通过界面工程在Si（111）衬底上实现β-Ga?O?薄膜的异质外延生长，用于自供电紫外光电探测器

《Applied Ocean Research》：Heteroepitaxial growth of β-Ga 2O 3 thin films on Si (111) substrates via interfacial engineering for self-powered ultraviolet photodetectors

高红外辐射尖晶石CuMn2O4/SiC复合微球通过喷涂干燥法制备，表面皱缩且内部多孔，SiC封装于CMO微球中，抑制氧化并提升低温红外发射率。优化样品CMO-S10在30℃时3-5μm波段发射率达0.935，300℃时达0.944，8-14μm波段热耗散优异，适用于LED散热等工业节能场景。

　　本研究围绕一种新型的红外辐射材料——尖晶石结构的CuMn?O?（简称CMO）展开，重点探讨了其在中低温下的红外辐射性能提升策略。CMO因其独特的晶体结构和较窄的带隙，能够展现出优异的高温红外辐射特性，这使其在许多工业应用中受到关注。然而，其在中低温环境下的红外辐射性能却不尽如人意，从而限制了其在更广泛温度范围内的应用。为了克服这一缺陷，研究团队采用了一种创新的材料设计思路，通过喷雾干燥法和后续低温退火工艺，成功制备出具有分层结构的CMO/SiC（简称CMO-S）复合微球。这种材料不仅保留了CMO在高温下的优异性能，还显著提升了其在中低温下的红外辐射能力，同时有效抑制了SiC在氧气环境中易氧化的特性。

随着全球能源危机的加剧，特别是传统化石能源的日益枯竭以及经济和科技的快速发展，人们对高效节能材料的需求愈发迫切。红外辐射材料因其出色的热稳定性和高效的光热转换能力，逐渐成为解决这一问题的重要手段之一。这些材料在多个关键行业如工业炉、军事技术、节能减排、环境保护、航空航天以及医疗健康领域中得到了广泛应用。特别是在工业炉的应用中，红外辐射材料能够优化炉壁与产品之间的热传递效率，从而在既定的工艺温度下实现更低的能耗，显著提高生产效率并减少环境污染，实现经济效益与环境效益的双赢。

目前，市场上已有一些红外辐射材料被广泛使用，如CeO?、MnO?/NiCr、Na?SiO?/SiC、ZnO、CuFe?O?、REO-HfO?（REO包括Tb?O?、Gd?O?和Sm?O?）以及ZrB?/SiC等。然而，这些材料普遍存在一个共同的局限性，即它们的红外辐射性能主要体现在高温条件下，而在中低温环境下表现不佳。这种性能上的不均衡严重制约了它们在更多应用场景中的使用，尤其是在需要在较宽温度范围内保持稳定性能的场合。

为了解决这一问题，研究团队将目光投向了CMO和SiC的复合材料。CMO作为一种低成本的尖晶石型材料，主要由铜和锰这两种过渡金属元素构成，其高价态有助于电子的离域化，从而增强红外辐射性能。然而，单相的CMO在室温或更低温度下红外辐射性能有限，这使得提升其在中低温下的表现成为亟需解决的问题。而SiC则因其在3-5微米波段的优异红外辐射性能，被广泛应用于高温红外材料领域。然而，SiC在氧气环境中容易发生氧化反应，特别是在800°C以上的高温条件下，这种氧化现象会显著影响其稳定性，从而限制了其在高温空气环境中的应用。

针对上述问题，研究团队提出了一种创新的材料设计策略，即通过将SiC均匀地封装在具有褶皱表面的CMO微球内部，构建出一种具有分层结构的复合材料。这种设计不仅保留了CMO在高温下的红外辐射性能，还有效提升了其在中低温范围内的表现，同时避免了SiC直接暴露在空气中所带来的氧化风险。具体而言，通过喷雾干燥法和后续低温退火工艺，研究团队成功制备了CMO-S复合微球，并对其中SiC的含量进行了精细优化，最终确定了10 wt% SiC含量的CMO-S10样品为最优选择。

CMO-S10样品在多个方面表现出卓越的性能。首先，其具有最大的比表面积（88.5 m2/g），这有助于提高材料的热辐射效率。其次，该样品富含氧空位（41.50%），氧空位的存在可以增强材料的晶格振动吸收能力，从而提升红外辐射性能。此外，CMO-S10的带隙值最小（1.11 eV），这进一步促进了其在红外波段的辐射能力。这些因素共同作用，使得CMO-S10在3-5微米波段的红外辐射性能达到0.935，这一数值在30°C的测试条件下尤为突出。而在300°C的测试条件下，CMO-S10的红外辐射性能更是达到了0.944，显示出其在高温条件下的卓越表现。

除了在3-5微米波段的优异性能，CMO-S10还展现出在8-14微米波段的高效热辐射能力，这使其在宽温度范围内（从30°C到500°C）都能保持良好的热辐射性能。这种性能的全面提升，使得CMO-S10在实际应用中具有显著的优势。例如，当将其作为红外辐射涂层应用于LED灯的铝制散热器时，CMO-S10的多孔结构和褶皱表面有助于形成大量微孔，从而显著改善涂层的光学吸收性能。实验结果显示，CMO-S10在500°C的测试条件下红外辐射性能达到0.937，同时显著提高了热效率，展现出广阔的应用前景。

为了实现上述性能的提升，研究团队采用了一种两步合成策略。首先，通过喷雾干燥法将SiC粉末与CMO前驱体溶液均匀混合，形成具有多孔结构的复合微球。随后，通过低温退火工艺进一步优化微球的结构和性能。这种两步合成策略不仅提高了材料的均匀性和微观结构稳定性，还避免了传统方法在材料合成过程中可能出现的批次效率低和成分分散不均的问题。此外，喷雾干燥法本身具有连续生产能力，使得该方法在大规模工业生产中具备良好的可行性。

从材料性能的角度来看，CMO-S10的多孔结构和SiC的封装设计为其在中低温下的优异红外辐射性能提供了基础。多孔结构能够增加材料的比表面积，从而增强其对红外辐射的吸收和发射能力。同时，SiC的封装有效隔绝了氧气与SiC的直接接触，显著抑制了其在氧气环境中的氧化反应，从而延长了材料的使用寿命。这种结构设计不仅提高了材料的热稳定性，还增强了其在复杂环境下的适应能力。

在实际应用中，CMO-S10展现出的优异性能使其在多个领域具有巨大的应用潜力。首先，在工业炉的应用中，CMO-S10能够显著提高热传递效率，降低能耗，从而实现节能减排的目标。其次，在军事和航空航天领域，CMO-S10的高效热辐射能力可以用于红外隐身技术，提高设备的隐蔽性和安全性。此外，在医疗健康领域，CMO-S10的红外辐射性能可以用于非接触式体温监测和热疗设备，为医疗技术的发展提供新的材料选择。在环保领域，CMO-S10的广泛应用有助于减少传统能源的消耗，降低碳排放，推动绿色可持续发展的实现。

从更深层次的材料科学角度来看，本研究不仅为CMO和SiC的复合应用提供了新的思路，还为高效红外辐射材料的理性设计和构建提供了重要的理论指导。通过合理调控材料的组成和结构，研究团队成功克服了传统材料在中低温环境下性能不佳的难题，为未来开发更高效、更稳定的红外辐射材料奠定了坚实的基础。这种材料设计策略具有广泛的适用性，可以拓展到其他类似的红外辐射材料体系中，为相关领域的技术进步提供新的方向。

此外，本研究还对CMO-S复合材料的微观结构和物理化学性质进行了系统分析。通过一系列表征手段，如X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）以及比表面积分析等，研究团队全面揭示了CMO-S10材料的结构特征和性能来源。这些表征结果不仅为材料的优化提供了依据，也为后续的材料改性研究提供了重要的参考数据。例如，通过分析CMO-S10的氧空位含量和带隙值，研究团队能够进一步理解其在不同波段下的红外辐射行为，从而指导更精确的材料设计。

本研究的创新性在于其独特的材料设计策略和精细的工艺控制。通过喷雾干燥法和后续低温退火工艺的结合，研究团队成功实现了CMO和SiC的均匀封装，构建出一种具有分层结构的复合材料。这种结构不仅能够有效提升材料的红外辐射性能，还能够显著增强其在高温空气环境中的稳定性。此外，研究团队对SiC含量进行了系统的优化，确定了10 wt%为最佳比例，这一比例在提升材料性能的同时，也避免了过量SiC可能带来的负面影响，如材料脆性增加和成本上升。

从实际应用的角度来看，CMO-S10的优异性能使其在多个领域具有广阔的应用前景。首先，在工业领域，CMO-S10可以用于改进工业炉的热效率，降低能源消耗，实现节能减排的目标。其次，在军事和航空航天领域，CMO-S10的高效热辐射能力可以用于红外隐身技术，提高设备的隐蔽性和安全性。此外，在医疗健康领域，CMO-S10的红外辐射性能可以用于非接触式体温监测和热疗设备，为医疗技术的发展提供新的材料选择。在环保领域，CMO-S10的广泛应用有助于减少传统能源的消耗，降低碳排放，推动绿色可持续发展的实现。

在材料科学的发展过程中，性能优化和结构设计一直是研究的核心内容。本研究通过合理的材料设计和精细的工艺控制，成功提升了CMO在中低温环境下的红外辐射性能，同时有效抑制了SiC的氧化反应。这种材料设计策略不仅为CMO和SiC的复合应用提供了新的思路，还为高效红外辐射材料的理性设计和构建提供了重要的理论指导。未来，随着对材料性能需求的不断提高，这种分层结构的复合材料有望在更多领域中得到应用，推动相关技术的进步。

总之，本研究通过创新的材料设计和工艺优化，成功制备出一种具有优异红外辐射性能的CMO-S复合材料。该材料不仅在高温下表现出卓越的性能，还在中低温环境下展现出显著的提升。这种性能的全面提升，使其在多个关键行业具有广阔的应用前景，为节能减排、绿色可持续发展以及新型材料的开发提供了重要的支持。未来，随着对材料性能研究的不断深入，这种复合材料有望在更多领域中发挥重要作用，推动相关技术的发展和应用。