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中国科学：材料科学（英文）
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中国科学：材料科学（英文）/EISCI
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    用于光电共调制神经形态计算的氧化锌-氧化铟锡/氧化钨异质结忆阻器

    潘建勇吴彤杨文豪李阳...
    2838-2847页
    查看更多>>摘要：传统晶体管在大规模神经形态系统中面临计算能力不足和功耗过高的严峻挑战.为了解决这些关键问题,我们提出了一种基于氧化锌-氧化铟锡/氧化钨异质结的光电忆阻器,作为解决上述问题的有效方案.通过应用不同类型的电和光信号,该器件成功模拟了多种突触功能,包括短期/长期突触可塑性以及短期/长期记忆.引入氧化锌-氧化铟锡功能层增强了基于氧化钨忆阻器的光响应,并展示了光调制下的"学习-遗忘-再学习"行为.此外,在光电协同忆阻器阵列的基础上,我们构建了用于车型识别的卷积神经网络,解决了零权重和负权重实现复杂的问题.在功耗方面,使用该器件构建的神经网络仿真功率仅为10-3W,与标准中央处理器相比至少降低了4个数量级.因此,这项工作所提出的光电忆阻器为神经形态计算提供了新的思路,有望推动高能效类脑计算的发展.

    ZnO-ITO/WO3-x heterojunctionoptoelectronic memristorsynaptic plasticityneuromorphic computingcon-volutional neural network

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    三维/一维钙钛矿异质结应用于稳定的三态突触忆阻器

    龚佳琦季石磊李锦添魏蝴蝶...
    2848-2855页
    查看更多>>摘要：忆阻器在神经网络计算中具有巨大潜力.由于其独特的离子迁移和电荷输运特性,钙钛矿忆阻器在外加电压下展示出高阻态和低阻态的优异电阻开关特性.然而,传统三维(3D)钙钛矿的稳定性问题仍然具有挑战.本文在3D钙钛矿薄膜上原位形成了一维(1D)(CH3)3SPbI3钙钛矿钝化层,并将其应用于稳定的突触忆阻器.由于异质结电场和离子迁移的耦合机制,忆阻器具有三阻态.忆阻器的开关比从未插入1D层的10,提高到60以上.经过103秒读取和300开关周期后,3D/1D钙钛矿忆阻器的电阻特性保持不变.通过控制输入电压,忆阻器表现出多项突触可塑性行为,包括长期延时、长期抑制和配对脉冲促进.显然,这种新型器件为下一代神经形态计算提供了新的候选者.

    memristorperovskite heterojunctionone-dimen-sion(CH3)3SPbI3synaptic function

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    阻变行为可调控的物理瞬态异质结构忆阻器及安全神经网络构建

    孙静王湛王欣媛周颖...
    2856-2865页
    查看更多>>摘要：作为生物体的重要指挥中心,大脑能够通过神经网络执行多种智能交互,包括记忆、学习和认知.近年来,基于忆阻器实现的人工突触和人工神经元构建神经网络作为一种极具前景的技术,已经得到了广泛的研究.然而,人工智能设备中的多重信息交互对信息安全构成潜在威胁.本文提出了物理瞬态形式的异质结构Ag/MgO/SiNx/W忆阻器,通过调整SiNx层的厚度分别实现了可重构阻变特性和易失性阈值开关特性,并从导电细丝的形成及其界面迁移特点出发阐述了该忆阻器的阻变机制.代表性的神经功能包括短时可塑性、短时可塑性向长期可塑性的转化以及神经元的整合-放电等神经拟态功能均可基于该忆阻器进行形象模拟.此外,我们还探索了与器件瞬态行为相关的溶解动力学,并利用水辅助转移法在可溶于水的聚乙烯醇衬底上构建了瞬态形式的神经形态器件阵列,其在室温下的去离子水中浸泡10 s后就可完成物理形态的完全消失.该物理瞬态忆阻式神经形态器件对于人工神经网络应用中的信息安全加固具有重要意义.

    memristorphysically transientcontrolled resistive switching behaviorinformation security

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    晶硅太阳电池中高性能SiOx/MgOx电子选择性接触

    李坤高锟王心雨娄心亮...
    2866-2872页
    查看更多>>摘要：金属和硅接触区域的高载流子复合损失是限制晶硅太阳电池的光电转换效率的主要因素之一.基于金属化合物的载流子选择性接触正在被集中开发以解决这个问题.在本工作中,我们提出了一种用于晶硅太阳电池的高性能电子选择性钝化接触SiOx/MgOx.SiOx/MgOx由热生长的SiOx(～0.7nm)和热蒸发的MgOx(～1.0nm)制备.通过测量表面钝化性能和接触电阻率(ρc)研究了SiOx/MgOx电子选择性钝化接触.结果表明,优化的SiOx/MgOx接触在n型晶硅表面上显示出非常低的ρc(3.4 mΩ cm2)和好的表面钝化.在具有全面积SiOx/MgOx背接触的n型c-Si太阳能电池上实现了 21.1％的高光电转换效率.

    crystalline silicon solar cellelectron-selective contactmagnesium oxide

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    光子诱导硅异质结太阳电池性能变化的机理

    邓琦叶浩然黄圣磊孙泽华...
    2873-2879页
    查看更多>>摘要：短波长紫外(UV)光子会对氢化非晶硅薄膜以及硅异质结(SHJ)太阳电池和组件的性能造成不利影响.本研究探讨了光子诱导性能变化的影响和潜在机制.紫外光会破坏Si-H键,导致本征和掺杂氢化非晶硅(a-Si∶H)薄膜中的氢含量显著降低,这一过程破坏了界面钝化,导致SHJ太阳电池和组件的退化,主要表现为开路电压(Voc)和填充因子(FF)的降低.SHJ太阳电池正面紫外光辐照后,Voc和FF分别降低1.38％和2.28％,效率下降2.28％.对于从背面照射的电池,Voc和FF分别降低约1.96％和2.73％,导致总效率降低约3.58％.然而,对于正面照射的电池,随后的光浸润使Voc和FF分别增加了约0.96％和1.37％,从而使总效率提高了约2.51％.综上所述,光浸润是恢复紫外辐照对SHJ太阳电池性能损失的有效措施.本研究阐明了a-Si∶H薄膜、SHJ太阳电池和组件在紫外辐照和光浸润下性能变化的影响机制,为开发高效可靠的SHJ器件提供了重要贡献.

    silicon solar cellsheterojunctionUV irradiationlight soakinghydrogen content

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    一种调节锂多硫化物氧化还原性和锂负极稳定性的金属有机盐电解质添加剂

    孟怡轩张梅芳王有亮刘琛...
    2880-2888页
    查看更多>>摘要：锂硫电池具有较高的理论比能,被认为是极具发展前景的下一代储能系统之一.然而,多硫化锂的穿梭效应和锂阳极的界面不稳定性严重阻碍了锂硫电池的实际应用.利用添加剂优化电解液的组成可以显著提高电池的性能.本工作中,我们提出了一种有机金属盐,即溴化镍-二甲氧基乙烷(NiBr2DME)作为电解质添加剂,它具有调节LiPSs氧化还原和稳定锂阳极的双重功能.我们发现NiBr2DME可以通过Ni-S和Li-Br键与LiPSs相互作用,加速了 LiPSs的相互转化,从而减少了 LiPSs在电解质中的积累.此外,NiBr2DME能在锂金属表面形成稳定的含LiBr界面层,促进锂离子的均匀电沉积,抑制锂枝晶的形成.使用浓度为0.5 mmol L-1 NiBr2DME的Li-S电池在0.2 C下的初始容量为919.8 mAh g-1,循环100次后容量保持率高达89.3％.即使在4 C的速率下,也可以实现602.9 mAh g-1的高放电容量.在含硫量为4.8 mgcm-2、液硫比为5μLmg-1的较差电解质条件下,电池仍能保持良好的循环性能.本研究为实现抑制穿梭效应、调控LiPSs氧化还原和稳定锂阳极提供了积极的解决方案.

    Li-S batterieselectrolyte additivenickel bromide dimethoxyethaneregulating LiPSs redoxstabilizing Li anode

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    锌碘电池中磺酸功能化的一石二鸟策略:碘限制器和均匀镀锌引导层

    屈文涛温晨玉陈宝辉蔡勇...
    2889-2897页
    查看更多>>摘要：锌碘水电池(Zn-I2)作为一种新兴的氧化还原转化储能系统以其低成本和高安全性引起了广泛的研究兴趣.然而,氧化还原转化不完全导致的多碘化物穿梭效应,以及锌阳极表面锌镀层的不均匀性,始终阻碍着锌碘电池的商业应用.本文报道了一种针对长寿命Zn-I2电池的"一石二鸟"策略.根据这一策略,磺酸功能化碳纤维不仅可以作为出色的碘限制器抑制碘物种的穿梭,还可以作为锌阳极表面的均匀镀锌引导层防止Zn2+的不均匀沉积.因此,这种电池具有出色的循环稳定性(在5 A g-1条件下循环10,000次后,容量为124 mAh g-1).理论计算表明,磺酸基团成功地诱导了碳基底上的电荷再分布,从而加强了碘物种与碳基底的电子相互作用.电荷富集的磺酸基团可通过与Zn2+的强烈库仑效应引导Zn2+均匀沉积.这项研究为可充电电池阴极和阳极的一体化设计提供了新的视角.

    sulfonate-functionalizationiodine limiteruniform depositionZn plating guidance layerZn-iodine batteries

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    两性离子添加剂调控界面微环境实现水系锌离子电池长循环

    谢雅雯冯爽郜杰昌程涛...
    2898-2907页
    查看更多>>摘要：水系锌离子电池(AZIBs)作为极具发展前景的储能系统由于具有低成本、高安全性等优点受到了广泛的关注.然而,锌负极表面严重的副反应,特别是复杂的析氢反应(HER)和锌枝晶生长,给AZIBs的实际应用带来了巨大的挑战.本文通过引入具有等电点特性的两性离子牛磺酸,作为电解质添加剂,有效调节其净电荷以适应微环境的变化来构建钝化层从而稳定锌负极.实验和理论结果表明,牛磺酸在碱性界面微环境中能够与Zn2+发生螯合作用并在锌负极表面原位形成疏水且亲锌的钝化层,同时动态缓冲pH值的变化,从而抑制了HER和枝晶生长.因此,在含牛磺酸添加剂的电解液中,Zn||Zn对称电池可以稳定循环1800小时以上(5 mA cm-2和5 mAh cm-2).此外,采用NH4V4O10正极和锌负极的全电池在1200次循环后也具有高达89.8％的优异容量保持率.这种可以良好适应微环境的添加剂为减轻电池副反应,从而实现高性能水系锌离子电池的实际应用提供了新的思路.

    aqueous zinc-ion batteriespassivation layerpH bufferinterfacial microenvironmentzwitterionic additive

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    基于富缺陷超细电催化剂的500 mW cm-2水下Zn-H2O2电池

    周猛符奎邢沂海刘建灵...
    2908-2914页
    查看更多>>摘要：水系金属-H2O2电池作为新兴的动力电池,因其理论能量密度大,在各种应用领域受到关注,特别是水下环境.然而,由于金属的自腐蚀现象,大多数基于Mg/Al或其合金的金属-H2O2电池的峰值功率密度小于300 mW cm-2.本文报道了一种基于多功能单细胞链生物质合成超细豆荚状ZnCo/N掺杂电催化剂的方法,并成功应用于高功率Zn-H2O2电池.电催化剂在皱褶界面上提供了丰富的催化活性位点,并且,由于采用的根状碳纳米管阵列,缩短了电子/离子转移路径.因此,优化后的电催化剂表现出优异的ORR活性,具有较高的E1/2(0.90 V)和Eonset(1.01 V)值.更重要的是,Zn-H2O2电池实现了创纪录的510mWcm-2的最大功率密度和953 Wh kg-1的高比能密度.

    electrocatalystbiomassoxygen reduction reactionZn-air cellZn-H2O2 battery

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    针对不同商业聚丙烯腈的结构与性能的普适性优化研究

    易义坤海峰陈文婷高昕...
    2915-2924页
    查看更多>>摘要：硫化聚丙烯腈(SPAN)具有优异的稳定性、安全性、低成本和高容量,被认为是下一代锂离子电池极具潜力的正极材料.然而,在市场上来自不同供应商、价格各异的聚丙烯腈(PAN)在物理和化学性质上存在显著差异,导致其在锂电池体系中的性能表现出较大差距.通过研究其机理,我们发现PAN共聚结构会导致链段堆叠,从而阻碍硫和锂离子的嵌入.在此我们提出了一种通用策略,即通过外源添加剂对不同PAN原料进行改性,优化框架结构,并明显提高电池容量和循环性能.结果显示,原始容量较差的共聚型SPAN的容量几乎提高了一倍,达到500 mAh g-1以上,可与高质量但昂贵的进口产品相媲美;对于初始容量较高但在醚基电解质中严重衰退的产品,改性后可使其在400次循环中保持稳定.这一策略为SPAN改性提供了另一种简单、低成本的途径,可推动锂-硫化聚丙烯腈电池的大规模开发.

    copolymerization structureuniversal strategyexo-genous additiveSPAN modification

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