兰州大学材料科学与工程

兰州大学材料科学与工程第五批甘肃省重点学科总结

一、学科简介

兰州大学材料科学专业是国家教委批准的综合性大学首批材料科学试点专业。1990年在综合性大学中首批获得材料物理专业硕士学位授予权,1993年统一调整为材料物理与化学硕士专业。1993年经国家教委批准,开设材料物理、材料化学两个本科专业。1998年获材料物理与化学专业博士学位授予权。1999年获得材料学专业硕士学位授予权。十多年来,为国家培养各种层次的材料科学人才1000多人,其中硕士研究生36人,培养博士研究生6人。他们遍及全国高校、科研院所和钢铁、有色、机械、化工企业,有些已经成为科研、技术、管理骨干。已经与金川有色金属公司联合建立了博士后及研究生联合培养基地。

该一级学科研究队伍包括教授16人,副教授11人,讲师25人。其中杰出青年基金获得者两人,兰州大学萃英特聘教授1人,教育部跨(新)世纪优秀人才10人。研究团队成员在Nature、Nature Nanotechnology、Nano Letters等顶级学术期刊上发表论文多篇,获得包括2008年度陶瓷研究领域最佳贡献奖Ross Coffin Purdy Award国际奖项在内的重大学术性奖励多项。主持或参与编写专业书籍多部。据ESI统计,我校材料类论文篇均被引用次数排全国高校第24位。根据2010年ESI统计,我校材料类发表论文数在985高校排名第26位,篇均被引次数篇均被引次数在985高校排名第11位。先后省部级科技奖励2项。

二、学科方向

兰州大学材料科学与工程一级学科点的发展从国家和社会的需求出发,并且结合自身的优势,形成了无机发光材料、磁性材料以及纳米能源技术与功能纳米器件等三个特色鲜明的学科方向。磁性材料是我校的传统优势学科,我校该领域的研究处于国内先进水平。在纳米能源技术与功能纳米器件学科方向,我校在国内率先开展了纳米发电机的研究,并且与国际一流研究组合作紧密。同时,我校在新型纳米材料、无机发光材料等学科方向也做出了很多具有特色的研究工作,形成了各自的优势。

无机发光材料方向涵盖了真空紫外(VUV)用发光材料、发光二极管(LED)、量子点以及长余辉发光材料等研究领域。新型纳米材料方向主要研究纳米金属合金块体、特殊形状纳米颗粒、纳米薄膜、纳米晶陶瓷、纳米玻璃的制备、结构与性能的关系。磁性材料方向研究高密度磁记录材料、自旋电子学、磁性纳米材料、高频磁性材料、磁性传感器用材料和器件、磁性材料中的微观电磁特性。纳米能源技术与功能纳米器件方向是利用纳米尺度材料的特点并通过适当的设计来开发先进的能源技术和性能优越的功能纳米器件,并且进一步地研究无需外界电源的自供能纳米系统。

1、无机发光材料方面:

无机发光材料方面我们主要从事高亮度真空紫外发光材料及白光LED用发光材料的制备方法、结构和形貌与材料性能之间的关系的创新研究,取得了具有实质性进展的研究成果,开发了一系列

具有潜在应用价值的发光材料,并在该领域与日本东北大学、秋田大学、美国犹他大学进行合作。同时开展极端条件下新材料的制备(如高温、高压,微波合成,水热合成等),在以上领域先后主持国家自然科学基金、科技部863计划、科技部重大基础研究计划前期专项、教育部科学技术研究重点项目基金、国家杰出青年基金等项目,并与企业开展科研合作,在实现科研成果的转化方面收到了良好效果。比如:(1)真空紫外发光材料是一种由真空紫外光(﹤200nm, vacuum ultraviolet, VUV)激发的光致发光材料。真空紫外发光材料由于涉及到环保的无汞荧光灯、等离子平板显示器(PDP)以及液晶显示(LCD)显示背光源等热点产品的生产应用,近年来一直受到国内外学者和产业界的高度重视,是一种具有广泛应用价值和发展潜力的发光材料。然而,由于现有真空紫外发光材料的发光效率相对较低以及应用中存在的其它缺陷如色纯度差、余辉时间过长和热稳定性差等,使得其相关产品的应用性能受到影响,成为制约无汞荧光灯、PDP以及LCD显示背光源等产业发展的瓶颈。因此,开展真空紫外发光材料的相关研究,改进其应用缺陷、提高现有真空紫外发光材料的发光效率和开发新型高效的真空紫外发光材料就成为迫切的需要。我们经过近10几年的研究,目前可以根据客户要求,提供以上荧光粉相关技术以及工艺流程(产品质量接近或超过国内外同类产品)。(2)LED用发光材料:半导体白光发光二极管(白光LED)是一种高效、节能、环保的新型固态照明技术,被誉为21世纪必然取代“高能耗的白炽灯和易污染环境的汞蒸气激发的荧光灯”的新一代光源。目前,半导体

白光LED产生白光的途径有三种:(1)使用“荧光转换技术”,即使用发射黄光的无机稀土荧光粉与发射蓝光的InGaN半导体管芯封装组成白光LED;或者使用发射红、绿、蓝三基色光的无机稀土荧光粉(或发射白光的单一荧光粉)与发射紫光的GaN半导体管芯封装组成白光LED;荧光转换技术具有简单、低成本等优点。(2)RGB多芯片技术;(3)“量子阱”技术。目前,“量子阱”技术仍处于实验室研究阶段,RGB多芯片技术只有少量产品,而 “荧光转换技术”是已实际应用的产生白光的主要途径,显而易见,无机荧光粉是半导体白光LED器件的核心和关键材料。关于该项目可以根据客户要求,共同研发新型LED用荧光粉(产品质量接近或超过国内外同类产品)。

(3)长余辉发光材料:长余辉发光材料是一类吸收了激发光能并存储起来,光激发停止后,再把储存的能量以光的形式慢慢释放出来,并可持续几个甚至十几个小时的发光材料。当前国内外对长余辉材料的研究主要集中在两个方面:一是寻找多色长余辉材料;二是拓展其应用领域。当前用的长余辉材料的发光颜色主要是单一的黄绿色(SrAl2O4:Eu2+,Dy3+),其它颜色的长余辉发光材料由于余辉性能差,还不能得以广泛应用。因此,怎样提高蓝色长余辉材料CaAl2O4:Eu2+,Nd3+的余辉亮度和延长其余辉时间以及开发新型红色长余辉材料成了众多学者关注的焦点。我们实验室经过近10几年的研究,目前可以根据客户要求,提供以上荧光粉相关技术以及工艺流程(产品质量接近或超过国际同类产品)。

2、纳米能源技术与功能纳米器件:

纳米能源技术与功能纳米器件方面我们主要从事纳米能源系统和功能纳米器件的制备与性能的研究,开发了高输出功率的纳米发电机以及多种功能纳米器件,并在该领域与美国佐治亚理工学院、中国科学院进行合作。在以上领域正在主持承担或已经完成了首批中组部“万人计划”青年拔尖人才支持计划项目、国家自然科学基金优秀青年基金、国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年基金、教育部新世纪优秀人才资助计划、教育部博士点基金、霍英东教育基金基础性课题。取得了一系列重要的研究成果,比如:(1)在纳米发电机研究领域,我们通过大规模的并联集成,使用具有高压电系数和高机电转换效率的铁电材料(如锆钛酸铅(PZT)、钛酸钡(BaTiO3)等)作为纳米发电机主体,通过对纳米线一致取向,来提高输出功率。所制成的纳米发电机可以用来点亮液晶显示屏、市售LED灯等,并且可以用来直接驱动UV传感器。同时,还开发了磁力驱动的非接触式的纳米发电机,研究了纳米发电机的多种驱动方式,为纳米线的广泛应用奠定了基础。(2)紫外探测器是非常重要的一种探测器,它是以光电效应为基础,将光信号转换为电信号的传感器。其在生物医学、天文研究、同步辐射、光谱分析、粒子探测以及闪光照相等诸多领域有着广泛的应用。好的探测器要求灵敏度高、响应快(响应时间短)、复位时间短、信噪比高以及响应电流高。传统的紫外探测器使用笨重,易损坏且成本较高。随着纳米技术的发展,开发了单根纳米线探测器,这种探测器体积小、成本低,响应灵敏度高,响应速度和回复速度快。但纳米线电阻大,因此响应电流非常弱,需要体积庞大、

价格昂贵的高精度电流放大器来实现测量,因此如何能在保持单根纳米线探测器优势的基础上,大幅度提高探测器的响应电流及性能,是这种高灵敏度探测器实现应用面临的重大挑战。我们的工作就在研究单根纳米线紫外探测器的基础上,通过改变电极类型以及大规模并联的方式提高探测器响应电流,开发出了基于纳米线阵列膜的高性能紫外探测器。(3)气体探测器是将单一或多种气体浓度信息转换为电信号的传感器。其中的半导体气体探测器的工作原理是半导体的表面在吸收气体后,电阻发生变化,根据导电性能的变化规律来实现对各种化学气体及其浓度的精确测量。气体探测器可以对各种化学毒气进行及时有效的探测,以便采取相应的防护。我们研究了多种单根纳米线气体探测器,通过表面改性提高探测器响应电流,实现了对多种有毒气体及时有效的探测。

3、磁性材料方向

磁性材料方向的研究包括高密度磁记录材料、自旋电子学、磁性纳米材料、高频磁性材料、磁性传感器用材料和器件、磁性材料中的微观电磁特性等方向。重点针对以下方向进行研究:

(1)高密度磁记录和新型磁记录材料和技术:

传统的磁记录技术主要由具有用于储存信息的磁记录介质并配合高性能软磁读出和写入磁头来实现,随着记录密度的不断提高,每个记录单元的尺寸越来越小,已经达到纳米尺寸,进一步的发展需要分别针对磁记录介质和高速磁头进行研究。本研究方向的任务包括:更高磁晶各向异性常数的磁记录介质、更快读写速度和饱和磁

感应强度的软磁薄膜磁头材料、新型微波辅助自旋转移矩磁性随机存储器以及新型利用畴壁移动实现信息传递的赛道存储器的研究,特别是拓展微磁学模拟技术在自旋电子学和畴壁动力学中的应用。

(2)GHZ频段金属软磁材料的各向异性及高频磁性调控

高性能的磁记录介质需要更快速度的软磁薄膜磁头,实际使用逐渐已经拓展到GHz频段范围,传统的软磁材料已经无法满足高速信息读取的需要。因此本方向主要针对可以用于GHz频段的金属软磁薄膜材料进行研究,探索高频磁性的调控方法以及测量方法,重点探索软磁材料中的各向异性调控技术。

(3)巨磁阻抗等高灵敏度磁性传感器

从本质上来说,软磁薄膜磁头是一个高灵敏度的磁场传感器,可以用来感应磁记录信号的微小变化。除此之外,还有大量的场合需要用到磁性传感器,例如汽车的自动探测系统、地磁导航系统、地震磁场探测、手机中用的地磁传感器等。不同的磁性传感器有不用的使用范围,包括霍耳效应、各向异性磁电阻、巨磁电阻、隧穿磁电阻、磁通门和巨磁阻抗传感器等在不同领域有广泛的应用。本方向选择不同磁性材料进行并进行优化,重点研究新型高速、高灵敏度、低功耗、小尺寸磁场传感器,拓展磁性材料在传感器领域的应用研究。

三、主要建设内容(从学术团队、人才培养、科学研究、学术交流、建设规划和基础条件建设以及服务于甘肃省经济建设的情况等方面论述)

在建设期间主要从以下几方面进行建设,并获得多项成果:

学术团队方面,王建波教授、贾成龙教授成功参与进入2012年教育部创新团队发展计划:“多场控制的磁电功能材料与器件”,贾成龙教授专门承担了2013年中央高校科研创新团队培育项目:“自旋的非磁场调控”。秦勇教授2012年入选首批中组部青年拔尖人才,2013年获得国家自然科学基金委优秀青年基金项目资助。

人才培养:目前在读博士研究生38人,硕士研究生44人,2011-2013年毕业博士生35人,硕士研究生41人。

科学研究: 2011-2013年,共发表相关SCI论文200多篇(其中二区论文以上30余篇),获得发明专利十项。二人参加国家重大科学研究计划项目,获得国家自然基金项目7项,参与教育部创新团队发展计划一项。

纳米能源技术与功能纳米器件主要取得的科研成果有:

(1)高输出功率的柔性纳米发电机的研究

利用电纺法,采用多对平行电极作为收集装臵,制备了一致取向的PZT纳米纤维阵列膜,纤维直径约16 nm,长度可达450 ?m。将多层这样的PZT纳米纤维阵列膜叠放,用PDMS封装,制备成基于超长PZT纳米纤维阵列的柔性纳米发电机,其输出电压高达209 V,是文献报道的3.6倍,不需能量存储系统可直接点亮市售LED灯。

(2)高灵敏度低功耗的纳米线探测器的研究

以ZnO纳米线作为紫外探测器主体。首先,制备了五个单根纳米线紫外探测器,并对它们进行并联组合,结果表明,当单根纳米线紫外探测器并联之后,响应电流是单根纳米线器件响应电流的叠加。

之后,将多根纳米线集成在一个探测器中,结果表明,响应电流随集成纳米线数量增加而增加。通过改变电极类型,紫外探测器的回复时间从几十秒降低到0.1秒,回复速度显著增加。利用接触印刷法对纳米线进行大规模集成,探测器的开关比最高可以达到82000,响应电流提高到毫安量级。可探测最小UV强度为100 nW/cm2。这是商用探测器可测量的最小强度,但商用探测器的体积要远大于我们的器件。用PET取代刚性基底,我们制备了柔性紫外纳米探测器。其开关比最大值为12万,响应电流可达14.1 mA,这么大的电流,用廉价的机械表头就可测量。具有高响应电流的柔性纳米线阵列紫外探测器,在弯曲状态下也可以正常工作。在100 nW/cm2UV强度下,开关比仍在1000左右,说明探测器可探测更低的UV强度。这就使得便携式高灵敏度探测成为可能。

(3)纳米线探测器的自供能

将紫外传感器和纳米发电机结合,实现了紫外探测器的自供能。 无机发光材料方面主要取得的科研成果有:

PDP和无汞灯用发光材料方面,(Y,Gd)BO3:Eu3+因具有优良的真空紫外吸收特性及较高的能量转换效率,是现在PDP红粉的主要材料,但是与CIE(Commission International de l'Eclairage)给出的标准比较,(Y,Gd)BO3:Eu3+的发光偏黄。我们通过向其中掺入其他元素以打破晶体结构的对称性,改变合成方法,控制产物形貌等手段,不仅使其发光亮度大大提高,同时使其色纯度也得到了显著改善,其红橙比由日本化成公司产KX-504的0.45增至1.25。也有结果显示Li+,

K+,Na+和Bi3+的掺杂不仅能破坏其结构对称性进而改善(Y0.65,Gd0.25)BO3:0.1Eu3+的色纯度,同时可提高其发光强度。

Zn2SiO4:Mn2+ 因为具有亮度高、色纯度好、优良稳定性及优良的真空紫外吸收特性,而被作为三基色荧光粉的绿色成分被广泛应用于PDP和无汞荧光灯。但是在实际应用中,该发光材料具有很长的余辉时间(大于23 ms ),使得显示器件的画面在变换时产生明显的滞后,严重影响了PDP 的显示性能。课题组通过改变合成工艺,调整掺杂组分等办法,对现有的Zn2SiO4: Mn2+ 发光材料进行了改进,通过这项工作不仅提高了其发光强度,同时也大大降低了其余晖时间(8ms)。首次采用水热法在低于300℃的温度合成了片状、花状和球形等各种形貌的(Y,Gd)BO3:Tb3+新型绿色发光材料,其中球形(Y,Gd)BO3:Tb3+发光材料具有很高掺杂浓度且余辉时间很短(仅

1.9ms),其发光亮度略高于商用Zn2SiO4:Mn2+ 绿粉。详细研究了(Y,Gd)BO3:Tb3+的发光猝灭浓度与激发波长(130~290nm)的依属关系。研究结果表明,在某些特定波长激发的发光猝灭浓度在很大程度上取决其所激发的相应激发带,静电作用对浓度猝灭的作用很小,而交互作用对其影响很大。通过研究不同离子掺杂对Zn2SiO4:Mn2+ 绿光性能的影响,发现Mg2+,Ba2+,Ca2+,Y3+/Li+,Gd3+/Li+,Ge4+的掺杂并经过能量传递能有效改善绿粉Zn1.92SiO4:0.08Mn2+的余辉和发光性能。

首次用化学共沉淀法和硝酸盐热解法成功地合成了BaMgAl10O17:Eu2+发光材料,使其合成温度由常规固相反应法的

1600℃以上降低到了1300℃左右,能源的节省将使该蓝粉的生产成本大大降低,同时化学共沉淀法制备的该发光材料的结晶性、相纯度、发光强度等性能均得到有效的提高或改善,其在147nm激发下的发射强度比高温固相法合成的样品提高了大约15%。针对BaMgAl10O17:Eu2+ 存在工序劣化和历时劣化的问题,我们用溶胶-凝胶法在BaMgAl10O17:Eu2+表面包覆均匀牢固的氟化物包覆膜,在一定程度上提高了蓝粉的抗劣化能力。根据大量实验现象首次提出了热处理过程中伴随有Eu2+的迁移并形成新的发光中心,Eu2+的迁移与氧化共同作用造成了蓝粉的热劣化,该结果在一定程度上很好解释了真空紫外激发下热劣化程度较高及色度漂移等问题,将为提高现有发光材料稳定性及开发新型发光材料提供指导作用。我们的研究结果表明在蓝粉Ba0.9MgAl10O17:0.1Eu2+中发现存在自还原现象和新的热劣化机理,Ca2+,Mg2+,Sr2+,S2-的共掺杂能改善其结构稳定性并对其发光亮度有极大的提高作用。

此外,还开发了一系列具有潜在应用前景的红、绿、蓝PDP和无汞灯用发光材料。

在LED用发光材料方面,致力于对现有荧光粉的改善以及新型高效荧光粉的开发,尤其是亟需面向蓝光芯片的红粉。基于Ce3+-Mn2+间的能量传递,通过调节Ce3+、Mn2+的浓度,在单一基质中成功发现了一种颜色可调的白光发射发光材料Ca5La5(SiO4)3(PO4)3O2:Ce3+,Mn2+。研制了几种具有良好的色纯度及较高的发光强度的红光发光材料: Na2CaSiO4:Eu3+、YBa3(PO4)3:Eu3+和NaYSiO4:Eu3+, Mo6+。针对LED

显色性不好、再吸收、光衰、成本较高等问题,研究发现了几种单一基质白光发射发光材料:SrB4O7 :Eu3+,Gd3+,Ca4Y6(SiO4)6O:Ce3+, Tb3+、Ca8Mg(SiO4)4Cl2:Ce3+, Tb3+等。另外,在无需模板剂和催化剂的条件下于常压气氛中,两步法合成了具有良好热稳定性和化学稳定性的高品质二维h-BN纳米片,该样品在400-475 nm存在强的蓝光发射,可应用于纳米尺度的LED蓝光光源。

在长余辉材料方面,我们在蓝色长余辉材料CaAl2O4:Eu2+,Nd3+中发现缺陷缔合体NdCa·· VCa’’· NdCa·,该缔合体能有效俘获大量空穴并源源不断地将空穴传输给Eu2+,从而能够显著改善CaAl2O4:Eu2+的余辉性能。通过对Sr2+掺杂CaAl2O4:Eu2+, Nd3+的研究发现,材料内部存在着孤立的Ca格位,这些孤立的Ca格位在俘获中心和发射中心中间起到传输空穴的作用,由此提出了CaAl2O4:Eu2+, Nd3+的余辉机理。在蓝色长余辉材料Sr2MgSi2O7:Eu2+,Dy3+,Ce3+的研究中发现,通过 Ce3+→Eu2+之间的能量传递及Ce3+掺杂形成的更多有效的陷阱中心,提高了Sr2MgSi2O7:Eu2+,Dy3+的余辉性能。通过Eu2+→Mn2+能量传递,得到一种光致黄光余辉蓝光的多色发光材料CaAl2O4:Eu2+,Nd3+,Mn2+。 在Sr3MgSi2O8:Eu2+,Mn2+,Dy3+中,发现在余辉衰减过程中Eu2+到Mn2+的持续能量传递,其延长了Mn2+红色余辉发射的余辉时间,对开发新型红色长余辉材料具有理论指导作用。对系列锡酸盐红色长余辉材料(A2SnO4:Sm3+,A=Ca,Sr,Ba)的制备方法及余辉性能进行了研究,发现氧空位作为电子陷阱对其余辉性能起到至关重要的作用,电子陷阱的基本属性直接取决于基质阳

离子的电离能的大小,这一发现改变了人们对空穴陷阱在余辉过程中起到主导作用的这一观点,为红色长余辉材料的余辉形成机理研究提供了重要数据。研究发现具有一维链状结构基质材料Ca3SnSi2O9不但具有自激发特性,而且其本身具有的特殊本征缺陷为其作为长余辉材料提供了前提条件,这一发现为新型长余辉材料的基质选择方面提供了一种新的思路。在BaMgSiO4:Eu2+材料中,发现激发过程中存在着Eu2+到Eu3+的光电离现象,这一发现为现有长余辉机理提供了有力的实验证明,也改变了人们对于现有长余辉机理缺乏实验证明的现状。

学术交流:在国际会议上特邀报告8个,口头报告8个,协办组织国际会议1个 。国内特邀报告1个,口头报告1个,组织举办会议1个(2011年在兰州组织举办第十一届全国穆斯堡尔谱学会议。王建波教授成为中国穆斯堡尔专业委员会秘书长)。

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