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压电催化、电磁波吸收、光电器件、声光调制等研究领域最新科研进展汇总
压电催化、电磁波吸收、光电器件、声光调制等研究领域最新科研进展汇总
①ChemCatChem：原位压电沉积金属助催化剂促进压电催化水分解中活性氧和氢的生成
水介质中的压电催化在化学合成、污染物降解、水分解、杀菌和肿瘤消除等应用中显示出巨大的潜力。然而，目前的压电催化剂的催化效率仍然达不到实际应用的期望，主要原因是：一方面，压电诱导产生的电子和空穴容易在铁电畴间消耗，导致可用于氧化还原反应的电荷大幅减少；另一方面，压电催化剂（例如钙钛矿氧化物）表面功函数较低，其界面不利于氧化还原反应的发生。基于此，促进压电诱导产生的电荷高效分离和构建活性催化界面来提高压电催化效率是研究者们需要探寻的问题。已有研究表明，在压电材料衬底上负载高功函数贵金属纳米粒子是促进电荷分离和增强压电催化性能的有效方法。然而，不同贵金属在金属-压电纳米异质结构界面处的压电驱动电催化反应类型和其特定催化反应效率却鲜有报道。近日，山东大学李建华教授团队选择经典的钛酸钡BaTiO3（BTO）纳米压电晶体作为研究模型，利用BTO纳米晶体在施加机械力作用下产生的压电电荷原位还原Au、Pt 和Pd 等金属离子，合成了BTO@M（M = Pt，Pd和Au）压电异质结构。研究结果表明，沉积的贵金属助催化剂通过金属-压电界面显著促进了压电产生电荷的分离和迁移，显着提高了压电催化性能。研究还发现在超声波振动刺激下，在溶解氧条件下，BTO@Au通过双电子氧还原途径表现出最高的活性氧基团ROS产率；而在无氧条件下，BTO@Pt的压电催化产氢效率可达到15.34 μmol h-1 g-1 W-1，大大提高了钙钛矿氧化物基压电材料的析氢率。此项研究中提出的原位沉积金属-压电异质纳米结构突出了贵金属作为助催化剂在压电驱动的氧还原和析氢反应中的关键作用，这可以进一步推动压电催化在清洁能源、水消毒和生物医学领域的发展。相关工作以题为“Piezodeposition of Metal Cocatalysts for Promoted Piezocatalytic Generation of Reactive Oxygen Species and Hydrogen in Water”发表在《ChemCatChem》上。
②Adv. Funct. Mater: 基于氧空位诱导介电极化的宽频Mn基MOFs衍生复合电磁波吸收剂
MOFs材料具有丰富的界面和缺陷、较大的孔隙率和规则的拓扑结构，已在许多领域得到应用。通过改变金属源和有机配体，可以有效调节MOFs衍生物的形貌、界面和缺陷，这表现出衰减EMW能量的巨大潜力。然而，单金属MOFs的低介电常数和单一的损耗机制无法满足对EMW吸收性能的要求，需要提出一种新的研究思路来解决这个问题。针对该挑战，青岛大学吴广磊课题组与西北工业大学吴宏景课题组基于材料的形貌调控和多元组分的异质性，设计了一种新型的(Co, Ni) Mn基MOFs衍生复合材料。这项研究提供了一种可能的解决方案，通过引入杂原子和改变退火温度来调节MnO中的缺陷，包括氧空位和阳离子空位。一方面，氧空位的浓度随着杂原子的加入而增加，这有利于实现理想的偶极极化；另一方面，杂原子的引入伴随着新相的产生，有利于异质界面的形成。因此，适当的氧空位引入和离子掺杂有助于增强EMW吸收性能。通过这种设计思路，制得的Mn基MOFs衍生物的最佳反射损耗在厚度为2.6 mm时达到-55.2 dB，有效吸收带宽在厚度为2.1 mm时达到8.0 GHz。综上所述，通过调节氧空位的浓度来优化MnO的介电损耗能力，这为优化Mn基MOFs衍生复合材料的电磁波衰减性能提供了重要参考。
③光控二极管：新型光电器件实现“关态→整流态”转换
光电探测器可以将光信号转化为电信号，是一类重要的半导体器件。在光照前后，光电探测器的信号状态可归纳为关态、开态以及整流态三类。在光照后，光电二极管等由整流态向开态转换，光电导和光电晶体管等由关态向开态转换。从光电探测器电学行为的完备性出发，理论上还应存在一类由关态向整流态转换的新型器件。这类新型器件将在高精度成像、光逻辑运算等领域发挥重要作用。近日，中国科学院金属研究所的科研人员提出了一种新型器件：光控二极管。通过异质结的设计与构筑，器件获得了新型光电响应特性，电流状态在光照条件下实现了由关态向整流态的转换，进而构筑出首例无需选通器件的光电存储阵列。该研究以“A photon-controlled diode with a new signal processing behavior”为题在线发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR）。
光控二极管
④片上高效声光调制器：薄膜铌酸锂-硫系玻璃异构集成
声光相互作用本质上是一种多物理场耦合过程，射频信号驱动的声波可通过弹光效应、压电效应、电光效应、移动边界效应等改变局部波导的折射率来操纵光子。基于这个原理，该耦合过程激发了许多巧妙的应用，例如调制、移频、光束偏转、滤波、开关等等。基于体材料的传统声光调控器件对光子和声子能量束缚能力都较弱，导致介质中声光相互作用强度较低。与体材料相比，光子集成电路可以将声表面波（SAW）和光导波很好地限制在薄膜内，有助于在波长尺度范围内实现高的声光重叠效果，进而获得小型化、高性能、低成本的片上声光调控器件。一般来讲，声表面波是由放置在薄膜压电材料上的叉指换能器（IDT）产生，而高性能的片上声光调控器件依赖于低损耗的光波导与高效率的IDT。作为一种典型的片上调制器原型，基于马赫-曾德尔干涉仪(MZI)结构的单臂型声光调制器不断被研究人员所关注。然而，器件工作中，由于IDT激发的瑞利SAW总是会向两个相反的方向传播；换言之，理想情况下，只有50%的有效声波能量可以传播至光波导处，并参与单臂声光相互作用，导致器件的调制效率偏低。尽管可通过精细工程化MZI波导双臂间的距离和金属光栅反射器的结构来达到推挽式的工作效果，但金属光栅的衍射效应和声波反射引入的声波耗散与模式重构问题势必会增大声波的损耗。同时，MZI波导双臂不均衡的声波能量分布也会进一步降低器件的声光互作强度，导致很难实现严格意义上双倍增强的调制效率，这也有悖于双臂调制的初衷。为了进一步获得高效率的片上声光调制，目前，研究人员先后提出了不同的器件结构，例如：悬浮增强结构、一维光子晶体纳米梁、二维光子晶体谐振器以及光机械谐振腔等，从实验上探究了SAW对光波导的调制效果。然而，一定程度上，依然存在着调制效率低、带宽窄以及工艺复杂等缺点。由此可见，一方面，高效率片上声光调制的实现仍然面临挑战；另一方面，高效率大带宽声光调制也是当下片上高性能声光调控芯片追求的目标之一。近日，中山大学李朝晖教授团队联合暨南大学万磊副研究员、冯天华副研究员、刘伟平教授，浙江大学李欢研究员, 华南师范大学朱凝副研究员和南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海），在薄膜铌酸锂平台上异质集成硫系光波导，实现了片上非悬浮推挽式声光调制器。该调制器在低驱动电压、高效率调制、低成本方面表现出优异的性能。该成果以“Highly efficient acousto-optic Modulation using nonsuspended thin-film lithium niobate-chalcogenide hybrid waveguides”为题发表在《Light : Science and Applications》期刊上。暨南大学万磊副研究员为论文第一作者与通讯作者，中山大学博士后杨志强和暨南大学硕士研究生周文丰为共同第一作者，中山大学李朝晖教授为论文共同通讯作者。该项目得到了科技部宽带通信与新型网络专项重点研发计划项目，国家自然科学基金委面上项目，青年项目等资金的支持。
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