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快来挖宝！JMAT 2019年第1期火热上线啦~

2019 年 3 月 10 日 知社学术圈

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JMAT2019年第1期火热上线啦，大家快来瞧瞧！

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1.Review article

Single femtosecond laser beam induced nanogratings in transparent media- Mechanisms and applications

单光束飞秒激光在透明介质中诱导形成纳米光栅—机理和应用

Bo Zhang, Xiaofeng Liu, Jianrong Qiu

Pages 1-14

在过去的几十年中，单光束飞秒激光在透明介质中诱导形成纳米光栅结构在许多科学技术领域中引起了广泛的关注。由于纳米光栅结构具有优异的物理化学性质和应用前景，它将继续成为未来激光-物质相互作用领域的热门话题。近十年来，纳米光栅的基础研究和实际应用都取得了巨大的进步。我们发现了透明材料与飞秒激光诱导形成纳米光栅相关的新颖现象，见证了富有想象力的物理模型的建立和先进技术的发展。然而，尽管取得了这些成就，但与纳米光栅相关的机制、材料依赖性和过程等方面的许多问题仍未完全解决。本综述将重点介绍该领域最近的研究进展，包括基本属性，理论模型，控制方法和潜在应用。详细讨论了近五年的成就，对几个核心问题进行了具体评价，并且展望了未来的发展趋势。

2.Review article

Thermoelectric properties of silicon and recycled silicon sawing waste

硅的热电性能及硅片切割废料的再生利用

Ran He*, Wieland Heyn, Felix Thiel, Nicolas P erez, Christine Damm, Darius Pohl, Bernd Rellinghaus, Christian Reimann, Maximilian Beier, Jochen Friedrich, Hangtian Zhu, Zhifeng Ren, Kornelius Nielsch and Gabi Schierning**

Pages 15-33

能够大规模应用的热电材料应该具有可自我维持的特性，这样才能使材料长期循环使用并且不产生污染。而目前已知的各类热电材料中，能满足这一条件的材料并不多，硅便是其中之一。首先综述了从形貌和微观结构方面综述了各种硅相关材料的热电性能。接下来，报道了从硅晶片加工过程中回收的硅切割废料的热电性能。被6％磷取代的硅，在1273K时,功率因子高达约32μWcm-1K-2，这一值可与磷掺杂的硅-锗合金相当。本工作表明半导体工业产生的数百万吨硅废料通过再生利用可以具备相当大的热电实用性。

3.Review article

Integration of silicon nanowires in solar cell structure for efficiency enhancement: A review

综述：在太阳能电池结构中集成硅纳米线以提高效率

Mihir Kumar Sahoo and Paresh Kale*

Pages 34-48

硅纳米线（SiNWs）是一种一维半导体。在光催化，锂离子电池，气体传感器，医疗诊断，药物输送和太阳能电池等不同领域有着广泛的应用前景。从实施的角度来看，SiNWs可通过自上而下或自下而上的方法制造，同时具有光学和电学活性。通过调节SiNWs的物理尺寸可以获得更好的电学，光学和其它物理特性从而提高太阳能电池的效率。SiNWs可以在径向或同轴p-n结太阳能电池中调控正交光子吸收和抗反射能力，同时增强载流子收集。本文综述了SiNWs的性能调控，同时总结了它们在太阳能电池中的各种掺入形式，以及效率提高的机制。

4.Opinion paper

Topology paving the way to controllable readout of ferroelectricity—self-assembled topologically confined domain walls become the key to ferroelectric memory

拓扑学为可控的铁电读出铺平了道路—自组装拓扑受限畴壁成为铁电记忆的关键

Chungang Duan

Pages 49-50

1952年，铁电随机存取存储器（FERAM）的概念就已经提出，这一概念一直被认为在信息技术中有着潜在价值。经过60多年的应用，其发展仍然有限。限制其发展的障碍在于铁电极化的读出，它通常具有破坏性，即需要一个读—写的结构。为了解决这类问题，铁电隧道结、磁电存储器等方法应运而生，但这种连接结构很难在实验室制备。近年来，铁电材料中的带电畴壁（DW）被提出作为铁电存储器中无损操作的一种新的解决方案。但在偏振转换过程中，DWS的位置和电导不稳定，严重制约了DWS作为存储器件的应用。但利用自发拓扑结构带来的稳定性、可操纵性和可逆切换性可以解决这个问题。拓扑域阵列在高密度非易失性存储器中显示出巨大潜力。

近期，研究表明，可以在LaAlO3(001)单晶上的2nm厚(La,Sr)MnO3薄膜上生长一个嵌入在BFO矩阵（四方扭曲，T相）中的方形BFO纳米岛（菱形扭曲，R相）自组装阵列。在纳米岛上实现两种稳定的结构，即中心收敛和中心发散。两种状态之间的确定极化开关导致DW电导变化三个数量级.而由于BFO岛内的拓扑限制，DW位置几乎保持不变。这项工作表明，利用拓扑域结构有望将铁电随机存取存储器实现应用。

5.Research article

Multiple-valley effect on modulation of thermoelectric properties of n-type ZrCuSiAs-structureoxyantimonides LnTSbO (Ln= lanthanides and T=Zn, Mn)

多能谷效应对n型ZrCuSiAs-结构氧锑化物LnTSbO（Ln =镧系元素，T = Zn，Mn）热电性能的调控

Yi Li, Jian Liu*, Yu-Fei Chen, Fu-Ning Wang, Xin-Miao Zhang, Xue-Jin Wang, Ji-Chao Li** and Chun-Lei Wang

Pages 51-55

首先用第一性原理方法和半经典玻尔兹曼理论研究了n型LnTSbO（Ln =镧系元素，T = Zn，Mn）的热电性质。结果表明，在导带底部出现多能谷结构。具有高简并度的能谷由弱色散的能带组成，使得塞贝克系数较大而导电率较低。具有低简并度的能谷由强色散的能带组成，使得导电率较高而塞贝克系数较小。热电性能由能谷之间的能量差ΔE决定。LnZnSbO的ΔE值随Ln离子半径的变化线性增加。因此通过改变镧系元素可以有效地调节热电性能。基于此，具有适中ΔE值的LnZnSbO（Ln = Ce-Nd）显示出更好的热电性能。本工作表明多能谷效应是调节n型LnTSbO热电性能的有效方法。

6.Research article

Photocatalytic oxidation of gaseousbenzene, toluene and xylene under UV and visible irradiation over Mn-doped TiO₂ nanoparticles

Mn掺杂TiO₂纳米粒子在紫外和可见光照射下对气态苯，甲苯和二甲苯的光催化氧化研究

Vassilios Binas**, Vassilis Stefanopoulos, George Kiriakidis and Panos Papagiannakopoulos*

Pages 56-65

研究了在合成空气或惰性气体的气氛下，未掺杂，0.1和1wt％Mn掺杂的TiO₂纳米颗粒在紫外和可见光照射下对气态苯，甲苯和二甲苯（BTX）的光催化氧化性能。使用静态光化学反应器结合FTIR光谱测定了光催化分解的效率和氧化产物。在紫外线照射下，Mn-TiO₂光催化剂可有效分解BTX，氧压的存在有助于该分解过程。更重要的是，甲苯和二甲苯在有氧压条件下可以被0.1mol％Mn-TiO₂显著分解。BTX紫外光催化的最终氧化产物主要为CO₂，CO和H₂O，CO₂和CO分别产生4当量和2当量。苯，甲苯和二甲苯分解成CO₂的转化率分别为63.6％，56.4％，51.8％，而分解为CO的转换率分别为29％，26.5％，23.2％。在甲苯和二甲苯的可见光催化中，CO的产率较小。在大量紫外光照射下催化甲苯和二甲苯反应后在TiO₂表面观察到含碳沉积物，这种副产物覆盖在TiO₂表面，可能会降低样品的光催化活性。对光催化机理也进行了分析。

7.Research article

Toward artificial intelligent self-cooling electronic skins: Large electrocaloric effect in all-inorganic flexible thin films at room temperature

迈向人工智能自冷电子皮肤：室温下全无机柔性薄膜的大电卡效应

Ding Wang, Xin Chen, Guoliang Yuan, Yanmin Jia, Yiping Wang, Arif Mumtaz, Yaojin Wang* and Jun-Ming Liu

Pages 66-72

迈向人工智能自冷电子皮肤：室温下全无机柔性薄膜的大电卡效应

随着人工智能的到来，智能机器人可以帮助人类实现数千种功能。然而，智能机器人中的散热和热管理仍然是一大挑战，限制了它们的小型化和性能。电卡（EC）材料可以在施加和撤去电场时出现温度变化，为冷却技术提供了新的策略，近年来引起了很多研究兴趣。人工智能自冷电子皮肤的开发需要在室温附近具有高EC效应的大尺寸柔性材料。在本工作中，报道了柔性Pb_0.82Ba_0.08La_0.1Zr_0.9Ti_0.1O₃（PBLZT）无机薄膜室温下的电卡效应。该薄膜通过成本低廉的无转移溶胶-凝胶工艺结合独特的二维云母基板制得。柔性PBLZT薄膜的最大绝热温变和等温熵变在室温下可达到22.5K和25.9J K^-1kg^-1。特别值得注意的是，柔性PBLZT薄膜在弯曲状态和弯曲20000次后电卡效应仍然稳定。我们的柔性电卡材料为应用于人工智能机器人和个人可穿戴冷却设备的冷却技术提供了新的发展策略。

8.Research article

The electromechanical features of LiNbO3 crystal for potential high temperature piezoelectric applications

具有高温压电应用潜力的LiNbO₃晶体的机电特性

Feifei Chen, Lingfeng Kong, Wei Song, Chao Jiang, Shiwei Tian, Fapeng Yu*, Lifeng Qin, Chunlei Wang and Xian Zhao

Pages 73-80

铌酸锂（LiNbO₃，LN）晶体是1种具有良好压电，非线性光学和电光特性的多功能材料。本工作研究了在径向拉伸（RE）和厚度拉伸（TE）模式下LN的机电性能，并揭示了其温度依赖行为。计算得到的Y和Z方向的RE模式机电耦合系数（k_p）分别为3.8％和24.7％，几乎与实验得到的3.8％和25.2％的结果相同。对于Y_X/25°和Y_X/167°切割的晶体，其最大径向拉伸和厚度剪切（TS）模式的机电耦合系数分别为47.6％和68.5％。在20°C至500°C之间，LN晶体具有良好的温度稳定性和机电耦合系数（RE和TE模式）。其Y方向的k_p的变化小于8.0％，k_t变化小于1.8％。

9.Research article

Pressure induced convergence of conduction bands in Al doped Mg2Si: Experiment and theory

Al掺杂Mg2Si在压力诱导下产生的导带兼并：实验和理论

Jialiang Li, Xiaolian Zhang, Bo Duan*, Yunlong Cui, Houjiang Yang, Hongtao Wang, Junchao Li, Xiaojun Hu, Gang Chen and Pengcheng Zhai**

Pages 81-87

高压高温(HPHT)合成为材料能带结构的调整和电子特性的提升提供了一种有效的方法。为了研究合成压力对电子特性的影响，采用HPHT方法合成了Mg_1.97Al_0.03Si样品。在3GPa的合成压力下制备得到的样品具有最大的有效质量0.92 m_e，并且获得了最大的室温塞贝克系数-201.3 μV/K。同时，3 GPa 压力下制备得到的样品具有更高的电子载流子浓度和电导率，在几乎全温度段实现了功率因子的提升。密度泛函理论（DFT）计算证明了导带底（CBM）在高压下可以得到有效的调整，CBM的兼并可以导致更高的态密度有效质量，有利于功率因子的提升。这些结果表明高压是一种调整Mg_1.97Al_0.03Si能带结构的有力手段。

10.Research article

Influence of Bi on the thermoelectric properties of SrTiO_{_3-δ}

Bi元素对SrTiO_{_3-δ}热电性能的影响

Cong Chen*, Mohamed Bousnina, Fabien Giovannelli and Fabian Delorme

Pages 88-93

研究了Sr_1-xBi_xTiO_3-δ(0 ≤ x ≤ 0.07)的热电性能。通过固相反应在空气中烧结，并在还原气氛中进行退火得到了致密的Sr_1-xBi_xTiO_3-δ和Sr_0.95TiO_3-δ陶瓷。XRD和SEM分析表明Sr_0.95TiO₃中烧结后形成的金红石相TiO₂在退火后变为Magnéli相的Ti_nO_2n-1。此外，退火后Bi单质从Sr_1-_xBi_xTiO₃析出，形成Sr_1-xBi_xTiO_3-δ/Bi/Ti_nO_2n-1复合物。随着Sr_1-xBi_xTiO_3-δ中Bi含量的增加，电导率增加，而塞贝克系数的绝对值由于载流子浓度增加而降低。Bi的掺杂（最高至x=0.07）降低了SrTiO_3-δ的热导率。在1000K下在Sr_0.93Bi_0.07TiO_3-δ中获得了最高的ZT值，约为0.13。

11.Research article

Enhanced thermoelectric performance in p-type ZrCoSb based half-Heusler alloys employing nanostructuring and compositional modulation

采用纳米结构和成分调制实现基于p型ZrCoSb半赫斯勒合金热电性能的提升

Nagendra S. Chauhan, Sivaiah Bathula*, Avinash Vishwakarma, Ruchi Bhardwaj, Kishor Kumar Johari, Bhasker Gahtori and Ajay Dhar**

Pages 94-102

基于ZrCoSb的半赫斯勒（HH）合金作为一种应用于中温区发电的p型热电（TE）材料已经获得了广泛的研究。然而，它们的本征高导热率对其热电品质因数（ZT）的提升是有害的，ZT值目前远低于1。在本工作中，我们通过成分调制（即晶粒之间的成分波动），在显著提升功率因子的同时降低了热导率，从而在纳米结构Zr_1-xHf_xCoSb_0.9Sn_0.1基HH合金的优化组分中获得了理想的ZT值，在873K时约等于1.1。在Hf取代的样品中观测到了声子平均自由程的显著下降，与平均晶粒尺寸（25nm）相当。因此在873 K时获得了2.2 W m⁻¹K⁻¹的极低热导率，这也是HH合金中报道过的最低值。基于可以定量描述热电性能的累计温度依赖模型估算了热电器件的特性，并在组分优化的纳米结构Zr_1-xHf_xCoSb_0.9Sn_0.1基HH合金中获得了近10 W cm⁻²的输出功率以及接近10%的单腿效率，这甚至可以与其他最理想的热电材料的效率相比拟。

12.Research article

Thermoelectric performance of Cu₂Se bulk materials by high-temperature and high-pressure synthesis

高温高压合成的Cu₂Se块体材料的热电性能

Lisha Xue, Zhuangfei Zhang, Weixia Shen, Hongan Ma, Yuewen Zhang*, Chao Fang** and Xiaopeng Jia

Pages 103-110

通过高压高温（HPHT）技术合成了多晶Cu₂Se块体材料，研究了合成温度和压力对Cu₂Se材料热电性能的影响。结果表明，合成温度和压力都决定了Cu₂Se化合物的微观结构和热电性能。合成温度的提升可以有效提升电导率，降低晶格热导率。与在室温下合成的样品相比，在1000 °C的合成温度下使得功率因子获得了2倍的提升。由于本征的快离子导体特性以及高压下产生的丰富的晶格缺陷，所有的β-Cu₂Se样品都表现出了较低且与温度无关的晶格热导率，范围从0.3到0.5 Wm⁻¹K⁻¹。在3 GPa和1000 °C的条件下合成的样品在723 K时获得了最大的ZT值为1.19。这些发现表明HPHT技术是合成Cu₂Se基块体材料的有效方法。

13.Research article

Band manipulation for high thermoelectric performance in SnTe through heavy CdSe-alloying

通过CdSe合金化实现SnTe的能带调控和高热电性能

Bo Gao, Jing Tang, Fanchen Meng and Wen Li*

Pages 111-117

通过单碲化物合金化实现L和Σ带的简并已经成功实现了SnTe热电材料ZT值的显著提升。作为溶质的CdTe在Sn位引入了Cd，这在理论和实验上被证明是一种减少两个价带之间能量差的有效介质。然而，CdTe在SnTe中约为3%的低溶解度限制了SnTe的ZT值的进一步提升，这也促使我们努力去提升CdTe的溶解度或者探索具有更高溶解度的Cd基溶质。受到CdSe在1050 K时在SnTe中高达14 %的溶解度的启发，本工作重点关注了CdSe对于SnTe热电性能的影响。由重Cd取代引起的能带简并实现了电传输性能的显著提升。此外，CdSe合金化将同时引入阳离子和阴离子的点缺陷，导致剧烈的声子散射和约为0.8 W/mK的低热导率。最终，电输运和热输运性能的协同效应在使得材料在850K时获得了高达1.1的ZT峰值，这一结果表明(SnTe)_1-x(CdSe)_x是一种有前景的热电材料。

14.Research article

Composition dependence of giant electrocaloric effect in Pb_xSr_1-xTiO₃ ceramics for energy-related applications

Pb_xSr_1-xTiO₃陶瓷巨电卡效应的成分依赖性：能源相关应用

Peng-Zu Ge, Xiao-Dong Jian, Xiong-Wei Lin, Xin-Gui Tang*, Zhi Zhu, Qiu-Xiang Liu, Yan-Ping Jiang, Tian-Fu Zhang and Sheng-Guo Lu

Pages 118-126

通过固相反应法制备了Pb_xSr_1-xTiO₃ (x=0.30,0.35, 0.40, 0.45, 0.50, 0.55)陶瓷。室温下的X射线衍射数据表明，随着Pb²⁺含量的增加，PST样品从立方相变为四方相。通过扫描电子显微镜观察了样品的微观结构，并采用介电温谱研究了铁电-顺电相变行为。采用间接法,通过测试变温条件下的极化-电场滞回曲线研究了样品在宽温域的电卡效应。室温时直接测试的样品温度变化可以达到0.79-1.86K。此外，在x=0.35样品的相变温度附近观察到了巨大的电卡效应(ΔT=2.05K, 电卡系数(ΔT/ΔE)=0.51×10⁻⁶Km/V, 电场为 40kV/cm)。以上结果表明该体系具有优异的电卡性能，是有前景的制冷材料，适用于能源相关的应用领域。

15.Research article

Intrinsic dielectric properties and vibration characteristics of La(Mg_1/2Sn_1/2)O₃ ceramic

La(Mg_1/2Sn_1/2)O₃陶瓷的本征介电性能及振动模式表征

Chao Xing, Jianzhu Li, Hengyang Qiao, Huiling Chen, Jing Wang, Xunqian Yin and Feng Shi*

Pages 127-132

通过常规固相烧结法制备了La(Mg_1/2Sn_1/2)O₃ (LMS)陶瓷。X射线衍射确认样品的主相是具有双钙钛矿结构（单斜P121/n1对称性）的LMS。扫描电子显微镜表明样品结晶性良好，结构致密，晶粒均匀，晶界清晰。采用拉曼散射和傅里叶变换远红外反射光谱分析了样品的晶格振动模式。通过洛伦兹函数拟合了拉曼活性模，准确地表征了晶格振动模式。采用四参数半定量模型拟合了本征介电特性，拟合结果与利用微观极化率和阻尼角计算的数据相吻合。A位的A_1g(La)拉曼模对介电损耗有很大影响。F_3u⁽²⁾模对介电常数和介电损耗的贡献最大。

16.Research article

Microwave absorption of aluminum/hydrogen treated titanium dioxide nanoparticles

铝/氢气处理的二氧化钛纳米颗粒的微波吸收性能

Michael Green, Peng Xiang, Zhanqiang Liu, James Murowchick, Xinyu Tan**, Fuqiang Huang and Xiaobo Chen*

Pages 133-146

入射电磁能与物质之间的相互作用对诸多民用和军用应用领域至关重要，例如光催化，太阳能电池，光学，雷达探测，通信，信息处理和传输等。这一相互作用的传统机制主要基于偶极子旋转和磁畴共振。在本研究中，我们首次报道了Al/H₂处理的TiO₂纳米粒子的微波吸收。Al/H₂处理不仅引起了TiO₂纳米粒子结构和光学性质的变化，而且大大提高了TiO₂纳米粒子的微波吸收性能。此外，微波吸收的频率可以用处理的温度进行精细控制。通过精细的温度调控吸收效率可以达到最佳值。当处理温度为700°C时，3.1mm的TiO₂涂层的反射损耗可达-58.02dB。高效的微波吸收很可能与材料中无序度引起的性能变化有关。微波吸收性能增强的同时，可见光和红外吸收大大增加，导电性增强，趋肤深度减小，这可能与Al/H₂处理引起的TiO₂ 纳米颗粒内的界面缺陷有关。