氧化铪

据美国物理学家组织网2月7日报道，英国剑桥大学工程系的安德鲁弗洛维特领导的研究团队，研制出一种介电常数更高的新式氧化铪，有望用于制造下一代更微型的电子设备、光电设备以及更高效的太阳能电池等。目前，氧化铪已成为电子工业领域的关键材料。　　氧化铪等金属氧化物的应用范围非常广泛。正常情况下，它们一般通过喷溅在基座上制造而成。然而，当科学家们试图通过喷溅制造高质量的电子材料时，却碰到了一个问题，即很难精确控制沉积过程的能量情况以及材料的属性。为此，弗洛维特团队使用了英国等离子探索有限公司研发的新奇沉积技术——利用高靶溅射(HiTUS)来促进等离子溅射。　　氧化铪是一种电绝缘体，能被用于制造光学涂层、电容器以及晶体管等。因为氧化铪的介电常数(电位移与产生电位移的电场密度之间的比率)比较高，而材料的介电常数越高，其存储电荷的能力越强，也就是说电容越大，有些公司目前正用氧化铪替代晶体管中的二氧化硅。　　氧化铪可以不同的非晶体结构和多晶体结构的形式出现。但非晶体结构缺少多结晶结构内存在的晶界(一个多晶体内材料内，两个晶体相遇的点就是晶界)，因此比多晶体结构更好。晶界就像导电通路，不仅会让电阻率变小，也会导致设备大面积出现导电能力不均的情况，这会导致设备的性能变得不均匀。然而，迄今为止，非晶体氧化铪的介电常数一直比较低，仅为20左右，而弗洛维特团队研制出的新式氧化铪的介电常数则高于30。　　弗洛维特表示，与其他形式相比，非结晶电介质(包括氧化铪)的性质更加均匀，而且，没有晶界也使材料的电阻率更高、光子散射更低。　　研究人员在室温下，利用快速沉积过程制造出了新材料，这使其尤其适合用来制造有机电子器件、大容量的半导体等。没有晶界也使该材料成为制造光学涂层和高效太阳能设备的理想材料。

互联网、人工智能等信息技术的快速发展，对存储器的存储密度、访问速度以及操作次数都提出了更高的要求。氧化铪基铁电存储器具有低功耗、高速、高可靠性等优势，被认为是下一代非易失性存储器技术的潜在解决方案。现在普遍研究的正交相(orthorhombic phase，简称“o相”)HfO2基铁电材料由于自身高铁电翻转势垒和“独立翻转”的偶极子翻转模式，使基于该铁电材料的器件具有高矫顽场，导致器件工作电压与先进技术节点不兼容、擦写次数受限等问题。这一问题是基于o相HfO2基铁电材料的本征特性，难以通过传统的优化工艺加以解决。因此，探寻结构稳定且具有低翻转势垒的HfO2基铁电材料是亟待解决的难题。 中国科学院微电子研究所微电子器件与集成技术重点实验室刘明院士团队与物理研究所研究员杜世萱团队合作，发现了稳定的铁电三方相Hf(Zr)1+xO2材料结构。这种结构降低了HfO2基铁电材料中铁电偶极子的翻转势垒。研究通过基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算发现，当Hf(Zr)1+xO2材料中，Hf(Zr)与氧的比例大于1.079:2时，三方相的形成能低于铁电o相和单斜相(m相)的形成能。扫描透射电子显微镜(STEM)实验清晰显现了过量Hf(Zr)原子嵌入在铁电三方相晶格的晶体结构，证实了理论计算的结果。嵌入的Hf(Zr)原子扩展了晶格，增加了其面内和面外应力，起到了稳定Hf(Zr)1+xO2材料结构和降低其铁电翻转势垒的作用。基于Hf(Zr)1+xO2薄膜的铁电器件展示了超低矫顽场(~0.65MV/cm)、高剩余极化(Pr)值(22μC/cm2的)、小的饱和极化电场(1.25MV/cm)、和大的击穿电场(4.16MV/cm)，并在饱和极化下实现了1012次循环的耐久性。这一研究结果为低功耗、低成本、长寿命的存储器芯片提供了一种有效的解决方案。 　　研究工作得到科学技术部、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、中国科学院的支持。近期，相关研究成果发表在《科学家》(Science)上。中国科学院大学的科研人员参与研究。图1. 平面铁电电容器的基本特性及Hf(Zr)1+xO2薄膜的结构表征图2. 富含Hf(Zr)原子的菱面体Hf(Zr)1+xO2薄膜的原子尺度STEM分析图3. 基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算图4. 基于Hf(Zr)1+xO2薄膜的铁电电容器的性能

1.文章信息标题：Sunlight-drivenphotocatalyticoxidationof5-hydroxymethylfurfuraloveracuprousoxide-anataseheterostructureinaqueousphase中文标题：水相中氧化亚铜-锐钛矿异质结上太阳光驱动的5-羟甲基糠醛催化选择氧化页码：AppliedCatalysisB:Environmental320(2023)122006DOI：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.1220062.文章链接https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.1220063.期刊信息期刊名：AppliedCatalysisB:EnvironmentalISSN：0926-33732021年影响因子：24.319分区信息：中科院一区Top涉及研究方向：化学4.作者信息第一作者是：云南大学张奇钊；通讯作者：云南大学方文浩。5.光源型号：CEL-HXF300-T3文章简介将5-羟甲基糠醛（HMF）选择氧化为2,5-二甲酰基呋喃（DFF）是糠醛类生物质平台分子转化利用的重要途径之一。DFF是合成糠基生物聚合物、药物中间体、杀菌剂以及荧光剂等的重要单体。传统的热催化氧化技术通常依赖于苛刻的温度和氧压，容易诱发安全和环境隐患。因此，迫切需要开发在温和条件下高效转化HMF为DFF的环境友好型催化体系。于是，光催化氧化技术，因为具有光生空穴和氧气存在下产生的活性氧物种可以在温和条件下驱动该反应的进行而成为科学家们研究的热点。然而现有的金属氧化物光催化剂的制备大部分较为复杂或者以有机试剂（即乙腈、三氟化苯等）作为反应溶剂导致较高的制备成本和环境污染。因此，非常需要低成本、易于制备和易于调节的氧化物催化剂。此外，使用水代替有机溶剂作为反应介质更环保，但对于金属氧化物催化剂来说可能具有很大的挑战性。因为作为副产物的水往往会阻碍正向反应，并且水也可能加剧金属浸出。基于上述研究背景，云南大学化学科学与工程学院方文浩教授课题组通过化学还原沉淀法制备了具有p-n异质结的(Cu2O)x‖TiO2光催化剂，实现了以H2O为反应溶剂，O2作为氧化剂，在无任何添加剂条件下高效利用太阳光催化氧化HMF制DFF。通过调变两种金属的比例和二氧化钛的晶相，深入研究了催化剂能带结构对反应机理的影响。研究发现Cu2O的含量决定HMF的转化率，而TiO2的晶相（即锐钛矿和金红石）影响DFF的选择性。通过清除剂实验研究揭示了空穴（h+）会将HMF深度氧化为CO2，而单线态氧（1O2）能够将HMF选择氧化为DFF。结合莫特肖特基曲线和价带谱数据可以推出半导体的能带结构，由此可得Cu2O的价带位置显然比HMF氧化为DFF的氧化电位更正，但比DFF的氧化电位更负。这表明Cu2O的价带上的光生空穴可以将HMF氧化成DFF，但不能进一步氧化DFF。相反，TiO2的价带位置比DFF的氧化电位更负，因此TiO2价带上的光生空穴能够进一步氧化DFF。p-n异质结的形成不仅抑制了TiO2上羟基自由基（•OH）的产生，而且还促进了O2在Cu2O上活化产生1O2。因此p-n异质结的形成增强了Cu2O的氧化还原能力同时增强了TiO2光利用效率。此外，通过光致发光谱，光电流响应以及电化学阻抗谱表征发现(Cu2O)0.16‖TiO2(A)具有最佳的光生电子和空穴的分离效率以及最佳的电荷迁移效率。与此相对应的，(Cu2O)0.16‖TiO2(A)催化剂在水相、35℃、10mLmin-1O2和模拟太阳光下的温和条件下（如图1所示），产生64.5mggcatal.-1h-1的DFF生成速率。这是目前文献报道的以水为反应介质金属氧化物光催化剂上取得的最佳结果。此外，该催化剂可直接在太阳光和空气下工作，且多次循环使用未见失活。该工作通过一系列的光电性质与形貌表征，深入揭示了异质结催化剂中两种半导体间的强相互作用。研究了在光催化反应过程中光生空穴与各个活性氧物种的作用。并通过能带结构解释了晶相与催化活性的构效关联问题。期望本研究建立的反应选择性和能带结构之间的关系可以应用于其他异质结光催化体系。