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多尺度稀土晶体材料及其应用
特邀编审
中国科学院深圳先进技术研究院多尺度晶体材料研究中心
薛冬峰教授
山东大学新一代半导体材料研究院
陈昆峰教授
昆明理工大学冶金与能源工程学院
梁 风教授
中国科学院赣江创新研究院
张一波教授
西安交通大学前沿科学技术研究院
马天宇教授
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长余辉材料的设计及机理研究进展
王育华, 冯鹏, 丁松松, 马西麟, 曹君龙, 张泓喆, 李根, 郭海洁
材料导报
2023,37(3 ):22110279 -13. DOI:10.11896/cldb.22110279
摘要
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本文聚焦本实验室近20年来在长余辉材料方面的研究成果,由长余辉材料的关键问题出发,从材料的基质选择,到掺杂、固溶等探索手段,再到对材料余辉机理的探讨,以及针对特殊余辉现象所做的拓展研究进行了详尽的分析总结,并对长余辉材料的未来研究方向进行了展望,以期为该领域的研究者提供参考。
参考文献
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多维度评价
基于稀土层状氢氧化物的荧光材料研究进展
陈露, 朱琦, 孙旭东
材料导报
2023,37(3 ):22090241 -10. DOI:10.11896/cldb.22090241
摘要
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616
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稀土层状氢氧化物(LRHs)结合了层状化合物的结构特性和稀土离子的功能特性,代表了一类新的功能材料,在光电、催化以及生物医学等领域具有巨大的应用潜力。本文主要综述了LRHs的研究进展,包括Ln
2
(OH)
5
(A
x
-)
1/
x
·nH
2
O (251-LRHs)和Ln
2
(OH)
4
SO
4
·
n
H
2
O (241-LRHs)的可控合成、结构特征、阴离子交换、纳米片剥离,以及在发光领域的应用,重点关注251-LRHs晶体的尺寸和形貌调控及纳米片剥离,总结了LRHs及其煅烧衍生物(氧化物、含氧硫酸盐和硫氧化物)荧光粉、高取向透明薄膜、光学温度传感器的发光特性,展望了LRHs功能化设计的研究方向,以期为今后进一步开发LRHs新型功能材料提供参考。
参考文献
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多维度评价
电负性评估稀土离子电荷转移跃迁理论及在量子调控发光中的应用
史国强, 薛冬峰
材料导报
2023,37(3 ):22110122 -5. DOI:10.11896/cldb.22110122
摘要
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发光过程中存在微观粒子之间的相互作用,可将其归结为量子行为。而稀土晶态材料作为发光的载体,包含了晶格、电荷、自旋以及轨道在内的多种自由度。稀土离子在晶体中可以看作一种无机晶格活性掺杂剂。由于稀土离子半径较大,其掺杂到晶体中容易引起晶格畸变,形成空位缺陷,并进一步导致晶体的电子结构和晶格环境发生改变,形成缺陷、晶格、电子结构等多尺度结构。由稀土离子掺杂引起的缺陷可以归结为局域对称性破缺,影响晶格自由度。此外,稀土离子f电子的复杂性导致了体系中的电荷、自旋、轨道等自由度的不稳定性。因此,通过多自由度耦合方法可以明确稀土晶态材料中发光来源的本质。通过电负性评估稀土离子电荷转移跃迁理论,可以将稀土晶态材料中离子尺度的晶格自由度,以及电子尺度的电荷、自旋以及轨道自由度整合起来,实现稀土晶态材料发光的量子调控。本文主要论述电负性评估稀土离子电荷转移跃迁理论及其在量子调控发光中的应用。
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多维度评价
激光加热基座法单晶光纤生长技术
武安华, 周声耀, 戴云, 张中晗, 张振, 寇华敏, 王皙彬, 苏良碧
材料导报
2023,37(3 ):22110264 -9. DOI:10.11896/cldb.22110264
摘要
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543
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单晶光纤是指具有光学纤维形态的单晶体,其同时保持了玻璃光纤的形态优势以及体块单晶优异的物理和化学性能,为高功率激光应用中替代传统玻璃光纤提供了一种思路。随着单晶光纤在材料种类及应用方向的不断拓展,单晶光纤在辐射探测、高温传感等领域也具有潜在的应用前景。本文在介绍单晶光纤应用背景的基础上,对国内外激光加热基座法单晶光纤生长技术进行了总结,详细讨论了单晶光纤生长过程中存在的问题及其改进方案,最后对单晶光纤未来的发展方向进行了展望。
参考文献
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多维度评价
稀土氟化物上转换纳米晶尺寸调控的研究进展
武素丽, 荀文斐, 张淑芬
材料导报
2023,37(3 ):22110116 -8. DOI:10.11896/cldb.22110116
摘要
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581
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稀土掺杂的上转换发光材料是一类能够吸收低频率光子、发射高频率光子的反斯托克斯位移发光材料。镧系稀土氟化物NaREF
4
是上转换效率最高的基质材料之一。该类材料由于具有荧光寿命长、背景干扰弱、组织穿透性强、化学稳定性高等优点,被广泛应用于显示与防伪、生物荧光标记、高性能传感器等领域。近年来,研究者发现通过尺寸控制可以有效改善NaREF
4
材料的性能。本文详细介绍了可控地合成不同尺寸NaREF
4
晶体的方法和影响因素,并概述了NaREF
4
晶体尺寸对其发光性能的影响。
参考文献
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多维度评价
稀土发光配合物及其在有机发光二极管中的应用
卓明鹏, 俞燕君, 丁灵奕, 陈伟凡, 廖良生
材料导报
2023,37(3 ):21060045 -10. DOI:10.11896/cldb.21060045
摘要
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稀土材料素有“工业维生素”或“工业味精”之美称,被广泛应用于信息、能源、交通、环境、航天航空等领域。稀土材料也是我国具有特色的战略资源。稀土材料独特的4f壳层电子结构具有丰富的能级结构和优良的光、电、磁、核等物理特性,使得稀土发光配合物可实现从紫外光到红外光的荧光发射,同时具有发光峰窄、稳定性好以及光色可调等特点,在有机电致发光器件研究领域引起了广泛关注。本文综述了基于合理的设计选择有机配体,调控稀土配合物宇称禁阻4f-4f跃迁和宇称允许5d-4f跃迁两种发光机制,并进一步总结其在有机电致发光器件中运用的研究进展,为新型高性能有机电致发光器件的设计与优化提供了新思路。
参考文献
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多维度评价
稀土氧化物复合材料在电催化中的研究进展
江永, 杜亚平
材料导报
2023,37(3 ):22110067 -9. DOI:10.11896/cldb.22110067
摘要
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1052
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稀土是一种重要的战略资源,稀土元素共包含元素周期表中的17种元素,即15种镧系元素(原子序数从57到71)和钪(原子序数 21)与钇(原子序数 39)。在催化领域,稀土元素由于具有特殊的4f电子构型,电子能级结构丰富,配位数多变,在许多反应中表现出出色的催化性能。在各种稀土催化材料中,稀土氧化物复合催化剂由于其制备工艺简单、结构可调变性强等特点在电催化反应中表现出优异的性能。但当前,稀土氧化物基复合催化剂的电催化反应活性与其自身的电子结构之间的关系尚不明确,阻碍了对稀土在电催化反应中所起作用的理解。本文从稀土氧化物电子结构特点出发,简要综述其复合物在电催化反应中的应用。
参考文献
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多维度评价
2∶17型钐钴永磁材料的相变机制研究新进展
宋欣, 贾文涛, 李健, 周相龙, 马天宇
材料导报
2023,37(3 ):22120078 -9. DOI:10.11896/cldb.22120078
摘要
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第二代稀土永磁材料——2∶17型钐钴是高温磁性最强的永磁材料,在轨道交通、航空航天和石油化工等领域有重要应用。然而,第三代稀土永磁材料钕铁硼的问世转移了永磁领域的基础研究方向,导致对2∶17型钐钴基本问题的理解远不如对钕铁硼深入和透彻,其产业发展滞后。其中,关于2∶17型钐钴永磁材料的相分解机制长期存有争议,导致高性能磁体的研发高度依赖于繁冗的工艺摸索。近年来,随着原位高能同步辐射X射线衍射和球差矫正透射电子显微镜等先进表征技术在2∶17型钐钴永磁材料研究中的应用,其从过饱和固溶体分解为多相共存纳米胞状组织的过程得以清晰揭示,澄清了上述争议。本文简要概述了这方面基础研究的新进展,主要包括基于缺陷形成和分解过程所明确的混合型固态相变机制、残余缺陷与磁性能的关系、基于缺陷控制的高性能材料制备新技术等内容。希望通过对基础问题的新认识,进一步挖掘2∶17型钐钴永磁材料的性能潜力,以推动下游应用领域的发展。
参考文献
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多维度评价
稀土改性锂基氧化物固态电解质研究现状与展望
张家庆, 张达, 陈昆峰, 薛冬峰, 梁风
材料导报
2023,37(3 ):22110300 -9. DOI:10.11896/cldb.22110300
摘要
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799
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918
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全固态锂电池具有能量密度高和安全性好等优点,成为新能源领域的研究热点。固态电解质作为全固态锂电池的核心部分,决定了电池的能量密度、循环稳定性以及安全性等。其中,氧化物固态电解质因离子电导率高、电化学窗口宽、力学性能优异而备受青睐,所涉及的研究体系主要包括石榴石型、NASICON型以及钙钛矿型固态电解质。然而,烧结温度高、室温离子电导率低、结构不稳定使其难以满足实际应用。本文概述了石榴石型、NASICON型以及钙钛矿型氧化物固态电解质近年的研究现状和存在的问题;总结了具有大离子半径、高价态、低电负性、可变配位数和4f5d电子结构的稀土离子在改性氧化物固态电解质时起到的增加致密度、提高离子电导率以及稳定高离子导电晶相的作用;分析了当前稀土改性氧化物固态电解质面临的主要科学问题和技术瓶颈;最后,对未来稀土改性氧化物固态电解质发展方向进行了展望。
参考文献
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多维度评价
二氧化铈负载型催化剂的研究进展
孙富丽, 张炜, 俞一帆, 盛殷笑, 庄桂林
材料导报
2023,37(3 ):22120058 -12. DOI:10.11896/cldb.22120058
摘要
（
1510
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目前,全球能源结构转型正在加快构建绿色、安全、可持续的发展局面。而能源转换是其中的重中之重。高效催化剂的探究是解决这一难题的重要分支。二氧化铈(CeO
2
)作为一种稀土氧化物催化剂或多相催化剂载体,具备独特的几何、电子结构性质 (如富含氧空位、Ce价态互变(Ce
3+
↔Ce
4+
)等),可通过有效调控催化剂几何和电子效应来影响催化性能。近年来,CeO
2
基负载型催化剂在化工、能源、环境、材料等领域已被广泛探究应用,有效助力解决能源转换、环境污染等问题。虽然已有研究者对CeO
2
负载型催化剂进行了综述,但是主要集中在单一催化方向(如电催化、热催化),缺乏系统概述。本文从两方面总结CeO
2
基负载型催化剂的研究进展:(1)CeO
2
以及CeO
2
基负载型催化剂的制备合成方法;(2)CeO
2
各类催化剂在电催化、光催化、热催化、光热催化多个催化领域的构效研究。全面综述CeO
2
负载型催化剂将有助于其在各个领域的实际应用。
参考文献
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多维度评价
稀土倍半氧化物晶体材料研究进展
刘锋, 陈昆峰, 薛冬峰
材料导报
2023,37(3 ):22110093 -7. DOI:10.11896/cldb.22110093
摘要
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738
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稀土倍半氧化物晶体是一类非常适合用于超快激光增益介质、磁光介质的材料,人们对其研究始于20世纪20年代,其由于具有高热导率、宽荧光光谱、低声子能量等优点,至今仍然是先进材料领域的研究热点。“如何突破大尺寸晶体材料的制备理论和技术”位列2021年中国科协发布的十大前沿科学问题之首,这也明确了提高大尺寸晶体材料的制备技术是晶体商业应用的关键。材料的结晶本征属性及其晶体质量是多尺度水平上体系不同自由度相互耦合的结果,因此,开发高品质的稀土倍半氧化物材料需要从多尺度水平上研究体系中稀土离子键合、熔体结构演化、晶体生长等多层次多因素问题。本文聚焦在微观尺度上稀土离子电负性的强弱对熔体中阳离子配位数的影响、熔体结构的实验与模拟计算研究以及晶体生长等方面的最新进展。稀土倍半氧化物熔点高(≥2 400 ℃),限制了铱坩埚以及大多数熔体法生长技术的使用,导致英寸级稀土倍半氧化物晶体开发缓慢。采用助溶剂法、热交换法以及设计低熔点组分是制备大尺寸高质量稀土倍半氧化物晶体的研发重点。为了推动稀土倍半氧化物的商业化应用,揭示稀土离子配位结构、熔体结构演化、生长过程中的缺陷形成机制,开发大尺寸晶体生长技术是目前需要亟待解决的关键科学挑战和技术瓶颈。
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多维度评价
稀土钇的开发及应用
张弛, 党乾, 刘国怀, 王昭东
材料导报
2023,37(3 ):22120049 -8. DOI:10.11896/cldb.22120049
摘要
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577
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稀土钇由于具有优异的物理化学性能,成为世界各国工业生产的重要添加剂,在各个应用领域尤其是晶体发光材料方面得到了大规模应用。我国是世界稀土钇资源出口大国,然而在工业生产上对稀土钇的加工使用率却仍处于较低水平,如何开发与利用稀土钇资源逐渐成为我国工业化道路上的一个巨大难题。本文针对稀土钇在相关产业中的研究现状,重点阐述了Y/Y
2
O
3
材料在发光晶体、冶金、超导、生物医疗等领域的主要应用,期望能对我国钇资源的设计开发提供帮助。
参考文献
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多维度评价
CuO修饰CeO
2
纳米复合磨料的制备及抛光性能
孙加营, 方杨飞, 张一波, 刘秋文, 刘凯杰, 杨向光
材料导报
2023,37(3 ):22120092 -5. DOI:10.11896/cldb.22120092
摘要
（
463
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采用乙二醇溶剂热的方法制备了分散性良好、粒径均一的球形氧化铈抛光粉,并通过浸渍法在氧化铈的表面引入氧化铜(CuO),研究了不同含量CuO对氧化铈的物相结构、比表面积、尺寸、表面形貌、氧化还原能力等的影响,结果表明,在负载范围内,CuO对氧化铈的物相结构、形貌及宏观粒度分布并无明显影响,但其比表面积以及氧化还原能力发生明显的改变。抛光测试结果表明,CuO的引入会明显改变铈基抛光粉的抛光能力。当Cu占Cu和Ce原子摩尔总量的5%时,抛光粉的抛光性能最佳,抛光速率高达213.4 nm/min,抛光后硅片表面的粗糙度仅为0.239 nm(
R
q
)和0.188 nm(
R
a
)。通过溶剂热的方法合成的氧化铈抛光粉形貌及尺寸良好,制备方法简单、生产成本低,经过CuO修饰后的氧化铈形貌及尺寸并未发生改变,抛光性能得到较大提升。该策略在提高铈基抛光粉的抛光能力方面具有一定的普适性。
参考文献
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多维度评价
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多尺度稀土晶体材料及其应用
