BaTiO?中氧空位与压电场的协同超声工程研究，用于高性能Li-Co?电池

《Journal of Alloys and Compounds》：Synergistic Ultrasound Engineering of Oxygen Vacancies and Piezoelectric Fields in BaTiO 3 for High-Performance Li-CO 2 Batteries

Al5CN3纳米层状薄膜通过磁控溅射在AlN/Al2O3衬底上制备，温度650-800°C。XRD、XPS及TEM显示其具有AlN与Al2C/Al2C2交替的层状结构，缺陷较多。硬度达18-19 GPa，显著高于MAX相，源于强三维键合；带隙1.8-2.9 eV，温度影响显著。首次实验验证其半导体特性及力学性能，为新型陶瓷材料开发提供依据。

　　铝碳氮化合物Al?C?N是一种具有纳米层状晶体结构的材料，其结构由交替排列的AlN层和Al?C或Al?C?层组成。由于其合成需要高温条件，导致其物理和化学性质尚未被广泛研究，因此其潜在应用也处于探索阶段。然而，与其他具有类似结构的纳米层状材料如MAX相相比，Al?C?N可能在薄膜材料领域展现出独特的性能。本研究旨在通过磁控溅射技术在AlN(001)/α-Al?O?(001)基底上沉积单相且具有取向生长的Al?C?N薄膜，并首次对这一相的能带隙和机械性能进行实验评估。

纳米层状材料通常表现出优异的物理和化学特性，例如良好的热稳定性、机械强度和电学性能。这类材料的结构特点在于其由多个二维层组成，这些层之间通过弱的范德华力相互作用，从而赋予其独特的性质。MAX相是一种典型的纳米层状材料，其结构由A原子层夹在MX层之间构成，这种结构使其在机械性能和热稳定性方面表现出色。在MAX相的基础上，研究者发现Al?C?N可能具有类似的层状结构，但其具体的性能表现仍需进一步实验验证。

本研究的实验设计基于磁控溅射技术，该技术是一种广泛应用于薄膜沉积的物理气相沉积方法。实验中使用了超高真空（UHV）磁控溅射系统，以确保沉积过程中的纯净度和可控性。系统配备了四个3英寸的磁控溅射靶，其中两个为碳靶，一个为铝靶，氮气则作为氮源。通过调节溅射功率、氮气比例等参数，研究者尝试在不同的沉积温度下（650°C和800°C）制备Al?C?N薄膜。实验过程中，研究者特别关注于避免形成竞争相，如金属铝和AlN，这些相的出现可能会影响最终薄膜的性能。

为了确保Al?C?N薄膜的纯度和结构完整性，研究者进行了大量的预筛选实验。这些实验涉及不同的工艺参数，包括溅射功率和氮气比例的调整。在某些参数条件下，观察到了金属铝的存在，这种现象可能与沉积过程中碳和氮的比例失衡有关。金属铝在空气中容易氧化，从而导致薄膜结构的不稳定性。因此，研究者在实验中特别强调了控制Al:C:N比例的重要性，以确保薄膜能够保持其层状结构并表现出预期的性能。

通过X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）和透射电子显微镜（TEM）等多种表征手段，研究者对沉积的Al?C?N薄膜进行了详细的结构分析。这些方法能够提供关于薄膜晶体结构、化学组成和微观形貌的信息，从而帮助研究者确认薄膜是否成功形成并保持了所需的层状结构。此外，研究者还利用光学吸收实验和纳米压痕技术对薄膜的能带隙和机械性能进行了评估。

实验结果显示，在650°C和800°C的沉积温度下，Al?C?N薄膜表现出不同的能带隙特性。在650°C沉积的薄膜中，能带隙分别为2.2 eV和2.9 eV，而在800°C沉积的薄膜中，能带隙则降低至1.8 eV和2.5 eV。这一结果表明，Al?C?N的能带隙可能受到沉积温度的影响，这种影响可能与薄膜内部的结构变化有关。此外，纳米压痕测试表明，Al?C?N薄膜的硬度约为18-19 GPa，显著高于MAX相的硬度。这一结果可以归因于Al?C?N中AlN与Al?C/Al?C?层之间的强键合，使得该材料具有更三维的结构特征，从而提升了其机械强度。

尽管Al?C?N在高温下可以形成具有特定结构的晶体，但在常温下其合成仍面临挑战。因此，本研究的成果对于理解Al?C?N在薄膜状态下的性能具有重要意义。通过磁控溅射技术成功沉积出单相且具有取向生长的Al?C?N薄膜，不仅为该材料的进一步研究提供了实验基础，也为未来在电子器件、热管理材料和机械结构材料等领域的应用打开了新的可能性。

在本研究中，研究者还讨论了Al?C?N与其他铝碳氮化合物之间的关系。例如，Al?C?N?和Al?C?N?等相可能通过在Al?C?N的结构中引入额外的AlN层而形成。这些相的结构特点可能与Al?C?N相似，但具体的晶体结构和性能可能会有所不同。研究者指出，Al?C?N的能带隙可能可以通过调整其化学组成而进行调控，这为开发具有特定性能的铝碳氮化合物薄膜提供了理论依据。

此外，研究者还提到，Al?C?N可能具有潜在的机械性能，这使得其在需要高强度和耐久性的应用中具有吸引力。例如，在高温和高压环境下工作的机械部件，或者需要良好热稳定性的电子器件，都可能受益于Al?C?N的优异性能。然而，目前对于Al?C?N的机械性能仍缺乏系统的研究，因此进一步的实验和理论分析将有助于更全面地了解其性能潜力。

本研究的实验方法和结果也为其他纳米层状材料的制备和性能研究提供了参考。通过优化沉积参数，研究者成功实现了Al?C?N薄膜的单相沉积，并验证了其结构和性能。这一成果表明，磁控溅射技术可以作为一种有效的手段，用于制备具有特定结构和性能的纳米层状材料。同时，研究者也指出，在未来的实验中，需要进一步探索不同沉积条件对薄膜性能的影响，以及如何通过调控化学组成来实现更精确的性能优化。

总之，本研究通过磁控溅射技术成功制备了单相且具有取向生长的Al?C?N薄膜，并首次对这一材料的能带隙和机械性能进行了实验评估。研究结果表明，Al?C?N在高温下可能表现出优异的机械性能和可调的能带隙特性，这为该材料在薄膜材料领域的应用提供了重要的理论和实验依据。未来的研究可以进一步探索其在不同应用场景中的性能表现，并开发更高效的制备工艺以满足实际需求。