强磁场下三元层状金属氮化物材料合成及性能调控研究

Ternary layered metal nitride materials exhibit a number of important physical properties such as superconductivity, catalytic activity, unusual magnetic properties, and so on. Meanwhile, the much larger room-temperature thermopower, higher electric conductivity and quasi-two-dimensional crystal and electronic structure makes it a suitable material system for both the basic and application research. In this project, we focus on the AMN2（A=Sr，Ba; M=Ti, Zr, Hf）series materials, especially the materials with the KCoO2 structure, such as: SrTiN2, BaZrN2, BaHfN2, and so on. We try to control the surface morphology, crystal structure and related physical properties through the magnetic-field assistant growth. We also try to clarify the relation between the microstructure and magnetic, electric and thermal transport properties of these materials combined with an element substitution method. Through this study, we hope to give a deep understand on the basic properties of these layered nitride materials and find some related new phenomena and laws of physics. And also, we try to find an effective route to improve the functional properties of the material, especially the thermoelectric property. We think that the successful study of this project can provide a good experimental and theoretical guidance on the future research of this new layered thermoelectric compounds.

三元层状金属氮化物在室温时具有较大的热电势，金属性导电行为及准二维晶体和电子结构，被认为是一种很有潜力的新型热电材料。同时，它们还具有超导电性、催化活性及较为奇异的磁性等功能属性，使得该类材料在基础和应用领域都有很大的研究价值。本项目拟以三元层状金属氮化物AMN2（A=Sr，Ba; M=Ti, Zr, Hf）材料为研究对象，重点关注SrTiN2、BaZrN2、BaHfN2等具有KCoO2型结构材料，通过在不同强度的磁场中对材料进行原位合成或后退火处理，利用强磁场对材料的生长过程进行诱导调控，结合元素掺杂手段系统研究强磁场下材料制备工艺对其形貌和微结构的影响及其与磁性、电输运及热输运性质之间的关联，发现新的物理现象和规律，探索其中的内在机制，加深对材料本征性质的理解，寻找改善此类材料功能属性特别是热电性能的有效途径，为新型层状化合物热电材料的探索和发现奠定实验基础和理论指导。

三元层状金属氮化物具有高比容量、高导电性、高化学稳定性和热稳定性等优点，是有潜在应用价值的新型储能材料。在本项目中，我们选择三元层状金属氮化物NiCoN为研究对象，系统研究了材料结构、形貌与性能间的关联，关注了磁场下样品合成制备工艺对材料形貌、微结构和性能的影响。通过静电喷雾技术在泡沫镍衬底上获得了一种层状镍钴氮化物NiCo2N薄膜材料，该材料用作锂离子电池负极材料时表现出优异的性能，研究发现材料的多级多孔结构是其高性能的主要起因。通过对NiCo2N粉体材料进行非原位XRD、HRTEM以及EIS测试分析，深入研究了材料在电化学过程中的转化反应机理，确定了材料具有优异循环稳定和倍率性能的起因。在碳布集流体上通过原位生长结合氨气中后热处理方法获得了三元金属氮化物Ni-Co-N正极材料和二元金属氮化物VN负极材料。由它们组建的全氮化物柔性超级电容器器件表现出优异的性能，在800μWcm-2的功率密度下具有106μWhcm-2的高能量密度，经过6000圈循环，器件的容量保持率为82%。在不同磁场条件下进行了Co3V2O8的合成制备研究，发现磁场诱导可加速反应过程中的“奥斯瓦尔德”熟化，形成具有核壳结构的多孔微米球结构，极大地改善了材料的性能。上述研究为磁场下三元层状金属氮化物及其它相关材料的合成制备及性能改善奠定了基础。