_2MoO_6/TiO_2纳米棒阵列异质结构，Bi_2MoO_6修饰TiO_2拓宽了光谱响应范围。电化学工作站测试表明，Bi_2MoO_6与TiO_2形成异质结构有利于光生载流子的有效分离，获得了增强的光电化学性能。Bi_2MoO_6/TiO_2异质结构(样品BMT-3)具有最大的光电流密度为2.589 mA/cm~2,约为TiO_2(0.143 mA/cm~2)的18倍，具有最大的光转换效率0.287%和最小的电荷转移电阻。能带结构表明，TiO_2的导带和价带电位比Bi_2MoO_6的导带和价带更正。TiO_2和Bi_2MoO_6形成的type II型能带结构与可见光的扩展吸收之间的协同作用是光电化学性能提升的内在机理。

  2022年09期 v.41;No.367 923-932页 [查看摘要][在线阅读][下载 1013K]
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• 铜箔集流体表面聚苯胺复合改性研究

  付红霞;肖仁贵;张云燕;廖霞;杜鑫;

  通过恒压法电化学聚合方式，在铜箔表面形成导电聚苯胺(PANI)薄膜，制备了复合铜箔集流体(PANI/Cu)。扫描电镜(SEM)测试结果表明，铜箔集流体表面的聚苯胺主要由200 nm尺寸大小的颗粒构成，聚苯胺颗粒之间结合紧密，在铜箔表面形成均匀的层状结构。傅里叶红外变换光谱(FT-IR)和紫外分析(UV-Vis)结果表明PANI主要以混合型导电结构形式存在。以锂片为正极，Li_4Ti_5O_(12)为负极，改性铜箔作负极集流体组装纽扣电池，恒流充放电试验表明：在1C倍率循环500圈后，基于PANI/Cu复合集流体构建的Li|Li_4Ti_5O_(12)电池放电比容量为164.6 mAh·g~(-1),而无改性的铜箔集流体(Bare/Cu)构建的电池放电比容量只有155.6 mAh·g~(-1);当倍率提高至10C时，PANI/Cu复合集流体构建的电池循环1000圈后容量保持率为80%,而Bare/Cu集流体构建的电池容量保持率仅为60%。进一步分析认为，聚苯胺的改性提高了铜箔与Li_4Ti_5O_(12)的界面兼容性，降低了电池界面阻抗，从而有效提高电池的电化学性能。

  2022年09期 v.41;No.367 933-940+948页 [查看摘要][在线阅读][下载 1234K]
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研究与试制

• 水基流延制备钛酸锶钡及介电挠曲电性能研究

  乔文豪;刘军;柯俊鹏;杨弘;骆英;

  以柠檬酸三胺为分散剂，聚乙烯醇(PVA)为粘结剂，聚乙二醇(PEG)为增塑剂，采用水基流延的方式制备钛酸锶钡(BST)流延膜。实验结果表明:当BST固含量为84.5%，柠檬酸三胺的质量分数为0.35%,PVA的质量分数为5%,PEG与PVA的质量比为0.6时，可制备出高质量的BST流延膜。叠加不同层数的BST流延膜加压后，在1235℃烧结可以得到不同厚度的BST薄片，其介电常数为3300，介质损耗为0.03。测试了所制备BST薄片的挠曲电性能，发现随着薄片厚度从400μm减小到200μm，横向挠曲电系数μ_(12)从0.23μC/m增大到0.43μC/m，等效压电应变常数d_(33)~(eff)从396 pC/N增加到6306 p C/N，表现出明显的尺寸效应。可以预测，在BST薄片厚度达到微纳米尺度时，挠曲电材料要远优于常规的压电材料。

  2022年09期 v.41;No.367 941-948页 [查看摘要][在线阅读][下载 8755K]
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• 羰基铁粉/聚醚醚酮复合材料电磁特性的研究

  刘川;梁迪飞;邢正维;李维佳;李健骁;

  优化及控制吸波材料的电磁参数具有重要意义。调控吸收剂含量可以调节吸波带宽，因此研究了吸收剂含量对复合材料电磁参数的影响。为了简化CIPs/PEEK复合材料电磁参数的测试过程，研究了CIPs/PEEK、CIPs/Paraffin两种不同复合材料在具有相同磁导率时，羰基铁粉质量占比的对应关系。并利用Maxwell-Garnett公式优化两种材料在对应时所产生的介电常数差值。优化后，介电常数实部的差值缩小，反射损耗峰位置不再向低频移动，在0.5～14 GHz反射率测试值和实际测试值基本吻合，在14～18 GHz有-1 dB差异。本文结论对现实中CIPs/PEEK复合材料的电磁参数控制和表征具有一定指导意义。

  2022年09期 v.41;No.367 949-955页 [查看摘要][在线阅读][下载 5826K]
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• Ti-Al-Si-N多层梯度防护涂层热响应性能研究

  许创威;杨丽红;吴雁;

  为研究Ti-Al-Si-N多层梯度防护涂层的热响应性能，首先通过理论求解与数值模拟相结合的方法对第一类边界条件下单层无限大平壁的瞬态温度场进行研究。结果表明：时间常数的解析解与仿真结果相对误差为3.43%,可以说明此数值模拟方法的可信度。接着，建立Ti-Al-Si-N多层梯度涂层的仿真模型，对第一类边界条件下的瞬态温度场进行仿真，得出该涂层厚度为1.5,3,4.5μm时，膜-基结合处的时间常数分别为5.49×10~(-6),5.84×10~(-6),6.21×10~(-6) s,时间常数随着涂层总厚度的变大而变大，但总体上不会影响基底上温度传感器的动态响应特性。最后对该涂层在热辐射边界条件下的瞬态温度场进行仿真，得到膜-基结合处的时间常数为69.7 s,此类边界条件会严重影响基底上温度传感器的动态响应特性。研究结果对进一步合理设计和使用Ti-Al-Si-N多层梯度防护涂层有一定的指导意义。

  2022年09期 v.41;No.367 956-961页 [查看摘要][在线阅读][下载 335K]
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• 基于耦合谐振器的五通带带通滤波器设计

  郭子玥;何明;郭蓉;夏丹蕾;贾颖新;

  提出了一款新型的结构紧凑的五通带带通滤波器。滤波器由四个互相耦合的均匀阻抗谐振器构成，可以激发六个谐振模式。在谐振器设计中，探究了电路主要电参数对谐振频率的影响。通过对谐振模式和传输零点的分析，将谐振器用于五通带滤波器设计。通过合理调节耦合间距及耦合长度，可以特定方式独立控制五个通带的带宽。最终，对五通带带通滤波器进行制作并测试。滤波器的五个中心频率分别位于1.9,2.37,3.34,4.2和4.86 GHz,通带插入损耗分别为1.35,1.26,1.62,1.14和2.11 dB。测试结果较好地验证了提出的结构和设计方法。

  2022年09期 v.41;No.367 962-967页 [查看摘要][在线阅读][下载 9125K]
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• ATMP在钴互连集成电路钴膜CMP中的作用机理研究

  王昊;黄浩真;曹静伟;夏荣阳;潘国峰;

  为了提高钴互连集成电路钴膜化学机械平坦化(CMP)中钴的去除速率以及Co/TiN去除速率选择性，研究了氨基三甲叉膦酸(ATMP)作为络合剂，在钴互连集成电路钴膜CMP中的作用机理。通过CMP、电化学、X射线电子光谱等实验探究了ATMP的络合性能，采用X射线电子光谱以及密度泛函理论的建模仿真对ATMP在抛光液中的络合机理进行了深入分析。实验结果表明：ATMP的添加不同程度地加快了钴和氮化钛腐蚀，可以有效地提高钴互连集成电路钴膜CMP的去除速率以及Co/TiN去除速率选择性；X射线电子光谱实验显示ATMP的络合作用可以降低钴表面氧化层的厚度；根据密度泛函理论计算结果可以发现，ATMP中的磷酸基团为活性位点，与晶圆表面金属离子形成络合物，从而实现快速去除。可见ATMP可以作为络合剂应用于钴布线钴膜CMP制程。

  2022年09期 v.41;No.367 968-973页 [查看摘要][在线阅读][下载 429K]
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• BGA封装用钨焊球焊点的热可靠性研究

  王文慧;赵兴科;王世泽;赵增磊;

  球栅阵列(BGA)封装结构组成材料之间线膨胀系数(CTE)的差异，容易造成使用过程中焊点内部热应力产生和累积，成为焊点失效的主要原因之一。针对CTE差异的问题，选用与芯片CTE相近的钨制造BGA焊球，并通过在钨球表面电镀铜改善其钎料润湿性。使用SAC305焊膏制备了钨焊球与铜基板的单焊点试样。采用焊点剪切试验研究了170℃下热老化时间对钨焊球焊点热可靠性的影响。结果表明，焊点剪切强度随老化时长增加而明显下降。与焊态试样相比，经250 h老化处理后，焊点的平均剪切强度由57.9 MPa下降至36.6 MPa。随热老化时间增加，焊点的断裂位置由钎焊金属层转向钨核/铜壳层的界面。经250 h老化处理后，焊点的剪切断裂面出现了铜壳从钨颗粒表面剥落的现象。这意味着加强钨核与铜壳层电镀界面的结合强度有助于提高这种钨焊球焊点的热可靠性。

  2022年09期 v.41;No.367 974-979+986页 [查看摘要][在线阅读][下载 598K]
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• PoP元件热翘曲数值模拟及优化研究

  葛一铭;徐琴;曹鹏;沈飞;柯燎亮;

  随着电子元器件产业的发展，对封装的集成性和可靠性也提出了更高的要求。作为一种典型失效形式，翘曲引发的芯片脱层、脱焊和开裂等问题，往往对成品率及封装可靠性产生重要影响。为了探究芯片的翘曲演变规律，基于ANSYS有限元软件，建立了叠层封装(Package on Package, PoP)结构热翘曲的仿真模型，考虑了焊料的Anand黏塑性本构模型，讨论了灌封胶膨胀系数、芯片厚度、焊球弹性模量对结构热翘曲的影响，并针对芯片的翘曲控制提出了优化建议。结果表明，芯片受热时的主要翘曲形态为弓曲，在从高温到低温变化的过程中，其翘曲形态逐渐由上凸转变为下凹。上层封装芯片的翘曲相对较大，灌封胶的热膨胀系数及芯片厚度是翘曲的主要影响因素。

  2022年09期 v.41;No.367 980-986页 [查看摘要][在线阅读][下载 503K]
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• 热循环加载下电子封装结构的疲劳寿命预测

  刘江南;王俊勇;王玉斌;

  低周热疲劳(温度冲击)是造成电子元器件失效的一个重要原因。为研究某型号PCB在热循环加载下封装焊点的疲劳寿命，针对典型的电子封装结构，建立简化的PCB有限元模型。参考GJB 150.5A-2009温度循环试验加载标准，运用锡钎基的Anand统一本构模型表征焊点结构在高温下的力学行为。利用ANSYS完成结构的热循环分析，并基于Darveaux模型预测封装结构在温度循环加载下的疲劳寿命。分析结果表明，危险位置为QFP封装芯片的下部最左端焊趾处，仿真在经历三次温度循环后达到稳定状态。危险焊点初始裂纹萌生时的循环数为7个周期，疲劳破坏时的循环数为209个周期。计算结果能够满足设计要求，可为后续电子设备的可靠性研究提供参考价值。

  2022年09期 v.41;No.367 987-993页 [查看摘要][在线阅读][下载 655K]
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• 基于超表面的极化可重构天线设计

  袁一杰;孙学宏;

  提出了一种基于超表面的极化可重构天线设计，由上层结构的圆弧切角矩形单元和下层结构的微带缝隙天线组成。通过采用机械方式旋转圆弧切角矩形单元结构，分析了超表面天线的极化可重构功能。设计的超表面天线能够在3.20～3.64 GHz内实现左旋圆极化、右旋圆极化和线极化三种极化方式，且可以相互转换。超表面天线在左旋和右旋圆极化状态的阻抗带宽为2.98～4.10 GHz,相对带宽达31.6%,轴比相对带宽达12.8%,辐射增益均大于6.8 dB;在线极化状态的相对带宽达17%以上，辐射增益均大于5.4 dB;圆极化和线极化的辐射效率均大于82%。通过对提出的超表面天线进行实物加工和测试，并对比仿真和实测结果，证明所提出的超表面天线具有较好的极化可重构功能。

  2022年09期 v.41;No.367 994-1000页 [查看摘要][在线阅读][下载 981K]
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技术与应用

• 高介薄型陶瓷芯片电容制备工艺研究

  王春富;黎俊宇;李彦睿;王文博;张健;秦跃利;钟朝位;

  研究了高介薄型陶瓷芯片电容的金属化和微小元件的精密切割工艺。分别采用TiW/Au层、TiW/Ni/Au层和TaN/TiW/Au层制备电极，并采用电容器绝缘电阻的偏压特性和温度特性、电容器电容量和介电损耗的温度特性表征了电容在电极金属化工艺中不同电极材料对高介薄型陶瓷电容器性能的影响，优选出了电极制备的膜系结构。通过选择刀具类型，优化切割固定方法，本工作有效规避了切割崩边和卷边问题，实现了微小元件的精密切割，成功制备出一种性能优异的高介薄型陶瓷芯片电容器。

  2022年09期 v.41;No.367 1001-1006页 [查看摘要][在线阅读][下载 539K]
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