2015年度光電信息材料與技術(shù)研究所年度報告2

1、2013 年度光電信息材料與技術(shù)研究所年度報告2013 年度光電信息材料與技術(shù)研究所（簡稱光電材料所）是令人矚目的年度， 由于光電材料所經(jīng)過幾年的籌建正式掛牌了。在本年度光電材料所在研究所硬件建設(shè)（實驗室、工作室、基礎(chǔ)實驗平臺（制備、測試） ）和軟件建設(shè)（研究隊伍、研究方向、網(wǎng)站建設(shè)、課題申報）等方面取得了顯著成績，現(xiàn)總結(jié)如下：一、硬件建設(shè)1 、實驗室、工作室建設(shè)在學院的支持下，完成 232m2的實驗室與工作室建設(shè)，其中實驗室 184m2,工作室48m2?，F(xiàn)有工作室有9 人（劉義、李海金、周文平、冀月霞、曹加鋒、賈虎、王偉、陳紅梅、高艷）一起辦公。測試實驗室48m2,高溫處理室48m2,氣氛合

2、成室 48m2,小型化學實驗室40 m2。在學院和學科規(guī)劃處的支持下， 完成高溫處理室、 氣氛合成室和化學實驗室的水電改造， 完成工作室及進戶門改造，花費學校改造經(jīng)費約 3 萬元。2、科研基礎(chǔ)平臺建設(shè)2010 年在學院和學科規(guī)劃處鄭明東處長的支持下， 投入 50 萬進行光電信息材料與技術(shù)研究方向的建設(shè)。現(xiàn)已形成光電材料的高溫制備、氣氛處理、化學合成等基礎(chǔ)制備科研平臺。形成電性能與光學測試平臺。二、軟件建設(shè)1 、網(wǎng)站建設(shè)在本年度 7 月份開始光電材料所網(wǎng)站建設(shè)。 完成校內(nèi)固定域名 （） 、 IP 地址、 服務(wù)器的建設(shè)。但是， 由于學校網(wǎng)絡(luò)中心不能解決在校外能訪問的問題， 在韓玉峰老師的指導幫助下

3、， 完成校外可以訪問的網(wǎng)站建設(shè)（ gdxxclyjs.htm ） 。內(nèi)容包括：研究所簡介、研究隊伍、科學研究、人才培養(yǎng)、學術(shù)交流、規(guī)章制度等。2、研究隊伍建設(shè)光電材料所現(xiàn)有副教授3 人，講師 9 人，具有博士學位6 人，碩士學位6 人，本年度引進2位博士， 1 位碩士。副教授：劉義、李海金、李勇；博士學位人員：劉義、李海金、李勇、冀玥霞、陳紅梅、周文平；碩士學位：曹加峰、汪文明、光明、張麗、高艷、孫云；本年度引入博士：冀玥霞、陳紅梅，碩士：曹加峰。3、研究方向經(jīng)過一年的優(yōu)化整合現(xiàn)已經(jīng)形成熱電材料、光催化材料、發(fā)光材料三個主干方向。熱電材料的制備和研究新型鈷基氧化物 YCoO 3體系制備與熱電性

4、能研究Sr 替代化合物Y1-xSrxCoO3 （0 x 0.2）的電輸運和熱電性能研究采用溶膠凝膠方法合成Sr的替代化合物Yi-xSrxCoO3,研究了其20K至780K范圍內(nèi)的電輸運和熱電性能。結(jié)果顯示，隨著Sr 替代含量的增加，Y1-xSrxCoO3 的電阻率降低，這可能歸功于晶格扭曲度的減小。熱電勢是正值，主要電荷載流子是空穴，且隨著Sr 替代量的增加，熱電勢降低。此外，實驗上獲得了五倍大的功率因子，在 650K最大值達到2.69'10-5W/mK2。這說 明適量的Sr替代可以有效增強 Yi-xSrxCoO3的熱電性能。Ni 替代化合物YCo1-xNixO3 （0 x 0.07）

5、 的電輸運和熱電性能研究采用溶膠凝膠方法合成Ni的替代化合物YCoi-xNixO3（0 x 0.07）,研究了其100K至780K溫度區(qū)間的電輸運和熱電屬性。研究結(jié)果顯示，隨著Ni 的摻雜量的增加，直流電阻率降低。在溫度T<304K （樣品x=0）與230k T<500K （樣品x= 0.02, 0.05, 0.07）低溫區(qū)間和高溫區(qū)間 （T>655K）,樣品YCoi-xNixO3的電阻率溫度關(guān)系滿足ln T/T,獲得激活能隨著摻雜量的增加 而降低。在極低溫度范圍（T<230K）樣品YCo1-xNixO3（xA 0.0空電阻率溫度關(guān)系滿足模特定律， 這來源于重摻雜引起的

6、局域態(tài)。功率因子的計算顯示，在 300K至740K, YCo0.98Ni0.03O3的功率 因子增加了 6 倍。光催化復合材料的催化性能研究太陽能光電轉(zhuǎn)器件要求材料具有良好的光吸收、較低的電子- 空穴復合率，電荷能有效快速傳輸。一維納米材料具有較大的長徑比、較高的比表面積，為電荷傳輸提供了直接通道，具有較 高的遷移率。此外，一維納米材料反射系數(shù)低，有利于光的吸收，一維納米陣列被廣泛應(yīng)用于太 陽能光電轉(zhuǎn)器件中。WO3 是一種廣泛應(yīng)用的光催化材料，但其不能有效吸收可見光。 CdS 的光學帶隙為2.4eV,對可見光有良好的吸收。因此，我們用兩步化學氣相沉積（CVD）成功制備了WO3/CdS核殼結(jié)構(gòu)納

7、米線陣列。XRD、SEM、TEM、XPS等實驗結(jié)果表明，CdS十分均勻一致的沉積在 WO3納米線表面，形成納米異質(zhì)結(jié)。相比于WO3納米線，WO3/CdS納米線的光譜吸收邊從440nm擴展到550nm。WO3、WO3/CdS和CdS納米線的可見光（入三420nm）光電靈 敏度分別為8.7%、189.9%和17.4%。通過熒光衰減壽命譜可知，WO 3、WO3/CdS和CdS納米線中電子的熒光壽命分別為0.26ns、1.74ns和1.50ns。同時電化學阻抗譜也表明WO3/CdS異質(zhì)結(jié)有利于光生電子-空穴的分離和電子傳輸。WO3/CdS核殼結(jié)構(gòu)形成第II類異質(zhì)結(jié)，即CdS導帶和價帶均位于 WO3的導

8、帶和價帶上面。CdS （殼）的光生電子從其導帶躍至WO3 （核）的導帶，電子在WO 3納米線中快速傳輸。理論上，WO3 的空穴從其價帶躍至CdS 的價帶。因此，光生電子 - 空穴的復合率減少，電子在納米線中易于傳輸?？傊cWO 3 納米線陣列相比，WO 3/CdS核殼異質(zhì)結(jié)納米線陣列不僅拓寬了可見光吸收范圍，而且減少了電子-空穴復合率，納米線核也有利于電子的傳輸，核殼異質(zhì)結(jié)納米線陣列為提高光電轉(zhuǎn)換效率提供了一種較好的策略。聚合物光催化材料的研究其中碳基光催化材料性能普遍較低，本工作選擇氮化碳為研究對象，引入釩酸鉍的協(xié)同效應(yīng)，顯著提高了氮化碳的光催化性能。稀土近紅外下轉(zhuǎn)換光學材料的制備和研究(

9、a)尋找合適的發(fā)光體系。要增強材料在紫外可見波段的吸收，選擇合適的敏化離子變得尤為關(guān)鍵?？刹捎脤霏h(huán)境十分敏感的過渡族金屬離子、Ce3+, Eu2+和其他稀土離子與Yb3+離子形成配對， 這些離子的吸收光譜和發(fā)射光譜一般都具有寬譜帶的特征， 而且這些離子的吸收光譜和發(fā)光光譜極易受到晶場環(huán)境的影響， 因此可以選擇合適的基質(zhì)調(diào)制其吸收和發(fā)光行為， 使得這些敏化離子既能在紫外可見區(qū)域有很強的寬帶吸收， 又能發(fā)出兩倍于硅半導體帶隙能量的光， 并與發(fā)光離子Yb 3+有很高的能量傳遞效率。從而提高從紫外可見區(qū)域到近紅外區(qū)域的能量轉(zhuǎn)換效率。(b)在合適的發(fā)光體系下，制備稀土近紅外量子剪裁納米粉末和玻璃陶瓷

10、。在制備稀土納米粉末方面我們已有很好的工作基礎(chǔ)。 初步設(shè)想用共沉淀法、 水熱法和溶膠凝膠法制備稀土氧化物、含氧酸鹽、氟化物和鹵氧化物，如氧化鈕，氧化金L,鈕鋁石榴石，錯鋁石榴石，澳氧化金L等等，同時研究不同的制備方法，合成溫度，粉末顆粒度的大小，形狀和分布對發(fā)光的影響。在此基礎(chǔ)上，嘗試制備稀土離子摻雜的近紅外量子剪裁玻璃陶瓷。(c)進行稀土離子摻雜的研究，包括摻雜濃度。在結(jié)構(gòu)表征和成分分析的基礎(chǔ)上，研究在紫外可見光源激發(fā)下所制備材料的發(fā)光特性， 包括室溫下發(fā)光的動態(tài)和靜態(tài)特性， 研究敏化離子與作為發(fā)光中心的 Yb 3+ 間的能量傳遞及其傳遞效率。研究基質(zhì)結(jié)構(gòu)、組分和種類對同一離子對的發(fā)光影響。

11、(d)深入研究在具體的發(fā)光體系中，粉末和玻璃陶瓷的發(fā)光性能，能量傳遞機理，量子剪裁效率并進行對比，找出發(fā)光規(guī)律，進行理論分析，并發(fā)現(xiàn)應(yīng)用前景。4、課題1)項目名稱：夾層對MxIn4Se3-s化合物熱電性能的影響與機理研究(批準號：51202005)項目來源：國家自然科學基金項目簡介： 熱電材料也稱為溫差熱電材料， 是一種利用固體內(nèi)部載流子運動來實現(xiàn)熱能和電能直接轉(zhuǎn)換的功能材料。 隨著當前環(huán)保問題提上日程， 熱電材料也因其無污染的特性倍受人們的重視，成為當前研究的熱點之一。熱電材料主要應(yīng)用于發(fā)電器、致冷器、傳感器等器件。利用熱電材料制備的器件具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、無化學反應(yīng)、無噪音、無磨

12、損、移動方便、使用壽命長等優(yōu)點，且目前已應(yīng)用于軍事、航天等高科技領(lǐng)域。在廢熱發(fā)電、醫(yī)學恒溫、小功率電源、微型傳感等民用領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。熱電材料的熱電性能常用材料的熱電優(yōu)值ZT 來表征：Z=TS2b/K（S為塞貝克系數(shù)，b為電導率，K為熱導率，T為溫度）。由此可以看出，如材料要 有高的ZT值，必須要有高的S、高的b和低的K。表征材料熱電性能的這些參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的， 而不是獨立的。因此材料熱電性能的提高， ZT 值的優(yōu)化就成為了主要研究目標。本項目擬對通 過對In4Se3 這一熱電材料的制備技術(shù)、結(jié)構(gòu)、電導率、熱電勢、熱導率的系統(tǒng)研究，探討和研究相關(guān)規(guī)律和物理機理， 為提高In4Se3 的熱

13、電性能奠定可靠的實驗基礎(chǔ)，也為探尋性能優(yōu)異的新熱電材料提供借鑒。2）項目名稱：稀土離子摻雜的自激活下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料研究（批準號： 11204005） 項目來源：國家自然科學基金項目主持人：李勇 副教授 研究年限： 2013.1-2015.12項目簡介： 為提高太陽光譜中紫外可見區(qū)域的能量吸收能力和吸收范圍以及下轉(zhuǎn)換效率， 項目申 請人提出了 "稀土離子摻雜的自激活材料下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料研究" 的課題。 它選擇能量傳遞效率高且在紫外可見區(qū)域具有寬譜帶吸收能力的自激活材料為發(fā)光主體， 并摻雜在該區(qū)域同樣具有寬譜帶 吸收能力的稀土離子，通過與發(fā)光中心Yb 離子的能量傳遞過程，達到近紅外

14、下轉(zhuǎn)換的效果，可極大地提高太陽光譜中紫外可見區(qū)域的能量利用效率和下轉(zhuǎn)換效率。 本課題針對不同的自激活材 料體系， 摻雜不同的稀土離子， 通過比較不同基質(zhì)組分對自激活基質(zhì)本身和摻雜的稀土離子在紫 外可見波段的吸收行為、能量傳遞效率和 Yb 離子發(fā)光強度的影響；通過比較稀土離子摻雜前后 的下轉(zhuǎn)換光譜性質(zhì)變化， 揭示稀土離子摻雜的自激活下轉(zhuǎn)換材料的能量傳遞機理， 闡明影響下轉(zhuǎn) 換效率和 Yb 離子發(fā)光強度的因素。探索提高Yb 離子猝滅濃度或防止?jié)舛肉绲姆椒?。為稀土近紅外下轉(zhuǎn)換材料研究提供新思路和新材料體系。 3）項目名稱：寬帶隙p 型 SrCu 2O2 基透明導電薄膜的光電性能、機理及器件研究（批

15、準號：KF201101 ） 項目來源：中國科學院新型薄膜太陽能電池重點實驗室開放研究基金項目簡介： 太陽能電池是解決能源問題的有效途徑之一， 但其轉(zhuǎn)換效率有待提高。 利用 p 型透明導電材料替代背電極提高其受光面積或及時將太陽能電池電子空穴導出，能有效提高其轉(zhuǎn)換效率。采用 載流子密度”的雜質(zhì)半導體技術(shù)摻雜SrCu2O2,開展高導電率、高遷移率透明導電薄膜的研究。通過理論和實驗研究摻雜對SrCu2O2 的光、電性能影響規(guī)律，深入研究透明導電薄膜能帶調(diào)控與光電性能的協(xié)同作用和機理，為研究優(yōu)良光電性能的 p 型透明導電薄膜提供科學依據(jù)。4 )項目名稱：近紅外區(qū)高透射率ZnO 基透明導電薄膜的能帶調(diào)控

16、與光電特性的協(xié)同研究(批準號： KJ2011A053 )項目來源：安徽省教育廳高等學校省級自然科學重點研究項目項目主持人：李海金副教授 研究年限： 2011.1-2013.12項目簡介： 太陽能電池前電極的 TCO 薄膜對可見光有較好的透射率(在 90左右) ，而紅外波段的透射率很低，成為提高太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的一個瓶頸。對于這一難題，我們在TCO 薄膜光電性質(zhì)相關(guān)理論指導下，采用高價態(tài)差元素摻雜ZnO ，對其能帶進行調(diào)控，在保證優(yōu)良導電性和可見光透射率的同時，降低載流子濃度，提高遷移率，開展近紅外高透射率新型TCO 薄膜的研究。通過理論和實驗研究不同價態(tài)元素、不同摻雜量對ZnO 能帶調(diào)控規(guī)律

17、，分析能帶調(diào)控對載流子濃度、遷移率、光譜透射率的影響，深入研究能帶調(diào)控與TCO 薄膜光電性能的協(xié)同作用和機理，為研究新型全光譜透過TCO 薄膜提供科學依據(jù)。5、成果1 Yi Liu, Haijin Li, Yong Li, Wenbin Sun, Effect of Sr substitution on electrical transport and thermoelectric properties of Y1-xSrxCoO3 (0 x 0.2) prepared by sol-gel process, Ceramics international,2013,39:81892 Liu Y

18、i, Li Hai-Jin, Zhang Qing, Li Yong, and Liu Hou-Tong, Electrical transport and thermoelectric properties of Ni-doped perovskite-type YCo 1-xNi xO3 (0 x3 “ Polarized spectral properties of a notable Yb 3+: LaCa4O(BO 3)3 crystal ”O(jiān)ptical Materials “G -C 3N 4/BiVO 4 composites with enhanced and stable

19、visible light photocatalytic activity ” AllJo.ys Compd.4 Li Haijin, Zhou Yong, Chen Liang, Luo Wenjun, Xu Qinfeng, Wang Xiaoyong, Xiao Mmin, Zou Zzhigang,Rational and scalable fabrication of high-quality WO 3/CdS core/shell nanowire arrays for photoanodes toward enhanced charge separation and transp

20、ort under visible light, Nanoscale, 5(23):11933-9,20135 Yong Li; Yan Pan; Xiantao Wei; Bihai Tong, Adjustable upconversion luminescence of Er3+-dopedLu2O3 upon Ar+ laser excitation, Materials Research Bulletin (2013), 48, 2134-2138.6 Yong Li; Yan Pan, Influence of Yb 3+ doping concentration on upconversion luminescence of Er 3+ in Lu2O3 phosphor, Optik